正弦波振荡器通信电路

正弦波振荡器通信电路第1页，共115页，2023年，2月20日，星期五（1）定义：振荡器是一种不需外加信号激励能自动将直流能量变换为特定频率和幅度的交变能量的装置。（2）分类：按振荡波形分：正弦波振荡器和非正弦波(波形为方波、矩形波或其它波形)振荡器.

按构成原理分：

按选频网络分：5.1振荡器概述RC振荡器(f低）LC振荡器晶体振荡器反馈型振荡器负阻型振荡器（微波段）声表振荡器（SAW）返回2第2页，共115页，2023年，2月20日，星期五振荡器概述（续）-应用（3）应用：无线发射机调制用的载波信号。超外差接收机混频用的本地振荡信号（本振）。同步解调用的本地载波信号（同步信号）各种电子测量设备和计时仪表用它产生各种频率信号和频率（时间）基准信号。例如时钟、定时，信号源。工业生产部门高频电加热设备如微波炉，电疗设备等。

对于以上应用，振荡器的主要指标是频率稳定度和准确度；振幅的大小与稳定性；波形的失真。－－要求振荡器有高的效率和功率。3第3页，共115页，2023年，2月20日，星期五产生振荡的机理S120tLC谐振回路是LC振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是基于二阶RLC回路的自由振荡现象。考虑了回路损耗后，当

时回路将产生振幅衰减的阻尼振荡

：衰减常数无阻尼振荡频率：有阻尼振荡频率4第4页，共115页，2023年，2月20日，星期五为什么是衰减振荡？从能量角度：振幅衰减由于回路存在损耗。维持等幅振荡措施：适时地补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡。（方法：正反馈）－－反馈振荡器抵消回路存在损耗，用负阻器件,如隧道二极管－－负阻振荡器这里只讨论反馈型振荡器（包括原理、设计方法、影响指标因素及典型线路）。本质上反馈型振荡器就是负阻振荡器，可用负阻的原理来分析。5第5页，共115页，2023年，2月20日，星期五

（4）反馈振荡器基本构成：一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络。一个在规定频段内具有能量变换（或放大）作用的换能机构。（有源器件--放大器）一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳定的反馈电路。一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。振荡器概述（续）－反馈振荡器基本构成6第6页，共115页，2023年，2月20日，星期五（5）分析方法：正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件的闭环系统，或说是一个非线性动态网络，要对它进行分析，至少需求解一个二阶以上的非线性微分方程。

为便于定性分析振荡器的振荡特性，在进行电路分析时，仍采用电路参数的准线性分析法和零极点分析法。

在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因此，可以引用线性系统的分析方法－－传递函数，来确定这一时期振荡器的工作状态。振荡建立后，用准线性方法（如用表示基波电流与基波电压的关系的平均跨导代替跨导，采用线性方法）分析。振荡器概述（续）－分析方法7第7页，共115页，2023年，2月20日，星期五以互感耦合LC振荡电路为例进行讨论（1）

工作原理：正弦波振荡器是基于二阶RLC回路的自由振荡。反馈振荡器是靠正反馈补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡。讨论工作原理－－揭示电路产生等幅持续振荡条件。互感耦合LC振荡器实际是含正反馈的谐振放大器，正反馈靠变压器初、次级线圈同名端保证。MM5.2、LC振荡器的基本工作原理8第8页，共115页，2023年，2月20日，星期五振荡的产生--初始阶段(小信号）

LC振荡电路的振荡是如何建立的？频域：电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或电扰动包含许多频率分量谐振回路选出谐振频率分量正反馈到输入端放大回路选频反馈输入端放大，反复循环信号足够大，晶体管进入非线性区，振荡达到平衡状态。反馈振荡器原理框图

