第五章正弦波振荡器

第五章正弦波振荡器第1节概述第2节反馈型LC振荡电路2.1节反馈型LC振荡原理2.2节反馈型LC振荡器2.3节振荡器的频率稳定措施2.4节高稳定度的LC振荡器第3节晶体振荡电路教学基本要求掌握反馈式正弦波振荡器的基本工作原理。掌握LC振荡器、晶体振荡器的电路组成、工作原理和性能特点。了解频率稳定度的概念和影响频率稳定度的因素，掌握改善频率稳定度的措施。振荡器的应用：

载波发生器本地振荡器测量仪器信号源（时间/频率标准）5.1概述振荡器的主要技术指标：

振荡频率频率稳定度振荡幅度振荡波形与谐振功率放大器区别在于它激与自激。5.2.1反馈型LC振荡原理实际中的反馈振荡器是由反馈放大器演变而来的，如右图。可见，反馈性自激振荡器电路构成由三部分组成：1包含两个（或以上）储能元件的振荡回路。2有补充回路损耗的能量来源。（直流电源）3使能量在正确时间内补充到电路中的控制设备。（有源器件）若开关K拨向“1”时，该电路则为谐振放大器，当输入信号为正弦波时，放大器输出负载互感耦合变压器L2上的电压为Uf，调整互感M及同名端以及回路参数，可以使Ui=Uf。此时，若将开关快速拨向“2”点，则集电极电路和基极电路都维持开关K接到“1”点时的状态，即始终维持着与Ui相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。放大器A0(s)反馈网络F(s)Σ放大器A0(s)反馈网络F(s)Σ为了得到自激振荡的输出电压，使振荡能够建立起来，需满足：为振荡器的起振条件，其中：A0是电源接通时的电压增益。增幅振荡

正反馈△3

振荡建立的起振条件?△2

自激振荡器，满足维持振荡条件，振荡能否建立起来？(a)通电后，集电极电流产生跃变在谐振回路中激起振荡。

(b)谐振回路选频作用。

(c)因为：Uo（n+1）=AUi=AUf=AFUo（n）

所以：Uo（n+1）=AFUo（n）数值很小，不可能得到振荡输出电压。因为：Uo(n+1)

=A0FUo(n)

所以：Uo(n+1)>Uo(n)

△1如何自激？Vcc闭合的脉冲电流；基极的噪声电流起振过程:微小的电压脉冲选频→反馈

→放大→再选频→再反馈‥‥如此循环，振荡电压就会增长起来，建立了振荡。△4

起振后，振荡是否无限增大下去？（A0F>1为增幅震荡）由于晶体管的非线性，振荡从线性放大进入失真的非线性状态。波形失真，其电流的直流分量产生负反馈，使工作点向负变化。A↓，直到AF=1达到等幅震荡。波形失真，其电流的直流分量产生负反馈，使工作点向负变化。A↓，直到AF=1达到等幅震荡。△4

起振后，振荡是否无限增大下去？（A0F>1为增幅震荡）△5

平衡状态（大信号工作）平衡后工作在什么状态？平衡时：起振时为小信号放大，A=A0，甲类状态，θc=180o，所以A0=gcRp由于晶体管的非线性，振荡从线性放大进入失真的非线性状态。波形失真，其电流的直流分量产生负反馈，使工作点向负变化。A↓，直到AF=1达到等幅震荡。所以：θcαoα1α3g11.02.0α22>A0F>1时，1>γ(θc)>0.5，所以180o>θc>90o，平衡后为甲乙类；A0F=2时，γ(θc)=0.5，所以θc=90o，平衡后为乙类；A0F>2时，γ(θc)<0.5，所以θc<90o，平衡后为丙类；So：振荡器起振后，由甲类向甲乙类、乙类、丙类过渡，最后工作在什么状态完全由A0F来决定。所以：（1）A0=8，F=0.2时分析：起振时：A0F=1.6>1，满足起振条件平衡时：AF=A0(c)F=1

则：(c)=0.625=

(1-cosc)a1(c)

则：c=101.5o

则：平衡时放大器工作在甲乙类状态θcαoα1α3g11.02.0α2（2）A0=10，F=0.2时分析：起振时：A0F=2>1，满足起振条件平衡时：AF=A0(c)F=1

则：(c)=0.5=

(1-cosc)a1(c)

则：c=90o

则：平衡时放大器工作在乙类状态（3）A0=20，F=0.2时分析：起振时：A0F=4>1，满足起振条件平衡时：AF=A0(c)F=1

则：(c)=0.25=

(1-cosc)a1(c)

