第4章 正弦波振荡器

第4章

正弦波振荡器振荡器特点：1、不需要输入信号；2、有电源就可以工作；3、可以产生各种波形。原理：振荡器！第4章正弦波振荡器作用：产生一定频率和幅度的信号利用负阻器件的负阻效应产生振荡按振荡波形不同分正弦波振荡器非正弦波振荡器按组成原理不同分负阻振荡器反馈振荡器利用正反馈原理构成

反馈振荡器

LC正弦波振荡器

石英晶体振荡器

RC正弦波振荡器

本章内容

1、掌握反馈振荡器的分类及工作原理

起振、稳幅、幅度和相位条件

2、掌握LC正弦波振荡器的组成原则

学习几种著名的LC振荡器（如三点式）；

学会判断一个电路是否能振荡。

3、了解石英晶体振荡器的原理及特点

4、了解（回顾）RC正弦波振荡器

本章要求4.1反馈振荡器的原理主要要求：

掌握反馈振荡器的组成和基本工作原理理解反馈振荡器的起振条件和平衡条件，了解其稳定条件。掌握反馈振荡器能否振荡的判断方法。分类：正弦波振荡:非正弦波振荡：RC振荡器(1kHz~数百kHz)LC振荡器(几百kHz以上)石英晶体振荡器(频率稳定度高)方波、三角波、锯齿波等主要性能：输出信号的幅度准确稳定输出信号的频率准确稳定4.1.1

反馈振荡器的原理分析反馈网络兼做选频网络RC桥式振荡电路回顾选频网络放大电路起振：1、上电扰动；2、内部噪声。选频：1、频率；2、相位。稳幅：1、热敏电阻；2、二极管。起振过程稳定振荡4.1.1

反馈振荡器的原理分析一、反馈振荡器的组成放大器Au反馈网络FuUiUoUf正弦波振荡器由放大器、反馈网络和选频网络组成无外加输入信号二、反馈振荡器的工作原理放大器Au反馈网络FuUiUoUf要满足起始信号来自电扰动起振时要满足输出信号大小满足要求时，要能自动稳定输出电压，实现，使电路进入稳定状态，输出幅度和频率都稳定的信号。故要有稳幅环节（正弦波还要有选频网络）。稳幅外稳幅内稳幅利用放大器件的非线性一.产生自激振荡的条件fidXXX-=改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。4.1.2振荡的平衡条件和起振条件+基本放大电路A反馈电路FiX+

–dXoXfX如果：,ifXX=则去掉,iX仍有信号输入（出）。基本放大电路A反馈电路FdXoXfX反馈信号代替了放大电路的输入信号。基本放大电路A反馈电路FiX+

+dXoXfX基本放大电路A反馈电路FdXoXfXAF=1Xd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：（1）振幅条件：（2）相位条件：pjjnFA2=+n是整数因为：..起振条件二.

起振和稳幅

#振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？电路器件内部噪声以及电源接通扰动当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加（稳幅），否则波形将出现失真。噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从回到

为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络（或者称为滤波器）往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。二.

起振和稳幅

“噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。”如何做到：三.电路的组成和起振的判断（1）.放大电路Au（2）.正反馈网络Fu（3）.选频网络—实现单一频率的振荡（4）.稳幅环节—使振荡稳定、波形好组成:4.1.2

振荡的平衡条件和起振条件再次重温：••••••由于由可得又由于环路增益故又得放大器Au反馈网络FuUiUoUf还是重温：n=0,1,2…振幅平衡条件相位平衡条件即正反馈振幅条件和相位条件必须同时满足。相位平衡条件确定振荡频率；振幅平衡条件确定振荡输出信号的幅值。4.1.2

振荡的平衡条件和起振条件振荡的平衡条件n=0,1,2…振荡的起振条件n=0,1,2…振幅起振条件相位起振条件4.1.2

振荡的平衡条件和起振条件

4.1.3

振荡电路举例——LC互感耦合振荡器

下图是一个LC振荡器的实际电路,图中反馈网络由L和L1间的互感M担任,因而称为互感耦合式的反馈振荡器,或称为变压器耦合振荡器。正弦波振荡器由放大器、反馈网络和选频网络组成