当时系统不需输入就有输出－－振荡器闭环：环路增益（开环增益）反馈放大器9第9页，共115页，2023年，2月20日，星期五

由以上分析得到：反馈振荡器振荡必须满足三大条件：起振条件：振荡电压从无到有逐步增长的条件。平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上的条件。稳定条件：受外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状态破坏，能使振荡器恢复平衡状态的条件。LC振荡器基本工作原理－－三大条件10第10页，共115页，2023年，2月20日，星期五为了保证输出信号从无到有，幅度不断增长，在振荡建立过程中，反馈电压和原输入电压(噪声)必须同相，并且反馈振荡器的起振条件振幅起振条件（增幅）相位起振条件（正反馈）1、反馈振荡器的起振条件11第11页，共115页，2023年，2月20日，星期五起振初始，放大器工作于小信号状态线性工作状态，可用晶体管小信号等效电路计算其增益A--为了获得较高的增益A，要适当设置晶体管工作点(A类）振荡建立过程中，环路增益恒大于1，放大器的输入Vi不断增大，放大器从小信号工作状态进入大信号工作状态-如果外界不加任何措施，放大器将从线性进入非线性工作（出现饱和与/或截止），此时放大器增益A的估算一般采用大信号平均参数（如平均跨导） 用准线性方法分析。大信号非线性工作状态，晶体管集电极电流有丰富的谐波分量，输出信号有波形失真，我们关心的是其中(基波)分量。起振过程中的信号分析12第12页，共115页，2023年，2月20日，星期五零极点分析（见P263)两个共轭极点在右半平面，系统是不稳定的。起振过程就是系统从右半平面到左半平面的移动过程，当移到虚轴上后，即进入平衡状态，得到稳定的正弦波输出利用平均跨导概念，用类似小信号分析方法，如传递函数法，分析起振过程.平均跨导，它表示基波电流与基波电压的关系，随振荡幅度而变。忽略损耗准线性方法互感耦合振荡器起振条件为：13第13页，共115页，2023年，2月20日，星期五稳幅机理反馈振荡器起振条件为T=AF>1，保证了输出信号幅度的不断增长，但随后必须限制其增长，使其达到平衡，即满足平衡条件T=AF=1稳幅根本原因：晶体管本身的非线性，使得放大器的放大倍数A随输入信号的增大而减小，如图。外加措施帮助振荡器由T>1自动调节到T=1.注意管子不能饱和，因为饱和区的晶体管输出阻抗很低，使回路的Q值降低，影响频率的稳定度。差分放大器代替单管。采用混合偏置电路，自给偏置使晶体管不工作于饱和区，并加速振荡器进入平衡状态。14第14页，共115页，2023年，2月20日，星期五（开环）环路增益平衡条件振幅平衡条件：开环增益的模为1相位平衡条件：在上与同相，满足正反馈相位平衡条件决定振荡频率；还可利用相位平衡条件判断电路能否振荡。振幅平衡条件决定振幅的大小。

2、反馈振荡器的平衡条件－振荡的必要条件15第15页，共115页，2023年，2月20日，星期五平均跨导由变压器初、次级线圈的同名端保证正反馈Mebc平衡条件举例：互感耦合LC振荡器的平衡条件M16第16页，共115页，2023年，2月20日，星期五当工作频率较高时，引起回路传输系数和相移的因素很多的：晶体管输入阻抗晶体管电流增益谐振回路阻抗（电压、电流方向如图）反馈系数振荡平衡条件表示为：2.振荡的平衡条件－－用电路参数表示17第17页，共115页，2023年，2月20日，星期五并联谐振回路的相频特性除外，晶体管跨导gm和反馈系数F的相角几乎不随频率的变化而变化，令相位平衡条件简化为讨论：n=0,1,2…

相位平衡条件决定振荡频率18第18页，共115页，2023年，2月20日，星期五（1）振荡器要产生振荡，必须同时满足振荡的起振条件和平衡条件。平衡条件是产生振荡必要条件。（2）若假设：振荡频率远小于晶体管的截止频率（），。晶体管输入阻抗是纯阻，。反馈回路：。振荡器工作于LC并联谐振回路的谐振频率处，。振荡器的振荡频率=并联谐振回路的谐振频率。这是理想情况,此时：相位平衡条件决定振荡频率讨论（续）19第19页，共115页，2023年，2月20日，星期五（3）实际情况分析：，不是零，或零当、、的数值已知时，振荡器的实际振荡频率也就确定了。结论：实际振荡频率由相位平衡条件决定为满足相位平衡条件，回路必须有相移振荡频率偏离了回路自然谐振点即相位平衡条件决定振荡频率讨论（续）

