1、第五章 正弦波振荡器,5.1 概述 5.2 反馈振荡器的工作原理 5.3 LC正弦振荡器 5.4 LC正弦振荡器的频率稳定度 5.5 晶体振荡器,5.1 概述,5.1 概述,定义：振荡器能自动将直流电能转换成（具有一定频率和振幅的）交流电能的电路。,它与放大器的区别在于这种转换不需外部信号的控制。振荡器输出的信号频率、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。,应用：通信电路中作载波，本振信号；信号源及无线电测量仪表中。,产生方式：反馈式振荡器和负阻式振荡器 分类： 频率：低频，高频，微波振荡器输出波形：正弦振荡器和非正弦振荡器,要求：输出功率大，效率高，波形失真小，频率稳定度高,2.反馈式振荡器的
2、重要参数,5.2 反馈振荡器的工作原理,5.2.1 基本组成,（1）反馈系数：,（2）开环增益：,1.反馈式振荡器的实现利用正反馈产生自激振荡,怎样实现的？,开关K接在1端，Uo=AUi。这时将开关迅速地转换到接于2端，去掉外部输入，此时Uf=UoF=UiAF若AF=1，则Uf=Ui，没有输入也能维持输出，构成了振荡电路。,T1：情况振荡？；T1：情况振荡？,（3）回归比：T= AF为反馈放大器的环路增益。,T1：增幅振荡；T1：减幅振荡,原始激励：电源接通瞬间，相当于接入脉冲跳变信号，此外，电路中还有噪声，它们包含有丰富地频率成分，但是幅度非常微弱。,5.2.2 振荡的建立与振荡条件,一、振
3、荡的建立与稳定,1、基本原理,振荡幅度增大，稳幅电路使T(g) 降低，最终使T(g) =1，振荡器进入稳幅振荡状态。,g称为振荡频率，或叫作振荡器的工作频率,对于某一频率g的信号若满足：T(g) 1 ，则每循环一次，幅度就增大一次，产生增幅振荡，如图所示。,电路组成：放大器完成能量转换选频网络完成频率选择及滤波反馈网络完成正反馈稳幅电路决定振荡的稳态振幅,稳幅电路的实现将采用AGC电路,2、平衡条件： T=1 振幅平衡条件： T=AF =1 相位平衡条件： T（）=A+ F=2n (n=0,1,2,3),相位平衡条件的含义-建立正反馈满足振荡平衡条件时，经过稳幅过程实现等幅输出。,1、 起振条
4、件： T1 振幅起振条件：T=AF 1 相位起振条件： T（）=A+ F=2n (n=0,1,2,3),二、振荡条件,3、 振荡稳定条件,当振荡器受到外部因素的干扰失去平衡后，能自动恢复到原来的平衡状态，或能够在原平衡状态附近重建平衡的，称为稳定的平衡。,稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件，振幅稳定条件是指当外界因素造成振荡幅度变化后，振荡器能够自动恢复原来振荡幅度所需满足的条件。相位稳定条件是指相位平衡条件被破坏时，电路能够重新建立相位平衡的条件。相位稳定条件同时也是频率稳定条件，因为相位的变化必然引起频率的变化 。,综上所述,振幅稳定条件：,图中A、B均为平衡点，其中A点为稳定平衡点，
5、当某中扰动使电路离开A点（T1）时，电路会自动回到A点；B点是非稳定平衡点，受到扰动时电路会停振（左移）或过渡到A点（右移）。,上图的电路中起始扰动电压必须大于UiB，称为硬激励；下图的电路开机即可振荡，称为软激励。振荡电路应避免硬激励状态。,（1）振幅稳定条件,相位稳定条件：,负载回路相频特性：增大 ，T 减小,相位条件的稳定是靠增大，T降低来实现的,回路Q值越高稳定性越好,（2）相位稳定条件,图中A点为稳定平衡点，B点为非稳定平衡点。,5.2.3反馈振荡电路判断根据上述反馈振荡电路的基本原理和应当满足的起振、 平衡和稳定三个条件, 判断一个反馈振荡电路能否正常工作, 需考虑以下几点： 可变