变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为:工作原理LC+–+–CBE变压器反馈式振荡器交流通路N1N2M+–工作原理起振时放大器工作于甲类，T>1。随着振荡幅度的增大，放大器进入非线性状态，且由于自给偏置效应进入乙类或丙类非线性工作状态（进入饱和区，增益下降），使T减小，直至T=1，进入平衡状态LC+–+–CBE变压器反馈式振荡器交流通路N1N2M+–－在回路谐振频率上构成正反馈，满足了振荡的相位条件。振荡条件的分析LC+–+–CBE变压器反馈式振荡器交流通路N1N2M+–为集电极电流基波分量；

Z为回路对基波电流呈现的阻抗。三、振荡条件的分析LC+–+–CBE变压器反馈式振荡器交流通路N1N2M+–

Yfe

为晶体管的正向传输导纳三、振荡条件的分析LC+–+–CBE变压器反馈式振荡器交流通路N1N2M+–

r为电感线圈L的等效损耗电阻。忽略r时，。如互感为全耦合，则说明忽略r时，为实数，fe＝0；且为常数。三、振荡条件的分析LC+–+–CBE变压器反馈式振荡器交流通路N1N2M+–故即在小信号时为常数，在大信号非线性工作状态时，随振荡幅度增大而减小，故能满足T的频率特性要求。三、振荡条件的分析实际电路中，fe

和f都很小，故相位平衡条件可近似为可得该振荡器相位平衡条件为因此采用LC谐振回路作选频网络的振荡器，其振荡频率约等于回路谐振频率。当LC回路调谐于f0上时，即可满足此条件。例题试分析下图电路是否可能产生振荡解：该电路由共基放大电路和LC反馈选频网络构成，在LC回路的谐振频率上构成正反馈，满足相位平衡条件。而共基放大电路具有较大增益，又具有内稳幅作用，因此合理选择电路参数可满足振幅起振和平衡调节，故此电路可能产生振荡。关键是判断是否形成正反馈同相放大器共基极放大电路§4.2LC振荡器(LCOscillatorCirCuits)一构成LC振荡器的基本原则二电容反馈三端式振荡器三电感三端式振荡器四两种改进型的电容反馈振荡器§4.2.1LC振荡器的组成原则IIIII依据共射极的原理来说明二、一些常见振荡器的高频电路。图4─7几种常见振荡器的高频电路射同余异§4.2.2电容反馈三点式振荡器

(ColpittsOscillators)右上图分析起振的相位条件（谐振回路纯阻）-V’b+§4.2.3电感三点式振荡器(HartlyOscillators)I+VC--Vb+I两种振荡器电路比较：（1）电容反馈型电路的优缺点：优点：由于输出端和反馈电路是电容，对高次谐波电抗小，振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高。缺点：用两个电容调节频率不方便（电感做好后不易调节）。（2）电感反馈型电路的优缺点：优点：用一个电容可方便调节频率。缺点：由于反馈电路是电感，振荡波形含有高次谐波多。振荡频率不高。电容反馈型三点式振荡电路的振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高。有什么问题？反馈系数F则只有一段范围内较合适。F过小，反馈不足，回路能量的补充不足以弥补回路的损耗，使振荡最终不能建立；F过大，输入电路与回路耦合过紧，使Q值降低，增益减小，环路负载过重，振荡也难以发生。晶体管的输出输入电容影响振荡频率。晶体管的等效电阻、影响回路的Q值，从而影响振荡。影响反馈系数F与振荡频率的因素都是和。改进办法：把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系数F的主要元件分开。振荡频率不受晶体管的输出输入电容影响。§4.2.4两种改进型的电容反馈振荡器§4.2.4两种改进型的电容反馈振荡器确定振荡频率f0的LC谐振回路。E1648简介集成电路振荡器

E1648是产生高频正弦波振荡的专用集成块。只需接入简单的外围元件，即可产生稳定的高频正弦波。E1648构成的高频振荡器

E1648的振荡频率由下式计算+5VE164813578101214L1C1C40.1μFC30.1μFRL1kΩvo1

E1648的最高振荡频率可达200MHz。C3是滤波电容。C4是滤波电容。f0=————2π1L1C1f0=————2π1L1C1E1648增加输出幅度的接法集成电路振荡器E1648构成的高频振荡器0.1μF+9VL2C2R+5VE164813578101214L1C1C40.1μFC30.1μFRL1kΩvo1vo2

