1、第四章 正弦波振荡器,第一节 概述 第二节 反馈型LC振荡原理 第三节 反馈型LC振荡器 第四节 振荡器的频率稳定原理 第五节 高稳定度的LC振荡器 第六节 晶体振荡器,主要内容,振荡器在高频中的应用,不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能。,第一节 概述,一、振荡电路的功能在没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率,一定波形,一定振幅的交变振荡信号输出。,第一节 概述,二、振荡电路的分类,正弦波振荡器,非正弦波振荡器,反馈型,负阻型(100MHz以上),振荡器,RC振荡器,LC振荡器,晶体振荡器,按波形分,按原理分,按元件分,用途：,（1）在通信方面，正弦
2、波振荡器可以用来产生运载信息的载波和作为接收信号的变频或解调时所需要的本地振荡信号；,（2）医用电疗仪中，用高频加热。,三、主要技术指标1、振荡频率；2、频率稳定度；3、振荡幅度；4、振荡波形.,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。,LCR自由振荡电路,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。,LC振荡器的基本组成部分,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
3、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。,第二节 反馈型LC振荡原理,一、组成,反馈型LC振荡器是由调谐放大器和正反馈网络构成.,调谐放大器,正反馈网络,条件,放大器必须是调谐 放大器,具有选频滤波的功能,反馈网络必须是正反馈,二、振荡的建立与起振条件(书),调谐放大器,反馈网络,自激振荡电路无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？,接通电源瞬间引起的
4、电压、电流突变，电路器件内部噪声等。,初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率0的信号应该被保留，成为等幅振荡输出信号。,（从无到有）,然而，一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求,（由弱到强）,起振条件,1、起振条件A0F1(n=0，1，2，n),物理意义是振荡为增幅振荡,物理意义是振荡器闭环相位差为零，即为正反馈。,微小的扰动电压经放大 选频 反馈 再放大 再选频 再反馈,如此循环,振荡电压就会增长起来,建立了振荡.,振幅起振条件,起振过程:晶体管电流从零跃变到某一数值,相位起振条件,其中，A0为当电源接通时的电压增益。,结论：振荡器起振时，
5、,迅速增长，而后,振荡建立过程的波形,下降，Ui 的增长速度变慢，直到,时，,振荡器进入平衡状态。在相应的振幅在,维持等幅振荡。如图所示。,A0F1，Ui,AF,AF=1,Ui 停止增长，,在实际电路中，为了帮助振荡器在起振过程中，将,状态自动调节为平衡时的,状态，从而减弱管子的非线性工作程度，以改善输出信号波形，减少失真，通常采用图所示的电路形式，这是一带有直流负反馈电阻,的振荡电路。,振荡器的偏置效应,A0F1,AF=1,三、振荡的平衡与平衡条件(书),、,电阻的作用是：电路在刚起振时，让正反馈占主导；而在起振过程中，随着幅度的增大，使负反馈量随之增加，从而降低放大器增益，达到平衡，图中偏
6、置电阻 、 、 使晶体管的静态工作点为,振荡器的偏置效应（b）偏置电路,起振时晶体管处于甲类状态，增益较高，起振后，随着 不断增大，晶体管进入非线性区，导致电流 正负半周不对称（见图（c）， 的平均分量 增大，使 ，在发射极电阻 上的压降 增大。同理， 的平均分量 也相应增大。使静态工作点改变。,振荡器的自偏置效应,直流偏置随着起振的过程不断降低，工作点不断左移，放大器工作状态从甲类向乙类，甚至丙类过渡（见右图）。上述现象称之为振荡器中的自偏压效应。工作点越低，放大器的增益越小，从而在起振的过程中环路增益不断降低，最终达到振幅平衡。,振荡器的自偏置效应,具有自偏压的振荡器环路增益,振荡器的环路
