《高频电子电路》课件-第4

按振荡器的工作原理可分为反馈型振荡器和负阻型振荡器。反馈型：由放大器和具有选频作用的正反馈网络组成。负阻型：由具有负阻特性的二端有源器件与振荡回路组成。按振荡器输出信号的波形可分为正弦波和非正弦波振荡器。

反馈型正弦波振荡器的类型多种多样，常用的有RC振荡器、LC振荡器、互感耦合振荡器和石英晶体振荡器等，并且越来越多地使用集成电路化的振荡器。4.1.2反馈型正弦波振荡器的振荡条件及振荡平衡的稳定条件1.反馈振荡原理反馈型正弦波振荡器原理框图：基本放大器必须是以某种选频网络作负载的调谐放大器；反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。反馈式振荡器的工作原理

当接通电源时，回路内的各种电扰动信号经选频网络选频后，将其中某一频率的信号反馈到输入端，再经放大→反馈→放大→反馈的循环，该信号的幅度不断增大，振荡由小到大建立起来，此为起振阶段。随着信号振幅的增大，放大器将进入非线性状态，增益下降，当反馈电压正好等于输入电压时，振荡幅度不再增大进入平衡状态，此为平衡阶段。

放大器的输入信号放大器的输出信号反馈网络的输入信号反馈网络的输出信号外接的信号2.反馈振荡的起振条件反馈系数电压增益欲振荡器起振即：

振荡初期，信号幅度应由弱小经一次次反馈、放大后不断增大，即电路应具有增幅振荡的特性，这时不仅要反馈输出与放大器输入同相（即振荡器具有正反馈特性），且反馈输出信号幅度应大于放大器输入信号幅度。设，起振阶段基本放大器的电压增益为称AuF为振荡电路的环路增益写成矢量形式3.反馈振荡的平衡条件电路起振后，信号幅度的不断增大最终导致晶体管集电极电流产生失真，放大器电压增益随信号幅值的增大而减小，直到反馈输出信号恰好取代放大器输入信号，电路进入等幅振荡状态。设振荡电路达到平衡时基本放大器的电压增益为即：在平衡状态时，为大信号工作方式，放大器的电压增益为则振荡的平衡条件为写成矢量形式

由于在起振时，是小信号放大，通角为180

，那时放大器的电压增益为进入平衡状态应满足由此可知，起振条件Au0F的大小决定了平衡时的工作状态。a）|Au0F|=2时，θC=90°，平衡于乙类放大状态；b）|Au0F|>2时，θC<90°，平衡于丙类放大状态；c）1<|Au0F|<2时，90°

<θC<180°，平衡于甲乙类放大状态；1）稳定平衡

平衡状态有稳定平衡和不稳定平衡两种。振荡器工作时应处于稳定平衡状态，即在某一外因作用下，振荡的原平衡条件被破坏后,系统能在新的条件下建立新的平衡；当外因去掉后，电路能自动返回原平衡状态。4.反馈振荡平衡状态的稳定条件2）振幅平衡的稳定条件依据1：放大电路之增益A与输入信号幅度Ui的关系为：依据2：反馈网络由无源元件构成F值与输入信号幅度无关Q点：外因UiQ

Au

Uo

Uf

Ui

Q点B点：外因UiQ

Au

Uo

Uf

Ui

远离B点

Q点是振幅平衡的稳定点，此处Au与Ui的变化方向相反；B点是振幅平衡的不稳定点，此处Au与Ui的变化方向相同。即振幅平衡的稳定条件为结论：3）相位平衡稳定条件a)相位平衡的稳定条件=频率平衡的稳定条件外因

>0Uf超前Ui振荡周期

振荡频率

b)

=

A+

F=

fe+

Z+

F=

YF+

Z

在有一般情况下，

F可视为常数，

fe的变化也很小。c)振荡器相位平衡的稳定条件是：振荡器相位平衡的稳定条件是选频网络应具有由于和综上所述，一个反馈型振荡器正常工作的基本条件：①可变增益放大器件（三极管、场效应管或集成电路）应有正确的直流偏置，起振时应工作在甲类状态。②环路必为正反馈。③开始起振时，应满足Au0F>1。通常|F|<1，故|Au0|必大于1。一般的共发射极、共基极电路都可满足这一条件。为增大|Au0|，负载电阻不能太小。④选频网络在振荡频率点附近应具有负频率的相频特性。反馈型正弦波振荡电路是含有电抗元件的非线性电路，采用严格的数学分析方法比较困难且无必要。在起振阶段是小信号工作模式，属于线性电路；在振荡达到平衡时属大信号工作模式的非线性电路，应采用折线分析法估算振荡电压的幅度。但振荡电压幅度的工程计算比较困难，宜采用实验测定的方法。反馈型正弦波振荡电路的分析主要是指对满足前述基本条件的振荡电路在起振时的性能分析，基本步骤是：①首先画出振荡器对基波分量的交流通路，进而画出Y参数等效电路（即建立振荡器在起振时的小信号等效电路）；②运用电路理论进行分析，获得基本放大器的电压增益、反馈环路的反馈系数；③根据相位平衡条件确定电路的振荡频率；④根据振幅起振条件确定电路的起振条件。4.2反馈型正弦波振荡电路的分析方法反馈型LC振荡电路是以LC谐振回路作为选频网络的振荡电路。按反馈耦和元件可分为电容反馈振荡器、电感反馈振荡器和互感耦合振荡器。电容反馈正弦波振荡电路中的LC谐振回路是由两个电容与一个电感组成、且通过三个端子与晶体管的三个电极相连，并用LC谐振回路中的两个电容来组成反馈环节。电容反馈正弦波振荡电路又称为电容三点式振荡器或考毕兹振荡器。4.3电容反馈正弦波振荡电路

4.3.1电容反馈振荡器的原理电路交流通路偏置电阻高频扼流圈耦合电容旁路电容

选频回路，并实现正反馈4.3.2工作原理由交流通路可知，放大器为共射组态，输入信号ui=ube，输出信号uo=uce；反馈环节由电容C1与C2组成，输入信号为放大器的输出即电容C1的电压uo，输出信号为电容C2的电压uf，如图所示。，1）起振时，晶体管处于甲类状态，由直流通路可知，晶体管静态工作点处的直流偏压为2）起振后，晶体管逐渐进入非线性区，导致iC正负半周不对称而使直流分量IC0增大，使得Re上的压降逐渐增高，可能使UBE变为3）随着电压幅度的不断增大，工作点不断左移，放大器的电压增益越小，最终达到振幅平衡。1.相位平衡条件的判断4.3.3性能分析“瞬时极性法”判断电容三点式振荡电路是否满足相位平衡条件（正反馈）。①断开放大器的输入端与反馈环节的连线；②在输入端与地之间引入一个正极性的虚拟电压源；③由小信号谐振放大器的理论判断放大器输出电压的极性；④经反馈环节送到放大器输入端的电压是；⑤若与的极性相同，说明电路具有正反馈特性。

总之，电容三点式振荡电路在其固有谐振频率处具有严格的正反馈特性，满足相位相位平衡条件。起振时电路为小信号工作状态，且外部反馈作用远大于内部反馈，故忽略yre的影响，小信号等效电路如图所示。2.起振阶段的电路特性其中gL=1/RL，g0为电感线圈的并联等效损耗电导将晶体管的输入、输出导纳拆分为电导与电容的并联后得到图（b）的等效电路，电压增益

即

反馈系数

3.反馈环节4.3.4主要技术指标估算1.振荡频率当振荡电路工作于谐振状态时具有正反馈特征，有可能形成稳定的正弦波输出。由最简等效电路可知，输出的稳定正弦波频率约为说明，1）振荡频率的大小主要取决于LC回路，也与晶体管的参数有关。2）通过调节外接电容C2或C1的值便可改变输出信号的频率。3）由于晶体管极间电容的影响，使得电容三点式振荡器的实际振荡频率值略高于LC谐振回路的固有谐振频率。其中

2.频率稳定度频率稳定度的定义是在一定时间间隔内，振荡器实际振荡频率相对于标称值的偏差的最大值，即

凡是能够引起回路谐振频率变化的因素都会引起振荡频率的变化。一般LC振荡器的短期频率稳定度大约在10-2~10-3的数量级。稳频措施可以从以下三个方面着手：①采用恒温、稳压电源、减振等各种措施，减小甚至消除外界因素的变化。②采用各种措施以减小外界因素的变化对频率的影响。③利用各种因素之间的内部矛盾，使各种频率变化相互抵消。采用一般稳频措施后，频率稳定度大约在10-3~10-4之间。

从输出电导和负载电导的影响看，F越大越易起振，从输入电导看，不能太大。兼顾两者，一般选取为1/8~1/2且一般取得较小。即通常取起振时环路增益值|Au0F|=3~5。3.振幅起振条件或展开，得4.输出波形

负载电阻是与电容并联的，因此负载上的高次谐波分量小，波形比较接近正弦波。优点：结构简单，易于起振；输出电压中高次谐波电压小，波形较好；工作频率可以做得较高（通常可达一百兆赫以上。在工作频率较高时，甚至可以只利用晶体管的极间电容作为谐振回路电容。）。缺点：调C2或C1来改变频率时，反馈系数也将改变，且振荡频率的稳定性受三极管等效输入电容和输出电容影响。4.3.5电路特点【例4.1】振荡电路如图示，其回路元件参量为C1=100pF，C2=13200pF，L1=100H，L2=300H

。1）画出交流等效电路；2）计算振荡频率；3）判断是否满足相位平衡；4）求电压反馈系数。1）交流等效电路解：2）振荡频率4）反馈系数

说明，在

0处L1C1的串联支路呈现为容性，满足电容三点式相位平衡条件。即该电路具有最高工作频率100Mrad/s。

【例4.1】C1=100pF，C2=13200pF，L1=100H，L2=300H

。3）判断是否满足相位平衡；4）求电压反馈系数。解：4.3.6电路改进1.晶体管极间电容的影响振荡频率正常工作时，等效于总电容增量等效于振荡频率

当晶体管参数变化△Cie

和△Coe，则如图示

要提高频率稳定度一定要尽可能减小ΔC∑的变化。即在ΔCoe和ΔCie一定时，pce和pbe要尽可能同时减小。一般电容三点式振荡电路的pce和pbe不可能同时减小，故频率稳定度不可能达到很高。2.克拉泼振荡器回路的总电容为

a)实际电路b)交流等效电路

结构特点：电感L支路中串联了小电容C3，且满足C1>>

C3，C2>>C3

当LC3的串联支路呈现为感性时，满足电容三点式相位平衡条件。即该电路具有最低工作频率

c)振荡频率d)反馈系数等效负载e)稳频原理当参数变化△Cie

和△Coe时，总电容增量

可见，电路条件决定C3可以减小，p1、p2可以同时减小，△C∑可很小，故频率稳定度比一般电容三点式要高。但是C3的减小受到电路起振条件的限制，频率稳定度不可能很高。

f)克拉拨电路主要用作固定频率振荡器。因为改变C3可以调节频率，但p1、p2随C3变化对电路不利，影响振幅。克拉拨振荡器继承了电容三点式振荡器的优点，且可实现振荡频率和反馈系数的独立调节，主要用作固定频率振荡器或频率可调范围较小的可变频率振荡器。接入系数总电容c)振荡频率3.西勒振荡器a)实际电路b)交流等效电路结构特点：在克拉拨电路的基础上再与电感L并联一可变小电容C4，且满足

C1>>C3，C4

C2>>C3

，C4

当LC4并联后再与C3的串联呈现为感性时，满足电容三点式相位平衡条件。即该电路的工作频率应满足

具有频率和反馈系数可以独立调节的优点，频率基本上仅由C3和C4及L决定；d)稳频原理与克拉拨电路相同。e)电路特性调节C4使频率微调时不影响电路增益，输出幅度稳定。易于起振，高次谐波成份小、波形好。

西勒振荡器作为波段振荡器，其波段覆盖较宽，且在波段内幅度较均匀，其工作频率也较高（可达到数百兆赫），是一种性能较好的振荡器，实际应用较多。

波段覆盖率是指振荡器可正常连续工作的最高振荡频率与最低振荡频率之比，一般克拉泼振荡器的波段覆盖率约为1.2~1.3，西勒振荡器的波段覆盖率约为1.6~1.8。4.3.7振荡器及其元件选择振荡器的设计通常是进行一些设计考虑和近似估算，选择合理的线路和工作点，确定元器件的数值，而工作状态和元器件的准确数值需要在调整、调试过程中最后确定。设计时一般应主要考虑以下问题：①选择合适的振荡器电路；②选用恰当的晶体管；③设置晶体管的静态工作点（设置在线性放大区内的小电流区）。④合理选择谐振回路的L、C元件。在短波范围内，C一般取几十至几百pF，L一般取0.1至几百H。4.4其它形式的反馈振荡电路

典型电路4.4.1共基接法的电容三点式振荡器

直流通路

交流通路具有正反馈特性共基接法电容三点式振荡器的工作原理、分析方法与共射接法的相同，只是共基放大电路的工作上限频率较高，因而在振荡频率较高时大多采用共基接法的电容三点式振荡器。【例4.2】分析图所示振荡电路，说明各元件的作用，画出交流等效电路，并估算振荡频率。解：画对基波分量的交流通路如上所示。此电路是一个共基接法的克拉泼型振荡电路。Rb1、Rb2、Re和Rc为直流偏置电阻，为晶体管提供工作于甲类状态的合适静态工作点；0.1

F的电容是旁路电容，起着隔直流通交流的作用；其余的电容、电感为工作电容、电感，组成LC并联谐振回路，实现选频、阻抗变换的功能；两个200pF的电容组成反馈环节实现反馈功能。振荡频率约为总电容【例4.3】如图是一电容反馈式振荡器的实际电路。已知，C1=50pF，C2=100pF，C3=10~260pF。要求系统工作在10~20MHz的波段范围内，试计算回路的电感L和电容C0。设回路Q0=100，负载RL=1k

，晶体管输入电阻Rie=500

，若要求起振时环路增益为A0F=3，则要求的跨导和静态工作电流多大?交流等效电路为解：起振时的等效电路为总的电容为因为

解得：放大器输出端c与e之间接的等效负载其中即

为了保证波段内所有频率都能正常起振，应选择【例4.4】分析图中所示的振荡电路，说明各元件的作用，画出交流等效电路，并估算振荡频率。解：此电路是共集接法的西勒型振荡电路。R1、R2、Re和Rc为直流偏置电阻，确保晶体管在起振时工作于甲类状态；0.1

F的电容是耦合电容，起隔直通交的作用；其余的电容、电感为工作电容、电感，组成LC并联谐振回路，实现选频、阻抗变换的功能；

8.2pF与2.2pF的电容组成反馈环节实现反馈功能。总电容为振荡频率4.4.2电感反馈正弦波振荡电路

（又称哈特莱振荡器或电感三点式振荡电路）

1.典型电路交流等效电路偏置电阻耦合电容旁路电容

选频回路，并实现正反馈2.相位平衡

忽略了大电阻Rb1//Rb2的作用。

结构与共射接法电容三点式相似，只是反馈环节由电感L1与L2实现。3.电路分析(同电容反馈振荡器的分析方法类似)b）在忽略goe、gie

、gL等的影响，反馈系数

等效自感系数满足：a）起振时电压增益

c）振荡器的振幅起振条件集射间的总电导：d）振荡频率对电感反馈正弦波振荡电路应注意：①当线圈绕在磁环上时，线圈两部分为紧耦合，这时

②由于晶体管的极间电容是与电感并联的，电感三点式振荡器的振荡频率具有上限值，其能够振荡的最高频率较电容三点式的低。即振荡电路的振荡频率需满足③调电容C来改变振荡频率时，反馈系数不改变。④反馈由电感产生，输出电压波形比电容三点式要差。⑤短期频率稳定度也在10-2~10-3的数量级。三点式振荡器的组成原则：射同它异Xbc与Xbe（或Xce）电抗性质相反振荡频率估算：

由决定欲正反馈：与同相Xbe与Xce电抗性质相同与反相基于对电容三点式振荡器及其改进型和电感三点式振荡器的讨论，可以得出LC三点式振荡器中LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接，如下4.4.3互感耦合正弦波振荡电路

放大器为共基调集结构L1与L2的互感M实现反馈耦合线圈的同名端决定正反馈

用“瞬时极性法”判断是否为正反馈（即相位平衡条件是否满足）.振荡频率为×放大器的输入信号ueb，输出信号ucb。反馈环节的输入信号是放大器的输出uL1=ucb，输出信号uL2。

静态直流通路为固定分压结构，确保放大器起振时可工作于甲类。共基调射型互感耦合振荡电路的其它结构形式：×放大器的输入信号ueb，输出信号ucb。振荡频率为反馈环节的输入信号即放大器的输出uL2=ucb，输出信号u23。共射调基型互感耦合振荡电路的其它结构形式：×.振荡频率为

互感耦合振荡器的特点：结构简单，易起振，输出信号的幅度大，调节方便，但频率稳定度不高，且由于互感耦合元件分布电容的存在，限制了振荡频率的提高，所以，只适用于中、短波段不是很高的场合。

互感耦合线圈同名端的位置都必须满足振荡的相位条件，在此基础上适当调节反馈量M以满足振荡的振幅条件。

共基型电路内部反馈比较小，工作比较稳定，且截止频率较高，但功率增益较小，输入阻抗较低，所以难于起振。

调集电路的输出幅度较大，谐波成分较少。1.石英晶体特性4.4.4石英晶体振荡电路

石英是矿物质硅石的一种，化学成分是SiO2，形状为结晶的六棱椎体。石英晶体具有正压电效应和逆压电效应而被用作谐振系统。结构及外形：石英晶体的电路符号C0：2~5pF，较大Cq：10-3pF量级，很小Lq：几十毫亨~几百亨，很大rq：几欧~几百欧，很小Q：105~106量级，很大③晶体具有串联谐振频率和并联谐振频率晶体特点:①石英晶体的物理、化学性质都十分稳定，它的等效电路具有很高的标准性；②晶体的品质因数极高（105~106），与有源器件的接入系数很小（10-3~10-4）。外电路参数不稳定的影响很小，频率稳定度很高。且很小。⑤具有无限多个固有谐振频率（源于石英片振动的机械谐波，在数值上约为基频的奇数倍）。④晶体的阻抗频率特性曲线当fq<f<fp时，晶体等效为非线性电感

当f<fq或f>fp时，晶体呈容性当f=fq时，晶体等效为短路当f=fp时，晶体并联谐振呈断路2.并联型石英晶体振荡器晶体工作在fq和fp之间，等效于高Q的非线性电感。基本原理：典型电路将共基接法的电容三点式振荡电路中的电感线圈用石英晶体替换而得的，即选频网络是由石英晶体和电容C1、C2组成。交流通路交流等效电路振荡频率特别注意：石英晶体产品的标称频率fN是指石英晶体两端并联规定的负载电容CL时石英晶体的振荡频率。也就是说，欲振荡器输出信号的频率等于石英晶体的标称频率fN，需满足晶体两端的外电路电容CL等于晶体厂家规定的负载电容。一般来说，对于高频晶体，其CL通常为30μF，而低频晶体的CL通常为100pF，如果标有“¥”，则不需要接负载电容。在并联型石英晶体振荡器中，由于Cq很小，晶体管极间电容不稳定量对总电容C

的影响很小，频率稳定度较高。并联型石英晶体振荡器的振荡频率一定在晶体的串联谐振频率fq与并联谐振频率fp之间，通常可用石英晶体的标称频率fN表达。，稳频原理

因为Cq很小（10-3pF），p1和p2很小，不稳定电容△Coe和△Cie的影响非常小。3.串联型石英晶体振荡器

基本原理：

晶体所在的正反馈支路发生串联谐振，在晶体的串联谐振频率处等效为短路，使正反馈最强而满足振荡。典型电路举例：

图示为5MHz串联型晶体振荡电路。其中，谐振回路调谐于晶体的串联谐振频率。晶体在电路中相当于短路元件。

当LC选频网络谐振于晶体的串联谐振频率（即f0=fq）时，石英晶体对频率成分fq等效为短路而使振荡器满足相位平衡条件；当f0偏离fq时，石英晶体等效为电容（f0<fq）或电感（f0>fq），必在反馈支路中引入一个附加相移，从而将偏离频率调整到fq上，确保有较高的频率稳定度。LC选频网络的谐振频率为

电路的稳频原理

分析：

设晶体的基频1MHz，为了获得五次(5MHz)泛音振荡,LC谐振频率在3～5MHz之间。对于五次泛音频率，LC呈容性，电路满足振荡条件，可以振荡。而对于基频和三次泛音，LC呈感性，电路不符合三点式组成原则，不能振荡。

利用晶体的泛音振动（泛音晶体）来实现。有串联型和并联型两种。例如4.泛音石英晶体振荡电路当工作频率时，等效为电容。电路实现：晶体在高次泛音振动时，接入系数降低而使等效到晶体管输出端的Rp减小，Au下降，可能使振荡器停振，故泛音