E1648的振荡频率由下式计算

E1648的最高振荡频率可达200MHz。一般，振荡器从3脚输出振荡信号vo1。但有时为了提高输出幅度，也可以从1脚输出振荡信号vo2

。通常振荡信号从IC的3脚输出。有时，为了增加输出的幅度，也可从IC的1脚输出振荡信号。

E1648是产生高频正弦波振荡的专用集成块。只需接入简单的外围元件，即可产生稳定的高频正弦波。在1脚输出时，应接上一谐振频率与fo相同的LC回路并接入电源，才能增加输出幅度。4.5石英晶体振荡器

4.5.1石英晶体振荡器频率稳定度石英晶体振荡器之所以能获得很高的频率稳定度,由第2章可知,是由于石英晶体谐振器与一般的谐振回路相比具有优良的特性,具体表现为:(1)石英晶体谐振器具有很高的标准性。

(2)石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小,一般为10-3~10-4。

(3)石英晶体谐振器具有非常高的Q值。4.5.2晶体振荡器电路

晶体振荡器的电路类型很多,但根据晶体在电路中的作用,可以将晶体振荡器归为两大类:并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。

（区分串、并联主要看晶体与三极管的关系）

图4─17皮尔斯振荡器1．并联型晶体振荡器CeEc(a)C1C2C3(b)C1VCEBC2Ub.gmUb.C3CqLqrqC0皮尔斯振荡器的工作频率应由C1、C2、C3及晶体构成的回路决定,即由晶体电抗Xe与外部电容相等的条件决定,设外部电容为CL,则(4─52)(4─53)晶体自身的谐振频率图4─20密勒振荡器

2．串联型晶体振荡器在串联型晶体振荡器中,晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间,通常接在反馈电路中。图4─23示出了一串联型晶体振荡器的实际线路和等效电路。图4─23一种串联型晶体振荡器

(a)实际线路;(b)等效电路4.7RC振荡器

RC选频网络的选频特性比LC选频网络的选频特性差，因此常采用负反馈来提高电路的选频特性。其原理是电路中除了有产生自激振荡所需的正反馈外，还同时加有负反馈。总的反馈效果是:在振荡频率，正反馈超过负反馈，并满足自激条件，偏离自激频率时，力求使负反馈超过正反馈，以抑制不需要的频率，从而改善输出波形。

根据RC网络的不同构成，RC振荡器可分为相移振荡器和桥式振荡器两大类，我们先回顾一下RC网络的特性，然后再讨论RC振荡器。4.7.1RC网络

1．超前型移相网络图4-35(a)示出了RC超前型移相网络。传输系数为其模值和相角分别为式中ω0=1/(RC)。幅频特性和相频特性分别如图4-35(b)、(c)所示。幅频特性和相频特性曲线

2．滞后型移相网络图4-36(a)示出了RC滞后型移相网络。传输系数为其模值和相角分别为式中ω0=1/(RC)。幅频特性和相频特性分别如图4-36(b)、(c)所示。

3.串并联型选频网络图4-37(a)示出了RC串并联型网络。传输系数为式中ω0=1/RC，其模和相角分别为相应的幅频特性和相频特性如图4-37(b)、(c)所示。14.7.2RC振荡器图4-38(a)和(b)分别示出了由晶体管以及由集成运放构成的反相放大器所组成的超前型RC振荡器。它们都可以提供180°的相移，相移网络也必须提供180°相移。图4-38超前型RC振荡器缺点：频率不能太高，否则无法提供足够的相移。由图（a）：三级超前相移网络，最多可提供90*3=270的相移。4.7.3文氏桥振荡器文氏桥正弦波振荡器的原理电路如图4-39所示，它是正弦波振荡器的一种最常用的电路。桥形RC网络接在输出端与同相输入端之间，则起振条件应当是相移等于零，故此电路又称零相移桥式振荡器。图4-39文氏桥振荡器现在要求Uf和Uo之间相移在某个频率上等于零，则上式的虚部等于零，于是有根据上式可以求出满足幅度平衡条件的运算放大器的闭环增益等于3。为了便于起振，要求Rf

/R3略大于2。取R1=R2=R，C1=C2=C，则振荡频率为起振后的稳幅？采用非线性元件稳幅措施热敏元件热敏电阻起振时，即热敏电阻的作用稳幅Rf

不能太大，否则正弦波将变成方波应使：••该热敏电阻具有负温度系数，若热敏电阻具有