第4章正弦振荡

1.信号的放大：

高频小信号放大，高频功率放大2.信号的产生：振荡器3.信号的变换：倍频器，变频器调制器：调幅、调频、调相解调器：检波、鉴频、鉴相通信电子电路的主要内容1.概述2.反馈振荡原理3.LC振荡器4.晶体振荡器第4章正弦波振荡器4.1概述

振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交流振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于：无需外加激励信号，就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。频率的稳定性越来越高1.并联谐振回路中的自由振荡现象

t<0，S接1；t≥0，S接2。是角频率为ω0，振幅按指数规律衰减的振荡电压。4.2反馈型正弦波自激振荡器基本原理要得到等幅振荡，应使α=0（1）再并上一负阻用器件构成负阻，如用隧道二极管等。（2）利用正反馈补充能量

在刚接通电源时，电路中存在各种电扰动，如接通电源瞬间引起的电流突变，电路中的热噪声等等，这些扰动均具有很宽的频谱。如果选频网络是由ＬＣ并联谐振回路组成，

则其中只有角频率为谐振角频率ω0的扰动分量才能通过反馈产生较大的反馈电压。2.反馈振荡的建立和振荡条件反馈必须是正反馈，即反馈到输入端的反馈电压必须与输入电压同相（用瞬时极性法判断）。3.平衡过程与平衡条件

随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区或截止区，电流波形出现切顶现象，但由于谐振回路的选频特性，电压仍为余弦波形，但基本不再增加。振荡建立过程结束，波形稳定下来。平衡条件Σφ=φK(ω0)+φF(ω0)=2nπ(n=０,１,２,…)振幅平衡条件相位平衡条件注：F有一定的相移，为保证正反馈，谐振回路有一些失谐。4.振荡器的稳定条件A点是稳定的，而B是不稳定点。为了维持振荡器稳定的工作，只满足平衡条件和起振条件是不够的，因为平衡条件只能说明振荡可能平衡在某一状态，而不能说明振荡的平衡状态是否稳定。

由晶体管放大器保证注：开始工作在甲类，避免硬激励。（2）相位平衡的稳定条件相位稳定条件的意义:指当相位平衡条件遭到破坏时，电路本身能自动地重新建立起相位平衡点的条件。

由谐振回路保证相位变化时，频率也变化，故相位稳定条件也是频率稳定条件。相位稳定条件：用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件（即是否是正反馈）：1.断开反馈，在断开处加输入电压Ui（交流），规定其瞬时对地极性；2.以此为依据，判断输出电压Uo的极性；

3.根据输出电压Uo的极性判断反馈电压Uf的极性；4.若Ui和Uf极性相同，说明是正反馈，满足相位条件，电路有可能振荡。（C2，Ce对交流短路）共射：反相；共基、共集：同相。

三点式振荡器是指ＬＣ回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。4.3三点式LC振荡器4.3.3相位条件判断电路组成法则

假定（1）不考虑晶体管的电抗效应；（2）ＬＣ回路由纯电抗元件组成，其电抗值分别为Ｘce，Ｘbe和Ｘbc；（3）在谐振时，I>>Ib，I>>Ic当回路谐振（ω＝ω0）时,回路呈纯阻性，有Ｘbe＋Ｘce+Ｘbc＝0电容三点式电感三点式Χbe与Χce必须是同性质电抗，Xbc必须是与它们异性质的电抗。

Ｘbc＝—（Ｘbe+Ｘce）射同集（基）反2016.4.6（6）平衡条件相位稳定条件振幅稳定条件用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件（即是否是正反馈）：1.断开反馈，在断开处加输入电压Ui（交流），规定其瞬时对地极性；2.以此为依据，判断输出电压Uo的极性；

3.根据输出电压Uo的极性判断反馈电压Uf的极性；4.若Ui和Uf极性相同，说明是正反馈，满足相位条件，电路有可能振荡。（C2，Ce对交流短路）共射：反相；共基、共集：同相。

