高频第4章-正弦波振荡器

谐振频率ω0=

第一章小结

特性阻抗并联：串联：串联到并联：

并联到串联：

第4章正弦波振荡器反馈式振荡器的工作原理LC正弦波振荡器石英晶体振荡器压控振荡器振荡器的频率稳定度主要内容：高频电路1.概述

高功放不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能。所谓产生振荡是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。作用及性能要求

1、

振荡器：在电子电路中，除了要有对信号进行放大的电路外，还需要有能在没有激励信号情况下产生周期振荡信号的电子电路即振荡器。2、比较：与放大器相同，振荡器也是一种能量转换器；不同的是，振荡器无需外部激励就能自动将直流电源提供的功率转换为一定频率和幅度的交流信号功率输出。

3、组成及分类：

组成：一般由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络组成根据选频网络所采用的器件分为：LC振荡器、晶体振荡器、

RC振荡器。振荡器输出信号的衡量指标：1、振荡频率：输出信号频率的准确度和稳定度；2、信号幅度：振幅的大小与稳定度；3、波形及波形的失真；4、输出功率，要求输出能驱动一定的负载。

由于大多数振荡器都是利用LC回路来产生振荡的，因此应首先研究LC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。

所谓“谐振”，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。LCR回路中的瞬变现象假设开关S先放于1的位置，使电容C最初充电到电压V，然后将S转换到2的位置，C上的电荷即经过L、R放电。由于回路R的存在，振荡的幅度越来越小。为了获得等幅振荡，就必须设法使LC回路中的电阻等于零。由于实际的LC回路本身总是有正电阻的，因此必须人为地引入一个负电阻，将回路本身的正电阻完全抵消，以获得等幅振荡。δ2＜ω2时产生振荡电流的情形

当R为负值时，振荡振幅将随时间而增长，得到增幅振荡波形。如果R的负值不变，则振幅将继续无限制地增长，但这在实际上是不可能的。因为一个振荡器开始振荡时，回路的等效串联电阻为负值（由有源器件供给负阻），随着振荡振幅的增长，有源器件的工作状态逐渐改变，负电阻的绝对值逐渐减小。最后负电阻与回路本身的正电阻正好互相抵消时，整个串联等效电阻变为零，振荡器产生等幅振荡，振荡频率取决于电路参数L、C、R。1）一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。2）一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。3）一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。

LC振荡器的基本工作原理4.1

反馈式振荡器的工作原理放大器

A（jw）反馈网络

F（jw）Σ基本放大器的增益反馈网络的反馈系数放大器

A（jw）反馈网络

F（jw）Σ反馈放大器的增益：当无限大，构成反馈型振荡器

电源有源器件

选频网络反馈网络P90习题4-1电路组成晶体管反馈网络

LC选频网络uiuf当振荡器接通电源后，即开始有瞬变电流产生。这瞬变电流所包含的频带极宽，但由于谐振回路的选择性，它只选出了本身谐振频率的信号。由于正反馈作用，谐振频率信号越来越强，即形成稳定的振荡。至于瞬变电流中所包含的其他频率则被振荡电路滤掉，不被放大，而逐渐消失。振荡器起振之后，振荡振幅便由小到大地增长起来。但它不可能无限制地增长，而是在达到一定数值后，便自动稳定下来。一、维持振荡的平衡条件反馈振荡器的环路增益：等幅振荡的平衡条件：放大器

A（jw）

反馈网络

F（jw）Σ平衡分为两个条件(1)振幅平衡条件：环路增益的模为1(2)相位平衡条件：环路增益的相移为0即，相位相同。振荡器环路增益的相频特性：取决于环路中的选频回路的相频特性，与回路的Q值相关，Q越大，选频滤波功能越好。实验一正弦波振荡器实验性质：验证性实验实验内容：1、调试LC振荡电路特性，观察各点波形并测量其频率2、观察振荡状态与晶体管工作状态的关系3、观察反馈系数对振荡器性能的影响4、比较LC振荡器和晶体振荡器频率稳定度5、观察温度变化对振荡频率的影响实验目的与要求：1、掌握晶体管（振荡管）工作状态、反馈大小对振荡幅度与波形的影响;2、掌握改进型电容三点式正弦波振荡器的工作原理及振荡性能的测量方法;3、研究外界条件变化对振荡频率稳定度的影响;4、比较LC振荡器和晶体振荡器频率稳定度，加深对晶体振荡器频率稳定度高的原因理解;注意要点：遵守实验室的各项规章制度二、自激振荡无需外加初始激励信号，利用振荡电路自身条件建立起等幅振荡的过程。其物理过程分为自激起振和自动平衡两个过程。1、自激起振振荡器的原始输入信号：是在接通电源瞬间引起的电压突变，以及电路内部的各种微弱噪声通过振荡环路的选频回路的选频，送入放大器放大和反馈形成的。自激起振的过程中：反馈电压与输入电压必须是同相的(1)振幅起振条件(2)相位起振条件：环路增益的相位为0，