20第20页，共115页，2023年，2月20日，星期五一般情况下，振荡频率不等于选频回路的自然谐振频率！Q越高两者越接近同一返回相位平衡条件决定振荡频率21第21页，共115页，2023年，2月20日，星期五振荡频率与选频回路中心频率反馈振荡器的振荡频率由相位平衡条件决定反馈振荡器的相频特性由环路中的选频回路决定选频回路的Q值越大，相频特性的斜率越陡，选频回路的选频功能就越好，反馈振荡器的振荡频率就越接近于选频回路的中心频率选频回路的Q值越高，频率稳定性越好。振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率一般情况下由于Q值高计算振荡频率只需算回路的谐振频率。22第22页，共115页，2023年，2月20日，星期五（1）振幅稳定条件指振荡器的工作状态在外界各种干扰的作用下（如在电压波动、温度变化、噪声等作用下）偏离平衡状态时，系统自动恢复到原来的平衡状态所应具备的条件。P点是一个稳定的平衡点。平衡点附近振荡特性斜率的变化应小于反馈线斜率的变化。稳定点的条件为：--振荡特性在平衡点附件为负斜率3.振荡的稳定条件稳定平衡与不稳定平衡振荡的稳定条件（振幅与相位）23第23页，共115页，2023年，2月20日，星期五若要使该振荡器能进入稳定的平衡点，在起振时应给晶体管加一电冲击，并使冲击电压大于硬激励与软激励：振荡器晶体管静态工作点位于转移特性接近截止的非线性区。如图两平衡点中，P点为稳定的平衡点，B点为不稳定的平衡点。这种起振时需要外加冲击的电振荡称为“硬激励”，那些不需冲击而能自由产生振荡的现象称为“软激励”。（1）振幅稳定条件--硬激励与软激励24第24页，共115页，2023年，2月20日，星期五相位稳定条件：当处于平衡状态的系统受到某一外来因素的干扰，相位平衡状态受到破坏，总相移角大于或小于时，环路是否具有自动恢复平衡状态重新回到的条件。系统相位平衡时振荡频率为。当外来干扰使环路总相移增加即产生超前相位增量+时，这就意味着反馈电压超前于原有输入电压（前一次反馈电压）一个相角相位超前就意味着周期缩短，故环路的振荡频率也因而有所提高，若有一特性能产生一滞后的相移增量，则将阻止频率的升高。（2）相位稳定条件25第25页，共115页，2023年，2月20日，星期五为减小频差必须加大LC回路的有载Q值。

因为当Q值提高时，回路相频特性斜率也相应加大。产生同样的相位增量，只需较小的频率偏移，从而提高了系统的频率稳定性。回路相频特性产生滞后相移，若干周期后等于外界因素引起的超前增量+，使环路总相移重新恢复为相位稳定条件为：即系统内应含有某一相频特性具有负斜率的单元.为了抵消不稳定因素引入的相移增量，系统的振荡频率有相应的偏移，产生了频差。（2）相位稳定条件（续）26第26页，共115页，2023年，2月20日，星期五1、起振条件：振幅起振条件：AF>1相位起振条件：2、平衡条件：振幅平衡条件：相位平衡条件：－－决定振荡频率3、稳定条件：振幅稳定条件：相位稳定条件：－－增幅振荡－正反馈适时补充能量提高回路Q可提高频率稳定度！负斜率环路增益（对输入幅度）和负斜率相频特性保证幅度和频率的稳定性非线性器件使得幅度受限，最终到达平衡；振荡的三大条件小结：27第27页，共115页，2023年，2月20日，星期五起振时，晶体管处于A类放大，增益高LC振荡器的偏置电路—混合偏置28第28页，共115页，2023年，2月20日，星期五00起振后，Vi的不断增高，晶体管进入非线性区，电流Ie正负半周不对称，平均电流增大，大于，其在发射极上的压降增大；同理，也增大,管子直流工作点不断降低振荡器从A类到B类,甚至进入C类.减小，减小,使得基波电流幅度和晶体管增益减小，直至AF=1，电路进入平衡状态。起振过程自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。LC振荡器的偏置电路—混合偏置29第29页，共115页，2023年，2月20日，星期五画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。图（A）图（B）举例：习题5-430第30页，共115页，2023年，2月20日，星期五互感耦合振荡器符合相位平衡条件互感耦合振荡器符合相位平衡条件同名端的判断：1、共基接法振荡器：耦合线圈初、次级绕组必须对地具有相同的同名端。2、共发接法振荡器：耦合线圈初、次级绕组必须对地具相反的同名端。31第31页，共115页，2023年，2月20日，星期五画高频（交流）等效电路的原则：1、高频扼流圈开路，滤波电容短路2、电源交流接地3、旁路电容、耦合电容一般情况下短路*画振荡器等效电路时，未旁路的偏置电阻可以不画互感耦合振荡器符合相位平衡条件同名端的判断：1、共基接法振荡器：耦合线圈初、次级绕组必须对地具有相同的同名端。2、共发接法振荡器：耦合线圈初、次级绕组必须对地具有相反的同名端。画高频（交流）等效电路的原则32第32页，共115页，2023年，2月20日，星期五画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。图（C）举例：5-4（续）33第33页，共115页，2023年，2月20日，星期五下堂课：LC振荡器的电路分析34第34页，共115页，2023年，2月20日，星期五画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。返回图（A）举例：5-4（A）35第35页，共115页，2023年，2月20日，星期五画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。返回图（B）举例：5-4（B）36第36页，共115页，2023年，2月20日，星期五画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。返回图（C）举例：5-4（C）37第37页，共115页，2023年，2月20日，星期五两种负阻器件特性38第38页，共115页，2023年，2月20日，星期五隧道二极管振荡器原理电路返回负阻抵消正阻39第39页，共115页，2023年，2月20日，星期五差分对管互感耦合振荡器振荡环路由经回路及其耦合线圈与基极相接，再通过公共发射极将信号反馈回。图中，与同相，环路满足正反馈条件，振荡频率。该振荡器的优点是输出电路不在闭合反馈环路之内，只要不饱和，环路与负载将处于隔离状态，有利于振荡器的频率稳定和幅度稳定。差分对管是依靠一管趋向截止而另一管恒流使其差模传输特性接入平坦区的，振荡器由起振进入平衡状态的稳幅作用是振荡管进入截止区而不是饱和区所引起的，这样就保证了回路Q值不会降低，进一步改善了频率和幅度的稳定性。返回40第40页，共115页，2023年，2月20日，星期五无线收发信机中的振荡器（a)发射机框图二次变频接收机返回41第41页，共115页，2023年，2月20日，星期五课堂练习1已知LC并联谐振回路电路及频率响应曲线如图1（a）（b）所示，设电感Q值很高，其损耗可忽略不计，，负载，回路的谐振频率，试求：（1）回路的3dB带宽（2）如果要使回路的3dB带宽扩大一倍，而L、Ｃ和负载的值都不变，那么电路应作如何修改？画出满足要求的电路图,并标出所加元件的值。若要使回路的3dB带宽缩小一倍，可采取什么措施？

