第4章 正弦振荡器

2023/2/51第四章正弦振荡器第六节RC振荡器第一节反馈振荡器的基本原理第二节三点式LC振荡器第三节石英晶体振荡器第四节压控振荡器第五节集成电路振荡器2023/2/52概述以前学过的放大器都是在外界激励信号的作用下，将信号能量转换成交流能量。我们设想，如果从输出反馈到输入（正反馈）作为激励信号，也能完成直流能量转换为交流能量，这就是本章要讲的振荡器。振荡器分类：分为正弦振荡器和非正弦振荡器一、按振荡波形分：分为高频振荡器

和低频振荡器二、按频率分：三、按振荡原理分：分为反馈型振荡器和负阻型振器分为LC振荡器和RC振荡器四、按选频回路分：2023/2/53对振荡器性能的要求：

1．振荡频率和频率稳定度高

2．振荡幅度和振荡稳定度高

3．波形纯度好振荡器的组成（三部分）：

1．控制能量转换的有源器件

2．具有正反馈的选频网路

3．稳幅的限幅电路（通常由有源器件本身完成）下面首先分析振荡器的基本理论，然后据前述性能要求对各种振荡器进行讨论。2023/2/54第一节反馈振荡器的基本原理一、振荡的必要条件一般情况下，反馈振荡的框图可表示为：此即著名的巴克豪森条件。将上式分解为幅值条件和相位条件：表明补充能量等于消耗能量表明正反馈因此正反馈是振荡的必要条件。显然当即产生自激振荡反馈振荡器方框图幅值条件相位条件2023/2/55下面以互感耦合LC振荡器为例来具体讨论：如果不看反馈电路，它就是典型的调谐放大器。输入信号Ui经过放大在LC两端输出Uo。当谐振时Uo与Ui反相，经过互感耦合在次级得到反馈电压Uf。按图示同名端，Uf=Ui,形成了正反馈环路，构成了自激振荡器。图4-3互感耦合LC振荡器2023/2/56二、振荡器的起振过程和起振条件起振过程：起振之初，当电源一闭合，电流呈阶跃信号，它包含有各种频率成分。通过LC回路的选频作用，只有和回路谐振频率相同的成分被放大，产生Uf，当电压回输到输入，再进一步放大，如此下去便由小到大的振荡起来。这个振荡不断增长的过程即是起振过程。根据以上分析，可直接写出振荡器的起振条件：即AB>1,表明补充能量>消耗能量表明是正反聩分解后得：2023/2/57三、平衡过程和平衡条件起振之初是增幅振荡，但这种增幅不会一直“增”下去。这主要是由于管子非线性和限幅作用，使A随Ui增长而下降，直到|AB|=1，进入等幅状态为止。大信号情况下，振荡器工作在丙类，按折线性分析法，有显见其中称平均跨导2023/2/58三、平衡过程和平衡条件当下降到AB=1（平衡状态）时，振荡器满足Ui=Uf，保持等幅振荡。∴振荡平衡的幅值条件和相位条件为：

应该指出的是|AB|=1φA+φB=2nπ(n=0,1,2…)表明：补充的能量=消耗的能量表明：是正反馈Au起>Au平2023/2/59四、振荡器的稳定条件上述的平衡条件，只能说明能等幅振荡，并不说明这种平衡状态是否稳定。实际上，不稳定因素总是存在的，如Ec、T、RL、Gm、L、C的变化破坏了平衡，最终导致Uo、fo、A的变化。如果不稳定因素去掉后，振荡器仍能回到原来的平衡状态，则称是稳定的，否则称非稳定的。下面我们设法找出稳定平衡的振幅条件和相位条件。平衡时AB=1或A=1/B,B一般与Ui

