电子线路-非线性部分(第四版)谢嘉奎-第3章正弦波振荡器课件

第3章

正弦波振荡器概述3.1

反馈振荡器的工作原理3.2

LC正弦波振荡器3.3

LC振荡器的频率稳定度3.4

晶体振荡器3.5

RC正弦波振荡器3.6负阻正弦波振荡器3.7

寄生振荡、间歇振荡和频率占据第3章正弦波振荡器概述3.1反馈振荡器的工作原理3概述一、与功放比较(从能量角度)

1．功率放大器

将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量。

特点：被动地，需输入信号控制

2．正弦波振荡器(SinewaveOscillator)

将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。

特点：自动地，无需输入信号控制。概述一、与功放比较(从能量角度)1．功率放大器二、正弦波振荡器的应用

1．作信号源(本章将讨论)

载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。

要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。

2．正弦交变能源(本章不讨论)用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。要求：功率足够大，高效。二、正弦波振荡器的应用1．作信号源(本章将讨论)载波

三、分类(按组成原理)

1．反馈振荡器

利用正反馈原理构成，应用广泛。

2．负阻振荡器

利用负阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。工作于微波段。三、分类(按组成原理)1．反馈振荡器利用正反馈原3.1

反馈振荡器的工作原理

1．组成主网络与反馈网络构成闭合环路。

图3-1-1反馈振荡器的组成方框及相应电路例：变压器耦合反馈振荡器(交流通路)。

(1)主网络

负载为谐振回路的谐振放大器。3.1反馈振荡器的工作原理1．组成主网络与反馈网络构图3-1-1反馈振荡器的组成方框及相应电路

(2)反馈网络

与L

相耦合的线圈Lf。反馈振荡器工作原理图3-1-1反馈振荡器的组成方框及相应电路(2)

2．等幅持续振荡的条件①

刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程。②进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持在相应的平衡值上。③

当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会产生突变或停止振荡。闭合环路成为反馈振荡器的三个条件：①起振条件——接通电源后可从无到有建立起振荡。②平衡条件——进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。③

稳定条件——平衡状态不因外界不稳定因素的影响而受到破坏。

以下分别讨论这三个条件。2．等幅持续振荡的条件①刚通电时，须经历一段振荡电第3章

正弦波振荡器3.1

反馈振荡器的工作原理3.1.1

平衡和起振条件3.1.2

稳定条件3.1.3

基本组成及其分析方法第3章正弦波振荡器3.1反馈振荡器的工作原理3.13.1.1

平衡和起振条件一、起振条件

1．分析

①

刚通电时，电路中存在电的扰动(电流突变或管子、电路中的固有噪声)，具有很宽的频谱。

②

谐振回路的选频功能，只允许角频率为osc

的分量(osc

0)在谐振回路两端产生较大的电压。

③

变压器绕向正确，可保证反馈信号

与输入信号

同相，经放大和反馈的循环，使振荡电压的振幅不断增长。

2．起振条件

(1)振幅起振条件3.1.1平衡和起振条件一、起振条件1．分析，或环路增益(2)相位起振条件

T(osc)=A(osc)+f(osc)=2n

(n=0，1，2，···)

二、平衡条件

1．分析同相又等幅，即若在某一频率

上，与当环路闭合后：

①主网络将输出正弦振荡电压

，角频率为

。

②所需输入电压全部由反馈电压提供，无需外加输入电压。

，或环路增益(2)相位起振条件T(osc)=A(

2．平衡条件由则：①

振幅平衡条件：环路增益的模

T(osc)=1

②

相位平衡条件：环路增益的相角T(osc)=2n

(n=0，1，2，···)

3．讨论反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：

①

起振时，T(osc)>1，Vi迅速增长；

②随后，T(osc)下降，Vi的增长速度变慢；

③

到T(osc)=1时，Vi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。

环路增益

特性如图3-1-2

所示。2．平衡条件由则：①振幅平衡条件：环路增益的模T(图3-1-2

④

而环路增益的相角T(osc)则必须维持在2n上。

平衡条件多利用放大器的非线性实现。

例变压器耦合反馈振荡器：

刚通电时，Vi很小，放大器小信号工作，增益较大，相应的T(osc)