7、增益 随 的变化曲线如图中虚线所示。,三、振荡的平衡与平衡条件,1、振荡的平衡条件,平衡过程：刚起振时A0F1，增幅振荡，随着反馈回来的输入振幅的不断增大，谐振放大器进入非线性状态。 非线性状态电压增益A随着振幅增大而降低,直到AF=1时,达到平衡.,AF=1,(n=0，1，2，),物理意义:等幅振荡,物理意义:正反馈,稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从 AF1 到AF=1 。,（由增到稳）,用电路参数表示:,其中:,2、平衡条件的另一种表示形式,称为晶体管的平均正向传输导纳，Y为集电极电流基波分量与基极输入电压的相位差。,称为谐振回路的基波阻抗，Z为相位差。,称
8、为反馈系数，F为相位差。,振幅平衡条件 ： 相位平衡条件： （n=0,1,2）,2、平衡条件的另一种表示形式,由于电路中有源器件、寄生参量及阻隔元件的影响， ，为了使电路工作在相位平衡状态， ，因此振荡器的频率并不等于回路的谐振频率。回路处于微小失谐状态。为简化问题，通常都近似地认为振荡频率就等于回路的谐振频率。,当振荡器的频率较低时，输入电压、集电极电流基波分量、集电极输出电压、反馈电压都可认为是同相的，满足相位平衡条件。,稳定平衡:是指因某一外因的变化，振荡的原平衡条件遭到破坏，振荡器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。平衡的稳定条件也包含振幅稳定条件和相位
9、稳定条件。,四、振荡平衡状态的稳定条件,1、振幅平衡的稳定条件,振幅平衡的稳定条件:,物理意义:A随放大器输出电压的变化为负斜率,反馈型振荡器的电压增益与振幅的关系（软激励）,B点也满足振幅平衡的条件A=1/F，而此点的 ，不能满足稳定条件。,Q点 为稳定平衡点.,消除这种情况的方法:,调节静态工作点 选择适当的反馈系数,不是所有的平衡点都是稳定的。,振荡特性（硬激励）,这种振荡器不能自行起振，需要预先加一个一定幅度的信号才能起振，应避免。,2、相位（频率）稳定条件,在讨论相位稳定条件之前，有两点需要说明：, 任何正弦振荡,的角频率与相位,的内在关系是：,这就是说，相位变化必然引起频率变化。在
10、相同时间内，相位超前，意味着频率必然上升；相位滞后，必然是频率下降，因此振荡器的相位稳定条件也就是振荡器的频率稳定条件。,一个正弦波振荡器的角频率,值是根据其相位,平衡条件求出的，也就是说在此频率,处，经过一个,循环，反馈振荡器的反馈电压,与,相位相差,，环路,增益,的相位为,（或者为,=0,1,2.3）。,2、相位平衡的稳定条件 是指当相位平衡条件遭到破坏时，电路本身能重建新的平衡的条件。,相位平衡条件 ，可得,并联回路的相频特性,（1）设在,处 ，满足相位平衡条件,（2）由于外界因素的影响，使,A、当,0时，说明,超前,一个,相角，使每次,经过放大和反馈后，,一次比一次超前,，振荡周期缩短
11、,振荡频率升高。,增大，产生一个增量,滞后,B、当,0 时，说明,一个,相角，,使每次经过放大和反馈后,一次比一次滞后,，使,振荡周期增长，频率降低。,所以振荡频率随,的变化关系为：,则可抵消外界因素的影响。,上式说明外因引起的相位变化与频率的关系是：相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低。,为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。如果振荡电路产生一个新的相位变化,2、相位平衡的稳定条件,相位平衡的稳定条件:,并联回路的相频特性,LC并联谐振回路不但是决定振荡频率的主要角色，而且能够稳定振荡频率。,由第二章的分析知：LC并联回路的相频特性具有负斜率变化的规律。,
12、总结:,起振条件,平衡条件,平衡的稳定条件,第三节 反馈型LC振荡器,反馈型LC振荡器是由调谐放大器和正反馈网络构成.,按反馈耦合元件可以分为：,互感耦合振荡器 通过电感线圈L1 与 L2 的互感M实现反馈。,电容反馈式振荡器 依靠电容产生反馈电压构成的振荡器 称为电容三点式振荡器又称考比兹振荡器。,电感反馈式振荡器 依靠电感产生反馈电压构成的振荡器，称为电感三点式振荡器，又称哈特莱振荡器。,互感耦合振荡器,放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交流电能，不同之处在于：放大器需要外加控制信号而振荡器不需要。因此，如果将放大器的输出正反馈回输入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡器。,
