第四章正弦振荡电路

第四章正弦波振荡器如何从无到有的产生正弦波一、概述自激式振荡器定义：是指在没有外加信号作用下的一种自动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡能量的装置。1.在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器）所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。2.在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个“本地振荡”信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号。3.在研制、调测各类电子设备时，常常需要信号源和各种测量仪器，在这些仪器中大多包含有振荡器。例如高频信号发生器、音频信号发生器、Q表以及各种数字式测量仪表等。4.在工业生产中的高频加热、超声焊接以及电子医疗器械也都广泛应用振荡器。可见正弦波振荡器在电子技术领域里有着广泛的应用。从工作原理来看：根据反馈回路的形式：变压器反馈式、三点型LC、RC、晶体反馈式振荡器是把有源器件接成正反馈环路来实现自激振荡的，大多数振荡器以这种原理工作负阻振荡器则是以具有负阻效应的器件来抵消谐振回路中的损耗电阻，从而使回路能维持等幅的正弦振荡。工作频率可高达几千兆赫，在微波波段使用较多从构成来看：根据有源器件的不同：晶体管、场效应管、集成电路、压控等等二、振荡器的种类LC振荡器和晶体振荡器：产生高频正弦波。RC振荡器：产生低频正弦波（1）（2）（3）（4）4.2反馈型振荡电路的工作原理反馈振荡器是由放大器、选频网络和反馈网络所组成的一个闭环环路，其中反馈网络由无源器件组成。构成反馈式正弦波振荡电路的要素：放大电路的正反馈，从而产生自激振荡选频网络或者相移网络，以控制振荡频率和波形放大电路的非线性，以控制振荡幅度与放大器不一样，反馈振荡器没有外加激励信号，其最初的激励是在接通电源时，电路中存在各种电扰动和热噪声等，这些小扰动的幅度很小，具有很宽的频谱。为了使放大器的输出为一个固定频率的正弦波，则闭环环路必须含有选频网络，通过选频网络从很宽的频谱资源中选出需要的工作频率，而将其余的频率分量抑制掉，因此反馈振荡器还必须有选频网络。一个反馈振荡器要正常的工作，必须满足三个条件：起振条件、平衡条件以及稳定条件。定义环路的增益为1．起振过程为了使振荡器的输出振荡电压在接通直流电源后由小增大，则要求反馈电压幅度必须大于输入信号幅度，反馈电压相位必须与放大器输入相位相同，也就是要求是正反馈，即振幅起振条件相位起振条件在起振的开始阶段，振荡的幅度还很小，电路尚未进入非线性区，振荡器可以作为线性电路来处理，即可用小信号电路等效模型分析起振条件。2．平衡过程振荡幅度的增长过程不会一直无止境地进行下去，当反馈信号正好等于输出电压所需的输入电压时，振荡幅度不再增大，电路进入平衡状态。则振荡的平衡条件为振幅平衡条件相位平衡条件巴克豪森准则(BarkhousenCriterien)：相位平衡条件是先决的、最本质的条件3．稳幅过程内稳幅：靠放大电路中晶体管所固有的非线性特性达到稳定值小信号大信号输出电压从起振到稳定的全过程：稳定平衡状态，干扰因素消失后振荡能自动回到原来的平衡状态两种可能的平衡状态：不稳定平衡状态，干扰因素消失后越来越偏离原来的平衡状态稳定条件：振幅稳定条件的定义左图中的B点即为稳定平衡状态振幅稳定条件：硬激励和软激励的区别相位稳定条件的定义环路相位变化对角频率的影响相位稳定条件：例题1.反馈型正弦波振荡器起振的振幅条件是：___，相位条件是：___。2.反馈型正弦波振荡器的振幅平衡条件是：___，相位条件是：___。4.反馈型正弦波振荡器的电路构成，必须有：___，___，___。