无关。所以1/B为一条水平线，如图：Au(Gm)UiQUiQ1/BUiAu关系曲线如图所示交点在平衡点Q（一）幅度稳定条件2023/2/510我们考察一下，A在Q点附近变化的情况：若从Q点向右变若从Q点向左变增幅减幅所以我们称Q点为稳定平衡点，显然要使Uo、Ui稳定，必须在振荡平衡点有阻止幅度变化的能力，即A（或Gm）的变化趋势必须同Ui相反。此即振幅平衡的稳定条件。或2023/2/511（二）相位稳定条件不稳定因素也会破坏相位平衡条件，而相位的变化会导致f的变化，这是因为当相当于提前向LC补偿能量,使要使振荡器的相位得到稳定，必须在f变化时，产生反方向的相位变化，以便补偿原来的相位变化，所以相位稳定条件是：实际上，LC回路具有补偿相位变化的作用，为了说明这一点，看其相频特性:当相当于滞后向LC补偿能量,使2023/2/512当外界干扰引入（提前补偿能量）回路引入相移（滞后补偿能量）使f不再增长，当外界干扰撤去反之亦然。应该指出：稳定平衡不应理解为在不稳定因素影响下振幅、相位不变，而是一种振幅和相位上的动态平衡。综合以上分析，可得结论：（1）影响振幅平衡的主要不稳定因素是电阻性的（2）影响相位平衡的主要不稳定因素是电抗性的2023/2/513起振条件：振幅条件相位条件平衡条件：振幅条件相位条件稳定条件：振幅条件相位条件|AB|=1φA+φB=2nπ(n=0,1,2…)|AB|>1φA+φB=2nπ(n=0,1,2…)起振、平衡、稳定三个条件缺一不可。2023/2/5141．长期稳定度：我们通常讲的稳定度是指短期稳定度，它定义为:（三）振荡器的频稳度频率稳定度是衡量振荡器的重要指标，根据测试时间的长短分为：其中第i次测试时的绝对频率偏差绝对频率偏差的平均值——用于天文台或计量单位——用于评价通信测量设备——用于衡量设备的瞬时稳定度2．短期稳定度：3．瞬间稳定度：2023/2/515提高稳定度的措施，主要从两方面着手：减小外界因素的变化；提高电路本身抵抗外界因素影响的能力。1．减小外界因素变化的影响：可采用稳压、温补、恒温、屏蔽等方法。2．提高电路抵抗外界因素变化影响的能力：（1）提高电路的标准性（2）选取合理的电路形式。2023/2/516第二节三点式LC振荡器前述的LC互感耦合振荡器具有电路简单，易起振等特点但其频稳度较低（和晶体管参数有关），振荡频率不高。目前分离电路中采用较多的是三点式LC振荡器。本节就典型的三点式振荡器进行分析和讨论。一、三点式电路的组成法则三点式振荡器：指LC回路的三个端点分别接在晶体管三个极而组成的振荡器。2023/2/517我们首先分析在满足正反馈时，LC回路中三个电抗元件应具有什么性质。为简单起见，假设：（1）晶体管的内部附加相移忽略不计（2）谐振时，谐振电流I>>Ic、Ib（3）LC回路中的损耗可略由图可见三点式LC振荡器IIbIC三点式振荡器的原理图如图：2023/2/518∴在三点式电路中，LC回路中与发射极相连的两个电抗元件(Xbe、Xce)必须为同性质；另一个电抗元件必须为异性质。这是三点式电路的组成法则，有时也称为三点式振荡器的相位平衡法则。显然要使φB=π，Xbe和Xce的性质必须相同。由相位平衡条件：φA+φB=2π∴φA≈π，因此放大器的负载必须为纯阻。这发生在LC回路谐振时，即Xbe+Xce+Xbc=0或Xbc=-(Xbe+Xce)即Xbc与Xbe、Xce的性质相反。当Xbe、Xce为电容时，称电容三点式振荡器，也称科皮兹（Colpits）振荡器；当Xbe、Xce为电感时，称电感三点式振荡器，也称哈特莱（Hartley）振荡器。2023/2/519二、电容三点式振荡器各元件作用：Lc高频扼线圈，通直隔交；CB通交隔直。使交、直流不致相互短路。1．交流通路（如图）由于满足相位平衡准则，只要再满足振幅条件，即可正常工作。2．振荡频率和振荡条件振荡器平衡状态下，其可采用大信号等效电路，如图电路如图：LC2C1C2C1LGieG0eGmIb/GieGoeIIbICEcRb1Rb2ReCBC2C1CeLLc2023/2/520其中，流源由图列出回路方程上式为线性齐次方程组,所以Ib、Ic、

I不为0的充分必要条件是系数行列式D=0,这就是待求的特征方程式。D=0,它的实部和虚部均为0.转换成压源C2C1LGieG0eGmIb/GieGoeIIbIC2023/2/521令D的虚部等于0,可求出振荡频率显然,振荡器工作时,LC回路处于失谐状态,但通常令D的实部等于0,可得振荡平衡条件由此可求出起振条件(gm)min~起振所需的最小跨导。2023/2/522根据等效电路,可求得所以起振条件可改写为一般说来,有利起振,但这是有条件的,其条件是gie对LC回路的作用小到可忽略的程度,同时r极小,此时