13、如果由LC谐振回路通过互感耦合将输出信号送回输入回路，所形成的是互感耦合振荡器。,一、互感耦合振荡电路,通过 与 的互感M实现反馈。,放大器为共基调谐放大。,正反馈由耦合线圈的同名端决定 。,1、电路形式,判断相位平衡条件是否满足，通常可以采用瞬时极性法判断是否是正反馈。,2、判断振荡的方法,+,+,+,+,互感耦合振荡电路共基调集型,要满足正反馈则要求e端和c端极性相同 。,共射调基型,“共射”电路输入阻抗较低，晶体管与回路采用部分接入,+,+,+,-,共基调射型,+,+,-,-,+,3、互感耦合振荡器的振荡频率,4、互感耦合振荡电路的特点,优点：互感耦合振荡电路在调整反馈（改变M）时，基本
14、不影响振荡频率,缺点：振荡电路的振荡频率的大小并不完全取决于LC回路，而是与晶体管参数、电路的工作状态以及负载有关。所以，互感耦合振荡器的频率稳定度较差，且由于互感耦合元件分布电容的存在，工作频率不易过高，应用于中短波段。,二、电容反馈振荡电路,1、电路形式,晶体管的三个极（c.e.b）分别连接于回路电容的三端，称为电容三点式振荡器，也称为考比 兹振荡器。,c,e,b,2、相位平衡条件（正反馈）,振荡器的等效电路,电压向量图,a、振荡要建立必须满足 。,3、起振条件,由于外部反馈作用远大于内部反馈，忽略 的作用，,交流小信号等效电路（起振时工作于小信号放大状态）,c,e,b,电路的反馈系数F（
15、忽略各个g的影响）,b、起振条件得,即:,电压增益,其中:,c、结论（1）满足起振条件是选取晶体管的 第一项表示输出电导和负载电导对振荡的影响，F越大，越容易振荡，第二项表示输入电导对振荡的影响，gie和F越大，越不容易起振。（2）晶体管一旦选定(参数 一定)可以改变F和 来保证起振。F一般选取0.1-0.5。即适当选择C1和C2的值,起振条件,4、振荡频率的估算,其中：,电容三点式振荡器的振荡角频率,不仅与,有关，还与,回路固有谐振电阻,、外,接电阻,和三极管输入电阻,有关，且,在实际电路中差值不大,三、电感反馈振荡电路,它是利用并联谐振回路中的电感分压实现正反馈的。由于晶体管的三个极分别连
16、接于回路电感的三端，称为电感三点式振荡器，也称为哈特莱（Hartley）振荡器。,1、电路形式,2、相位平衡条件（正反馈）,交流等效电路（正反馈）,振荡的建立必须满足 。,反馈系数在不考虑 晶体管参数 的影响时可得： 当线圈绕在磁环上时，线圈两部分为紧耦合，则：,由 ，忽略 、 的影响， 可得,3、起振条件(书),4、振荡频率的估算,其中：,电路的特点:,变电容影响F，变电感不便。,调整频率不太方便,输出波形较好,高次谐波反馈较弱，因为波形接近正弦波。,频率稳定度较好,分布电容和极间电容并联于C1与C2两端，被较大C1与C2 吸收。,适用于较高的工作频率,甚至可只利用器件的输入电容和输出电容做
17、回路电容。,电容反馈式三点振荡器(考比兹振荡器),电路的特点:,容易起振,变电容而不影响F。,调整频率方便,振荡波形不够好,高次谐波反馈较强，波形失真较大。,不适于很高频率工作,分布电容和极间电容并联于L1与L2两端，F随频率变化而改变。,电感反馈式三端振荡器 (哈特莱振荡器),四、电感三点式与电容三点式振荡电路的比较,五、LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则1、Xce与Xbe的电抗性质相同； 2、Xcb与Xce、Xbe的电抗性质相反； 3、对于振荡频率，满足Xce+Xbe+Xcb=0。,这是用来判断三点式振荡器有没有可能振荡的基本原则,LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则,射同基（集）反
18、,在三点式电路中, 回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质, 另外一个电抗元件必须为异性质。这就是三点式电路组成的相位判据, 或称为三点式电路的组成法则。 与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路, 称为电容三点式电路, 也称为考毕兹(Colpitts)电路。与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路, 称为电感三点式电路, 也称为哈特莱(Hartley)电路。,试分析上述四种情况是否可能振荡?振荡频率f0与回路谐振频率有何关系?,例题:,图示为三回路振荡器的等效电路，设有以下四种情况：,3、频率稳定度的定义: 在一定时间间隔内，振荡器相对频率偏差的最大值，用 表示。