3.反馈型正弦波振荡器的振幅稳定条件是：___，相位稳定条件是：___。【例】一LC振荡器的实际电路，反馈网络是由电感L和L1之间的互感M来实现，称之为LC互感耦合振荡器，其中电容Cb为耦合电容，电容Ce为高频旁路电容，都为大电容。画出交流等效电路，分析该电路满足正反馈时其同名端的位置。解：耦合电容Cb和高频旁路电容Ce在高频时作为短路处理；LC并联回路其接电源的一端作为接地处理；基极偏置电阻交流等效为Rb1//Rb2，但该电阻与晶体管be结电阻相比很大，此处作为断路处理。该LC互感耦合振荡器的交流等效电路如图所示，根据瞬时极性法，当电路满足正反馈时，其同名端如图所示。补：振荡电路的工作状态甲类UBEQ>UBE(on)Uim<UBEQ-UBE(on)优点：频率稳定性好，输出波形好甲类振荡电路起振时只需：

略大于1，依靠放大区弱非线性稳幅，工作点选择在交流负载线中央、偏低，振荡幅度建立过程如图所示甲乙类振荡电路起振时的 大于甲类情况甲乙类UBEQ>UBE(on)Uim>UBEQ-UBE(on)乙类UBEQ=UBE(on)丙类UBEQ<UBE(on)Uim>UBE(on)-UBEQ实用的小功率振荡器多工作于甲乙类小功率振荡器可直接工作在甲（乙）类大功率振荡器多采用丙类振荡电路直接负偏置的丙类电路无法直接起振：采用自偏电路可实现甲类起振、丙类工作：正弦波振荡电路的线性频域分析方法判别正弦振荡电路能否振荡的步骤：首先要检查电路的结构是否满足反馈型正弦振荡电路的必要因素其次是分析振荡的平衡条件任何振荡电路起振时，Vi都很小，放大电路工作在晶体管的线性工作区，因此在起振阶段可以用小信号模型构成的微变等效电路进行计算。只要满足起振条件，靠晶体管的非线性最终一定能够得到稳定的等幅振荡小信号等效电路起振条件,振荡频率1.开环法开环法定义与步骤：画交流通路，判别是否满足振荡的相位平衡条件画微变等效电路，并在某一点开环。开环后应保证原来的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角频率利用ω0角频率下的平衡条件，确定维持振荡幅度所需要的gm值gm0选择晶体管的gm使gm>gm0，此时电路满足起振条件2.闭环法闭环法的定义与步骤：画交流通路，判别是否满足振荡的相位平衡条件画微变等效电路，并列写出电路方程，这是一组线性齐次方程组令线性方程组复系数矩阵的行列式Δ=0解Δ=0，可确定振荡角频率ω0和维持振荡幅度所需的gm值gm0选择晶体管的gm使gm>gm0，此时电路满足起振条件按照甲类的方法使用小信号交流等效电路来计算起振时的放大倍数但实际电路中往往在振幅达到平衡时已经进入强非线性区，此时应使用基波来进行分析，即利用丙类放大电路的分析方法注意这两种方法的局限性：经验的数据为在视器件输入端为开路时，设置反馈系数为1/2-1/10试比较甲类和甲类起振丙类工作振荡器输出信号的振幅稳定性和频率稳定性。甲类：易起振，易停振，幅度稳定性差。放大电路输出波形无失真，单一频率。频率稳定性好。甲类起振丙类工作：易起振，不易停振，幅度稳定性好。放大电路输出波形有极大非线性失真，多频率，频率稳定性差。思考4.3LC振荡电路定义：利用LC元件组成选频网络的反馈性振荡电路4.3.0调谐型振荡电路采用互感耦合线圈作为反馈网络。依据谐振回路接在晶体管的电极位置可命名为调基、调集、调射电路。4.3.1三点型LC振荡电路三点型振荡电路：将三个电抗元件分别接在晶体管的三个电极间产生振荡的基本条件？正反馈相位平衡谐振网络回路谐振时，ic,ib,ie远远小于谐振电流则回路总阻抗：三个电抗元件不能同时为电感或电容！需由两种不同性质元件构成。能否起振？什么情况下起振？相位平衡电压关系综上，从相位平衡条件判断三点式振荡器能否振荡的原则是：与发射极相连的为同性质电抗元件，不与发射极相连的为异性质电抗元件（射同它异）。电容三点式振荡器也称考毕兹(Colpitts)振荡器电感三点式振荡器，也称哈特莱(Hartley)振荡器【例】图示电路，两个LC并联回路的谐振频率分别