;如果gie较大,则起振条件中的第二项不可忽略,此时,反而不易起振,那么最佳反馈系数应为多少呢?C2C1LGieG0eGmIb/GieGoeIIbICUfUo+--+2023/2/523令求得最佳反馈系数在以上推导中,认为r=0,若考虑r0,则起振条件应为其中其中rGPGP’LC1C22023/2/524例4-1

一Colpitts振荡器，L=50uH,C1=200pF,C2=1000pF,LC回路的Q=80,在工作点的gie=1ms,goe=0.02ms,gm=50ms,求振荡频率f和最小跨导(gm)min.解：当Q时，Gp0,

需考虑固有损耗2023/2/525电感三点式振荡器电路三、电感三点式振荡器电路和交流通路如图交流通路L2L12023/2/526振荡频率和振荡条件其分析方法与分析电容三点式相同令特征方程D的虚部为0,得振荡频率:显见,振荡频率略小于0,也处于略失谐状态。2023/2/527令D的实部为0，得起振条件：反馈系数因为L1L2绕在同一骨架上,属全耦合,即K=1,代入上式为兼顾起振和波形,可取N2=(0.1--0.5)N12023/2/528四、两种三点式振荡器的比较电容三点式电感三点式1、制作简单（L无抽头）波形好（因为电容滤除高次谐波性能好）2、频稳度高3、振荡频率高，一般可达几百MHz4、调节f不便用途：用于固定f振荡器1、制作复杂（L有抽头）波形较差（电感对高次谐波呈高阻,滤波性能差）2、频稳度稍低3、振荡频率不高，一般可达几十MHz4、调节f方便5、当f不太高时,较易起振用途：用于可变f振荡器2023/2/529五、改进型电容三点式电路从以上比较可知，电容三点式比电感三点式性能好，但如何减小Cie、Coe对频稳度影响仍是需解决的问题，于是出现了改进电路：克拉泼（clapp）osc；西勒（seiler）osc在colpitts电路基础上在L支路上串联C3，满足C3<<C1、C2，所以又称为串联改进型电容三点式osc基本思想：设法实现管、路分离，以甩掉Coe、Cie的影响。所以其振荡频率与C1、C2无关。1．电路（如图）：（一）克拉泼振荡器2023/2/5302．起振条件：由交流通路可得（一）克拉泼振荡器其交流通路如图：2023/2/531讨论：这都是克拉泼存在的缺点，他只适于频率不太高，频率覆盖系数要求不高的场合。2023/2/5321．电路（如图）：（二）西勒振荡器在clapp电路基础上在L两端并联一个小电容C4，所以又称并联改进型电容三点式电路，取值条件：C3、C4<<C1、C2EcCBC2C1C3C4R2LR1RCReLC1C2C3C4rGpGp’2.交流通路（如图）可见:易起振频率覆盖系数K较大，(因调C4不影响起振条件)可达1.61.82023/2/533两种改进型三点式电路的比较指标克拉泼西勒频稳度较高高幅度特性覆盖系数运用范围不太平稳小(1.2--1.3)用于固定f振荡较平稳大(1.6--1.8)用于可变f振荡2023/2/534第三节石英晶体振荡器石英晶体振荡器的特点是频率稳定度很高。在LC振荡器中，尽管采用了各种稳频措施，但理论与实践都证明它的频稳度很难突破10-5量级。究其原因，就是LC回路的Q值不能做的很高，如果我们用前述的高Q值的晶振来代替LC谐振回路中的电感，其振荡频稳度可提高到10-9以上。泛音晶体振荡器（并联型、串联型）晶体振荡器分为：{基频晶体振荡器（并联型、串联型）2023/2/535构成形式：c-b型（皮尔斯Pierce）电路；b-e型（密勒Miller）电路由于皮尔斯电路无需外接线圈，且稳定度较高，得到广泛采用。一、并联型（基频）晶体振荡器晶体等效为高Q值电感和其它电抗元件一起组成并联谐振电路。(a)C-b型(b)b-e型如图所示。2023/2/536C1C2C0Ct’CqLqrq如果将晶体等效为电感，与前述的克拉泼电路相同，其交流等效电路如图:所以谐振频率皮尔斯振荡器实际电路如图C1CeJTCtC3C2Ec所以晶体工作在感性区,Ct’的作用是使振荡器可微调至晶体的标称频率。2023/2/537二、串联型晶体振荡器特点：JT串接在三点式振荡器正反馈回路中，其框图如右:这实际是一个电容三点式振荡器，此时L和C1、C2调谐于JT的fs，JT本身无相移，显然，这种电路的工作频率决定于fs，它一般适用于几百KHZ到几十MHZ的振荡器。JT典型电路如图：其交流通路如图C2C1JTL晶体等效为短路元件。JTLC2C1EcCc12023/2/538三、泛音晶体振荡器石英晶振的f越高，晶片越薄，所以f的提高受晶体加工困难和机械强度的限制。一般晶体fmax不超过30MHZ，所以当要求较高f时，一般采用泛音晶振。工作在泛音的好处：（1）晶体强度高，易于加工泛音晶体振荡器工作原理和基频晶体振荡器的是一样的，唯一区别在于电路中必须有一种能抑制无用谐波的能力和使泛音晶振工作在指定的泛音频率上的能力。（2）老化效应小（3）稳定度高2023/2/539L1C1Ct’C2JT