6、增益放大器件(晶体管, 场效应管或集成电路)应有正确的直流偏置, 开始时应工作在甲类状态, 便于起振。 开始起振时, 环路增益幅值AF(0)应大于1。由于反馈网络通常由无源器件组成, 反馈系数F小于1, 故A(0)必须大于1。共射、共基电路都可以满足这一点。 为了增大A(0), 负载电阻不能太小。 环路增益相位在振荡频率点应为2的整数倍, 即环路应是正反馈。, 相位稳定条件，选频网络应具有负斜率的相频特性。因为在振荡频率点附近, 可以认为放大器件本身的相频特性为常数, 而反馈网络通常由变压器、 电阻分压器或电容分压器组成, 其相频特性也可视为常数, 所以相位稳定条件应该由选频网络实现。 注意L
7、C并联回路阻抗的相频特性和LC串联回路导纳的相频特性是负斜率, 而LC并联回路导纳的相频特性和LC串联回路阻抗的相频特性是正斜率。 以上第点可根据直流等效电路进行判断, 其余3点可根据交流等效电路进行判断。,例 5.1 判断图例5.1所示各反馈振荡电路能否正常工作。 其中（）、（）是交流等效电路, （）是实用电路。 解: 图示三个电路均为两级反馈, 且两级中至少有一级是共射电路或共基电路, 所以只要其电压增益足够大, 振荡的振幅条件容易满足。 而相位条件一是要求正反馈, 二是选频网络应具有负斜率特性。 （）图由两级共射反馈电路组成, 其瞬时极性如图中所标注, 所以是正反馈。并联回路同时担负选频
8、和反馈作用, 且在谐振频率点反馈电压最强。在讨论选频网络的相频特性时, 一定要注意应采用其阻抗特性还是导纳特性。,对于（）图, 并联回路输入是V2管集电极电流ic2, 输出是反馈到V1管be两端的电压ube1, 所以应采用其阻抗特性。 根据图（b）, 可知并联回路的阻抗相频特性是负斜率。 综上所述, (a)图电路也满足相位条件, 因此能够正常工作。 （）图由共基共集两级反馈组成。 根据瞬时极性判断法, 如把并联回路作为一个电阻看待, 则为正反馈。但并联回路在谐振频率点阻抗趋于无穷大, 正反馈最弱。 同时对于此并联回路来说, 其输入是电阻e2上的电压, 输出是电流, 所以应采用其导纳特性。 由于
9、并联回路导纳的相频特性是正斜率, 所以不满足相位稳定条件。综上所述, （）图电路不能正常工作。,（） 图与（）图不同之处在于用串联回路置换了并联回路。 由于LC串联回路在谐振频率点阻抗趋于零, 正反馈最强, 且其导纳的相频特性是负斜率, 满足相位稳定条件, 所以（）图电路能正常工作。(c)图中在V2的发射极与V1的基极之间增加了一条负反馈支路, 用以稳定电路的输出波形。,上课复习与巩固, 平衡过程与平衡条件, 平衡状态的稳定性和稳定条件, 起振过程与起振条件,振荡的建立与振荡条件,5.3 LC正弦波振荡器,5.3.1 互感耦合振荡器,1、静态分析：共发射极，甲类状态, 便于起振。,2、动态分析
10、：利用互感耦合实现反馈振荡。,思考：改变同名端的位置，会出现什么情况？,振荡器工作频率：,3、互感耦合振荡器分类,根据LC回路与三极管不同电极的连接方式分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型电路，如图所示：,三种电路相比较，集电极调谐型电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且输出幅度大，谐波成分小。而基极调谐型电路的振荡频率可以在较宽的范围内变化，仍能保持振荡幅度平稳。,互感耦合振荡器一般工作于工作频率不太高的中、短波波段。,4、互感耦合振荡器工作场所,5.3.2 三端式振荡器,一、三端式振荡器构成原则,设X1、X2、X3组成谐振回路，参考电压、参考电流如图所示。,回路电流处处相同为I，