则：c=66.3o

则：平衡时放大器工作在丙类状态振幅平衡条件：相位平衡条件： （n=0,1,2…）2、平衡条件的另一种表示形式

由于电路中有源器件、寄生参量及阻隔元件的影响，，为了使电路工作在相位平衡状态，需，因此振荡器的频率并不等于回路的谐振频率。回路处于微小失谐状态。为简化问题，通常都近似地认为振荡频率就等于回路的谐振频率

晶体管

反馈网络LC选频网络uiic1uc1uf3.振荡平衡的稳定条件（1）稳定平衡定义：指某一外因的变化使振荡的原平衡条件遭到破坏，振荡器能在新的条件下建立新的平衡。当外因去掉后，电路能自动返回原平衡状态。包括：振幅稳定条件和相位稳定条件

上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平衡，但还不能说明这种平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持，还必须看平衡状态是否稳定。1)振幅平衡的稳定条件UcA0AUcQ2UcQ1UcQQQ2Q11/F假设电路在Q点达到平衡态，即AF=1。Uc(n+1)=AFUc(n)如果由于某种因素使振幅增大超过UcQ，达到了Q1点，则此时出现AF<1的情况，于是振幅就自动衰减而回到UcQ。反之，当某种因素使振幅小于UcQ，此时AF>1，于是振幅就自动增强，从而又回到UcQ。因此Q点是稳定平衡点。振荡特性反馈特性如果晶体管的静态工作点取得太低，而且反馈系数F又较小时，可能会出现另外一种振荡形式。这时A=f(Uc)的变化曲线不是单调下降的，而是先随Uc的增大而上升，达到最大值后，又随Uc的增大而下降。因此，它与1/F线可能出现两个交点B与Q。这两个点都是平衡点。UcA0A1/FQ1BQB点的平衡态是不稳定的。当Uc<UcB时，振荡始终是衰减的，因此不能起振。除非在起振时外加一个大于UcB的冲击信号，使其冲过B点，才有可能稳定于Q点。这样的现象称为硬自激。一般情况下都是使振荡电路工作于软自激状态，避免硬自激。振幅稳定条件:Uc(n+1)=AFUc(n)UcB2)相位平衡的稳定条件相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立平衡则仍能保持其稳定的振荡。必须强调指出：相位稳定条件和频率稳定条件实质是一回事。因为振荡的角频率就是相位的变化率，所以当振荡器的相位变化时，频率也必然发生变化。=d/dt如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很小的相位增量，这就意味着反馈电压超前于原有输入电压一个相角，相位超前就意味着周期缩短，频率不断地提高。反之，如果为负，即滞后于原输入电压，同理将导致频率的不断降低。从以上分析可知，外因引起的相位变化与频率的关系是：相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，频率随相位的变化关系可表示为/>0为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。即，在振荡频率发生变化的同时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化，以抵消由外因引起的变化，因而这两者的符号应该相反，即相位稳定条件应为/<0。写成偏微分形式，即Y为ic1与基极输入电压ui的相角；Z为LC谐振回路基波谐振阻抗的相角。相位稳定条件：ωcω’cω0YF’YFzYFω振荡器的相位稳定的条件说明只有谐振回路的相频特性曲线Z=f()在工作频率附近具有负的斜率，才能满足频率稳定条件。事实上，并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率。因而LC并联谐振回路不但是决定振荡频率的主要角色，而且是稳定振荡频率的机构。纵坐标也表示与Z等值异号的YF相角如FY增大到FY，即产生了一个增量FY，从而破坏原来工作频率c的平衡条件。这种不平衡促使c升高。由于频率升高，使谐振回路产生负的相角增量Z。当Z=FY时，相位重新满足=2n，振荡器在c的频率上再一次达到平衡。但新的平衡点偏离原平衡点=cc。Q越大越小。4.振荡电路分析实例VTRb1Rb2ReCeCL1LfECCbM主网络反馈网络+ui-ic-uo++uf-uiuoA1/F可见起振初期是一个增幅的振荡过程

总结:起振条件平衡条件平衡的稳定条件5.2.2反馈型LC振荡器

电源有源器件

选频网络反馈网络0.相关背景知识输入输出相位共射bc负共基ec正共集be正互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦合量M，使之满足振幅起振条件很重要。互感耦合振荡器有三种形式：调基电路、调集电路和调发电路，这是根据振荡回路是在基极、集电极和发射极来区分的。1.互感耦合振荡电路利用L1和L2之间的互感来实现正反馈，适用于短波段以下。优点：互感耦合振荡电路在调整反馈（改变M）时，基本不影响振荡频率判断是否可能振荡的方法，以能否满足相位平衡条件，即是否构成正反馈为判断准则。瞬时极性法来判断是否为正反馈。振荡频率的估算：＋＋＋＋共基放大电路为同向放大。