如图1（a）如图1（b）42第42页，共115页，2023年，2月20日，星期五笫5章正弦波振荡器

本章主要内容5.1、振荡器概述5.2、LC振荡器的基本工作原理LC振荡器的基本构成振荡的三大条件5.3LC振荡器的电路分析

5.3.1

互感耦合振荡器

5.3.2三点式振荡器电路（考毕兹、哈特莱、改进型）5.4、振荡器的频率稳定度5.4.1频率稳定度的计量5.4.2导致振荡频率不稳定的原因5.4.3主要稳频措施5.4.4晶体振荡器石英谐振器的基本特性晶体振荡器电路5.5其他振荡器与特殊振荡现象43第43页，共115页，2023年，2月20日，星期五5.3LC振荡器的电路分析

5.3.1互感耦合振荡器LC振荡器的基本电路互感耦合振荡器；三点式振荡器。互感耦合振荡器相位平衡条件（正反馈）由耦合线圈同名端保证共基接法振荡器：耦合线圈初、次级绕组必须对地具有相同的同名端。（因输入、输出端没有反相）

共射接法振荡器：耦合线圈初、次级绕组必须对地具有相反的同名端。因输入、输出端已反相180度）。44第44页，共115页，2023年，2月20日，星期五互感耦合振荡器（续）起振条件振荡频率严格讲：振荡频率不等于选频回路的自然谐振频率，应根据相位平衡条件求出。反馈式振荡电路采用固定偏置和自给偏置结合的混合偏置电路。为满足一定的输出幅度，固定偏置要求给出合适的工作点。互感耦合振荡器采用变压器耦合，反馈支路取于变压器的次级。只适合较低频率运用（变压器分布参数大）。45第45页，共115页，2023年，2月20日，星期五振荡器选频回路的Q值尽可能高如果直接从集电极输出端（LC回路两端）取电压反馈回输入端，小的晶体管输入电阻并联在LC谐振回路两端，会大大降低回路的谐振阻抗和Q值。降低Q值的直接后果是降低了放大器的增益，可能使得环路增益小于1而无法起振；Q降低的第二个后果是降低了振荡器的频率稳定度必须提高放大器输入端对LC并联谐振回路的接入阻抗，在反馈支路上进行阻抗变换。阻抗变换的方法一般分两种，一是采用变压器互感耦合(互感耦合振荡器)，二是采用部分接入（电容抽头、电感抽头）方式(三点式振荡器)。46第46页，共115页，2023年，2月20日，星期五5.3.2三点式振荡器返回

电容耦合（电容反馈型）振荡器。自耦变压器耦合（电感反馈型）振荡器。三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管或场效应管三个电极直接连接的一种振荡器。LL2L1C三点式振荡器47第47页，共115页，2023年，2月20日，星期五1.电容反馈型－考毕兹（Colpitts）振荡器（1）分析电路的相位平衡条件：回路是谐振状态，应与倒相。反馈电压：。正反馈。返回RFCLL0输出LC2为感性支路48第48页，共115页，2023年，2月20日，星期五考毕兹（Colpitts）振荡器（续1）（2）分析电路的起振条件：

