通信电路原理 第8章

第八章正弦波振荡器

§8-1概述[2]

§8-2振荡器的基本工作原理[2]

§8-3三点式LC正弦波振荡器[1]§8-6石英晶体振荡器[1]

§8-8压控振荡器（VCO）[1]§8-5LC正弦波振荡器的频率稳定度[2]§8-4差动对管振荡电路[3]§8-7RC正弦波振荡器[2]§8-9负阻振荡器[3]

§8-10正弦波振荡器的设计考虑[2]重点：

掌握正弦波振荡电路的工作原理、电路组成、实际电路的等效电路画法、分析与计算，重点是三点式正弦波振荡电路的工作原理与实际电路的分析。难点：正弦波振荡器的幅度稳定条件与频率稳定条件；实际振荡电路的分析与计算。§8-1概述[2]

自激振荡器功能：

转换为

将直流电能———→交变振荡能量1.按波形分类：(1)简谐波振荡器(产生波形近似为正弦波)

高频：LC振荡器

(较稳定/10-3~10-4)

石英晶体振荡器

(最稳定/10-5~10-7)

低频：RC振荡器

(稳定性差/10-2~10-3)(2)张弛振荡器(产生非正弦波和近似正弦波)2.研究方法

多采用正反馈方法

简介负阻方法重点：

正弦波振荡器工作原理；

起振条件、平衡条件、稳定条件；

电路的判别原则。§8-2振荡器的基本工作原理[2]

一、问题的引入

从调谐放大器到自激振荡器(图8-1p241)

自激振荡器条件：(图8-2p242振荡器模型)1.电路满足正反馈2.有选频电路,选出正弦或余弦信号；

3.有非线性部件,将直流电能转为交流信号能量。

二、起振条件起振过程:扰动→放大→选频→正反馈→放大

每次正反馈使Vs(Vf>Vs)逐渐增大，幅度达到一定值时，放大器进入非线性区(饱和或截止)，增益下降，当Vs=Vf时，进入平衡状态。起振条件:所以起振过程中:起振条件为:幅度条件:

AvFv>1

相位条件:φa+φf=2nπ(n=0,1,…)幅度平衡条件:

AvFv=1

相位平衡条件:φa+φf=2nπ(n=0,1,…)

此时Vf起维持振荡器平衡的作用。三、平衡条件四、稳定条件(幅度稳定和相位稳定)

当平衡条件被破坏时,振荡器应具有自动恢复到平衡状态的能力。

1．幅度稳定条件(图8-3p243)A点:软激励状态B点:硬激励状态幅度稳定条件为：

且相差越大越好。即：振幅稳定是利用放大器的非线性，使Av与振幅的变化成反比。内稳幅措施：加大放大器的非线性，及自给偏压效应。外稳幅措施:放大器为线性时，另插入非线性环节2．相位稳定条件(频率稳定性)

当相位平衡条件φa+φf=2nπ被破坏时，振荡器本身应能重新建立起相位稳定点。

某原因(温度、电压等)引起：

Vf超前Vs

△φ，使周期缩短(f↑)

Vf滞后Vs

-△φ，使周期加大(f↓)LC回路(稳频机构)可抵消引入的相位变化：

f↑，(容性)产生-△φLC

f↓，(感性)产生+△φLC例:(图8-4p245)某原因引起：

Vf超前Vs

△φ，使周期缩短(f↑)。

f↑，(容性)产生-△φLC。

①若扰动保持，系统稳定在f02(B点)，频率稳定度下降；②若扰动消除，返回f01(A点)。则相位稳定

条件为：

负斜率，且斜率越大越好。

注意：①相频曲线负斜率越大，f02偏离f01越小，频率稳定度越高。提高回路Q值可加大负斜率，石英晶体Q

值极高，故频率稳定性好；②使固有φLC→0，即原f01接近f0五、偏置电路对振荡性能的影响1.自给偏压效应(图8-5p246)初始工作点VBEQ,正反馈使工作点左移(甲→甲乙→丙)→VBE0

2.自给偏压电路引起的间歇振荡

(图8-6p246)

原因：(1)CbRb,CeRe时间常数过大,导通时间↓,回路得不到足够的能量补充；(2)回路Q值低,能量损耗大。

提供的能量=回路能量损耗,电路可维持振荡。六、晶体管变压器耦合振荡电路

(图8-7p247)共基组态变频器电路(单管同时完成振荡和混频功能)§8-3三点式LC正弦波振荡器[1]一、三点式振荡器的组成原则

一般形式(图8-8p248)负号表示产生180o相移,与Vbe和Vce间的180o相移合成为360o相移,满足正反馈条件。

为此，Xce与X

eb必为同名电抗,而Xcb须是其异名电抗。电感三点式振荡器（哈特莱电路）(图8-9p249)