19、其数值越小，频率稳定度越高。,第四节 振荡器的频率稳定原理,一、频率稳定度的定义,频率稳定度在数量上通常用频率偏差来表示。 频率偏差是指振荡器的实际工作频率和标称频率之间的偏差。它可分为绝对偏差和相对偏差。 设f为实际振荡频率，fc为指定标称频率，则,1、绝对频率偏差：,2、相对频率偏差,绝对频率准确度,相对频率准确度,4、三种常用的频率稳定度 长期频率稳定度：一般指一天以上甚至数月的时间间隔内的相对频率变化的最大值。这种变化通常是由振荡器中元器件老化而引起的。 短期频率稳定度：一般指一天以内，以小时、分或秒计算的时间间隔内的频率相对变化。产生这种频率不稳的因素有温度、电源电压等。 瞬时频率稳
20、定度：一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变化。引起这类频率不稳定的主要因素是振荡器内部噪声。,对频稳度的要求视用途不同而异。,高精度信号发生器,数量级；,数量级以上。,做频率标准用,例如：中波广播电台发射机,数量级；,总结：谐振频率 的变化、相角 的变化和有载品质因数 Q的变化都会引起频率稳定度的变化。,二、振荡器频率稳定度的表示式(书),1、 振荡频率 的表示式（相位平衡条件、相频特性）,振荡器的相位平衡条件,2、频率稳定度的表示式,结论：引起振荡器频率不稳定的外部因素是温度、湿度、电源电压波动和机械振动。这些外因变化会引起 、 、 的变化。因此产生频率不稳定。,1、温度变化会引起L、C和晶
21、体管y参数变化。 2、湿度变化会引起L、Q变化。 3、电源电压变化会引起晶体管参数变化。 4、机械振动会引起L的变化。,三、引起频率不稳的原因,四、提高频率稳定度的措施,1、减小外因的变化温度变化可以采用恒温措施；湿度变化采用将电感线圈密封或固化；电源电压变化采用稳压电源；机械振动采用减震措施；负载变化采用射随器隔离。, 减小晶体管极间电容不稳定量 、 对回路总电容 的影响，可采用部分接入方式的克拉泼电路、西勒电路和晶体振荡器。, 选用高Q的元件。选用 小的电容三点式振荡电路形式。,四、提高频率稳定度的措施,2、提高电路参数抗外因变化的能力, 选用正温度系数的电感和负温度系数的电容组成谐振回路
22、进行温度补偿。,一、一般电容三点式振荡电路频率稳定性的分析,第五节高稳定度的LC振荡器,当 、 没变化时，回路总电容 对应振荡频率为:,而 、 与晶体管工作状态和外界条件有关。,当 变化Co， 变化Ci时，总电容的增量:,结论：一般电容三点式振荡电路 p1 、p2 不可能同时减小，故频率稳定度不可能做得较高。,二、克拉泼（Clapp）振荡电路,在电感支路串接小电容C3 满足C3C1，C3C2 回路总电容为：,1、电路特点,2、相位平衡条件（正反馈）为容抗， 为容抗同性质。 可等效为感抗，与 、 反性质。 满足电容三点式振荡器相位平衡条件判断准则，为电容三点式振荡电路。,3、振荡频率,因为,所以
23、克拉泼（Clapp）振荡器的振荡频率为：,4、稳频原理,总的电容增量为：,其中,p1 、p2可以同时减小， 可很小，故频率稳定度比一般电容三点式要高。,结论：,p1 、p2 的减小受到电路起振条件的限制，电压放大倍数越小。频率稳定度不可能很高。电感损耗电导折合到ce两端增大,克拉泼电路主要用作固定频率振荡器。,克拉泼电路是以牺牲环路增益为代价，或者说用对起振条件要求苛刻换取频率稳定度的提高。 频率估算值,三、西勒（Siler）振荡电路,1、电路特点： 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 。电路条件仍是C3C1，C3C2， 与 同数量级 ，回路总电容为：,2、相位平衡条件
24、（正反馈）为容抗， 为容抗同性质。 可等效为感抗，与 、 反性质。满足电容三点式振荡器的相位平衡条件判断准则，为电容三点式振荡电路。,由于与并联，所以,的大小不影响,回路的接入系数,3、振荡频率,4、总结 西勒电路保持了克拉泼电路中晶体管与回路耦合弱的特点，频率稳定度高。调频时，输出振荡电压幅度基本平稳，可作为变频振荡器 。能在较宽的频率范围内调节。,第六节 晶体振荡电路,一、石英晶体介绍,1、压电效应 石英晶体的特点是具有压电效应。 不同型号的晶体具有不同的机械自然谐振频率。当外加电信号频率等于晶体固有的机械谐振频率时，晶体的振动幅度最强，感应的电压也最大，表现出电谐振。,晶体-石英谐振器的