满足正反馈条件振荡器自激时应注意的问题（P71）2、自动平衡过程起振过程：输出幅度不断增大的过程。自动平衡：振荡器输出电压的幅度增加到一定大小时不再增大，而自动转换成等幅振荡达到平衡。环路增益：非线性器件：晶体管(或场效应管)。非线性特性使放大器的增益A随输入信号的增大而减小。环路增益：满足环路起振和平衡条件的环路增益特性三、振荡器的稳定条件振荡器进入平衡状态，受到外界不稳定因素的干扰，使振荡器偏离平衡状态。例：所以振荡器偏离了平衡状态。不稳定因素消失，振荡器自动回到平衡点的能力。

相位增长引起振荡频率增大增益增大引起输出电压增大振荡电路中

若有：稳定条件：电路具有频率和相位总是起相反变化的

特性。

1、相位平衡的稳定条件相位减小，频率增大平衡点回路的Q越大，振荡器

的稳定性越好。

如：LC并联谐振回路的相频

特性为：振荡器的环路增益T的变化与输出电压幅度变化相反。

2、振幅平衡的稳定条件平衡点回到平衡态P90

习题4-2四、反馈振荡电路的判断

判断一个反馈振荡电路能否正常工作,需分析是否满足起振、平衡和稳定三个条件。(1)是否具有正反馈

若是正反馈，则电路可能会振荡，否则无法振荡。(2)如电路满足正反馈，则判断电路的起振条件

A、电路中放大器是否有正确的直流偏置

B、环路增益T是否大于1，若大于1可起振(3)环路增益T应具有负斜率，选频网络的相频特性也应为负斜率思考题1、反馈型正弦波振荡器由几部分组成？各自的作用是什么？2、电路中存在有正反馈，此电路是否一定可以产生自激振荡？为什么？3、简述反馈型正弦波振荡器的起振条件、平衡条件和稳定条件。4.2LC正弦振荡器采用LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器。振荡频率近似等于LC谐振回路的谐振频率，此时谐振阻抗为纯电阻。构成LC振荡器时应注意的问题P74按照反馈元件分为：互感耦合振荡器和三点式振荡器（包括电容反馈振荡器和电感反馈振荡器）LC正弦波振荡器的分类：据调谐电路与放大管的不同连接位置又分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。1、互感耦合振荡器互感耦合振荡器又称变压器反馈振荡器或调谐型振荡器，据调谐电路与放大管的不同连接位置分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。集电极调谐型互感耦合振荡器互感耦合电路特点及存在的缺陷

在互感耦合振荡器中，考虑到基极－发射极之间输入阻抗较低，晶体管与谐振回路一般都采用部分连接，从而加大反馈量，易于起振。三种电路中共基电路功率增益较小，输入阻抗也低，难以起振，但截止频率高，故工作频率高，另外，其内部反馈小，工作比较稳定，所以得到应用。

互感耦合元件的分布电容及漏感较大，会限制振荡频率的提高，所以它只适用于较低频率。

此种振荡器适合工作在中、短波波段。P91

习题4-4abc三点式振荡器基本结构图4.2.3

三点式LC振荡器采用LC回路部分接入形式来实现阻抗变换，以降低晶体管的输入阻抗对选频回路的影响。谐振频率决定于：反馈系数决定于：一、基本特征晶体管的三个电极分别同谐振回路的三个端点相连，故称为三点式振荡器。二、构成三点式振荡器的一般原则（相位平衡条件）

(1)与发射极（或漏极）相连的两个电抗元件的电抗性质必须相同；(2)另一个电抗元件与发射极相连的电抗元件性质相反。1、电容三点式振荡器(考毕兹电路)三、两种典型的三点式振荡器电路电容三点式振荡器反馈系数：2、电感三点式振荡器(哈特莱电路)电感三点式振荡器M为L1和L2之间的互感系数反馈系数：例：根据相位平衡条件的判断准则来判断那个可能振荡，那个不能？能振荡的电路是什么振荡器？有什么限制条件？(a)(b)不能振荡不能振荡(c)(d)可能振荡，电容三点式振荡器但L和C3串联要表现为感性可能振荡，电容三点式振荡器但L1和C1并联要表现为容性P91习题4-4d-i