等效过程电感三点式振荡器优点：易起振，易调整(调C基本上不影响Fv)缺点：①波形差；②工作频率低：

f↑,L1和L2的匝数↓，L2不能<1匝，一般

f工作<几十MHz。电容三点式振荡器（考毕滋电路）(P251图8-10)考毕滋电路优点：①波形好；②频率稳定度高；③工作频率高。缺点：频率不易调整，改变C1、

C2时会改变Fv

,改进方法之一(图8-10c,d

p251)。

(图8-10c,d

p251)(共基电路）串联改进型电容三点式振荡器

(克拉泼电路)(图8-12p253)(共基电路）fH/fL=1.2~1.3并联改进型电容三点式振荡器

(西勒电路)

(图8-13p253)（共集电极电路）fH/fL=1.6~1.8并联改进型电容三点式振荡器

(西勒电路)

(p254)（共集电极电路实例）§8-6石英晶体振荡器[1]

Q值：LC

几十~200

晶体

105~106一、石英谐振器1.电抗特性：(图3-19p96)2.等效电路：(图8-21p263)参数表(表8-1p264)3.石英谐振器在电路中的应用(1)等效电感元件作用：fo在fs与fp之间(2)等效短路元件作用：fo=fs(串连谐振)

电抗特性：等效电路：(图3-19p96)(图8-21p263)二、石英晶体振荡电路1．并联型晶体振荡电路(图8-22p265)

石英谐振器等效为电感元件(1)电容三点式(图8-22a,b)设：图中C1L回路的谐振频率为f1

要求：f1<fo

(抑制低次泛音)即:

C1L回路对fo容性失谐，等效为电容C1’。要求回路的f0与fp(fs)

一致。

(2)电感三点式(图8-22c,d)要求：f1

>fo

即:C1L回路对fo感性失谐，等效为电感。要求回路的f0与fp(fs)一致。

2．串联型晶体振荡电路(图8-23p266)石英谐振器等效为短路元件,要求LC回路的f0与fs一致。3．泛音晶体振荡电路

一般f>20MHz时采用，频率稳定度好，七次泛音以上较少应用。实际工作中，并电感使晶体工作于泛音的fs（fp）。三、晶体振荡电路举例1.

1MHz场效应管密勒电路

(图8-24p267)晶体为电感元件2.串连型晶体振荡器

(图8-25p267)晶体为短路元件CMOS微功耗晶体振荡器

(图8-26p267)晶体为电感元件§8-8压控振荡器（VCO）[1]以电压变化控制频率(相位)变化的振荡器，用于直接FM、PLL、AFC等。变容二极管特性(图8-31p271)一、变容二极管压控振荡器(图8-30p270)

可见：Cj(小)串C4(隔直/很大),C

j起主要作用则:C总=Cj+(C1串C2串C3)=Cj+C'直接调频示意例：电视甚高频段VHFfmin=52.5MHz(1频道的fo)fmax=219MHz(12频道的fo)令：C'=0Kf2=fmax2/fmin2=Cjmax/Cjmin=17.4

显然Cj难以实现。为此：分为两段

VHF-L(1~5频道)

Kf2=2.81

VHF-H(6~12频道)Kf2=1.64直接调频示意二、应用实例1.电视接收机VHF本振(图8-32p272)

2.集成运放VCO(图8-33p272)等效过程§8-5LC波振荡器的频率稳定度[3]

一、频率稳定度概述长期：

一天~几个月，标准设备的频率稳定度指标短期：

几小时~一天，通信机、仪器的频率稳定度指标

(长期、短期不稳定为元器件老化引起)

瞬时：ms~s，瞬时无规则变化。

(瞬时不稳定为温度、电源、元器件参数变化引起)设：标称频率fo,实际工作频率f

绝对频率准确度：△f=f-fo

相对频率准确度：△f/fo=(f-fo)/fo

(加时间限定后为频率稳定度)例：

工作频率fo=1MHz,

一天内最大偏差fomax=1.0006MHz

则频率稳定度为：

△f/fo=(1.0006-1)/1=6×10-4/日一般情况下：LC振荡器：10-2~10-5/日晶体振荡器：10-4~10-11/日

常温：10-4~10-7/日

恒温：10-8~10-11/日(其它措施)