返回F是反馈系数，也是Ri折合到管子CE端的接入系数

。A？F？ce返回2ce49第49页，共115页，2023年，2月20日，星期五根据起振条件AF>1，得出：晶体管CE端的谐振电阻是回路两端折合到管子CE端的接入系数。Ro输出电阻，Rp回路谐振电阻。考毕兹（Colpitts）振荡器（续2）ce50第50页，共115页，2023年，2月20日，星期五讨论考毕兹电路参数对起振条件的影响：当回路损耗可忽略，，得出：当一定时，的选取应两方面考虑：第一项：越大，保证起振的A

越小，即较小即可起振。第二项：越大，不容易起振。 晶体管的输入电阻反映到回路两端的电阻越小，减小，Q下降，放大倍数下降。考毕兹（Colpitts）振荡器（续3）51第51页，共115页，2023年，2月20日，星期五F太大、太小都不利起振，只有一段范围内较合适。

原因：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。通常F＝0.2-0.5.结论：52第52页，共115页，2023年，2月20日，星期五（3）电路的振荡频率：只考虑输入、输出电容时即考毕茨（Colpitts）振荡器的振荡频率稍高于回路的振荡频率。因为考虑管子输入、输出电阻的影响后Q下降，使频率升高。考虑管子输入、输出阻抗的影响后得：考毕兹（Colpitts）振荡器（续4）53第53页，共115页，2023年，2月20日，星期五共基接法考毕兹电路的起振条件举例例：高频等效电路54第54页，共115页，2023年，2月20日，星期五分析思路画出交流等效电路求振幅起振条件AF>1共基放大器的负载阻抗由Rp、RL、Ri组成共基输入电导对回路的接入系数55第55页，共115页，2023年，2月20日，星期五分析思路（续1）由相位起振条件求振荡频率：由振幅起振条件求（输出端）56第56页，共115页，2023年，2月20日，星期五例题解解57第57页，共115页，2023年，2月20日，星期五例题解（续）由已知频率和电感求回路总电容实际电路振荡频率58第58页，共115页，2023年，2月20日，星期五（2）电路的振荡频率：（无互感）（1）分析电路的相位条件：CL2支路容性02.电感反馈型－哈脱莱（Hartley）振荡器59第59页，共115页，2023年，2月20日，星期五（1）电容反馈型电路的优缺点：优点：振荡波形更接近正弦波。（由于反馈电压取自于电容两端，对高次谐波电抗小）振荡频率可较高（利用结电容作振荡电容）。

缺点：有两个电容调节频率不方便，（要不变）而且振荡器的振幅不稳定。（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。寄生电容影响振荡频率不高。3.两种振荡器电路比较：60第60页，共115页，2023年，2月20日，星期五4、三点式振荡电路的组成法则法则：与发射极相联的两个电抗同性质，基集间的为异性（1）与应为同一性质的电抗。（2）应与，的电抗性质相反。记忆方法：射同基反！假定：各极间的电路阻抗为纯电抗且不考虑极间电容影响，则谐振：反馈电压：为正反馈应为负与必须为同一性质的电抗。61第61页，共115页，2023年，2月20日，星期五举例：习题5-5能否振荡？类型？电感电容i=1,2,3LC并联回路电抗特性三点式振荡器举例62第62页，共115页，2023年，2月20日，星期五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。但存在以下几个问题：

改变C调节频率时，F会变。

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，从而影响振荡频率。

影响反馈系数F与振荡频率的因素都是和

。考毕兹振荡器的缺点63第63页，共115页，2023年，2月20日，星期五对电容反馈型三点式振荡器改进思路把决定振荡频率的主要元件与反馈系数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。（1）串联改进型电容反馈三点式振荡器（克拉泼

clapp电路）LL5、串联改进型电容三点式－－克拉泼电路64第64页，共115页，2023年，2月20日，星期五显然当：反馈系数F与振荡频率的调节互不影响。振荡频率受晶体管参数的影响减弱，提高了频率稳定度。缺点：振荡器的振幅不稳定。(当调节改变振荡频率时并联谐振回路的谐振电阻等效到晶体管的C-E两端的值会变。）对的选择：不能太小，太小了，接入系数小，振荡幅度就小了。克拉泼电路（续）65第65页，共115页，2023年，2月20日，星期五显然当（2）并联改进型电容反馈三点式振荡器（西勒（shelle）电路）LL6并联改进型三点式－西勒（shelle）电路返回66第66页，共115页，2023年，2月20日，星期五