三点式振荡器电路性能的分析以电容式振荡器为例对其性能进行分析C1C2LLECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc+uce-+ube

-LECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc晶体管用混合模型代替电容三点式等效电路

电感的损耗并联电阻进一步等效若因为晶体管的，是随外界条件(温度、电源)变化而随机变化的参数。所以振荡频率不稳定。2、电感三点式振荡器

在高频交流中，电源Ec处于高频地电位，由于旁路电容Ce的作用，发射极对于高频是与L1、L2的抽头相连。分析方法同电容式三点式振荡器，只是此时回路总电感L=L1+L2±2M.3、电容与电感三点式振荡的优缺点(1)电感三点式不适合太高频率工作，而电容三点式可在很高频率下工作；(2)电容三点式比电感产生的波形要好，比较光滑；(3)电感三点式可通过调节电容C来调节振荡频率；

(4)三点式振荡器的频率稳定度都不高。

四、改进型的三点式振荡器1、克拉泼(clapp)振荡器2、西勒(seiler)振荡器

有效改变振荡器的频率而不影响环路增益。调节电容C4可以改变振荡器的频率。该电路可以用于频率调节范围较宽的场合。几种三点式振荡器的比较1、石英振荡器的物理特性石英晶体是SiO2的天然晶体。它的形状是六棱柱锥体，它的横断面是正六边形。4.3石英晶体振荡器

晶体的形状及横断面

(a)晶体外形；(b)横断面２、石英晶振的阻抗频率特性

安装电容C0约１pF～１０ｐF

动态电感Lq约10-3H～102H

动态电容Cq约10-4pF～10-1pF

动态电阻rq约几十欧到几百欧

１）石英晶振的Ｑ值和特性阻抗ρ都非常高。Ｑ值可达几万到几百万,因为第1章中有关石英晶体的结构与特性：P26-27CoCqLqrqfsfp电容性电容性电感性fXqO二、石英晶体振荡器电路按照晶振在电路中所起的作用不同可分为两大类型：CLJTC1C2JT电容三点式振荡电路电感三点式振荡电路ECJTC2CC1Rb1Rb2CbReLc晶体C1C2JTC皮尔斯振荡器（基音晶体振荡电路）C1C2JTC无论C如何变化，所以频率稳定度高。（1）确保振荡器的谐振回路准确调谐在所需的某奇次泛音频率上。泛音晶体振荡器（并联型）（2）有效防止基频和其他泛音频率上的寄生振荡。设计时应注意：

泛音晶振的原理电路及L1C1回路电抗曲线

(a)交流电路；(b)电抗曲线泛音晶体振荡器C1C2C3JTLRb1Rb2RcReCbCcC1C2C3JTCoLEc调节C2使谐振回路频率等于晶振器的串联谐振频率时，晶振器表现为近似短路。例：一晶体振荡电路如图所示，其中，

可变，，，试分析该电路中晶体的作用，并求出该电路的振荡频率。简述在并联型晶振电路和串联型晶振电路中，石英晶体分别所起的作用？4.4压控振荡器压控振荡器（VCO）：振荡频率随外加控制电压的变化而变化的振荡器。压控振荡器的特性曲线1、压控振荡器的主要指标：(1)频率范围：频率覆盖系数为：

(2)线性度：

(3)压控灵敏度：单位控制电压产生的频率变化量，单位Hz/V2、构成VCO的一般方法

(2)张驰振荡器：多谐振荡器

(1)带有调谐回路（LC谐振回路）的振荡器：用控制电压来改变回路中电抗元件值，从而实现频率控制。4.4.2变容二极管压控振荡器利用变容二极管作为可变电容的调谐振荡器。变容二极管：在二极管的反向偏置条件下，势垒电容随外加电压而变化。结电容与外加电压的关系：二极管PN结的势垒电位差偏置为零时(VD=0)的电容值n是电容变容指数，与工艺有关LC压控振荡器

变容二极管接入LC振荡器电路中，组成LC压控振荡器。（克拉泼振荡电路）振荡频率受二极管的控制。P86一、振荡器频率的准确度和稳定度4.5振荡器的频率稳定度1、准确度：指振荡器的实际频率值fx对应标称值f0的相对偏离。2、稳定度：指在一定的时间间隔内频率准确度的变化情况，也可为一定时间内振荡频率最大相对偏差率。

