第三章-通讯电子电路

1第三章正弦波振荡电路1、振荡器的用途①频率输出：产生稳定而准确的电信号，如信号发生器、时钟源等②功率输出：高频功率源，如医用电疗仪器等2、振荡器的分类波形正弦波振荡器非正弦波振荡器工作原理反馈式振荡器负阻式振荡器本章主要讨论反馈式频率输出正弦波振荡器23.振荡器的组成放大电路选频电路反馈电路非线性元件能量补充稳幅构成振荡频率处的正反馈33.1反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法3.1.1反馈式正弦波振荡电路的工作原理假设：在输入端送一个信号，就会得到及；若，如果将输入端断开，即，仍有，则称之为电路发生了振荡（自激；无输入，有输出）。4一、自激条件①幅度平衡条件：②相位平衡条件：5②相位平衡条件：先决条件充分条件必须同时满足，是维持等幅振荡的条件①幅度平衡条件：（必要条件）6二、振荡幅度的建立和稳定过程1、起振过程当输入，则（开环）∴

起振条件为：即使无输入，vi=0时，vo仍呈上升趋势，vf与vo的正反馈作用使vo越来越大。7最初的信号从哪儿来？含电源冲击信号选频网络反馈放大如LC、RC网络A↓使只在某一特定频率时才成立作用82、稳幅过程

随着vo的增大，晶体管的非线性程度增加，使A↓，最终的平衡点为。结论：振幅的稳定过程，是一个由到的过程，该过程靠电路的非线性自动完成。晶体管或者外接元件非线性使A↓增幅振荡等幅振荡稳幅条件：9

LC正弦振荡电路vi(t),iC(t)和vo(t)的波形图10三、稳定条件为了产生持续的等幅振荡，平衡状态必须是稳定的。①振荡电压,使②振荡电压,使B点稳定的关键：曲线在B点附近具有负斜率幅度稳定条件：1、幅度稳定条件112、相位稳定条件①②相位稳定条件：B点稳定的关键：曲线在B点附近具有负斜率123.1.2正弦波振荡电路的线性频域分析方法分析一个电路能否振荡首先，看其是否正反馈其次，分析平衡条件（相位、幅度），验证是否满足起振条件开环法画交流通路，判别正反馈画微变等效电路，打开环，但保证原工作条件不变计算开环传递函数利用相位平衡条件确定振荡频率利用下的幅度平衡条件，确定晶体管参数13相位平衡条件幅度平衡条件起振条件忽略Ri和Ro的影响：14闭环法列方程组计算机辅助分析153.2LC正弦波振荡电路反馈式正弦振荡器放大电路选频电路反馈电路非线性元件LC并联谐振回路变压器耦合电容、电感反馈式LC并联谐振回路调谐型振荡器三端型LC振荡器LC正弦振荡器:中、高频RC正弦振荡器:低频163.2.1

LC振荡电路的工作状态工作在放大区，易起振，频稳好，但幅度稳定性差，易停振工作点低，比甲类稳定，多为小功率OSC采用甲类甲乙类一、静态工作点和起始值17丙类具有较高的幅度稳定性，多用于大功率OSC，但不能起振

甲乙类运用的振荡幅度比甲类的稳定，实用的小功率OSC多工作在甲乙类。18振荡幅度的建立过程：19采用自偏电路：甲类起振，丙类工作丙类丙类固定偏置电路20二、自偏电路①加直流电流，Q在放大区，，起振。②iC↑→截止区,使iC,iB为的余弦脉冲,且含有直流分量ICO,IBO③IBO不能流过Cb,降在Rb上,且IEO=IBO+ICO,VBEO=VBEQ

-RBIBO-REIEO,使Q点向负偏压方向移动④截止→↓;幅度↑→

Q↓→

ICO,IBO↑→↓↓→为止。213.2.2调谐型振荡电路（变压器耦合OSC）反馈网络由变压器组成:相位平衡条件是靠变压器初、次级绕组具有合适同名端来保证的选频网络由LC谐振回路组成高频输出稳定幅频特性平稳调集调基调射223.2.3三端型LC振荡电路一、选频网络的反相作用开环分析，设设Z为纯电抗元件：23X1和X2同号X3和X1、X2反号X1,X2为电感,