三点式振荡器是指ＬＣ回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。4.3三点式LC振荡器4.3.3相位条件判断电路组成法则

假定（1）不考虑晶体管的电抗效应；（2）ＬＣ回路由纯电抗元件组成，其电抗值分别为Ｘce，Ｘbe和Ｘbc；（3）在谐振时，I>>Ib，I>>Ic当回路谐振（ω＝ω0）时,回路呈纯阻性，有Ｘbe＋Ｘce+Ｘbc＝0电容三点式电感三点式Χbe与Χce必须是同性质电抗，Xbc必须是与它们异性质的电抗。

Ｘbc＝—（Ｘbe+Ｘce）射同集（基）反

Χbe与Χce必须是同性质电抗，Xbc必须是与它们异性质的电抗。

对三点式振荡器，可以用“瞬时极性法”通过反馈确定是否满足相位条件外，还可用“射同集（基）反”判断是否满足相位条件（更容易）。

其他电容是高频旁路电容和耦合电容，对高频振荡信号,可近似为短路。ZL是扼流圈，对高频开路。4.3.1电容三点式振荡器图中Ｃ1、Ｃ2是回路电容,Ｌ是回路电感。交流简化电路特点：1.反馈电压取自C2，而电容对高次谐波呈现低阻抗，有很好的滤波作用，因而输出波形好。2.反馈系数与回路电容有关，如果用改变电容的方法来调整振荡频率，将改变反馈系数，从而影响起振。4.3.2电感三点式振荡器交流简化电路ee特点：1.用改变电容的方法来调整频率，不会影响反馈系数。2.反馈电压取自电感L2，而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗，反馈电压中高频分量较多，输出波形差。另外，在频率高时，分布电容的影响明显。

电感反馈振荡器电路仿真电感反馈振荡器的优点是容易起振，且振荡幅度较大；可以通过改变电容的方法来调整振荡频率，而不会影响反馈系数。起振状态平衡状态该图清楚地显示了振荡器在起振阶段的幅度变化规律，即振荡幅度从0开始慢慢变大。起振时间大概要用9.668ms。该图显示出平衡状态时，振荡器的输出为持续等幅、频率恒定的正弦波。当电容C4为100nF时，频率计上显示该波形振荡频率为6.931KHZ。改变C4电容值为60nF时，频率上显示该波形振荡频率为8.852KHZ。从中可以看出，通过调节电容C4的大小可以方便地调节波形的振荡频率。两种振荡器共同的缺点是：晶体管本身的输入输出电容分别和两个回路电抗元件并联，影响回路的等效电抗元件参数，从而影响振荡频率。

由于晶体管输入输出电容值随环境温度、电源电压等因素而变化，所以三点式电路的频率稳定度不高，一般在１０-3量级。

4.4改进型电容三点式振荡器特点1：在条件满足时，ω0仅与L、C有关，提高了频率稳定度。Ｃ<<Ｃ1,Ｃ

<<Ｃ24.4.1串联改进型电容三点式振荡器（克拉泼电路）晶体管CB两端与回路ＡＢ两端之间的接入系数为n1

RL折算到CB两端后为特点2：C1、C2取值越大，或C越小，RL’也越小，不易起振。特点3：由于RL’随ω0变化过快，不适宜做成频率可调的波段振荡器。(7)2016.4.134.3.3三点式相位条件判断Ｘbe＋Ｘce+Ｘbc＝0电容三点式电感三点式Χbe与Χce必须是同性质电抗，Xbc必须是与它们异性质的电抗。

Ｘbc＝—（Ｘbe+Ｘce）射同集（基）反特点1：在条件满足时，ω0仅与L、C有关，提高了频率稳定度。Ｃ<<Ｃ1,Ｃ

<<Ｃ24.4.1串联改进型（克拉泼电路）特点2：C1、C2取值越大，或C越小，RL’也越小，不易起振。特点3：由于RL’随ω0变化过快，不适宜做成频率可调的波段振荡器。西勒电路是在克拉泼电路基础上,在电感Ｌ两端并联一个电容Ｃ,仍满足Ｃ1

、Ｃ2>>Ｃ3Ｃ1

、Ｃ2>>Ｃ4.4.2并联改进型电容三点式振荡器（西勒电路）特点1：在条件满足时，ω0仅与L、C3、C有关，提高了频率稳定度。晶体管CB两端与回路ＡＢ两端之间的接入系数n1同克拉泼电路。特点2：C1、C2取值越大，或C3越小，RL’也越小，不易起振。特点3：当改变C调整振荡频率时，RL’变化不剧烈，适宜做成频率可调的波段振荡器。例.振荡电路如图所示：（１）画出交流简化电路；（２）如fo=40MHz，求Ｌ值。

衡量实际振荡频率ｆ相对于标称振荡频率ｆ0变化的程度，提出了频率稳定度这一性能指标。4.5振荡器的频率稳定问题1.频率稳定度定义

根据测试时间的长短，

将频率稳定度分成长期频稳度、短期频稳度和瞬时频稳度三种，测试时间分别为一天以上、一天以内和一秒以内。

长期频稳度主要取决于元器件的老化特性，短期频稳度主要取决于电源电压和环境温度的变化以及电路参数的变化等等，而瞬时频稳度则与元器件的内部噪声有关。

（1）减小外界因素变化的影响。2.提高LC振荡器频率稳定度的措施

（2）提高回路的标准性（外界因素变化时,振荡回路保持其谐振频率不变的能力）,选取合理的电路形式。

A.采用温度系数小或温度系数相反的电抗元件组成回路。

B.注意选择回路与器件、负载之间的接入系数。4.5振荡器的频率稳定问题ＬＣ振荡器均是采用ＬＣ元件作为选频网络。

由于ＬＣ元件的标准性较差，因而谐振回路的Ｑ值较低，空载Ｑ值一般不超过３００，有载Ｑ值就更低，所以ＬＣ振荡器的频率稳定度不高，一般为１０-3量级，即使是克拉泼电路和西勒电路也只能达到１０-4～１０-5量级。

如果需要频率稳定度更高的振荡器，可以采用晶体振荡器。4.6石英晶体谐振器4.6.1石英晶体的压电效应及等效电路

受到压力，特定表面会出现电荷，正压电效应；受到电场，特定方向会出现形变，逆压电效应。

1880，皮埃尔·居里发现石英压电现象。1905—1909，意大利人乔治成功培育人工水晶。1990，个人电脑、移动电话及车用导航系统对石英的需求大幅增长。1922，美国人发明晶振。1969，首款石英手表发售。1980，录放机、个人电脑使石英大放异彩。石英晶体的等效电路C0：2pF～5pF；Cq：10-4pF～10-1pF；

Lq：10-3H～102

H（取决于晶片的厚度。低频：厚，重，电感值大；高频：薄，轻，电感值小）；Rq：约1欧到几十欧4.6.2石英晶体的阻抗特性不考虑损耗，即rq=0时fp与fs间隔很小极陡的电抗特性曲线说明对频率有极灵敏的补偿能力。串联谐振：并联谐振：4.6.4石英谐振器频率稳定度高的原因（1）石英晶体的物理性质和化学性质很稳定，等效电路参数很稳定，受外界影响小。（2）Q值高。C0：１pF～１０ｐF；Cq：10-4pF～10-1pF；

Lq：10-3H～102H；rq约几十欧到几百欧C0：１pF～１０ｐF；Cq：10-4pF～10-1pF；（3）外电路对晶体谐振器的影响小，有利于提高频率稳定性。由石英谐振器构成的振荡电路。并联晶振电路：晶体