L1和L2的同名端接法决定是否满足正反馈的要求。共基调集共射调基共基调射注意：1L1和L2的同名端接法，从而满足相位平衡条件；2由于输入阻抗低，采用部分接入法，不影响Q值；3由于高频时L会有分布电容，所以互感耦合方式工作频率不宜过高；4M越大，越易起振。其它电路形式+++-+++-+-⊕三端式LC振荡器

三端式LC振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几MHz到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，约为10-3~10-4量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。三端式LC振荡器有多种形式，主要有：电感三端式，又称哈特莱振荡器（Hartley）电容三端式，又称考毕兹振荡器（Coplitts）串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器（Clapp）并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器（Selier）LC三端式振荡器组成法则（相位平衡条件的判断准则）C1C2LLECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc2.电容反馈振荡电路(ColpittsOscillators)+uce-+ube-LECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc典型的电容三端式振荡电路。满足相位平衡条件，只要适当选取C1与C2的比值，并使放大器有足够的放大量，电路就能产生振荡。Ｃ１=C1+Coe

Ｃ２=C２+Cｉeg0是电感L的内电导g0折合到ce两端的电导值g0

=p12g0

,其中p1=(C1+C2

)/C2

bceC2C1LyieRLyoe-Ucｅ++ube-yfeubebecC2C1giegLgoeyfeube-Ucｅ++ube-gieg0×Lbec31电压增益LgiegLyfeubegoe+uf--uce+g0C1C2其中，起振条件得C2C1giegLgoeyfeube-Uc++ube-gieg0×总结：（1）满足起振条件是选取晶体管的 （2）晶体管一旦选定(参数一定)可以改变F和来保证起振。F一般选取0.1-0.5。即适当选择C1和C2的值（3）由于晶体管输入电导的影响，F并不是越大越容易起振。（5）振荡频率的估算其中：LgiegLyfeubegoe+uf--uce+g0C1C2LgiegLyfeubegoe+uf--uce+g0C1C2AF=uf/ube，谐振时AF的满足相位平衡条件，即AF虚部为0。令虚部为零前一项为谐振频率，后一项远小于第一项，即都满足考毕兹电路的优点：1、电容反馈三端电路的优点是振荡波形好（电容反馈）。2、电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响。3、电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作频率可以做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。电路的缺点：调整C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。造成对不同频率信号幅度的改变。L1L2CECL1L2CRb1Rb2CbCeRe3.电感三端式振荡电路(HartlyOscillators)L2L1Cg'Lgoegmubep2gieg'L=gL+g'O|yfe|=gm（3）振荡频率的估算其中：L2L1Cg'Lgoegmubep2gie+u'be-+uce-i要求 ，忽略、的影响，可得：g'L=gL+g'O|yfe|=gm哈特莱电路的优点：1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；2、振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。3、C的改变基本上不影响电路的反馈系数。电路的缺点：1、振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的反馈较强，使波形失真大；2、电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这是因为频率太高，分布参数的影响太大。三端式振荡器的原理电路假定LC回路由纯电抗元件组成,其电抗值分别为Ｘce，Ｘbe和Ｘbc，同时不考虑晶体管的电抗效应,则当回路谐振(ω=ω0)时,回路呈纯阻性,有：Ｘce+Ｘbe＋Ｘbc=0，因此：

－Ｘce＝Ｘbe＋Ｘbc由于Uf

是Uo在XbeXbc支路分配在Xbe上的电压,有因要求是一个正反馈反相放大器,Ui与Uf同相,Uo与Ui反相,所以即Xbe与Xce必须是同性质电抗,因而Xbc必须是异性质电抗。

4.LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则注意：（1）电感三端式与电容三端式振荡电路的比较电容三端式电感三端式波形较好较差频率较高较低频率稳定度较好较差起振、调节较难较易这是用来判断三端式振荡器有没有可能振荡的基本原则（2）LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则

Xce与Xbe的电抗性质相同；

Xcb与Xce、Xbe的电抗性质相反；对于振荡频率，满足Xce+Xbe+Xcb=0。5.2.振荡器的频率稳定措施短波发射机：10-4~10-5军用大型通信：10-8