X3为电容(三端电感)X1,X2为电容,X3为电感(三端电容)相位、幅度平衡条件在处：满足24选频网络具有倒相作用谐振时：

对于一个三端型正弦波振荡电路，可以利用公式：X1＋X2＋X3＝0来计算其振荡频率o

。25三端电感振荡电路：26三端电容振荡电路：27补充：

三端型OSC相位平衡条件的简易判别略去RB,RC略去RB,RC三端型OSC相位条件判别:射同基反28具体方法画交流通路图看选频网络是否符合“射同基反”原则由运放构成的三端型OSC电路特点29例：试判断其是否满足自激振荡所需的相位条件。解：(1)由图可知，X1和X1为感抗，要使电路满足自激振荡所需的“射同基反”的相位条件，X3必须为容抗。设L1C组成的串联谐振回路的谐振频率为s，即如果电路的自激振荡角频率为o，要满足电路谐振时X3必须为容抗的条件，则要求o<s。一般来说，电路的振荡频率近似等于回路的谐振频率，即(2)图(b)所示电路，基极所接的两个元件C1、C2均为电容，不满足自激所需要的“射同基反”的相位条件。显然，o<s成立，满足相位条件。30(3)图(c)电路，要求L2C2支路等效为容抗。设L2C2组成的串联谐振回路的谐振频率为s，即如果电路的自激振荡角频率为o，要满足电路谐振时X2必须为容抗的条件，则要求o<s。由于电路的振荡频率近似等于回路的谐振频率，即因此，要求整理得

(4)图(d)所示的电路，必须使L1C1支路为感抗的同时，L2C2支路为容抗，电路才能满足自激振荡的相位条件。设电路的自激振荡角频率为o，必须满足31二、三端电感振荡电路1.交通图，证明满足相位平衡条件3.振荡频率～谐振频率①L1,L2间不存在互感（分立电感）②若L1,L2间存在互感（顺向串联）2.适当选取L1、L2的比值及，满足幅度平衡条件，使324.优缺点①存在M，容易起振②C↗→f0↗，适用于可调f0③受极间电容影响大（并联于L上），因此f0不宜高（一般几十兆赫）。④波形不好，因为vo、vf均与L并联，对高次谐波电抗大，滤除电流谐波的能力差。总之，三端电感型（电感三点式）可用在较宽的频率范围内，但波形较差。33三、三端电容振荡电路1.忽略RB、RC,画出交通图，证明满足相位平衡条件。2.适当选取C1、C2的比值及，满足幅度平衡条件，使3.振荡频率4.优缺点①波形好，因为vf取自C2两端，电容对高次谐波有短路作用。②调频不方便（要求C1、C2同时改变，以防反馈量变化），使用双连电容。③f0受极间电容影响。343.2.4改进型三端电容OSC一、克拉泼电路（串联改进型三端电容）在L支路串联可调电容C:C<<C1,C<<C2优点：f0受极间电容影响小，且调f0（调C）时，不变。缺点：当C↘→↘，不易起振，可调频率范围不宽。35二、西勒电路（并联改进型三端电容）在L两端并联C:C1>>C3,C2>>C3

C1>>C4,C2>>C4改变C4，可改变f0，不影响起振条件，对影响不大，常作波段OSC两种改进型三端电容OSC频稳较高36表3.2.1几种三端型振荡电路的性能比较或名称三端电感（哈特莱）三端电容（科皮兹）串联改进型三端电容（克拉泼）并联改进型三端电容（西勒）振荡频率o近似表达式L=L1+L2+2MC≈C3+C4波形差好好好反馈系数作可变o振荡电路可以不方便方便，但幅度不稳方便，幅度平稳频率稳定度差差好好最高振荡频率几十兆赫几百~几千兆赫百兆赫百兆赫~千兆赫373.2.5结型场效应管OSC场效应管特点：Ri大，噪声低，频稳好一、调栅电路的自激条件（调谐型）①相位平衡条件②幅度平衡条件③振荡频率由交流通路图可知：正反馈全耦合：38二、栅极自给偏压电路1.起振时,vgs=0,id=IDSS，gm最大,Av值最大，满足AF>1,增幅振荡。2.随着iD的增大，振荡幅度↑→产生失真→