与并联，调节可调节振荡频率，但对并联谐振回路的谐振电阻等效到晶体管的C-E两端的等效电阻影响较小，对振荡幅度影响较小。

L西勒（shelle）电路解决了克拉泼（clapp）电路调频率时输出幅度不稳的问题。西勒电路是较理想的振荡电路，频率稳定度高，作波段振荡器时，输出幅度平稳。广泛用于短波、超短波通信机，电视机等电子设备中。西勒电路的振荡频率：西勒（shelle）电路（续）67第67页，共115页，2023年，2月20日，星期五举例：（习题5-11）画出图中各振荡器的高频等效电路，说明它们属于哪种类型的振荡器，计算其振荡频率值。从电路构成形式上看，三种电路各有什么特点。图A（24）图B（26）三点式振荡器举例268第68页，共115页，2023年，2月20日，星期五图C（27）三点式振荡器举例2

（续）69第69页，共115页，2023年，2月20日，星期五下堂课：振荡器的频率稳定、晶体振荡器70第70页，共115页，2023年，2月20日，星期五习题5-11图A71第71页，共115页，2023年，2月20日，星期五图A振荡频率的计算：返回图A振荡频率的计算72第72页，共115页，2023年，2月20日，星期五返回习题5-11图B73第73页，共115页，2023年，2月20日，星期五返回习题5-11图C振荡频率？反馈系数？74第74页，共115页，2023年，2月20日，星期五fx0f1<f2<fo<f3返回考毕兹电路习题5－5（1）75第75页，共115页，2023年，2月20日，星期五在相同的下，Q高比Q低的频率变化小。同一返回相位平衡条件决定振荡频率76第76页，共115页，2023年，2月20日，星期五笫5章正弦波振荡器

本章主要内容5.1、振荡器概述5.2、LC振荡器的基本工作原理LC振荡器的基本构成振荡的三大条件5.3LC振荡器的电路分析

5.3.1

互感耦合振荡器

5.3.2三点式振荡器电路（考毕兹、哈特莱、改进型）5.4、振荡器的频率稳定度5.4.1频率稳定度的计量5.4.2导致振荡频率不稳定的原因5.4.3主要稳频措施5.4.4晶体振荡器石英谐振器的基本特性晶体振荡器电路5.5其他振荡器与特殊振荡现象77第77页，共115页，2023年，2月20日，星期五5.4.1频率稳定度的计量对振荡器频率性能的要求，通常用频率准确度和频率稳定度来衡量。频率准确度又称频率精度绝对频率准确度f：它表示振荡频率f偏离标称频率的程度。相对频率准确度：为了合理评价不同标称频率振荡器的频率偏差，频率准确度也可用其相对值来表示。频率稳定度指振荡器实际振荡频率偏离其标称值变化的程度。

5.4振荡器的频率稳定度78第78页，共115页，2023年，2月20日，星期五频率稳定度则是指在一定观测时间内，由于各种因素变化，引起振荡频率相对于标称频率变化的程度。由于频率的变化是随机的，所以不同的观测时段，测出的频率稳定度往往是不同的。上式表征频率稳定度并不十分合理。目前多用其均方误差来表示频率稳定度：n为观测时间内的测量次数，i=1，2，…为观测序号；为第i次测得的最大频率相对偏移；n次频率偏移的平均值为频率稳定度的计量--均方误差来表示79第79页，共115页，2023年，2月20日，星期五（1）长期频率稳定度（长稳）观测时间为一天以上的稳定度称为长期频率稳定度。一般高精度的频率基准、时间基准（如天文观测台、国家计时台等）均采用长期频率稳定度来计量频率源的特性。--主要由元件老化、元件参数的慢变化引起的频漂。（2）短期频率稳定度（短稳）观测时间在一天以内如以小时计量的频率稳定度。大多数电子设备和仪器均采用短稳来衡量。（3）瞬时频率稳定度（秒级频率稳定度）瞬时频率稳定度用于衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化。这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰引起。-频域：相位噪声根据观测时间的长短，将频率稳定度分为：频率稳定度的分类80第80页，共115页，2023年，2月20日，星期五瞬时频率稳定度是高速通信设备、雷达设备以及以相位信息为主要传输对象的电子设备的重要指标。用阿仑方差来描述这种频率的起伏。为振荡器标称频率；n为测量次数；为每次测量的取样时间；i=1,2,3,…,n为测量次数的序号；和f2i-1为第2i次和第2i-1次测得的频率值。每两次观测时间的中间可以有间歇，而且间隔时间可长可短。这样在测量和进行数据处理时，采用阿仑方差表示式就带来很大的方便。瞬时频率稳定度的计量-阿仑方差81第81页，共115页，2023年，2月20日，星期五LC振荡器10-3–10-4普通信号发生器10-3–10-4中波广播台210-5短波通信机10-4–10-5电视发射台510-7标准信号发生器10-7–10-9原子钟（频率标准）10-11–10-13举例：频率稳定度的计量（续4）82第82页，共115页，2023年，2月20日，星期五5.4.2导致振荡频率不稳定的原因能使环路相位平衡条件得以满足的频率即为该振荡器的振荡频率它与回路自然振荡频率、回路有效Q值以及环路附加相移的关系可写成：不稳定都会导致振荡频率不稳定。Q增加，Q下降时，会提高。当83第83页，共115页，2023年，2月20日，星期五影响振荡器频率稳定度的三方面因素谐振回路中心频率不稳定回路Q值的变化环路附加相移相位的变化84第84页，共115页，2023年，2月20日，星期五影响（或）的主要因素各种环境因素如温度、湿度、大气压力、振动等因素对回路电感L和电容C的影响。晶体管或其它器件的输入、输出阻抗的变化。电路元件间分布电容的变化。负载电抗参数的变化。影响的主要因素85第85页，共115页，2023年，2月20日，星期五影响环路Q值的因素器件输入、输出阻抗中的有功部分。负载电阻的变化。回路损耗电阻尤其是电抗元件的高频损耗，回路元器件的高频响应等。回路Q与振荡频率的关系影响环路Q值的因素86第86页，共115页，2023年，2月20日，星期五影响的因素事实上，还有许多其它原因，通过上述三途径对振荡频率的稳定性起着不良影响。反馈变压器的非理想电抗因素。晶体管的输入阻抗和输出阻抗。晶体管的值可为复数。环路内各种噪声源引起的相差抖动等。影响的因素87第87页，共115页，2023年，2月20日，星期五1.提高谐振回路的标准性标准性是指在外界因素如温度、湿度、大气压力等变化时，谐振回路保持其谐振频率固定不变的能力。标准性越高，回路自然谐振频率随环境条件变化的可能性就越小。提高回路标准性的主要措施是选用高品质因数、高稳定性和低温度系数、低吸水性的电容器与电感器。*等号右边的负号表示频率变化的方向与电抗变化的方向刚好相反。如电感量加大，振荡频率将降低。5.4.3主要稳频措施88第88页，共115页，2023年，2月20日，星期五采用温度补偿法和温度隔离法

