正弦波振荡器

正弦波振荡器1第一页，共四十三页，编辑于2023年，星期三（1）定义：振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的装置。（2）分类：按振荡波形分类：振荡器分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。按工作机理分类：根据产生振荡的机理，正弦振荡器还可分为反馈振荡器和负阻振荡器按选频网络分类：分为RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器以及压控振荡器（VCO）、压控晶体振荡器（VCXO）等。随着集成技术的发展，相继又出现了集成振荡器、开关电容振荡器等。2第二页，共四十三页，编辑于2023年，星期三§3.1反馈振荡器的工作原理组成：主网络……负载为谐振回路的谐振放大器反馈网络……保证能形成正反馈(LC、RC、晶体、负阻)3第三页，共四十三页，编辑于2023年，星期三3.1.1平衡和起振条件一、平衡条件在（a）图所示的闭会回路中，将它在×处断开，环路的增益为：若在某一频率上（设为ωosc），（同相又等幅），即T(jωosc)＝1则主网络必将输出角频率为ωosc的正弦振荡电压Vo，而它所需的输入电压Vi则全部由反馈电压Vf提供，无须外加输入电压。令

上式可写成两部分T(ωosc)＝1幅度平衡条件φT（ωosc）＝2nπ（n＝0,1,2,………）相位平衡条件

4第四页，共四十三页，编辑于2023年，星期三二、起振条件事实上，满足平衡条件只是说明闭合回路能够维持等幅持续振荡，而没有说明电路在电源接通后振荡的建立过程。起振的条件是T(ωosc)>1或

Vf>Vi幅度起振条件φT（ωosc）＝2nπ（n＝0,1,2,…）相位起振条件总之，作为反馈振荡器，既要满足起振条件，又要满足平衡条件；为此电路中必须要有非线性元件，使电源接通后，环路增益的模值T（ωosc）必须具有随振荡电压幅值Vi增大而下降的特性。这样，起振时，T(ωosc)>1，Vi迅速增大，而后T(ωosc)下降，Vi的增长速度变慢，直到T(ωosc)＝1时，停止增长，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅ViA上维持等幅振荡。

5第五页，共四十三页，编辑于2023年，星期三3.1.2稳定条件振荡电路中不可避免地要受到电源电压、环境温度、湿度等因数变化的影响，这将引起振荡电压幅度及其相移的起伏波动，从而破坏已维持的平衡条件。因此，振荡器还必须满足稳定条件，才能保证所处的平衡状态是稳定的。一、振幅稳定条件要使平衡点稳定，T(ωosc)必须在ViA附近具有负斜率变化，即随Vi增大而下降的特性；即这个斜率越陡，表明因外界引起振荡幅度的波动（即振幅稳定度）也就越小。

6第六页，共四十三页，编辑于2023年，星期三7第七页，共四十三页，编辑于2023年，星期三二、相位（频率）稳定条件要使振荡器的相位平衡条件稳定，φT(ω)必须在ωosc附近具有负斜率变化，即随ω增大而下降的特性；即

这个斜率越陡，表明因外界引起振荡频率的波动（即频率稳定度）也就越小。

8第八页，共四十三页，编辑于2023年，星期三小结：要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件；因此，在由主网络和反馈网络组成的闭合环路中，必须包括可变增益放大器和移相网络。可变移相放大器……有足够的增益，且其值具有随输入电压增大而减小的特性；移相网络……………具有负斜率变化的相频特性，且保证环路在振荡频率上的相移为0（2nπ）。

9第九页，共四十三页，编辑于2023年，星期三§3.2LC正弦波振荡器主要介绍三点式振荡器和差分对管振荡器一、电路的组成法则与发射极相连的为两个同性电抗，另一个（接在集电极与基极间）为异性电抗。3.2.1三点式振荡电路10第十页，共四十三页，编辑于2023年，星期三证明：如图c所示（理想）由于回路谐振：X1＋X2＋X3≈0由于Vo与Vi反相（共射）Vf是Vo在X3、X2支路中X2上的电压即为了满足相位平衡条件，Vf就必须与Vo反相，因而X2必须与X1为同性质电抗，再由X1＋X2＋X3≈0，可知X3应为异性电抗。