RG中的直流分量↑→

︱vGS

︱↑→gm↓→︱Av

︱↓→︱AF︱=1,等幅振荡。39三、JFET三端型电路“源同栅反”403.2.6集成电路振荡器一般需要外接LC选频回路一、差分对管OSC差分对管、偏置电路、隔离放大电路41二、集成LCOSC（E1648）422.实际电路振荡频率

式中Ci≈6pF是E1648第10、12脚间的输入电容。E1648的最高振荡频率可达fOmax=225MHz。电路中，1脚的L2C2回路是为增加输出幅度而连接的，也可不接。当不接入L2C2回路而1脚接＋5V时，从3脚输出的电压的峰–峰值不小于750mV。当1脚接L2C2回路（应调谐于振荡频率），1脚电源电压为+9V时，R（包括负载电阻）取1k，1脚输出功率最大可达5mW（fO＝100MHz）~13mW（fO＝10MHz)。

43三、集成宽带高频正弦波振荡电路

为了满足振幅起振条件,集成放大电路的单位增益带宽BWG至少应比振荡频率fO大1-2倍。为了保证振荡器有足够高的频率稳定度,一般宜取BW≥fo或者BW≥(3～10)fo。集成放大电路的最大输出电压幅度和负载特性也应满足振荡器的起振条件及振荡器平衡状态的稳定条件。44四、运放OSC由于运放输出电阻很小，对选频网络影响较大，所以这种电路用的不多。45作业:3.1.23.2.23.2.3(1)3.2.7463.3RC正弦振荡电路RC正弦振荡电路f较低时，对于LCOSC，由于大电感、大电容较难制作，且体积大，一般选用RCOSC。选用RC电路作移相选频网络，Q值不高，选频能力差，所以放大器多工作在线性放大区需要外接非线性器件来稳幅优点：便于小型化，集成化分类文氏桥RCOSC积分式正交正弦式OSC移相式、双T网络OSC等473.3.1文氏桥RCOSC1、电路原理图选频网络同相放大482、RC串并联网络的选频作用

设集成运放理想，RC串联阻抗为Z1，

RC并联阻抗为Z2，

令：49①当或Vf、Vo同相②当f<<f0超前相移③当f>>f0滞后相移幅频特性和相频特性分别为：

503、振荡条件和振荡频率①相位平衡条件③振荡频率②起振条件改变RC，则fo可调。51所以应该使放大器工作在线性放大区，外接非线性元件（如热敏电阻，场效应管等），使Av可调。4、稳幅措施

RC选频网络Q值低，选择性差，滤除谐波能力差。若靠放大器的非线性→稳幅，波形失真大。52①运放工作在小信号，波形好②自动稳幅例：当vo有变化时，也能够自动调节，稳幅。53③上述电路解决了：－输出幅度的稳定问题－减小非线性失真－易于起振④由于该电路失真度小，一般多用于低频振荡，调节R（双连）。例：545.注意：若采用晶体管放大A网络一般采用两级共射电路若A网络采用单级共射，有180相移若A网络共集电路，Av<1╳╳553.3.2积分式正交正弦振荡电路56作业：3.3.1573.4

正弦振荡的频率稳定问题一、频率稳定度二、LC值变化对频稳的影响与L、C的稳定度（温度系数）有关三、内部相移变化对频稳的影响通信中要求较严，LC振荡器的频稳一般10-2～10-4。例如寻呼系统150MHz，频稳要求2×10－6以上。采用石英晶体是提高频稳的有效途径，可达10-5以上与QT(谐振回路总品质因数)有关：QT↑，频稳↑QHQL583.4.2