为大于1

的水平线。当Vi增大到一定数值后，放大器进入大信号工作，由于放大特性非线性，放大器的增益将随Vi增大而减小，相应地T(osc)也就随着Vi的增大而下降。

符合起振与平衡条件对T(osc)的要求。图3-1-2④而环路增益的相角T(3.1.2

稳定条件一、问题的提出

1．振荡电路中存在干扰

①

外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回路参数的变化。

②

内部：存在固有噪声(起振时的原始输入电压,进入平衡后与输入电压叠加引起波动)。

均造成T(osc)和T(osc)的变化，破坏平衡条件。

2．干扰对平衡状态的影响(两种)通过放大和反馈的反复循环：①

振荡器离开原平衡状态，导致停振或突变到新的平衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免。3.1.2稳定条件一、问题的提出1．振荡电路中存在

②

振荡器有回到平衡状态的趋势。当干扰消失后，能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。必须讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳定的。

二、振幅稳定条件

图3-1-2

所示环路增益特性，还满足振幅稳定条件。

1．稳定过程

若，干扰使：

最后在新的上重新满足平衡条件T(osc)=1最后达到新的平衡。

②振荡器有回到平衡状态的趋势。当干扰消失后，能回到平衡

2．环路增益存在两个平衡点的情况图3-1-3

如图3-1-3

所示，振荡器存在着两个平衡点A

和B，其中A

是稳定的，B

点是否稳定？

分析：若使Vi>

ViB，则T(osc)随之增大，导致Vi进一步增大，从而更远离平衡点B。最后到达平衡点A。反之，若，直到停止振荡。

可见，这种振荡器不满足振幅起振条件，必须加大的电冲击，产生大于ViB的起始扰动电压，才能进入平衡点A，产生持续等幅振荡。2．环路增益存在两个平衡点的情况图3-1-3如图

硬激励：靠外加冲击而产生振荡。

软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。

3．振幅稳定条件

可见，要使平衡点稳定，T(osc)必须在ViA

附近具有随Vi增大而下降(负斜率变化)的特性，即

斜率越陡，则Vi

的变化而产生的T(osc)

变化越大，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。硬激励：靠外加冲击而产生振荡。软激励：接通电源后自动三、相位(频率)稳定条件1．T(osc)的偏移对振荡频率的影响①

由相位平衡条件

T(osc)=2n(n=0，1，2，···)，表明每次放大和反馈后的电压与原输入电压同相。

②

若某种原因使T(osc)>0，则通过每次放大和反馈后的电压相位都将超前于原输入电压相位。由

=/t(正弦电压角频率是瞬时相位对时间的导数)

，因此，这种相位的不断超前表明振荡器的角频率>osc。

③

反之，若某种原因使T(osc)<0，则由于每次放大和反馈后的电压相位都要滞后于原输入电压相位，因而振荡频率<osc。三、相位(频率)稳定条件1．T(osc)的偏移对振

2．相位(频率)稳定的讨论

若T()

的特性如图3-1-4

所示(在osc附近有负斜率变化)

①

若某种原因使T(osc)>0(即

>

osc)，由特性，T()

<0，Vi的超前势必受到阻止。

②

若某种原因使T(osc)<0(即

<

osc)，由特性，T()

>0，Vi滞后必受阻。

两种情况都通过不断的放大和反馈，最后都在原振荡频率附近达到新的平衡，使

。3．相位稳定条件

斜率越陡，则稳定性越灵敏。图3-1-42．相位(频率)稳定的讨论若T()的特性如4．举例说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。

T()

由两部分组成：

(1)放大器输出电压对输入电压的相移A()(2)反馈网络反馈电压对的相移f()即

T()=A()+f()4．举例说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条T()=A()+f()

①

A()放大管(可略)并联谐振回路相移Z()②

f()，随

的变化十分缓慢，可认为它与

无关。故Z()随

变化的特性可代表

T()

随

变化的特性。T()=A()+f()①A((a)并联谐振回路图3-1-5谐振回路的相频特性曲线

并联谐振回路，其相频特性0——谐振频率

Qe——有载品质因数

可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性的谐振回路来满足相位稳定条件的，且Qe越高，Z()随

的变化斜率越大，频率稳定度越高。(a)并联谐振回路并联谐振回路，其相频特性0——谐振3.1.3

基本组成及其分析方法要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足起振、平衡、稳定三项条件。

1．组成

①

可变增益放大器——提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。

②

相移网络——具有负斜率变化的相频特性，为环路提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为2n。或：四个环节3.1.3基本组成及其分析方法要产生稳定的正弦振荡，2．种类

根据可变增益放大器和相移网络的不同：

(1)可变增益放大器①按放大管晶体管放大器场效应管放大器差分对管放大器集成运算放大器等②按实现可变增益的方法内稳幅(SelfLimiting)：利用放大管固有的非线性

外稳幅(ExternalLimiting)：放大器线性工作，另外插入非线性环节，共同组成。(2)相移网络——具有负斜率变化的相移①LC

谐振回路②RC

相移和选频网络③石英晶体谐振器2．种类根据可变增益放大器和相移网络的不同：

3．分析方法反馈振荡器为包含电抗元件的非线性闭环系统，用计算机可对其进行近似数值分析。但工程上广泛采用：

①

首先，检查环路是否包含可变增益放大器和相频特性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。

②

其次，分析起振条件。起振时，放大器小信号工作，可用小信号等效电路分析方法导出T(j)，并由此求出起振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。

③

最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。3．分析方法反馈振荡器为包含电抗元件的非线性闭环系统第3章正弦波振荡器3.2

LC正弦波振荡器3.2.1三点式振荡电路3.2.2差分对管振荡电路

3.2.3举例第3章正弦波振荡器3.2LC正弦波振荡器3.2.13.2

LC正弦波振荡器

LC正弦波振荡器：采用LC谐振回路作为相移网络的振荡器。

种类：变压器耦合振荡电路三点式振荡电路和差分对管振荡电路。3.2LC正弦波振荡器LC正弦波振荡器：采用LC3.2.1

三点式振荡电路一、电路组成法则图3-2-1

三点式振荡的原理电路

1．电路

两种基本类型三点式振荡器的原理电路(交流通路)。

2．组成法则

交流通路中，晶体管的三个极与谐振回路的三个引出端相连接。其中，与发射极相接的为两个同性质电抗，接在集-基间的为异性电抗。

可证，此法连接必满足相位平衡条件，实现正反馈。三点式振荡电路组成法则3.2.1三点式振荡电路一、电路组成法则图3-2-1三二、三点式振荡器电路

(1)电路图3-2-2电容三点式振器电路

RB1、RB2和RE：分压式偏置电阻；CC、CB、CE：旁路和隔直流电容；RC：集电极直流负载电阻；RL：输出负载电阻；

L、C1、C2

：并联谐振回路。二、三点式振荡器电路(1)电路图3-2-2电容三点图3-2-2电容三点式振器电路

(2)组成

可变增益器件：晶体管T；相移网络：并谐；发射极：为两同性质容性电抗；集-基：感性电抗。图3-2-2电容三点式振器电路(2)组成可变增益(3)讨论——

起振与平衡

T为可变增益器件，偏置电路设置合适Q点同时，随vi的增大产生自给偏置效应，加速放大器增益的下降。图3-2-4其直流偏置电路如图

3-2-4所示。刚起振时，发射结直流偏置为静态偏置电压，VBE0=

VBEQ=VBB

-IBQRB-IEQRE。自给偏置效应反馈→vi↑→vi一部分进入截止区→iC为失真的脉冲波，其平均值IC0

>ICQ→VBE0↓→增益↓→平衡

所以，振荡振幅增大时，加在发射结上的偏置电压将自静态值向截止方向移动，导致环路增益进一步下降，从而提高了振荡振幅的稳定性。(3)讨论——起振与平衡T为可变增益器件，偏置电2．电感三点式振荡器电路(1)电路与元件作用(2)组成法则判断

交流通路图3-2-62．电感三点式振荡器电路(1)电路与元件作用(2)组成法则三、电容三点式振荡电路的起振条件(相位与振幅)1．等效电路[以图

3-2-2(b)为例]

推导环路增益T(j)

时，应将闭合环路断开。(1)改画电路

图3-2-3

对应图3-2-2电路的交流通路断点左面加环路的输入电压Vi(j)断点右边(与C2

并联)接入自断点向左看进去的阻抗Zi

Re0：

L、C1、C2

并联谐振回路的固有谐振电阻。Q0：固有品质因数。三、电容三点式振荡电路的起振条件(相位与振幅)1．等效电路[(2)用混合

型等效电路表示设fosc<<fT

(管子的特性频率)，忽略rbb

、ree和Cbc，得简化的等效电路：(2)用混合型等效电路表示设fosc<<fT

(a)

(b)图3-2-3

对应图3-2-2电路的交流通路由图3-2-3可见，在

×

处呈现的输入阻抗。其中Zi=RE//re//(1/jCbe)，re=26mV/IEQ(a)(b)令且设则反馈电压Vf(j)

为：(Z1、Z2

串与Z3并)Z1Z2Z3令且设则反馈电压Vf(j)为：(Z1、Z2串与所以(3-2-1)将Z1、Z2、Z3

表达式代入，整理得(3-2-2a)

其中式中，

谐振时满足虚部为0，即B=0，T(osc)=0

起振时满足T(osc)>1

(gm>A)可求得三点式振荡器的相位起振条件为所以(3-2-1)将Z1、Z2、Z3表达式代入，整理得

(3-2-3)振幅起振条件为

(3-2-4)讨论：1．振荡角频率osc

振荡频率osc

由相位起振条件决定，解(3-2-3)求得(3-2-5)式中，

：LC回路总电容，

：固有谐振角频率。

osc

与0(LC)有关，还与gi(Ri)、gL

(

Re0、RL)有关，且osc>0

。在实际电路中，一般满足

(3-2-3)振幅起振条件为(3-2-4)讨论：1．振荡工程估算时，osc

0=

(3-2-6)2．振幅起振条件

工程估算时，令

=osc

0

，代入(3-2-4)式，即

(3-2-4)振幅起振条件可简化为设(3-2-7)n为电容分压比(p127)，上式改写为gm>(3-2-8a)或

(3-2-8b)工程估算时，osc0=(3

若gi>>

，则由图3-2-7可见，n2gi便是gi经电容分压器折算到集电极上的电导值。

因而回路谐振时集电极上的总电导为(

+n2gi)，gm

除以这个总电导就是回路谐振时放大器的电压增益Av(0)*，而n则是反馈网络(C1、组成)的反馈系数kfv

。这样，式(3-2-8b)又可表示为Av(0)kfv

>1图3-2-7推导T(j)的等效电路若gi>>，则由图3-2-7可见，n2图3-2-7推导T(j)的等效电路

讨论：为满足振幅起振条件，应增大Av(0)

和kfv

。

①增大kfv(=n)

，n2gi

增大，Av(0)

减小；减小kfv

，虽提高

Av(0)，但回路增益T(0)受限。故n取值应适中。

②提高ICQ，可以增大gm，从而提高Av(0)

，但不宜过大，否则，gi(1/re=gm/)会过大，造成回路有载品质因数下降，影响频率稳定性。ICQ一般取

15mA。图3-2-7推导T(j)的等效电路讨论：为满

(a)

(b)图3-2-3

对应图3-2-2电路的交流通路

结论：若振荡管fT

>5fosc，RL又不太小(>1k)，且n(两电容)取值适中，一般都满足起振条件。

分析表明，闭合环路不论何处断开，它们的振幅起振条件都是一样的。但断开点不同，主网络和反馈网络的组成就不同，相应的放大器增益和反馈系数也就不同。(a)(b)

(a)

(b)图3-2-3

对应图3-2-2电路的交流通路

若图3-2-3(b)所示闭合环路在基极处开断，三极管接成共发组态。图中用工程估算法将gib和折算到集射极间，分别为gib

折算到集射极间的计算。(a)(b)图3-2-8在基极处开断的等效电路图3-2-8在基极处开断的等效电路折算到集射极间的计算折算到集射极间的计算

四、用工程估算法求起振条件

①将闭合环路断开，画出开环等效电路。②求出固有谐振频率0，并令osc

0。

③将谐振回路的电导折算到集电极上，求放大器回路谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。四、用工程估算法求起振条件①将闭合环路断开，画出3.2.2差分对管振荡电路

一、工作原理

T2的集电极上外接LC谐振回路，调谐在谐振频率上。其输出电压直接加到T1管的基极上，形成正反馈。T2管的基极和集电极直流同电位，必须限制LC两端的振荡电压(200mV左右)，防止T2管饱和。

振荡管进入截至区实现内稳幅，使得回路有较高的有载品质因数，有利于提高频率稳定性。

3.2.2差分对管振荡电路一、工作原理T2的集电极二、求

T(j)

1．交流通路

2．共集-共基等效电路二、求T(j)1．交流通路2

T1管的基极电流Ib1在T2管的输入端产生的电压为：

其中，

T2管输入端的等效阻抗

共集-共基级联电路的输入阻抗为T1管的基极电流Ib1在T2管的输入端产生的电

电路简化如图3-2-10(d)所示。

三、确定振荡角频率式中，C

=C+Cbe/2

电路简化如图3-2-10(d)所示。三、确定振荡角频四、确定振幅起振条件所以，四、确定振幅起振条件所以，3.2.3

举例图3-2-12(a)

例

1：判断如图

3-2-12所示交流通路能否满足相位平衡条件？

解：若L、C3串联支路呈感性，则符合相位平衡条件条件：当

osc>

时，

L、C3

串联支路呈感性。例2：自己看。3.2.3举例图3-2-12(a)例1：判断如图(a)

(b)

(c)图3-2-13例3电路(a)及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线

(b)(c)

例3：图3-2-13为三回路振荡器交流通路，f01，f02，

f03

分别为三个回路的固有谐振频率，写出它们之间能满足相位平衡条件的两种关系式，并指出两种情况下振荡频率处在什么范围内。解：已知串、并联谐振回路电抗特性曲线如图

3-2-13(b)、(c)所示。(a)(b)(c)(a)

(b)

(c)图3-2-13例3电路(a)及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线

(b)(c)串联回路中，>0，X>0，呈感性；<0，X<0，呈容性。并联回路中，

>0，X<0，呈容性；<0，X>0，呈感性。(a)(b)(c)串(a)

(b)

(c)1．若构成电容三点式电路

L1C1、L2C2回路呈容性失谐，L3C3

回路呈感性失谐。容性失谐：fosc<

f01,

fosc>

f02；感性失谐：fosc<

f03。2．若构成电感三点式电路

L1C1、L2C2回路呈感性失谐，L3C3

回路呈容性失谐。感性失谐：fosc>

f01，

fosc<

f02；容性失谐：fosc>

f03。(a)(b)(c)1第

3章正弦波振荡器3.3

LC振荡器的频率稳定度3.3.1

提高频率稳度的基本措施3.3.2

克拉泼振荡电路第3章正弦波振荡器3.3LC振荡器的频率稳定度3.3.3

LC振荡器的频率稳定度(1)定义：

频率稳定度又称为频稳度，为振荡器最重要的指标，指在规定时间内，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。(2)种类

按规定时间的长短不同，频稳度可分为：

长期频稳度：一天以上乃至几个月内因元器件老化而引起的频率相对变化量。

短期频稳度：一天内因温度、电源电压等外界因素变化而引起的频率相对变化量。

瞬时(秒级)频稳度：电路内部噪声引起频率相对变化量。

通常指短期频稳度。

(3)表达式

3.3LC振荡器的频率稳定度(1)定义：频率稳定度绝对准确度：fosc

=f

-

fosc

fosc：标称频率

相对准确度：f：实测的振荡频率将规定时间划分为

n个等间隔，各间隔内实测的振荡频率为

fi，短期频稳度的定义：式中，(fosc)i=fi

-

fosc

，第

i个间隔内实测的绝对准确度；

为绝对准确度的平均值，越小，频率准确度就越高。

(4)对频稳度的不同要求

高精度信号发生器用途中波电台电视发射机信号发生器频稳度10-510-4~10-510-710-7~10-9绝对准确度：fosc=f-foscfosc3.3.1

提高频率稳度的基本措施首先分析外界因素对振荡频率变化的影响。一、频稳度的定性分析

1．振荡频率的图解由相位平衡条件

T(osc)=0即说明：

①

A()

主要取决于并联谐振回路的相移z()

，它在谐振频率附近随

的变化十分剧烈；

②

f()

随

的变化相对要缓慢得多，可近似认为它是与频率无关的常数，用f

表示。得：

Z(osc)=-

f故：

Z()曲线与高度为-f

水平线相交点上所对应的角频率——振荡角频率

osc

。

3.3.1提高频率稳度的基本措施首先分析外界因素对振荡频率2．影响振荡频率osc的参数

图

3-3-1(a)由

可知：影响振荡频率osc

的参数是0、Qe

和f

。故讨论频稳度就是分析外界因素通过这三个参数对振荡频率变化的影响。

(1)谐振频率

0

变化若

L、C

变化，0

产生0

的变化，则

z()曲线沿横坐标平移

0，曲线形状不变。参看图

3-3-1(a)。2．影响振荡频率osc的参数图3-3-1(a)由图

3-3-1(b)(2)Qe变化若负载和管子参数变化，使谐振回路

Qe增加

Qe，则

z()曲线变陡。Qe引起振荡频率的变化量与f大小有关。参看图

3-3-1(b)。

(3)若

f

产生

f，则

z()曲线形状不变，而交点移动。

f

引起振荡频率的变化与

f(同条曲线)、Qe的大小有关。3．讨论提高LC振荡器频稳度的基本措施：图3-3-1(b)(2)Qe变化若负载和管子参数图3-3-1(c)

①减小0、Qe和f，故应减小外界因素变化引起0、Qe和f的变化。

②减小f和增大Qe，以减小由Qe、f

引起的振荡频率变化量。二、提高频稳度的基本措施1．减小外界因素的变化

外界因素：温度、湿度、大气压、电源电压、周围磁场、机械振动及负载变化等，其中以温度的影响最严重。

措施：减振、恒温、密封(湿度、大气压)、高稳定度电源、屏蔽罩、振荡器与负载间插入跟随器。

图3-3-1(c)①减小0、Qe和2．提高振荡回路标准性(1)标准性振荡回路在外界因素变化时保持固有谐振频率不变的能力。标准性越高，0

就越小。(2)0

与

L、C的关系将此式展开，忽略高阶小量，化简为

2．提高振荡回路标准性(1)标准性振荡回路在外界因素变化(3)分析

可见，为提高回路标准性，必须减小

L、C的相对变化量。措施：①

温度补偿。电感和部分寄生参量有正值的温度系数，选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补偿。②缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。③

使用稳定度高的外接集总电容、电感，减小不稳定的寄生量及其在

L、C

中的比重。

(4)讨论

fosc=(LC)-1/2稳定，C↑→L↓→

Q0↓→Qe↓→频稳度↓所以，增加总电容是有限度的。因此一般都串联电容，减小管子与回路间耦合的方法。例如：clapp电路(3)分析可见，为提高回路标准性，必须减小L、C的3.3.2

克拉泼振荡电路1．电路

图3-3-2(b)2．特点

为电容三点式振荡器的改进型电路，其差别：与

C1、C2串联的电容

C3。且C3取值较小。满足

C3<<C1，C3<<C2，回路总电容取决于

C3。3．原理回路总电容取决于

C3，减小了极间电容

Cce、Cbe、Ccb(并联在

C1、C2上)对频率的影响。

C3越小，影响越小，回路标准性越高。比电容三点式高一个数量级。

3.3.2克拉泼振荡电路1．电路图3-3-2(b)2．4．讨论接入

C3后，虽反馈系数不变(上节例

2)，但接在

A、B两端的电阻折算到集电极间的数值减小，

C1，2

是

C1、C2极间电容的总和，因而环路增益减小。C3越小，环路增益越小。可见，在这种振荡电路中，减小

C3提高标准性是以牺牲环路增益为代价的。C3过小，就不会满足振幅起振条件，而停振。

下节，讨论晶体振荡器。4．讨论接入C3后，虽反馈系数不变(上节例2)，但第

3章正弦波振荡器3.4.1

石英谐振器的电特性3.4.2

晶体振荡电路3.4

晶体振荡器第3章正弦波振荡器3.4.1石英谐振器的电特性3.43.4

晶体振荡器

频稳度晶体振荡器：超过

10-5LC振荡器：10-3~10-5

晶体振荡器：采用石英谐振器控制和稳定振荡频率的振荡器。

3.4.1

石英谐振器的电特性1．石英晶体的性能与等效电路

(1)结构

利用石英晶体(Quartz-Crystal)的压电效应制成的一种谐振器件。(a)

(b)

(c)图3-4-1石英谐振器的内部结构3.4晶体振荡器频稳度晶体振荡器：超过10-5LC(2)性能①

晶片有一固有振动频率，与切割方位、形状、大小有关，且十分稳定。将其接到振荡器的闭合环路中，利用其固有频率，能有效地控制和稳定振荡频率。

②

压电效应：机械与电的相互转换效应。

正压电效应：外加力，产生电荷现象

逆压电效应：外加电压，产生机械振动现象。

③

振动特性：具有多谐性，除基频(FundamentalFrequency)振动外还有奇次谐波的泛音(Overtones)振动。

(2)性能①晶片有一固有振动频率，与切割方位、形状、大(3)等效电路

C0：静态电容和支架引线分布电容之和；Lq1、Cq1、rq1：晶体基频等效电路；Lq3、Cq3、rq3：晶体三次泛音等效电路

(Lq很大、Qq很大、Cq很小且数值极其稳定)当外加交变电压与石英晶片的机械振动发生共振时，石英晶片两极上的交变电荷量即通过的交变电流量最大，因而具有串联谐振特性。(3)等效电路C0：静态电容和支架引线分布电容之和；Lq12．电抗特性可证：忽略rq时，晶体两端呈现纯电抗，其值近似为2．电抗特性可证：忽略rq时，晶体两端呈现纯电抗，其值近图3-4-3晶体的阻抗曲线讨论：

①

在

s

~

p

之间为正值，呈感性；其他频段内为负值，呈容性。

②在s上Xcr=0，为串联谐振；在p

上Xcr

，为并联谐振。又应用

则或图3-4-3晶体的阻抗曲线讨论：①在s~因为C0>>Cq，所以

p很靠近

s，例如

5MHz的晶振体fp–fs

6.5kHz小结：

晶振体两个谐振频率：fs、fp；且fs

<fp①

工作于

fs

~fp之间为高

Q电感，并联谐振。②

工作于

fs附近为串联谐振，对

fs，相当于短路。

晶振体只能工作于上述两种方式，否则频稳度下降。因为C0>>Cq，所以p很靠近s，例如3.4.2

晶体振荡电路一、并联型晶体振荡电路晶体振荡器1．电路[皮尔斯(Pirece)晶体振荡电路](a)实际电路(b)交流通路图3-4-5皮尔斯振荡电路RB1、RB2和RE

：分压偏置电路，LC：高频扼流圈，CB：

旁路电容，CC：耦合电容。2．原理由等效电路，它与

Clapp电路十分相似(Cq类似于C3)。3.4.2晶体振荡电路一、并联型晶体振荡电路晶体振荡器1．3．频率准确度微调实际频率与标称频率往往有偏差，若要求准确度高，必须设频率微调。4．提高频稳度的措施图3-4-6采用微调电容的晶体振荡电路(1)恒温槽将晶体或振荡器置于恒温槽内，槽内温度控制在晶体拐点温度(在该温度范围内，晶振温度系数为

0)附近。频稳度可达

10-10数量级。

3．频率准确度微调实际频率与标称频率往往有偏差，若要求准(2)变容管的温度补偿电路①

电路

T1——Pirece晶体振荡电路(2)变容管的温度补偿电路①电路T1——Pire②

原理

温度控制电路中，热敏元件使

Vi反映了温度的变化，作用到变容二极管，使其电容改变，补偿因温度引起振荡频率的变化。

T↑→Rt1↓→vCj↑→Cj↓→

fs↑fs↓②原理温度控制电路中，热敏元件使Vi反映了温度的变5．泛音振动——

基波和低次泛音的抑制(1)电路将

Pirece电路中

C1用

LC1谐振回路取代。(2)原理

假设取五次泛音晶体，标称频率

5MHz，为了抑制基波和三次泛音的寄生振荡，LC1应调谐在三次和五次泛音之间，例如

3.5MHz。图3-4-8

在

5MHz频率上，LC1呈容性，满足电容三点式；对基频、三次泛音，LC1呈感性，组成法则不满足；

对高于七次以上泛音，虽

LC1呈容性，但分压比

n过小，不满足起振条件。5．泛音振动——基波和低次泛音的抑制(1)电路将Pir二、串联型晶体振荡电路1．电路

1

当f=fs

时，晶体串联谐振，等效为短路元件，T1、T2管和外接晶体构成正反馈放大器，满足相位平衡条件，且反馈最强，满足起振条件。图3-4-9

XK76集成晶体振荡的内部电路二、串联型晶体振荡电路1．电路1当f=fs时谐振频率

——fs

f

fs时，晶体呈高阻抗，反馈显著减弱，不能满足振幅和相位起振条件，所以这种振荡器的振荡频率受晶体串联谐振频率的控制，具有很高的频稳度。2．电路

2

晶体串联谐振频率，等效为短路元件，电路符合三点式组成法则，为电容三点式电路。偏离串联谐振频率，晶体阻抗迅速增大，电路不能振荡。振荡频率取决于晶体的串联谐振频率。为提高频稳度，可将

L、C1、C2、C3回路调谐在串谐频率附近。谐振频率——fsffs时，晶体呈高阻抗，反第3章正弦波振荡器3.5

RC正弦波振荡器3.5.1

概念3.5.2

移相网络3.5.3

RC相移振荡电路3.5.4

串、并联

RC振荡电路

第3章正弦波振荡器3.5RC正弦波振荡器3.5.13.5

RC正弦波振荡器1．概念采用

RC电路作为移相网络的振荡器振荡频率：低频段，几赫兹至1MHz之间。

移相网络

RC

导前移相电路

RC

滞后移相网络

RC

串、并联选频网络

2．移相网络

(1)导前移相电路

①电路②表达式③幅频特性④相频特性3.5RC正弦波振荡器1．概念采用RC电路作为移相

(2)滞后移相电路(3)串、并联选频电路

(1)