放大器LC选频

反馈网络uiic1ZLuouf•由图看出：Z和YF两条曲线的交点决定了振荡器的振荡频率c。0c

其中：且：••••••Q••当-yf变化时yf曲线上下平移1（1）减小外因的变化温度变化可以采用恒温措施；湿度变化采用将电感线圈密封或固化；电源电压变化采用稳压电源、或单独供电；机械振动采用减震措施；负载变化采用射随器隔离。（2）提高电路参数抗外因变化的能力①选用正温度系数的电感和负温度系数的电容组成谐振回路进行温度补偿。②减小晶体管极间电容不稳定量Coe、Cie对回路总电容C的影响，可采用部分接入方式的克拉泼电路、西勒电路。③选用高Q的元件。

选用YF

小的电容三点式振荡电路形式。§4.5高稳定度的LC振荡器1.一般电容三端式振荡电路频率稳定性的分析当Coe、Cie没变化时，回路总电容对应振荡频率为:而Cie、Coe与晶体管工作状态和外界条件有关。当Coe变化ΔCo，Cie变化ΔCi时，总电容的增量:

结论：一般电容三端式振荡电路p1

、p2

不可能同时减小，故频率稳定度不可能做得较高。2.克拉泼（Clapp）振荡电路①在电感支路串接小电容C3②满足C3<<C1，C3<<C2

③回路总电容为：(1)电路特点(2)相位平衡条件（正反馈）Xce为容抗，Xbe为容抗同性质。Xcb可等效为感抗，与Xce、Xbe反性质。满足电容三端式振荡器相位平衡条件判断准则，为电容三端式振荡电路。(3)振荡频率因为CC3，所以振荡频率为：(4)稳频原理总的电容增量为：其中①p1

、p2可以同时减小，C可很小，故频率稳定度比一般电容三端式高。结论：③考虑到g0

会影响电路起振条件，故频率稳定度不可能很高。④克拉泼电路主要用作固定频率振荡器。（C1、C2不能很大，故C3的范围有限）②

调整C1C2的值可以改变反馈系数，但对谐振频率的影响很小。调整C3值可以改变系统的谐振频率，对反馈系数无影响。3.西勒（Siler）振荡电路(2)相位平衡条件（正反馈）Xce为容抗，Xbe为容抗同性质。Xcb可等效为感抗，与Xce、Xbe反性质。满足电容三端式振荡器的相位平衡条件判断准则，为电容三端式振荡电路。(3)振荡频率(1)电路特点：西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感L两端并联一个电容C4。电路条件仍是C3<<C1，C3<<C2，C3与C4同数量级。回路总电容为：(4)总结

这种电路保持了克拉泼电路中晶体管与回路耦合弱的特点，频率稳定度高。调频时，输出振荡电压幅度基本平稳，可在宽频段工作，作为波段振荡器。§4.6晶体振荡器(CrystalOscillator)工作机理：石英晶体具有正反压电效应。当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固定的机械振动频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面电荷量最多，外电路中的交流电流最强，于是产生了谐振。石英晶振的固有频率十分稳定，它的温度系数（温度变化1℃所引起的固有频率相对变化量）在10-6以下。石英晶振的振动具有多谐性，包括基频振动和奇次谐波泛音振动。前者称为基频晶体，后者称为泛音晶体。晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求晶片越薄。机械强度越差，加工越困难，使用中也易损坏。CoCgCoCg5Cg3CgLgLg3Lg5LgRg其中：C0晶体静态(安装)电容：1~10pF;

Cg:基频等效电容(10-4~10-1pF);Lg:等效电感(10-3~100H);

Rg:等效电阻(几十~几百)；Q值可达百万(106)量级CoCqLqRqSo：≥（12500～25000）

CoCqLqrqfqfp电容性电容性电感性fXeO忽略rq时：①当<q和>p时，Xe<0，晶体等效为电容；②当=q时，Xe=0，晶体等效为短路；③当q<<p时，Xe>0，晶体等效为电感；④当=p时，Xe，晶体为并联谐振。总结：晶体使用的两种模式：时，晶体短路线时，晶体电感2.晶体谐振器阻抗特性CLJTC1C2JT3.并联型晶体振荡器(Parallel

ofCrystalOscillators)ECJTC2C3C1Rb1Rb2CbReLc晶体C1C2JTC3LqCqrqCoC1C2电路的谐振频率的估算:C1CcCeRb1Rb2ReL1LEcJTC2C1C2L1JTC1C2C3JTLRb1Rb2RcReCbCcC1C2C3JTCoLEc4.串联型晶体振荡器(Series

ofCrystalOscillators)CoCgCoCg5Cg3Cg3LgLg3Lg5Lg3Rg35.泛音晶振电路实际应用时：在三点式振荡电路中,用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件，使该支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则，不能起振；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振。

泛音——石英片振动的机械谐波设泛音晶振为五次泛音，标称频率5MHz，基频1MHz，则LC1