石英晶体振荡电路采用石英晶体构成正弦振荡电路，提高在10-5以上一、石英晶振及其特性＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋机械力电荷（电能）1、石英晶体的基本特性——压电效应一定方式切割晶体固有振荡频率就已确定～石英晶体振子符号fI当f=f固有时，振动最强，电流I最大，呈现谐振状态。592、石英晶振的等效电路r(损耗)小，L大，C小，C0>>C，L/C很高，因此Q值较高，可以达104～106以上。基音谐振：泛音谐振：基音谐振的奇次倍。不会同时存在603、电抗特性①串联谐振并联谐振呈感性→等效于电感呈容性→等效于电容②X=0→等效于一条短路线③在OSC中,晶振一般当电感用,或者工作在fs,当短路线用;当晶振呈容性电抗时,曲线变化缓慢,不利频稳,一般不宜使用由特性可知：61二、并联型晶振构成三端型OSC电感1、皮尔斯电路（晶体接在B、C间）

根据晶体在电路中位置的不同，可以构成三端电容电路、或者三端电感电路。例：三端电容电路62说明：由于晶体处在选频网络中的位置不同，因此皮尔斯电路的频率稳定性高于密勒电路。2、密勒电路（晶体接在B、E间）三端电感型63三、串联型晶振短路线（低阻抗）①满足相位条件②使AF>1，能起振。③f0=fs频率稳定度只与晶振有关。例题：当f=fs时，晶体等效于一条短路线，构成三端电容振荡器。64四、泛音晶振①f<20MHz,晶体工作在基音频率，基频越高，晶体越薄①f>20MHz,晶体工作在泛音频率（3～7倍基次泛音），这时，电路中应设法抑制基频和不需要的泛音上的寄生振荡。例：设泛音晶振为5次泛音：5MHz则相应地，L1C1支路应调谐在3～5次泛音之间。L1C1支路电抗特性653.5压控振荡器(VCO)3.5.1变容二极管及其特性一、变容二极管用外加电压，控制振荡器频率的变化。Cj~v曲线

电容Cj随其反偏电压v而变化的二极管，利用PN结的势垒电容随反向偏压大小而变化的原理制成。66

式中：

V

外加控制电压。PN结的接触电位差（硅管约等于0.7V，锗管约等于0.3V）；C0为外加电压v=0时的结电容值。

电容变化指数，当PN结为缓变结时，

当PN结为突变结时，

当PN结为超突变结时，甚至6以上。67二、若外加反向偏压vc(t)则变容管上的控制电压为:Q为变容管直流工作点

-电容调制度；其中：-当偏置为VQ时变容二极管的电容量。68说明：变容二极管的电容量Cj受信号的控制，控制的规律取决于电容变化指数，控制深度取决于电容调制度m。变容二极管的典型最大电容值约为几～几百pF，可调电容范围(Cjmax/Cjmin)约为3∶1。693.5.2变容二极管压控振荡电路一、电路组成和原理

将变容二极管作为压控电容接入LC振荡电路中，就构成了LC压控振荡电路。通常可采用各种形式的三端型振荡电路。

应提供静态负偏压，使二极管工作在反偏状态；并且，还要提供一个交流控制电压已达到控制其电容值变化的目的。此外，为了抑制电路中高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰，在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容、隔直流电容等。70例：(a)中心频率为360MHz的变容二极管压控振荡电路(b)和(c)

分别是晶体管的直流通路和直流偏置电路(d)和(e)分别是高频交流等效电路和低频控制电路712、实际电路举例

（1）LC压控振荡器：三端电容（西勒电路）

改变控制电压vC的大小，就可以控制可变电容Cj的参数，从而控制了fo。注：当输出电压vo↗→Cj两端的控制电压↗→fo↗→输出电压vo幅度不要过大。72（2）场效应管压控振荡电路