是和，请问电路是否能够发生振荡？若能，求振荡频率f0与f1、f2的关系。解：要使电路能够正常振荡，需满足三端式电路的组成原则。由于连接基极与集电极的为电容，故电路只能组成电感三点式振荡器，即L1C1、L2C2回路应呈感性。由于LC并联回路谐振频率大于工作频率时，回路呈感性，即应满足：例：试用相位条件的判断准则，判明图示的LC振荡器交流等效电路，哪个可以振荡？哪个不可以振荡？或在什么条件下才能振荡？

例：试判断该电路是否能振荡？若可以振荡，说明其振荡条件。若不能，改正之。一、三点式电容振荡电路（考毕兹电路）(1)忽略反向传输导纳，Yre=0。(2)由于晶体管的输入、输出电容本身比C1、C2小很多，这里忽略晶体管的输入、输出电容。(3)忽略晶体管正向传输导纳的相移，用跨导gm表示。在图中，gp表示除晶体管外的电路中所有电导折算到ce两端的总电导。思路：分析谐振求解谐振频率分析反馈求解增益AF利用平衡条件解出晶体管参数1.分析其谐振特性，求解谐振频率2.分析其反馈特性，判断是否能发生正反馈当选频网络的输入信号频率为ωp时，选频网络与放大电路的反相作用相加，从而可以构成正反馈3.求解放大电路与选频电路的增益定义反馈系数F：将gie折算到ce端，因此放大器总的负载电阻为注：课本中R0与这里的Rp接的位置不同，但意义相同。RsRi环路谐振时的总增益为振荡器的振幅起振条件为4.利用平衡条件，确定产生和维持振荡的晶体管参数。振幅条件相位平衡条件已在2的分析中满足整理并小结：振荡角频率：能否正反馈：能，相位平衡条件满足电路增益：振幅平衡条件：考虑极间电容，实际角频率略大于所求值。通常考虑易起振又不致使振荡波形的非线性失真严重，F都选得较小，大约在0.01~0.5之间二、三点式电感振荡电路（哈特莱电路）类似于电容三点式振荡器的分析方法，有：振荡频率为相位关系为：反馈系数为：根据平衡条件可求出的晶体管参数β若M=0：对全耦合电路，有：三端电感振荡电路优点：容易通过调节电容改变振荡频率，调节时不影响反馈系数三端电感振荡电路缺点：输出端和反馈端均为电感，振荡波形不太好电感上的分布电容和晶体管的极间电容影响环路增益，电路的振荡频率不能过高三端电容振荡电路优点：输入和反馈端是电容，对高次谐波电抗小，振荡波形好只要减小电容就能提高振荡频率，若不外加电容，仅利用晶体管的极间电容作回路电容，则振荡频率可高达几百兆赫，甚至上千兆赫三端电容振荡电路缺点：改变频率不方便，适用于作为固定频率的振荡器C1和C2接在晶体管集射极和基射极上，振荡频率越高，C1和C2的电抗越小，此时晶体管的极间电容将直接影响到C1和C2，从而影响振荡频率的稳定性4.4改进型电容三端式振荡器由于晶体管的输入、输出电容与电容三端式振荡器和电感三端式振荡器的回路并联，影响回路的等效电抗元件参数。而晶体管的输入、输出电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以上述两种振荡器的频率稳定度不高，一般在10-3数量级。为了提高频率稳定度，需要对电路作改进以减少晶体管输入、输出电容对回路的影响，可以采用削弱晶体管与回路之间耦合的方法，在电容三点式振荡器的基础上，得到两种改进型电容反馈式振荡器——克拉泼(Clapp)振荡器和西勒(Siler)振荡器。减小三极管极间电容的影响1．克拉泼振荡器各电容值取值规定如下：C3<<C1，C3<<C2，这样可使电路的振荡频率近似只与C3、L有关。(a)实用电路(b)交流等效电路由图(b)可得谐振回路的总电容为则振荡频率为由此可见，C1，C2对振荡频率的影响显著减少，那么与之并联的晶体管的输入、输出电容的影响也就减小了。谐振回路中接入C3后，虽然振荡器频率稳定度得到了提高，调节C3不会改变反馈系数，但是C1不能太大，C3不能太小，否则将影响振荡器的起振。