中波台：2×10-5/日

电视台：5×10-7/日

一般信号源：10-4~10-5/日

高精度信号源：10-7~10-8/日

宇宙通信：10-11/日二、频率不稳定的分析

(频率变化直接与相位变化相关)相位平衡条件：φa+φf=2nπ∵φa=φfe+φLC∴φfe+φLC+φf=2nπ即：

φfe、φLC、φf的变化均可使频率发生变化。

相频曲线

(图8-20p261)可见：①由于固有的φfe≠0,φf≠0,

即：φLC=-(φfe+φf)≠0，则实际工作为

f01；②+△φ(f↑)变化后,

LC回路容性,产生-△φLC在f02处重新达到新的相位平衡；③Q↑，f01、f02更接近f01.回路参数变化的影响

△ωo/ωo=-1/2(△L/L+△C/C)

(负号表示L、C增加时，△ωo下降)2.温度变化的影响①引起L、C变化(L,△C);②工作点偏移(△φfe)；3.

Q值的变化

负载和参数变化,工作点偏移；4.电源不稳定

工作点偏移。三、提高频率稳定度的措施1.恒温、电磁屏蔽、高稳定电源、射随缓冲、减小机械振动；2.提高LC回路的标准性

L、C的稳定性，以提高Q值，安装的结构工艺(紧固、短引线(镀银))，减小Ri、Ro对LC回路的影响(部分接入等)；3.减小φfe：选f工作<<fT，

降低回路的损耗；4.补偿法

若：△C/C=-△L/L

则：△ωo/ωo=0

即L均为正温度系数，可选负温度系数的C。§8-4差动对管振荡电路[3]

一、变压器耦合式差动对管振荡电路(图8-17p257)(a)双回路变压器耦合

(b)单回路单臂变压器耦合二、双稳态式差动对管振荡电路

(图8-18p258)特点：易起振，波形好，频率稳定度高。三、场效应管振荡电路(图8-19p258)特点：

对振荡回路影响小(高Q)，工作稳定,fH高。§8-7RC正弦波振荡器[2]

以RC选频网络为负载的振荡器,几Hz~几百KHz。模型框图：(图8-27p268)一、RC选频网络(图8-28p269)

1.网络传输函数

令：R1=R2=R

C1=

C2=C

当ω=ωo(谐振频率)=1/RC时,Fv=1/3(φf=0)2.幅频特性曲线(图8-28p269)

由上式：ω=ωo时：Fv=1/3(最大)ω<ωo时：当ω→0，Fv(ω)→0ω>ωo时：当ω→∞，Fv(ω)→03.相频特性曲线(图8-28p269)

(1)ω<ωo时(ω减小)

Xc1>>R1,C1与R1串联→Xc1

Xc2>>R2,C2与R2并联→R2则：vo超前vs相位φ

(ω→0时,φ→+π/2)(2)ω>ωo时(ω增大)

Xc1<<R1,C1与R1串联→R1

Xc2<<R2,C2与R2并联→Xc2则：vo滞后vs相位-φ(ω→∞时,φ→-π/2)(3)ω=ωo时，vo与vs同相二、文氏电桥振荡电路

(图8-29p269)

(1)正反馈支路→运放+端ω=ωo=1/RC时，相位平衡(φf=0)

由振幅平衡条件：AvFv=1

已知：Fv'=F+=1/3,故要求:Av≥3

(2)负反馈支路→运放-端作用：改善波形,稳定振幅,Rt(热敏电阻)进行温度补偿。

F-=R1/(Rt+R1)(3)总反馈系数

几Hz~几MHz可调范围宽，电路简单易调整，波形失真系数为千分之几。注意：运放的Ri、Ro均与RC网络并接，对网络有影响。(3)总反馈系数§8-9负阻振荡器[3]

一、概述

1.负阻特性和负阻器件(图8-35p273)2.负阻等效电路和原理(图8-34p273)

串联型

并联型起振条件：

Rs

>RL

Rp<Re平衡条件：

-1/Rp+1/Re+jωoC-1/jωoL=0

-Rs+RL+jωoL+1/jωoC=0谐振频率：

Rs

=RL

和Rp=Re

时：二、用负阻观点讨论LC反馈振荡器

(图8-35p275)起振条件:R>R1+R2§8-10正弦波振荡器的设计考虑[2]

一、选择振荡电路(表8-2p276)二