11、参考方向如图。,射同它反：即与发射极相连的两电抗X1、X2性质相同；X3与X1、X2的电抗性质相反。,若工作管为场效应管，应该如何处理？,因为要构成正反馈：环路增益相位在振荡频率点应为2的整数倍，AF0 ，所以X1、X2为同性质电抗。,两种典型的三端式振荡器的简化电路：,左图：电容三端式电路，又称为考毕兹电路，它的反馈电压取自C1和C2组成的分压器；,右图：电感三端式电路，又称为哈特莱电路，它的反馈电压取自L1和L2组成的分压器。,例1、在图所示振荡器交流等效电路中, 三个并联回路的谐振频率分别是：f1=12( ), f2=1 2( ), f3=1 2( ), 试问1、 2、3满足什么条件时该
12、振荡器能正常工作？且相应的回路振荡频率0是多少？,解: 由图可知, 只要满足三点式组成法则, 该振荡器就能正常工作。,若组成电容三点式, 则在振荡频率01处, 11回路与22回路应呈现容性, 33回路应呈现感性。,应满足12013或21013。,若组成电感三点式, 则在振荡频率02处, 11回路与22回路应呈现感性, 33回路应呈现容性。,在两种情况下, 振荡频率0的表达式均为:,应满足12023或21023。,二、 电容三端式振荡器,1、静态分析：,Lc高频扼流圈，防止电源旁路；,Ce旁路电容、Cb 隔直流电容；,R1、R2、Re 为直流偏置电阻； 振荡产生后作为自偏压电阻，稳幅作用；,2、
13、动态分析L 、C1、C2 构成谐振回路，决定振荡频率。,则振荡频率：,Rb包含在gie中；yfe=gm ；,忽略晶体管内部反馈：yre=0; Cie、 Coe 包含在C1 、C2；gL是集电极等效负载; Zce为三极管c、e端的等效阻抗；,电容三端式振荡器的特点,1、优点：输出波形较好，工作频率较高，主要是由于其反馈支路采用了电容元件，高频时电抗小，能较好的滤除高次谐波。若直接采用极间电容代替回路电容，工作频率可以提高很多。,2、缺点：频率不易调整，因为改变回路电容会同时改变反馈系数，甚至可能造成回路停振。,三、电感三端式振荡器,紧耦合时，反馈系数为线圈匝数比,通过改变回路电容调整频率时，基本
14、不影响F；但产生信号的频率较低；由于反馈电压取自L2，使输出含有较大的谐波电压。,两种振荡器的比较,5.3.3 两种改进型电容反馈式振荡器,引入：晶体管各个电极与电抗元件并联，极间电容对振荡器的影响很大，为提高频率稳定性，要尽量减小晶体管与回路的耦合。,一、克拉泼振荡器,晶体管CE以部分接入方式与回路连接,C3小， C主要由C3决定，同时由于C3小，频率可调范围小。,二、西勒振荡器,接入系数与克拉泼电路相同,特点： （1）振荡频率主要C4由决定，可调范围大； （2）C4的变化对三极管对回路接入系数n1和F都不改变，展宽了工作频带，常用于频率可调的振荡器。,一、差分对振荡器,5.3.4 其它LC
15、振荡器简介,二、集成LC振荡器,下图是CE1648单片集成振荡器的内部电路。,由VT10VT14组成直流馈电电路；VT7、VT8、VT9及外接的LC并联回路构成差分振荡器；VT4、VT5组成共射共基放大器，对VT8的集电极输出电压进行放大，VT2、VT3组成第二级差分放大，最后经射随器VT1输出。,VT6组成直流负反馈电路，当VT8输出电压增大时，VT6集电极直流电压减小，使差分振荡器恒流源I0减小，跨导gm减小，限制输出电压的增大，提高输出振幅的稳定性。振荡器的工作频率：,Ci是CE1648第10、12脚间的输入电容，典型值为6pF。当fg=100MHz时，C1取值为17pF，L1取值约0.