引起电抗元件电感量和电容量变化最明显的环境因素是温度的变化。

温度补偿法：用具有负温度系数的瓷介电容器，接入由普通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路。温度隔离法：将关键电抗元件置于特制的恒温槽内，使槽内的温度基本上不随外界环境温度的变化。利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成的电磁谐振系统，它是高稳频率源的一个重要形式。 这种谐振系统构成的振荡器，不但频率稳定性、频率准确度高，而且体积、耗电均很小，在许多领域已被广泛地采用主要稳频措施（续1）89第89页，共115页，2023年，2月20日，星期五2.削弱不稳定因素对谐振特性的影响晶体管的参数稳定：晶体管的参数（输入输出阻抗等）受工作点的影响较大，因此注意选择工作点稳定电路与良好的稳压电路。选择回路与器件间的接入系数：晶体管的输入输出阻抗、各种分布电容和引线电感都是影响回路标准性的重要因素。选择回路与器件间的接入系数，尽可能减小不稳定的分布电容和引线电感的影响，对于提高频率稳定性是十分重要的。减小负载对振荡器的影响:振荡器后面接缓冲级，例如高输入阻抗的跟随器。负载与振荡器输出直接连接时，可采用部分接入，如采用变比较大的降压变压器，或分压比很小的电容分压网络，或通过小电容与其它负载相联接。主要稳频措施（续3）90第90页，共115页，2023年，2月20日，星期五采用改进型的电路（克拉泼和西勒电路）