假设回路的总负载为RL(包括回路的谐振电阻、实际负载等效到回路等)，则其等效到晶体管ce端的负载电阻RL’为若C3太小，C1太大，则等效负载很小，放大器增益就较低，环路增益也就较小，振荡器的输出幅度减小。若C3过小，振荡器不满足振幅起振条件而使振荡器停振。所以，克拉泼振荡器是用牺牲环路增益来换取回路标准性的提高，从而提高频率稳定性克拉泼振荡器的缺陷是不适合作波段振荡器。波段振荡器要求在一段区间内振荡频率可变，且振幅幅值保持不变。这是因为克拉泼振荡器频率的改变是通过调整C3来实现的，而C3的改变，回路总负载将随之改变，放大器的增益也将变化，调频率可使环路增益不足而停振；另外，由于负载电阻的变化，振荡器输出幅度也将变化，导致波段范围内输出振幅变化较大。而克拉泼振荡器主要用于固定频率或者波段较窄的场合，其波段覆盖系数(最高工作频率与最低工作频率之比)一般只有1.2～1.3。2．西勒振荡器(a)实用电路(b)交流等效电路西勒振荡器是在克拉泼振荡器的基础上，在电感L两端并联了一个小电容C4，且满足C1、C2远大于C3，C1、C2远大于C4。由图(b)可得谐振回路的总电容为振荡器的振荡频率为西勒振荡器与克拉泼振荡器一样，晶体管与回路的耦合较弱，频率稳定度高；由于C4与电感L是并联的，通过调整C4只改变频率，不会改变晶体管与回路的接入系数，所以波段内输出幅度较平稳。因此，西勒振荡器可用作波段振荡器。【例】如图所示的电路，分析该电路的工作原理，画出交流等效电路，并求振荡频率。解：该电路采用负电源供电，以及Lc2构成直流电源滤波，Rb1、Rb2、Re为晶体管的直流偏置电路，Lc1为高频扼流圈，其一方面阻止交流信号到地，另一方面给晶体管提供直流通路，Cb为基极的高频旁路电容，使该晶体管的基极交流接地。该电路的交流等效电路如图所示，其构成了电容三点式振荡器。该电路的回路总电容为该电路的振荡频率为2.2.5集成LC正弦波振荡器前文介绍的均为分立元件振荡器，利用集成电路通过外接LC元件也可以做成正弦波振荡器。1．单片集成振荡器电路E1648现以常用电路E1648为例介绍集成电路振荡器的组成。单片集成振荡器E1648是ECL中规模集成电路,其内部电路图如图所示。E1648采用典型的差分对管振荡电路。该电路由三部分组成：差分对管振荡电路、放大电路和偏置电路。VT7、VT8、VT9与⑩脚、⑫脚之间外接LC并联回路组成差分对管振荡电路，其中VT9为可控恒流源。振荡信号由VT7基极取出，经两级放大电路和一级射随器，从③脚输出。第一级放大电路由VT5和VT4组成共射-共基级联放大器，第二级由VT3和VT2组成单端输入、单端输出的差分放大器，VT1作为射随器。偏置电路由VT10～VT14组成,其中VT11与VT10分别为两级放大电路提供偏置电压，VT12～VT14为差分对管振荡电路提供偏置电压。VT12与VT13组成互补稳定电路，稳定VT8基极电位。若VT8基极电位受到干扰而升高，则有，这一负反馈作用使VT8基极电位保持恒定。利用E1648组成的正弦波振荡器。L2、C2回路应调谐在振荡频率f0上。E1648构成的振荡器，其最高工作频率可达225MHz。在⑤脚外加一正电压，可以获得方波输出。E1648组成的正弦波振荡器E1648单片集成振荡器的振荡频率是由⑩脚和⑫脚之间的外接振荡电路的L1、C1值决定，并与两脚之间的输入电容Ci有关，其表达式为总结(1)反馈式正弦波振荡电路的各种“条件”：起振过程（起振条件）->平衡过程（平衡条件）->稳幅过程（稳定条件）LC正弦波振荡电路的各种要点：自偏电路：甲类起振丙类工作三点式LC正弦波振荡电路选频网络的反相作用射同它反、近似振荡频率总结(2)三点式LC正弦波振荡电路三点式电感、电容电路三点式电容电路的两种改进型电路（为什么改？怎么改？） 分析正反馈（相位平衡）—能否起振？何时起振？