和(2)构成的振荡器称为RC(PhaseShift)

相移振荡器。

(3)构成的振荡器称为串、并联

RC振荡器。(2)滞后移相电路(3)串、并联选频电路(1)和(3．RC相移振荡电路图

3-5-2(a)为导前相移电路构成的

RC相移振荡器电路。(a)

(b)图3-5-2

RC相移振荡电路

集成运放：反相放大，相移

180，当RC导前相移电路提供

180

相移时，环路满足相位平衡条件。一节

RC电路提供最大相移小于

90(相位趋近

90

时，增益已趋于

0)，故需三节

RC电路才能提供

180

相移。

3．RC相移振荡电路图3-5-2(a)为导前相移电路构成(a)

(b)图3-5-2

RC相移振荡电路

将其在×处断开，断开点的右端加，左端接运放的输入电阻(其值等于

R)，得图

3-5-2(b)。可得出环路增益

由此可以得到振荡频率和振幅起振条件分别为(a)(b)将其在×处断开由于

RC相移电路的选频特性不理想，因而它的输出波形失真大，频稳度低，只能用在要求不高的设备中。4．串、并联

RC振荡电路

(1)电路

图3-5-3(a)集成运放构成的电路运放为同相输入，相移

A=0。(2)原理

相位条件：当

osc=0

时，RCF=0，环路满足相位平衡条件。

起振条件：谐振时，环路增益为

取

值使

Rt>2R1，即

T(0)

>

1，就可满足起振条件。由于RC相移电路的选频特性不理想，因而它的输出波形失图3-5-3(b)改画成电桥形式的电路

平衡条件：Rt为具有负温度系数的热敏电阻。RC串并、联正弦波振荡器刚起振时，Rt的温度最低，相应的电阻最大，因而运放增益最大，使

T(0)

>1。振幅过大，Rt上消耗的功率增加，致使温度上升，阻值减小，直到

T(0)=1，进入平衡状态。图3-5-3(b)改画成电桥形式的电路平衡条件：Rt第

3章

正弦波振荡器3.6负阻正弦波振荡器3.6.1负阻器件3.6.2负阻振荡原理及其电路3.6.3用负阻观点讨论

LC反馈振荡器

第3章正弦波振荡器3.6负阻正弦波振荡器3.6.1负阻振荡器是采用负阻器件与LC谐振回路共同构成的一种正弦波振荡器，主要工作在100MHz以上的超高频段。3.6.1负阻器件

负阻器件是指它的增量电阻为负的器件。

隧道二极管的伏安特性如图3-6-1所示。

负阻振荡器是采用负阻器件与LC谐振回路共同构成的一种图中vD=VQ+v=VQ+Vmsin

t

忽略失真的情况下iD=IQ+i=IQ+Imsin

t

增量电流i=(-gn)v=(-gn)Vmsin

t=-

Imsin

t

加到器件上的平均功率图中vD=VQ+v=VQ+VmsinvD=VQ+v=VQ+Vmsin

t

iD=IQ+i=IQ+Imsin

t

i=-

Imsin

t

器件给出交流功率因为Vm<VQ，Im<IQ

所以P>0

器件是将一部分直流功率转换为交流功率。

当器件工作在大信号时，定义器件的平均负增量电导为

-gn(av)。vD=VQ+v=VQ+VmsintiD图3-6-2给出了隧道二极管工作在大信号时的特性，图中电导式中：I1m—基波电流振幅。

图3-6-2给出了隧道二极管工作在大信号时的特性，图3.6.2负阻振荡原理及其电路图3-6-3给出了电压控制型负阻振荡器。

器件并接在谐振回路上。

电路方程为

式中：ge=ge0-gn(av)

ge0—谐振回路固有谐振电导。3.6.2负阻振荡原理及其电路图3-6-3给出了当时上式中，当时，受到扰动时起振，振荡角频率为。

gn>ge0

振幅增长

gn(av)下降。当gn(av)=ge0，产生稳定振荡，其角频率为0。

起振条件：gn>ge0

。当时上式中，当时，受到扰动时起振

平衡条件：或ge0=gn(av)，

振幅稳定条件：

相位稳定条件。

谐振回路的相频特性予以保证。平衡条件：或ge0=gn(av)，电流控制型负阻器件如图3-6-4所示。

负阻器件串接在谐振回路中。

采用同样的分析方法得到。

起振条件：rn>re0

平衡条