减小振荡管自身的输入、输出阻抗对回路性能即振荡频率的影响。特别是在三点式振荡电路中，器件三个端口的等效阻抗、、直接与回路三个电抗元件相连接，由于器件端口等效阻抗的稳定性很差，且随工作状态改变而改变，其频率稳定度的提高受到严重的影响。谐振回路的选择：选择高品质因数的谐振回路（石英谐振器）。主要稳频措施（续3）91第91页，共115页，2023年，2月20日，星期五利用石英晶体的压电效应和反压电效应对正弦波振荡器进行控制的振荡器称为晶体振荡器。压电效应和反压电效应：按某种方式将石英晶体切割成一定厚度的薄片（晶片），对晶片施加机械力（压力、拉力、扭力等）时，在其两面会产生正负电荷的集聚－－正压电效应；反之，在石英晶片两面加电场时，石英晶片会产生形变－－反压电效应。晶体振荡器也是反馈振荡器，决定频率的元件是晶体而不是LC谐振回路5.4.4晶体振荡器92第92页，共115页，2023年，2月20日，星期五晶体振荡器一般的频率稳定度对晶体加恒温控制，可提高到数量级目前晶体振荡器频率稳定度的极限是晶体振荡器可以产生频率稳定度和准确度很高的正弦波的原因：石英晶体具有极高的Q值，其物理性能和化学性能十分稳定，对周围环境条件（如温度、湿度、大气压力）的变化不敏感。晶体振荡器是最常见的具有高稳高准频率的正弦波振荡电路晶体振荡器具有高稳高准频率93第93页，共115页，2023年，2月20日，星期五在石英晶片两端上加交变的电压，由于正反压电效应的作用，在线路中会出现交变电流，并且电信号的频率和晶体的固有振动频率一致（共振）时，产生出的电流最大。－－石英晶体的谐振特性。将石英片两侧形成两电极，电极焊出两引线固定在支架上，再加合适的封装即构成石英谐振器。将石英谐振器接到振荡器的闭合环路中，利用它的固有振动频率，就能有效地控制和稳定振荡频率。石英晶体对振荡频率的控制94第94页，共115页，2023年，2月20日，星期五晶体振动具有多谐性，除了基频振动外，还有奇次谐波的泛音振动。基频晶体：利用基频振动实现对频率控制的晶体称为基频（音）晶体泛音晶体:除基频外，一般工作在三次和五次泛音振动上。石英晶体的固有振荡频率和晶片厚度有关系，而振荡频率的稳定性与石英片材料和切割方式有关。振荡频率越高，晶片就越薄。太薄，易损坏。一般基频晶体工作在20MHz以下，泛音晶体振荡器的工作频率可达200MHz。传统切割工艺晶体谐振频率很难达到30MHz;化学蚀刻方法得到薄晶片，使谐振频率达到350MHZ。石英晶体的固有振荡频率-基频晶体与泛音晶体95第95页，共115页，2023年，2月20日，星期五1.石英谐振器的等效电路晶体其中：等效电感，大体反映石英片的质量；几十~几百亨等效电容，反映其材料的刚性；等效电阻，石英片机械形变时材料的能耗；几百欧；称为石英谐振器的并联电容，它相当于以石英片为介质、以两电极为极板的平板电容器的电容量和支架电容、引线电容的总和。几~几十。返回电路符号基频晶体等效电路

石英谐振器的基本特性96第96页，共115页，2023年，2月20日，星期五2.石英谐振器的谐振频率如令为不考虑晶体内部损耗（即=0）时石英谐振器的串联谐振频率；为并联谐振频率，Q为石英谐振器的等效品质因数；p为接入系数(对外电路的接入系数），其数值分别为：上图返回石英谐振器的基本特性（续1）晶体电抗特性两谐振频率之间呈感性97第97页，共115页，2023年，2月20日，星期五晶体等效阻抗图晶体等效阻抗图及两种振荡模式振荡频点位置98第98页，共115页，2023年，2月20日，星期五3.石英谐振器的基本特性很高的等效品质因数Q：

很小的接入系数P：当外界电抗元件与之相连接时，对石英谐振器的固有谐振特性的影响是十分微弱的。具有两个谐振频率和.

两个谐振频率十分接近：举例：

2.5MHz石英谐振器的接入系数

p=4.2×10-5故串并联谐振频率绝对频差为：晶体的两种工作方式（1）高Q短路线(振荡在上）（2）等效电感L：振荡在两个谐振频率和之间。上图石英谐振器的基本特性（续2）

99第99页，共115页，2023年，2月20日，星期五晶体振荡电路（两种类型，三种形式）

（1）晶体代替三点式振荡器中的电感--并联型晶体振荡电路。

晶体在振荡环路中起着高Q电感器的作用。（2）晶体串接在反馈支路当串联谐振元件用－－串联型晶体振荡电路。晶体起着高Q短路器作用。

泛音晶体振荡器：利用石英谐振器的泛音振动特性对频率实行控制的振荡器。串联型（泛音）晶振并联型泛音晶振返回100第100页，共115页，2023年，2月20日，星期五1、并联型晶振电路－晶体呈高Q电感101第101页，共115页，2023年，2月20日，星期五1.并联型晶体振荡电路（续1）

由于，（）

石英晶体参数具有高度稳定性，很稳定，也很稳定。

由于，石英谐振器是等效为电感L用。

振荡回路的振荡频率由晶体与负载电容共同确定，改变可在之间微调振荡频率，但调节范围很小。讨论：

由于振荡管与石英谐振器之间耦合很松。102第102页，共115页，2023年，2月20日，星期五（2）密勒（Miller）电路－晶体加在管子的b、e端（电感三点式）石英晶体被晶体管输入阻抗所并联,降低了有载品质因数Q，降低了频率稳定度，故密勒电路使用不多。注意三种频率：

石英谐振器的振荡频率：

振荡回路的振荡频率（晶体标称频率考虑）：

并联型晶体振荡电路的振荡频率: