1、第二章 正弦波振荡器,2.1概述,振荡器就是无需外加激励，就能自行产生一定振幅、一定频率、一定波形的装置。能产生正弦波的振荡器为正弦波振荡器。 在无线电通信和电子技术领域中，振荡器的应用非常广泛。在无线电通信系统的发射机中，振荡器用来产生载波以便将要传输的信号进行调制；在超外差接收设备中，振荡器做本振以便进行变频。此外，振荡器还广泛用于很多电子仪器及信号源中。,2.2反馈振荡原理,2.2.1反馈振荡原理及反馈型振荡器的组成振荡器在工作时是无需外接输入信号的，它是如何在没有输入信号的情况下产生输出信号的，其原理可用LC谐振回路的自由振荡现象解释。,由电容C、电感L和电阻R组成的谐振回路如图2.2
2、-1。,图2.2-1R、L、C谐振回路,先将开关打向1，使电容充满电，再将开关打向2，电容就会经电感L和电阻R放电，则电容只存储的电能和电感中存储的磁能就会交替转换而形成振荡。振荡频率主要由电容C和电感L决定.由于电阻R的存在，振荡的幅度会逐渐减小，我们称之为阻尼振荡。如果我们能及时地为电路补充能量，例如，将开关及时地打向1则可以维持无阻尼振荡。振荡器的工作原理与LC谐振回路的自由振荡类似，它至少应由以下三部分组成。,(1)具有放大能力的有源器件。它的作用是不断地向振荡系统补充能量，以维持等幅振荡并输出给负载。 (2)由储能元件组成的选频网络。选频网络决定着振荡器的振荡频率。 (3)控制能量补
3、充的正反馈网络。该网络控制能量适时、适度地补充给振荡系统。 其框图如图2.2-2所示。,输出,2.2.2起振条件和平衡条件,将选频网络并入放大器中，则振荡器的框图如图2.2-3，放大器与反馈网络构成首尾相接的闭环。为了能维持振荡器的持续振荡，反馈网络的输入信号取自振荡器的输出信号，以便合拍地补充能量。,1平衡条件,uo,图2.2-3振荡器的框图,即Ui=Uf (21) 设：放大器的电压增益为A；反馈网络的反馈系数为F，则环路增益 AF= Uf / Ui （22）为使Ui=Uf必须使 AF=1 （23） 式（23）为振荡器的平衡条件。该式也可写为AF=1 （24）我们称之为振幅平衡条件。+=2丌
4、 （25）我们称之为相位平衡条件。,反馈振荡器只有同时满足振幅平衡条件和相位平衡条件，才会产生振荡。,（2.2-7）我们称之为振幅起振条件。n =0,1,2,3, （2.2-8),2起振条件,要想从无到有地建立振荡，反馈的信号要比前一次的输入信号大。即,（2.2-6）,同样，若将模与相角分开则有,我们称之为相位起振条件。,晶体管是非线性器件，起振时放大器工作于甲类放大状态AF1。以后逐步过渡到甲乙类甚至丙类放大状态，输出电压就不再增加，则AF=1。这就是晶体管的自限幅作用。也就是说，振荡器起振后，振幅不会无休止地增长，当振幅大到一定数值后，或靠振荡器的自身的限幅作用，或靠外接电路使振幅稳定在某
5、一数值上。由起振条件到平衡条件的过渡，是自动完成的。,2.2.3振荡器的稳定条件,振荡器的稳定条件是说在某种扰动下，使振荡器的原平衡条件遭到破坏时，能在原平衡点附近重新建立新的平衡状态，当扰动消失后，能自动恢复原来的平衡状态时电路所要满足的条件。稳定条件分为振幅和相位条件,振幅平衡稳定条件,图2.2-5为输出电压uo即输入电压与电压增益A及1/F之间的关系曲线。,图2.2-5,曲线的左半部反映了当uo较小时，随着uo的增大电压增益A增大，达到最大值后又将随着uo增大而减小。曲线与1/F有两个交点B与Q。在这两个点都满足振幅平衡条件AF=1，所以，都是平衡点。但B点为不稳定平衡点。假若在B点，由
6、于某种因素使uO增大，A增大，此时A，即AF1，振荡会越来越强。再看Q点，假定由于某种因素使uO增大，而增益A反而下降，使A，即AF1，振荡会自动减弱，从而使振荡稳定。所以，Q点为稳定的平衡点。在曲线B处的斜率为正，Q处的斜率为负。,振幅稳定的条件是 （2.2-10）,2. 相位平衡稳定条件,在振荡器的振幅平衡条件受到破坏的同时，相位平衡条件也会遭到破坏，从而使振荡器不能正常工作。要保持振荡器的相位平衡的稳定，就必须保证当外界的扰动引起振荡频率发生变化从而产生新的相移时，振荡器应该有恢复相位平衡的能力。也就是说，在振荡频率发生变化时，振荡器能够产生一个相移，该相移若与扰动引起的相移大小相等，方
7、向相反，则可以保证电路的相位平衡条件。图2.2-6的相频特性可以说明这一问题。,图2.2-6,假设初始的振荡频率为c，由于外界干扰产生新的相移时，破坏了原来工作于c的平衡条件，使频率提高到c，频率的变化量为c，该变化量c引起的相位的变化量为该相移若完全抵消干扰产生的相移，则振荡器在c达到新的平衡。可见，相位平衡的稳定条件是振荡器的相频特性具有负的斜率.,2.3 LC振荡器,L C振荡器就是采用L C谐振回路做选频网络的一类振荡器。在振荡频率的稳定度不是很高的情况下，此类振荡器应用非常广泛。按照反馈耦合的元件的不同，可分为互感耦合、电感反馈、电容反馈式振荡器。,2.3.1互感耦合振荡电路,图2.
8、3-1常见的互感耦合振荡器之一。,图2.3-1互感耦合振荡器,由于反馈信号是通过电感L1与L2之间的互感得到的，故称之为互感耦合振荡器。 互感耦合振荡器的相位平衡条的满足取决于互感的极性。换句话说，就是正反馈的实现取决于互感线圈的同名端。由瞬时极性法可以判断出图2.3-1的同名端实现的是正反馈。电阻Rb1、Rb2为基极偏置电阻，其作用是保证电路起振时工作于甲类放大状态，便于起振。电容Cb为旁路电容，Ce为耦合电容。电路的组态为共基接法。调谐回路主要由回路C、L1回路构成，接在集电极上。,互感耦合振荡器的 优点是:电路结构比较简单、易起振、易调节振荡频 率、输出电压较大。 缺点是:由于分布电容的
9、存在以及变压器的存在，振荡 频率不高，频率的稳定度也不是很高。一般在 高频段较少使用。,互感耦合振荡器的调谐回路还可以接在基极和发射极分别如图2.3-2（a）和(b).,图2.3-2,2.3.2LC三点式振荡电路,1.组成L C三点式振荡电路的原则L C三点式振荡电路的特点是晶体管的三个电极分别接 LC回路的三个端点。图2.3-3是三点式振荡电路交流 通路的一般模型。,L C三点式振荡电路的组成原则是：Xbe与Xce具有相同的电抗性质，Xcb与Xbe、Xce具有相反的电抗性质。,根据电抗元件的接法不同，L C三点式振荡电路可分为 电感三点式和电容三点式。,电感三点式振荡电路（哈特莱电路Hart
10、ley）,图2.3-4(a)、(b)分别为电感三点式振荡电路及其交流通路。,由L1、L2及C组成的谐振回路作为集电极的负载。晶体管的三个电极接L C回路的三个端点，反馈电压取自电感，也叫电感反馈振荡器。电阻Rb1、Rb2为基极偏置电阻，使电路便于起振，并具有较高的电压增益。Cb为旁路电容，Ce为耦合电容，防止直流时电感将发射极对地短路。,（2.3-4）,（2.3-3）电路的反馈系数为,显然，Xbe、Xce为电感，Xcb。为电容，满足三点式振荡电路的组成原则。 振荡频率近似为,电感三点式振荡电路 优点是：电路便于起振。其次用改变电容的方法调整振荡频率时，不会改变反馈系数，因而也基本不会影响输出电
11、压的幅度，故调整振荡频率方便。 缺点是：由于反馈信号取自电感，而电感对于高次谐波呈现高阻抗，故输出波形的高次谐波成分较多，输出波形不够好。其次由于L1、L2上的分布电容及晶体管的结电容都与它们并联，当工作频率很高时，分布参数的影响会很严重，甚至可能使F衰减到不满足起振条件。因此，振荡频率不宜过高。,电容三点式振荡电路（考毕兹电路Colpitts）图2.3-5(a)为常见的电容三点式振荡电路之一。,其交流通路如图2.3-5（b）。晶体管的三个电极分别接L C 回路，反馈电压取自电容C2，故也叫电容反馈振荡器。Xbe、Xce为电容C2、C1，Xcb。为电感L，显然满足三点式电路的组成原则。电感LC
12、为高频扼流圈，其作用是防止电路中的高频成分进入直流电源而影响前级电路的正常工作。,图2.3-5电容三点式振荡电路,电路的振荡频率近似为（2.3-5）,电压反馈系数为（2.3-6）,电容三点式振荡器 优点是输出波形好。这是由于反馈电压取自电容支路，而电容对高次谐波的阻抗很小，因而输出波形中因非线性产生的高次谐波的成分较小。当振荡频率较高时，可以直接利用晶体管的输入电容及输出电容作为回路元件,但振荡频率的稳定度不会太高。该类振荡器的振荡频率高于电感三点式振荡电路的振荡频率。 缺点是改变电容来调节振荡频率时，反馈系数F也会随之改变，严重时，会影响输出电压的稳定和起振条件。,2.3.3改进型电容三点式
13、振荡电路,改进型电容三点式振荡电路分串联改进型和并联改进型。,1.串联改进型电容三点式振荡电路（克拉泼电路clapp）,图2.3-6（a）为串联改进型电容三点式振荡电路,(b)为其交流通路。,图2.3-6,Cb为基极旁路电容，C1、C2、C3为回路电容。显然，它是在电容三点式振荡电路的电感支路中串联一个电容,这也是我们称之为串联改进型的原因。需要说明的是，耦合电容及旁路电容通常比回路电容高一个数量级以上。在电容C3的容量的确定上，应满足C3C1；C3C2。 回路的总电容为（2.3-7）,则振荡频率为（2.3-8）,可见，该电路的振荡频率几乎与Ci、 Co无关。改变C3就可调节振荡频率。同时，不
14、影响反馈系数。因而，频率的稳定度有了很大的改善，并免除了调节频率影响反馈的缺点。振荡器的接地点可以是三极管的任意电极，但为了使电感有一端接地，所以通常采用共基极或共集电极接法。,2.并联改进型电容三点式振荡电路（西勒电路seiler）,图2.3-7（a）(b)为 并联改进型电容三点式振荡电路,及其交流通路。,图2.3-7并联改进电容三点式振荡器,回路的总电容为,（2.3-9）,C=,电路的振荡频率为,（2.3-10）,与串联改进型电容三点式振荡电路相比，该电路的频率稳定性高，输出电压稳定，调节振荡频率方便，振荡频率高，频率覆盖宽，因此应用较为广泛。这类振荡器常用于电视机的本振电路。,2.4振荡
15、器的频率稳定度,2.4.1频率稳定度的定义,振荡频率的稳定度是表征振荡器受到外界影响时振荡频率变化的程度的。 振荡频率的稳定度按测试的时间间隔可分为长期、短期、及瞬时频率稳定度。,振荡频率稳定度的定义为,=,（2.4-1）,式中,n为测量次数；,为i第次测得的相对频率稳定度,为n个测量数据的平均值。,2.4.2频率变化的原因及稳频措施,1.振荡频率变化的原因,引起振荡频率变化的主要原因有电源电压的变化，电路参数的变化，元器件的老化，温度及气候的变化，机械振动以及外界磁场的干扰和电路内部的噪声等。当这些因素变化时，将引起晶体管的输入、输出电阻和结电容的变化，从而引起振荡频率发生变化。同样，这些因
16、素的变化也会引起回路元件参数变化而导致振荡频率不稳定。,2.稳频措施,尽量隔离外界的影响 我们可以采用高稳压性能的稳压电源，并配有良好的去耦滤波电路以及静点非常稳定的偏置电路。为了减小温度对电路的影响，我们可以选用温度系数小的回路元件，甚至还可将振荡回路或整个振荡器置于恒温槽内。此外，还可加磁屏蔽减小外界磁场的影响。提高回路抵御外界影响的能力 回路的Q值越高，则回路抗外界影响的能力越强。其原理可用图2.4-1来说明。,图2.4-1,对应同样的，高Q值回路产生的频率偏移要低于低Q值回路产生的频率偏移。提高回路Q值的方法主要是采用参数稳定的回路元件。这需要通过选用优质材料及合理的加工工艺来保证。此
17、外，还应减弱其它部分电路与回路的耦合程度以减小外界不稳定因素对回路的影响。,合理选择有源器件及电路结构,选择晶体管时，应选fT远高于振荡频率的晶体管。这可以保证在工作频率上，晶体管有较高的值和很小的相移，以便于起振及提高频率的稳定度。为了减小负载对振荡器的影响，可以在负载与振荡器之间加入隔离级。一般多采用射极输出器。,2.5晶体振荡器,2.5.1石英晶体的电特性,将石英晶体按一定方位切割成片，两边敷以电极，焊上引线，再用金属或玻璃外壳封装，我们称之为石英谐振器。其等效电路如图2.5-1。,图2.5-1石英晶体等效电路,石英晶体具有以下特点：,（1）石英晶体等效的谐振回路具有很高的标准性。这源于
18、它十分稳定的物理性及化学性。 （2）石英晶体等效的谐振回路具有很高的Q值。 （3）在串并联谐振频率之间很窄的频段内，呈感性且具有很陡峭的电抗特性曲线，具有灵敏的频率补偿能力。,2.5.2石英晶体振荡电路,根据石英晶体在电路中的作用，电路可分为两类：当石英晶体作为等效电感时，电路为并联型晶体振荡器。而当石英晶体作为短路元件并工作于串联谐振频率上时，电路为串联型晶体振荡器。,并联型晶体振荡电路 典型的并联型晶体振荡电路如图2.5-2。,电路的实质就是一个电容三点式振荡器，石英晶体接在晶体管的c、b之间，作为电感。我们可称之为cb型晶体振荡电路。Cb为旁路电容C1、C2为回路电容。,理论上，石英晶体
19、可接在c、b之间；b、e间和c、e之间，共有三种接法，但实际常用的只有两种接法。,图2.5-3,该电路的实质是一个电感三点式振荡器，我们可称之为be型晶体振荡电路,2.串联型晶体振荡电路,图2.5-4,该电路与电容三点式振荡电路很相近。只是反馈信号不是直接接晶体管，而是通过石英晶体来传输的。,当石英晶体串联谐振时，近乎短路，电路反馈最强，满足起振条件，电路与电容三点式振荡器并无区别。显然，该电路的振荡频率为石英晶体的串联谐振频率。而这个频率是相当稳定的，所以石英晶体振荡器的振荡频率的稳定度是很高的。,石英晶体不仅只有基频串联谐振频率，还存在其它与基频成整倍数的串联谐振频率，我们称之为泛音。泛音
20、晶体振荡器用于振荡频率较高的场合。这是因为由于制造工艺的限制，基频太高时晶片的厚度太薄，很容易破损。此外，有时在同等条件下，泛音晶体振荡器的频率稳定度比基频振荡器更好。,泛音晶体振荡器在工作时，为了保证其振荡频率恰好为指定的泛音频率，电路应具有滤除非工作谐波的能力，电路中由L、C1组成的并联谐振回路就承担此任务。该回路的谐振频率应为振荡器需要的n次泛音与(n-2)次泛音之间。,2.6RC振荡器,当要求振荡器的振荡频率较低时，采用我们前面介绍的LC振荡器是不适宜的。因为振荡频率低，意味着回路的电感、电容的数值大，则电路的体积增大，且制造损耗小的大电感是很难实现的。而采用RC振荡器可以免去这些问题
21、，因而低频振荡器均采用RC振荡器。,2.6.1RC串并联网络的选频特性,图2.6-1为阻容串并联网络。电路由R1C1串联部分和R2C2并联部分组成。为分析方便，通常取R1= R2=R。C1= C2=C。设输入信号为Ui，从AB之间输入，输出电压为Uo，从CB之间输出。则电路的传输特性即输出电压与输入电压的比为,其中,若将上式的模与角分开，则有,当输入电压的频率变化时，输出电压的大小及相位都会随之变化。当 时，,此时，输出电压最大，且输出电压与输入电压同相位。,其幅频特性与相频特性如图2.6-2（a）(b)。,(b),图2.6-2RC串并联网络的选频特性曲线,f,f,(a),F,2.6.2文氏桥
22、振荡器目前，最常用的RC振荡器是文氏桥振荡器。文氏电桥振荡器广泛地披用来作为从几Hz到几百kHz频段范围内的可变频率振荡器。它的频率可调范围比LC振荡器大得多，而且调整方便。图2.6-3是该振荡器的原理电路。图中虚线内为串并联RC选频网络，右边为同相放大器。由图可知，RC网络的电压传输系数就是电路的正反馈系数F。 取RI=R2=R；C1=C2=C。,图2.6-3,当输入RC网络的信号频率O=1/RC时，反馈系数最大。F1/3而且输入电压与输出电压同相。也就是说，只要同相放大器的电压放大倍数A3就可产生频率 的正弦波。,实际上由运算放大器所组成的同相放大器的电压放大倍傲远大于3,为了把放大倍数控
23、制在A3，同时也起到改善振荡波形和稳定振幅的作用。在电路中除了起正反馈作用的RC选频网络外，还引人了反馈较深而且具有自动调整作用的负反馈电路，这种稳幅方法我们称之为外稳幅。其中负反馈电路由具有负温度系数的热敏电阻Rf和R3选频网络构成桥式电路的两个臂，同时形成正反馈。,Rf和R3组成桥式电路的另外两个臂。通常这种振荡电路称为文氏电桥振荡器。 该电路的闭环电压增益为 ，平衡时， 则平衡时，只要满足 即可。 而起振时， 则起振时应满足,实际中， 应能从起振到平衡条件的自动过渡，故通常 为热敏电阻或具有类似功能的电路。根据 所处的位置，它应具有负温度系数，当刚起振时，温度较低阻值较大，满足起振条件，随着电流的增大，温度升高，阻值下降，自动过渡到平衡条件。,