振荡频率主要是由并联谐振回路的参数LC决定，也与晶体管的输入电容、输出电容有关。二、导致振荡频率不稳定的因素(1)振荡器元件的老化或某些元件参数的变化；(2)振荡器的工作环境条件（如温度、湿度、电源电压、磁场等外界因素）变化会引起元件参数的变化。一是要尽量减小外界因素的影响；二是从振荡电路本身想办法，改进电路，提高电路抵抗外界影响的能力。三、提高频率稳定度的措施(1)减小外界因素变化的影响P89；(2)提高振荡电路标准P89。4.6振荡器中的几种现象

1、间歇振荡振荡器中出现周期性起振和停振，振荡波形出现断续的现象。2、寄生振荡

在高频放大器或振荡器中，由于某种原因，会产生不需要的振荡信号，这种振荡称为寄生振荡。产生寄生振荡的形式和原因是各种各样的,有单级和多级振荡,有工作频率附近的振荡或者是远离工作频率的低频或超高频振荡。3、频率占据

一个振荡器在其反馈回路引入一个外来振荡信号，当外来振荡信号频率与振荡器频率很接近时，振荡器频率将会等于外来振荡信号的频率，产生了强迫同步，这种现象称为频率占据。

实验二调幅与大信号检波实验性质：验证性实验实验内容：1、调试集电极调幅电路特性，观察各点输出波形2、改变输入信号大小，观察电流波形3、观察检波器的输出波形实验目的与要求：1、进一步加深对集电极调幅和二极管大信号检波工作原理的理解2、掌握动态调幅特性的测试方法3、掌握利用示波器测量调幅系数ma的方法4、观察检波器电路参数对输出信号失真的影响注意要点：遵守实验室的各项规章制度第4章习题一、选择题1、并联型晶体振荡器中，石英晶体在电路中起()作用。

A.电阻B.电容C.电感D.短路2、串联型晶体振荡器中，石英晶体在电路中起()作用。

A.电阻B.电容C.电感D.短路3、为提高振荡频率的稳定度，高频正弦波振荡器一般选用（）。A．LC正弦波振荡器B．晶体振荡器C．RC正弦波振荡器

4、试用自激振荡的相位条件判别下图能产生自激振荡的电路（）。5、正弦振荡器中选频网络的作用是（）

A．产生单一频率的正弦波B．提高输出信号的振幅

C．保证电路起振A.

B.

C.

D.6、石英晶体谐振于fs时，相当于LC回路的（）。A.串联谐振现象B.并联谐振现象C.自激现象D.失谐现象7、判断下图是哪一类振荡器（）。

A.电感三点式B.电容三点式C.改进的电容三点式D.变压器耦合式8、电容三点式LC正弦波振荡器与电感三点式LC正弦波振荡器比较，优点是（）。A.电路组成简单B.输出波形好C.容易调节振荡频率D.频率稳定度高9、改进型电容三点式振荡器的主要优点是（）。

A.容易起振B.振幅稳定C.频率稳定度较高D.减小谐波分量10、石英晶体振荡器的主要优点是（）。A.容易起振B.振幅稳定C.频率稳定度高D.减小谐波分量11．如图所示电路，以下说法正确的是（

）。A.该电路可以产生正弦波振荡B.该电路不能产生正弦波振荡，原因在于振幅平衡条件不能满足；C.该电路不能产生正弦波振荡，原因在于相位平衡条件不能满足；D.该电路不能产生正弦波振荡，原因在于振幅平衡、相位平衡条件均不能满足；12、振荡器的平衡条件为()。

A.

B.C.

D.

13、振荡器的起振条件为()。

A.

B.

C.

D.

14、判断下图是哪一类振荡器（）。

A．考毕兹电路B．哈特莱电路C．西勒电路D．克拉泼电路15、

如下图2所示的振荡器属于()振荡器。

A.考毕兹B.石英晶体

C.克拉泼D.西勒二、填空题1、石英晶体在并联型晶体振荡器中起____作用，在串联型晶体振荡器中起____作用。电感短路

2、根据石英晶体的电抗特性，当时，石英晶体呈

，当时，石英晶体呈

性，当或时，石英晶体呈

性。短路电感电容3、反馈型振荡器维持振荡的振幅平衡条件为_______________

，相位平衡条件为____________________。

4、正弦波振荡器由

、

、

三部分组成。有源器件