16、22H；当fg=10MHz时，C1取值为15150pF，L1取值约2.72H。,外部连接电路。如图所示,5.4 LC振荡器的频率稳定度,设实际工作频率为f1，标称频率为f0 绝对频率偏差： 相对频率偏差：,频率稳定度：在一定时间间隔内振荡频率的相对变化量，即,频率稳定度是振荡器最重要的性能指标之一。频率稳定， 频率稳定是指当外界条件发生变化时，振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差尽可能小。,5.4.1 频率稳定度的概念,对频率稳定度的要求视用途而异，一般的短波、超短波发射机的相对频稳度为10-410-5数量级；电视发射机为10-7数量级；卫星通信发射机为10-910-11数量级。普通信号发生
17、器为10-410-5数量级，高精度信号发生器为10-710-9数量级。用于国家时间标准的频率源，要求在10-12数量级。,5.4.2 LC振荡器的频率稳定分析,其中， z是Zce的相移,fe是BJT正向传输导纳Yfe()的相移，F是反馈系数F()的相移.,由电路可得到：,凡能引起z、fe和F变化的因素都会引起振荡频率的变化 。,因为在谐振频率附近， fe 和F随的变化远小于z ()的变化，在分析时将F +fe近似为一个常数f ，这样相位条件就变为：,已知LC并联谐振回路的等效阻抗的幅角z(）为：代入相位平衡条件式 ，得,z(）与f的交点就是相位平衡点，交点处对应的频率就是振荡频率g。,外界因素
18、通过改变0、Qe和 f来影响g。其变化用全微分表示：,从公式可以看出，增大Qe和减小f ，可以减弱0、 Qe和 f造成的频率偏移。,图a、图b、图c形象的表示了0、Qe和f分别变化时g相应的变化过程。,5.4.3 提高频率稳定度的措施,二、提高振荡回路的标准性,一、减小外界因素的变化,采用恒温槽减小温度变化的影响；采用屏蔽措施减小磁场变化的影响；加入减振装置减小机械振动的影响；采用隔离电路减小负载变化的影响等 。,选用参数高度稳定的L、C元件，如用石英晶体替代谐振回路的L，或者采用温度补偿来减小温度变化对元件带来的影响。,三、减小晶体管对振荡频率的影响,采用加大回路总电容的方法可以减小极间电容
19、的相对影响，但是大电容会使频率调谐范围变窄，使振荡变弱；减弱三极管与回路之间的耦合，也就是将三极管以部分接入方式接入回路，也可以减小极间电容对谐振回路的影响；通过稳定晶体管的工作点可以减小gm的变化，从而减小f的变化，也能够稳定振荡频率等方法。,5.5 晶体振荡器,优点：频率稳定度高。 缺点：单频工作标称频率。,串联谐振频率：,并联谐振频率：,(CqC0),5.5.1 石英晶体谐振特性,并联型晶体振荡器：含有石英晶体的电容三端式振荡器，也称为皮尔斯振荡器，如图所示。振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振与并联谐振频率之间，晶体等效为一个非线性电感。,5.5.2 晶体振荡器,一、并联型晶体振荡器,密勒
20、振荡器：属于电感三端式电路。晶体和L1C1回路均等效为电感，因此要求振荡器工作频率g低于L1C1回路的固有谐振频率01。输出波形较好，但有载Qe值低，与皮尔斯振荡器相比，频率稳定度较低，为了减少三极管输入电阻对石英晶体的影响，可以采用场效应管代替三极管构成振荡电路。,泛音晶体振荡器,串联型晶体振荡器：电路通过晶体形成正反馈，振荡器的振荡频率等于晶体的串联谐振频率，即os，晶体等效为选频开关（一小电阻或近似短路线）。晶体工作于fs附近，呈现低阻抗，这时反馈最强且不带来附加相移，因此在这个频率上产生振荡。,二、串联型晶体振荡器,图所示电路，是一个电容三端式振荡器，在谐振回路与三极管之间的反馈支路中
21、接入了一个具有选频能力的晶体。L、C1、C2、C3组成并联谐振回路，振荡频率调谐在串联谐振频率处，石英谐振器阻抗最小为，相移为0，形成正反馈，满足振幅和相位条件，产生振荡。,下图是某通信机用的9kHz串联晶体振荡器。9kHz石英谐振器串接在两级放大器的反馈支路上，只有在晶体和负载电容CL所决定的串联谐振频率上，正反馈最强，才产生振荡。第一级放大器采用谐振回路作负载，利用它的选频作用，输出端可以得到波形较好的正弦波。,三、集成晶体振荡器,下图是用E1648组成的100MHz晶体振荡器，晶体标称频率为100MHz，LC回路应调谐于晶体标称频率处，不过回路谐振频率与标称频率偏差10%时仍能工作，但频
22、率稳定度会受影响。实测此振荡器的频率稳定度为10-5，输出电压峰峰值不小于750mV。,5.6 振荡器中的几种现象,在实际振荡电路中，由于各种原因，还可能产生一些特殊的振荡现象。如寄生振荡，间歇振荡，频率占据，频率拖曳等。这些振荡现象一般应尽量避免，但有时也可以利用间歇振荡和频率占据现象来实现某些功能。,5.6.1 寄生振荡,寄生振荡是指某些特定频率上，由电路中某些集总参数和分布参数构成的闭合环路，满足振荡条件而产生的自激振荡，一般是叠加在正常振荡的波形上，引起振荡波形的畸变。,低频寄生振荡 由电路中的电感量较大的高频扼流圈、电容量较大的隔直流电容或旁路电容所引起。,超高频寄生振荡 分布参数（
23、如引线电感、管子极间电容）所引起。,5.6.2 间歇振荡,如果振荡电路中某些元件参数选择不当，就会产生间歇振荡，这时输出电压的波形如下图(b)所示。,电源接通后，振荡建立速度快，振荡电压迅速增加，管子进入非线性区域，实现稳幅，振荡很容易趋于稳定（图b的t1t2时间段内）。如果在t2时刻，UBB继续变负，振荡幅度会有所减小，A也随之下降，造成环路增益小于1，若在此期间偏压不能迅速建立，则振荡迅速衰减到零，停振，直到偏压又增加到起振时的电压，开始新一轮振荡。,为防止间歇振荡的产生，偏置电压的变化速度必须跟上振荡振幅的变化速度。为此，可以通过增大回路的值来减小振荡振幅的变化速度，同时要减小偏置电路中
24、Cb、Ce取值来加快偏压建立的瞬态过程。,5.6.3 频率占据,若从外部引入一个频率为的信号，当接近振荡器的振荡频率时，振荡器受外加信号的影响，会向fs附近变化，甚至就等于fs ，产生强迫同步。,发生频率占据的fs范围称为占据频带，用f表示：f=f3-f2,实际中，外来信号往往来自周围的干扰或邻近的其它信号，当发生频率占据时，整个系统的工作都受到影响，可以采取措施切断或减弱振荡器与外来信号之间的耦合，以防止产生频率占据。但在某些情况下，可以利用频率占据现象实现注入同步，对振荡器进行强制的频率和相位的同步，或者实现同步分频，即对振荡频率的某次谐波进行强制同步。,5.6.4 频率拖曳,在以耦合振荡
25、回路作选频网络时，在一定条件下会产生所谓的频率拖曳现象：当变化一个回路（如次级回路）的谐振频率时，振荡频率会产生非单值的变化，即有频率突跳的现象。,当双调谐回路处于过耦合状态，谐振曲线为双峰，初级回路谐振阻抗的幅角将有三个零点，即对应有三个谐振频率：，这三个频率与初次级的谐振频率01、02有关，也和耦合系数有关。曲线图显示了振荡频率随次级回路谐振频率02变化的曲线，也称为拖曳环。振荡频率与初级回路谐振频率01之间也有类似的关系曲线，图中的、是两个可能的振荡频率，但不会产生两个频率的同时振荡。,本章小结本章介绍了反馈型正弦波振荡器的组成、工作原理及几种常用反馈型正弦波振荡器电路，要点如下：（1）
26、反馈型正弦波振荡器是由放大电路、选频网络和反馈网络和稳幅电路四个环节构成，必须满足起振、平衡、稳定三个条件，每个条件都包含振幅和相位两个方面的要求。（2）LC正弦波振荡器的主要形式是三端式振荡器，构成原则是“射同它异”，分为电容三端式和电感三端式两种基本类型。主要内容包括振荡频率估算、起振条件分析，以及两种电路特点的比较。克拉泼振荡器和西勒振荡器是两种改进型电容三端式电路。（3）频率稳定度是振荡器的一项重要性能指标。通过减小外界因素变化、提高回路标准性和减小三极管极间电容影响等方法可以提高频率稳定度。（4）晶体振荡器分为并联型和串联型两类。并联型晶体振荡器，晶体在电路中等效为电感元件；串联型晶体振荡器，晶体在电路中起短路线作用。晶体振荡器由于回路元件标准性很高，所以频率稳定度很高。,