11第十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期三二、三点式振荡电路电容三点式振荡电路(反馈信号是电容上的电压)电感三点式振荡电路(反馈信号是电感上的电压)电容三点式振荡电路

两图的区别是交流接地电极方式不同，所以反馈方式也不同；（a）反馈电压加到三极管的基极，（b）反馈电压加到三极管的发射极12第十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期三13第十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期三就交流通路而言，不论三极管哪一个极交流接地，它们都是由可变增益器件（三极管）和移相网络（并联谐振回路）组成，且满足三点式振荡电路的组成法则。

14第十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期三电路中，作为可变增益器件的三极管必须由偏置电路设置合适的静态工作点，以保证起振时工作在放大区，提供足够的增益，满足起振条件；起振后，振荡振幅增长，直到三极管呈现非线性特性时，放大器的增益将随振荡幅度增大而减小，同时，偏置电路产生的自给偏置效应又进一步加速放大器增益的下降。

VBB＝VCCRB2/(RB1+RB2)RB=RB1∥RB2VBEQ=VBQ－VEQVBQ=VBB－IBQRBVEQ=IEQRE

(a)15第十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期三(b)当vi增大到三极管非线性区时，vi的一部分进入截止区，三极管的集电极电流和基极电流已不再是正弦波而是失真的脉冲波（不对称性图c），它们的平均值IC0、IB0将大于静态值ICQ、IBQ，且随vi的增大而增大，结果是VB0减小，相应的VBE0减小，从而达到稳幅的效果。

同理可分析电感三点式振荡电路（反馈信号是电感上的电压）。

16第十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期三三、电容三点式振荡电路的起振条件由放大器增益分析和相位〔φT（ωosc）＝2nπ〕、幅度〔T(ωosc)>1或

Vf>Vi〕的起振条件可推导出：相位起振条件为振幅起振条件为17第十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期三下面对上述起振条件作简要的讨论1、振荡角频率ωosc由相位条件可推出

其中（总电容）、(固有谐振频率)上式表明，电容三点式振荡器的振荡频率ωosc不仅与ωo有关，而且还与gi、g’L即回路固有谐振电阻Re0、外接电阻RL和Ri有关，且ωosc＞ωo。电路中一般满足因此，工程计算时，可近似为18第十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期三2、幅度起振条件的简化令ω＝ωosc≈ωo，则幅度起振条件可简化为设(称为电容分压比)上式又可改写为或式中，分母为回路谐振时集电极上的总电导，gm除以总电导就是回路谐振时放大器的电压增益Av(ωo)，而n则是反馈网络的反馈系数kfv，因而又可表达为Av(ωo)kfv＞1它就是所描述的放大电路的自激振荡条件。

19第十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期三四、用工程估算法求起振条件（小结）1、将闭合回路断开。画出推导T(jω)的开环等效电路；2、求出谐振回路的固有谐振频率ωo，并令ωosc≈ωo；3、将接在谐振回路各部分的电导（电阻）折算到集电极上，分别求出放大器回路谐振时的增益和反馈系数，便可得到振幅起振条件。

20第二十页，共四十三页，编辑于2023年，星期三直流分析：T1、T2的基极和T2的集电极同电位VBB，要限制LC振荡电压，防止T2饱和导通。交流分析：谐振电压加在T1的基极上，形成正反馈。稳幅过程：T的截止，恒流源I0对T2的负反馈控制。3.2.2差分对管振荡电路（索尼振荡器）21第二十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期三§3.3LC振荡器的频率稳定度频率稳定度：在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内振荡频率的相对变化量，简称频稳度。是振荡器的重要指标之一。长期频稳度：一天以上（元器件的老化）瞬时频稳度：秒级（电路内部的噪声）