并联泛音osc：晶体起电感作用与基频振荡器（皮尔斯osc）相比较,是用L1、C1谐振回路取代皮尔斯振荡器中C1而后构成的。L1、C1谐振回路的作用：指定工作泛音，抑制非工作泛音。对L1、C1谐振回路要求：若JT工作在n次泛音，则L1、C1必须调谐在n~n-2之间，如n=5。则L1、C1回路应调谐在3~5次之间。如可选。当f0=5MHZL1C1呈容性，满足相位平衡条件，而对基频和3次泛音频率L1C1回路呈感性，不满足三点式电路的相位条件，电路不能起振；而对7次和9次泛音频率，L1C1回路虽呈容性，但幅值很小，不能满足幅值条件，所以电路只能可靠的工作在5次泛音频率上。原理电路如右图:2023/2/540第四节压控振荡器荡利用压控器件，使其成为LC回路中C的一部分，实现以电压控制振荡频率，它被广泛应用于信号控制、直接调频、PLL、频率合成器等。一、对压控振荡器的要求：（1）频率复盖系数大;（2）U变化引起f变化，线性好;（3）压控灵敏度(或压频系数)S(=f/uc)大（4）频稳度较高（5）波形较好2023/2/541+12VCCC7C1C2CbC6C5C4C3LLCT1Rb1ReRCR2R1Rb2CT2u0ui二、电路实例(一)变容二极管VCO某单边带电台频率合成器中所用5565MHzVCO电路如图:CT1CT2LC4C1C2C3L、C组成去耦电路，防止噪声干扰经电源窜入振荡回路，以提高频稳度。R1、R2、

C5、

C6对控制信号滤波。CT1、CT2、C4组成等效电容与C3、C1、C2、L组成LC振荡回路。其交流通路如图所示：2023/2/542二、电路实例(二)晶体压控振荡器电路与交流通路如图:JTCT1JTR6R5R4R3R2R1C4C3C2C1UoUiEc优点：中心频稳度高缺点：覆盖系数小（频率控制范围窄）为克服这一缺点常采用扩展方法：串联电抗扩展法；并联电抗扩展法2023/2/543（1）串联电抗扩展法-----在晶振支路中串入一个电感（2）并联电抗扩展法-----在晶振支路中并入一个电感LqC0CqLLqC0CqLffBXXLfsfsfs’fpfpfp’B1B2BL它与晶振电抗曲线相加即为扩展后的总电抗曲线。fs’是扩展后的串联谐振频率。合成电纳曲线如图中红线所示。电感的电抗特性XLB1、B2

晶体的电纳曲线；BL--L支路电纳曲线；扩展后串联谐振频率左移，或并联谐振频率右移，使可控电感范围增大，单斜率下降，稳定度降低。fp

fs

~2023/2/544第五节

集成电路振荡器随着电子技术的发展，振荡器也朝着集成化方向发展。尽管电感、电容及晶体调节元件较难集成，但晶体管、偏置电路等都能集成在一个芯片，称为集成组件。LC回路（外电路）+集成组件=集成振荡器，它减小了体积，减少了连线，提高了性能和可靠性。目前，集成电路振荡器多采用差分对管作为有源器件，其原因是：（1）差分对管的差模传输特性线性好，对称性好，可有效地抑制输出谐波，波形纯度高。（2）差模特性的平坦区是由恒流源限制的，并不是管子饱和限制的，所以管子工作不会影响Q值，因而频率和幅度都较稳定。2023/2/545下面介绍几个集成电路振荡器实例：一、差分对管振荡电路1.电路(如图)即满足振荡的相位条件。3.分析由图可见,T1、T2呈CC—CB连接，T2输出低阻与T1输入低阻相匹配，T1输出高阻与T2输入高阻相匹配，具有良好的匹配特性，所以输出幅度大，同时LC回路与高阻相并联，对Q值影响小，所以频率稳定，即频稳度高。T1T2LCu0T1T2CLC1C2ECu0+