25、简称.利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振元件,品质因数 ：很高，达 量级,动态电容 : 很小，一般为 pF量级；,2.石英晶体的等效电路,动态电感 : 很大，几十毫亨到几十亨,动态电阻 :很小，一般为几欧几百欧,静态电容Co ： 很小 ， 约25pF。,特点： 石英晶体的物理和化学性能十分稳定，因此它的等效谐振回路有很高的标准性 具有极高的Q值，可高达数百万数量级； CqC0,因此晶体的接入系数很小，外电路对它的影响很小。,3、晶体管等效电路有两个谐振频率,串联谐振频率,并联谐振频率,两个频率之差很小：,二、石英晶体的阻抗特性,1、忽略 时，总阻抗为, 当 时， ，晶体等效为电感；, 当 时
26、， ，晶体为并联谐振。,2、阻抗频率特性, 当 和 时，晶体等效为电容；, 当 时， ，晶体等效为短路；,总结： 晶体使用的两种模式：,时， 晶体 短路线,时， 晶体 电感,三、晶体振荡电路,根据晶体在振荡器中的作用原理可分为两类：,并联型晶体振荡器： 晶体作为高品质的电感 工作频率：,串联型晶体振荡器： 晶体作为高选择性的短路元件 工作频率：,并联泛音振荡器,Miller振荡器,Pierce振荡器,1、并联型晶体振荡器晶体在电路中等效为高Q电感,两种基本类型电路,图（a）电容三点式振荡电路 图（b）电感三点式振荡电路,皮尔斯振荡器,密勒 振荡器,并联型晶体振荡器（以皮尔斯振荡器为例）,A、相
27、位平衡条件,由于 容抗， 容抗， 晶体等效为感抗，满足三点式振荡器相位平衡条件 的判断准则。电路为正反馈。,B、振荡频率,令 称为负载电容。由等效电路可得 故,总结：振荡频率与 和负载电容 有关。振荡频率一定 在 与 之间，晶体等效为电感。因串、并联频率相差很小，因此振荡器频率稳定度高。,密勒振荡电路 晶体管密勒振荡电路 (b) 场效应管密勒振荡电路,、密勒晶振电路,图(a)为密勒（Miler）振荡器。由于晶体与晶体管的低输入阻抗并联，降低了有载品质因数,，故密勒振荡器的频率稳定,度较低。实际上，密勒振荡电路通常不采用晶体管，而是采用输入阻抗高的场效应管来提高回路的标准性和频率的稳定性，如图(
28、b)所示。,2、串联型晶体振荡器,串联型晶体振荡电路,电路特点: 晶体在电路中等效为短路元件,回路谐振在 上,即振荡频率为:,串联型晶体振荡电路,石英晶体滤波器的应用,石英晶体谐振器 (a) 符号 (b) 基频等效电路 (c) 完整等效电路,除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会产生奇次（2n-1）谐波的泛音振动。基频振动模式时，产生奇次谐波谐振的支路因阻抗较高可忽略。,奇次谐波的泛音振动,泛音晶体振荡器,石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器。另一个办法就是令晶体工作于它的泛音频率上，构成泛
29、音晶体振荡器。,所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。它与电气谐波的主要区别是：电气谐波与基波是整数倍关系，且谐波与基波同时并存；泛音则与基频不成整数倍关系，只是在基频奇数倍附近，且两者不能同时存在。由于晶体片实际上是一个具有分布参数的三维系统，它的固有频率从理论上来说有无限多个。,假设泛音晶振为五次泛音， 标称频率为MHz，基频为MHz，则,泛音晶振电路,在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。,回路必,须调谐在三次和五次泛音频率之间。,泛音晶振电路,成法则，不能起振。 而在七次及其以上泛音频率，,减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于1，不满足振幅起振条件。,对于基频和三次泛音频率来说，,回路呈感性，电路不符合组,性， 振荡电路满足组成法则。,回路呈容,在MHz频率上，,回路虽呈现容性，但等效容抗,4-10 图题4-10所示是实用晶体振荡线路，试画出它们的高频等效电路，并指出它们是哪一种振荡器。图(a)的4.7H电感在线路中起什么作用?,