短期频稳度：一天以内（温度、电源电压的变化）22第二十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期三3.3.1提高频率稳定度的基本措施一、频率温稳定度的定性分析φT（ωosc）……相移φA（ω）……主网络相移主要是φZ（ω）……并联回路的相移φf（ω）……反馈网络相移

相位平衡条件φT（ωosc）＝0变为φT（ωosc）＝φZ（ωosc）＋φf（ωosc）＝0式中23第二十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期三二、提高稳定度的措施1、减小外界因素的变化（温度、湿度、大气压力、电源电压、磁场、机械振动、负载）2、提高振荡回路的标准性（L、C、温度补偿、缩短引线）

24第二十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期三3.3.2克拉泼振荡电路与电容三点式相比（图3-2-3b），多串联了电容C3，要求C3较小，这样回路的总电容主要取决于C3，而回路中不稳定的电容主要是三极管的极间电容，而它们又直接，并接在较大的C1、C2上，不影响C3的值，结果是减小了这些不稳定电容对振荡频率的影响。25第二十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期三§3.4晶体振荡器3.3.1石英谐振器的电特性石英谐振器是一种利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件（压电效应）。振动频率的温度系数与切型有关。

忽略rq，晶体两端的阻抗为纯电抗，为式中石英晶体的振动具有多谐性，可产生基频振动和泛频振动。26第二十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期三根据上式可画出下面电抗曲线图

由图可见，在ωs～ωp的频率范围内Xcr为正值，呈感性；在其它频率段内，Xcr为负值，呈容性；在ωs上，Xcr＝0（电抗为0），具有串联谐振特性，相应的ωs成为串联谐振频率；在ωp上，Xcr

→∞（电纳为0），具有并联谐振特性，相应的ωp并联谐振频率。

27第二十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期三改写ωp的表达式由于Cq/C0的值很小，所以ωp与ωs的间隔也很小；因此，在实际振荡电路中，往往在晶体的两端并接有大电容CL，以改变相应的并联谐振频率。28第二十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期三3.3.2晶体振荡电路举例29第二十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期三§3.5RC正弦波振荡电路采用RC电路作为移相网络的振荡器。（利用了RC对相位的导前或滞后以及放大器的相移使总相移满足自激振荡条件）

频率：条件：30第三十页，共四十三页，编辑于2023年，星期三频率：

条件：有起振条件∣AF∣＞1∴∣A∣＞3

由

可得出Rt＞2R1

31第三十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期三§3.6负阻正弦波振荡器负阻振荡器是指负阻器件与LC谐振回路共同构成的一种正弦波振荡器。（可以达到很高的频率）负阻……控制振荡电压，达到起振和稳幅的效果。

32第三十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期三3.6.1负阻器件1．小信号模型增量电阻为负值的器件。如隧道二极管设vD＝VQ＋v＝VQ＋Vmsinωt则iD＝IQ＋i＝IQ－Imsinωt其中增量电流i＝（－gn）v＝（－gn）Vmsinωt＝－Imsinωt式中Im＝gnVm－gn是隧道二极管在静态工作点上的增量电导，其值为负（gn是正值）因此加到器件上的平均功率为式中的第一项表示直流电源供给器件的平均功率，第二项表示器件给出的交流功率，总和是器件消耗功率；因此它具有将直流功率转换为交流功率的作用。

33第三十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期三

当器件在小信号工作时，gn为定值；在大信号状态下，基波电流分量的增长将随电压的增大而逐步趋缓，结果使gn(av)减小。（傅里叶级数）

2．大信号模型34第三十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期三3.6.2负阻振荡器原理及其电路如图3.6.3，根据振荡原理，开始时gn>ge0，即ge为负值，则振荡电压幅度按指数规律增长；随着振荡电压的增长，gn(av)相应减小，直到gn(av)=ge0，即ge＝0时，并联谐振回路便在相应的平衡振幅上持续正弦振荡。35第三十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期三

串联型

并联型起振条件：

r>rL

R>Re平衡条件：-r+rL+jωoL+1/jωoC=0-1/R+1/Re+jωoC+1/jωoL=0谐振频率：

r=rL

R=Re

时