调栅电路73

一般情况下,变容二极管压控振荡器的频率-电压特性是非线性的，其非线性程度与变容指数

和电路结构有关。在中心频率附近较小区域内线性度较好，压控灵敏度也较高。

3、主要性能指标压控灵敏度：单位控制电压引起的振荡频率的增量，即:

频率—电压特性74

晶振：或者等效为一个短路元件；或者等效为一个高Q值的电感元件，起选频作用。3.5.3晶体压控振荡电路

为了提高压控振荡器中心频率稳定度，可采用晶体压控振荡电路。变容二极管：压控元件。

75例：晶体工作在fs处，相当于短路线；L与Cj串联，其谐振频率等于fs，目的是提高fo的稳定性和准确性。三端电容振荡电路，晶振作电感使用。763.6负阻正弦波振荡电路负阻振荡电路二端负阻器件LC谐振回路

最早出现的是利用隧道二极管作为负阻器件的隧道二极管振荡器，后来又陆续出现了许多新型的微波半导体负阻振荡器，目前它的振荡频率已经扩展到几千MHz以上。1、构成2、用途主要用于100MHz以上的超高频振荡器。773.6.1负阻器件的特性N型（压控电阻），如隧道二极管S型（流控电阻），如四层二极管783.6.2工作原理N型（压控电阻）：与LC回路并联S型（流控电阻）：与LC回路串联

还是利用器件的非线性特性来稳幅的，所以N型负阻器件必须与LC谐振回路相并联，S型负阻器件必须与LC谐振回路相串联。79交流等效电路：

应加合适的直流静态工作点，以保证负阻器件能工作在负阻区。

如果G–＞G（

R–＞R），补充能量大于损耗的能量，振荡幅度将逐渐增大。由于负阻器件的非线性特性，会使G–（R–）随振荡幅度的增大而减小（这时G–、R–是平均负电导、负电阻），终将导致G–＝G（R–＝R），使负阻器件提供的能量恰好抵消损耗的能量，振荡幅度达到稳定值。起振及稳幅：802、振荡频率和起振条件其中V不为零的条件为：振荡频率：起振条件：（1）N型器件电路——并联负阻根据节点电流法：81（2）S型器件电路——串联负阻根据回路电压法：其中I不为零的条件为：振荡频率：起振条件：82例：隧道二极管负阻正弦振荡实际电路

Cj：二极管结电容；

起振条件：振荡频率：

电路主要优点：工作频段高（可在100MHz至10GHz），噪声低，对温度变化、核辐射均不敏感，电路简单，体积小和成本低等。主要缺点：输出功率和电压都较低。近年来,随着在微波振荡技术方面其他新型负阻器件的出现,克服了这一缺点,使负阻振荡器的应用更为广泛。833.7振荡器中的几种现象

主要指：寄生振荡、间歇振荡、以及频率拖曳、频率占据现象等。对电路性能会造成严重破坏，应当尽量避免。

84所谓间歇振荡，就是指振荡器工作时，时而振荡、时而停振的一种现象。这一现象产生的原因，就是由于振荡器的自偏压偏置电路参数选择不当造成的。3.7.1间歇振荡

85LC振荡器振荡建立的过程中，有两个瞬态过程：回路高频振荡的建立过程；自偏压（甲类起振、丙类工作）的建立过程。

当高频振荡建立较快，而偏压电路由于时间常数过大而变化过慢时，使，不满足振幅平衡条件，于是振荡电压振幅迅速衰减到零，振荡器停振。停振后，回路自行放电，偏压增大，经过一段时间，偏压恢复到起振时的电压，又重复上述过程，从而形成了间歇振荡。863.7.2寄生振荡

在实际电路中，由于某种原因存在寄生反馈，会引起放大电路工作不稳定；或者极端情况下，电路自行产生了不需要的振荡信号，这种情况称为寄生振荡。如第二章介绍小信号放大器的稳定性时所说的自激，即属于寄生振荡。1、危害

会使放大器产生寄生辐射，