—分析谐振（谐振频率）—分析环路增益（小信号等效求AF）—求解β（起振条件）2.3RC正弦振荡电路为什么引入RC振荡器？RC振荡电路的定义：使用RC移相网络替代LC选频网络构成的正弦振荡电路由于RC选频网络的选频特性比LC选频网络的特性差得多，导致RC振荡器的电路构成和器件工作状态与LC振荡器有明显的区别：常采用负反馈来提高电路的选频特性预备知识(模拟电子电路内容)由运放构成的反相、同相放大器2.3RC正弦波振荡电路RC振荡器——以RC网络作为选频网络。常采用负反馈提高电路选频特性。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RC振荡电路的构成方法：由同相放大电路和对所需频率能产生零相移的RC移相网络构成由反相放大电路和对所需频率能产生相移的RC移相网络构成根据结构的不同可以进行分类以运放和正、负反馈网络构成的文氏桥振荡器。以开环法分析：A：开环差模电压增益。：正反馈网络的传输系数。：负反馈网络的传输系数。起振、平衡条件：振荡频率：满足相位平衡条件的角频率。假定R1＝R2＝R，C1＝C2＝C正反馈网络传输系数：以Z1和Z2分别表示RC串联阻抗和RC并联阻抗：负反馈网络传输系数：依据以上计算可得电路的环反馈系数：当ω＝1/RC时，的相角为0，满足相位平衡条件，也即振荡角频率为1/RC。由ω＝1/RC、推出起振条件：运放的开环放大倍数A通常极大，因此起振条件是：另一种分析思路：要求：起振条件：振荡角频率：双极型晶体管文氏桥振荡电路：振荡的建立与稳定RC滤波效果差，要求放大部分不能出现非线性，而且，就算以弱非线性稳幅，A的调节范围有限，且普通电阻精度有限，无法内稳幅。由此考虑以热敏电阻进行外稳幅：文氏桥RC振荡电路的特点电路中的放大部分有很深的电压串联负反馈，使输出电压幅度在整个频段内基本不随振荡频率而变。电路的放大部分工作于线性状态，依靠外加热敏电阻进行外稳幅，因此波形失真很小。文氏桥RC振荡器广泛用来作为频率范围由几赫到几百千赫的低频信号源。RC振荡器的频率稳定度约在10-2－10-3量级之间。RC移相振荡器、双T网络振荡器4.5正弦波振荡器的频率稳定问题——频率稳定度频率稳定度绝对频率稳定度：Δf=fH-f0或f0-fL相对频率稳定度：Δf/f0常用振荡器的频率稳定度LC振荡器：10-2-10-4RC振荡器：10-2-10-3石英晶体振荡器：10-5-10-6(若采取恒温措施，可达10-7-10-9)4.5正弦波振荡器的频率稳定问题——造成频率不稳定的因素LC值变化对频率稳定度的影响：L和C主要受温度的影响。温度对电感和电容值的影响程度往往用温度系数来衡量。温度系数是指温度变化1oC时电感量或电容量的相对变化量电感的温度系数一般为正；根据介质材料不同，电容的温度系数可正可负4.5正弦波振荡器的频率稳定问题——造成频率不稳定的因素回路内部相移变化对频率稳定度的影响

越大，由引起的振荡角频率的偏移就越小。因此通常把作为衡量一个振荡器频率稳定度的判据为提高振荡器的频率稳定度，必须选用高Q值谐振回路和大而稳定的负载电阻4.5正弦波振荡器的频率稳定问题——提高频率稳定度的措施减少温度的影响：恒温、选择温度系数小的元件稳定电源电压：选择稳定性好的电源、单独供电减少负载的影响采取屏蔽措施提高振荡电路标准性：减少结电容、分布参数等晶体管与回路间采取松耦合：克拉泼、西勒电路提高回路品质因数4.6石英晶体振荡电路——石英晶体正压电效应：施加压力或拉力->晶体表面产生电荷反压电效应：给晶体加电->晶体产生内部应力石英晶体的谐振、基音及奇次泛音石英谐振器的Q值一般为104-106(LC最高300左右)等效电路和阻抗特性石英谐振器的符号、等效电路及基音等效电路：注意石英谐振器fs与fp之间的关系4.7石英晶体振荡器电路并联型晶体振荡电路即是把石英谐振器作为等效电感与其他回路元件组成三点型振荡回路皮尔