正弦波振荡器

1、i贺州学院机械与电子匚程学院高频电子线路7正弦波振荡器7.1 概述7.2 zz7?回路中的瞬变现象7.3 lc振荡器的基本工作原理7.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件7.5 振荡器的平衡与稳定条件7.6 反馈型力扇荡器线路7.7 振荡器的频率稳定问题二7.8 石英晶体振荡器7.9 负阻振荡器7.10 几种特殊振荡现象7.11 集成电路振荡器7.12 国洗荡器home201贺州学院机械与电u早.钞z 7. 述201业 omej1.定义高频电路不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能。next 二贺州学院机械与电子工程学院高频电子线路正弦波振荡器是一种将直流电能自动转换成所需交流 电能的电路。

2、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。正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。例 如，无线发射机中的载波信号源，接收设备中的本地 振荡信号源，各种测量仪器如信号发生器、频率计、 一测试仪中的核心部分以及自动控制环节，都离不开 正弦波振荡器。贺州学院机械与电子工程学院高频电子线路正弦波振荡器可分成两大类：一类是利用正反馈原理构成的反馈型振荡器，它是目前应用最多的一类振荡 器；另一类是负阻振荡器，它是将负阻器件直接接到 谐振问路中，利用负阻器件的负电阻效应去抵消问路 中的损耗，从而产生等幅的自由振荡，这类振荡器主 要工作在

3、微波频段。2015年7月2日5/121贺州学院机械与电二广广、 高频电子线路 概述二二二2.振荡器的分类正弦波振荡器非正弦波振荡器振荡器vi产生机理f反馈型rc振荡器 反馈式振荡器 反馈型lc振荡器 负阻式振荡器1石英晶体振荡器本章主要介绍反馈型ac、/函荡器和石英晶体振荡器 的工作原理。homeback图721 lck自由振荡电路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。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

4、维持回路的等幅 振荡。homenext】*21天尹机tty面路中的瞬菱就home20z1(c)50(/?0) 增幅振荡图724 时产生振荡电流的情形相院机比i麻的鎏本工版f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。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

5、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。homenext*121摆节建 麻的鎏本工版f201 home(a) “实际电蛤e(b)等效电路图724互感耦合调集振荡器end /学里干电了雅林器的平衡桨程路当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。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afa至。（由增到稳）home33i用雪械蜜曾嘉隼衡状态和稳楚瓣以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的 起振条件；保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡 的平衡条件。实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素 变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。

6、因此，还应 该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受 到破坏的稳定条件。稳定条件也分为振幅稳定与相位稳定两种。以 下分别讨论之。潦：r械赛看城科厥态和稳楚票箱1）振幅平衡的稳定条件要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变 化时，af的大小朝反方向变化。/匏贴懒髀衡状态和直凫瓣f2）相位平衡的稳定条件相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重 新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。稳定原理：= 夕=0（/）曲 外部一 频率t -相位9t 扰动频率0j 1home。（义工+包+名旦）三c包 v o相位平衡条件 scoseobackinext潦：r械赛看城科厥态和稳楚票箱2

7、）相位平衡的稳定条件back1next斌/魂褶斛衡状态和豌案律3）基本组成部分从上面的讨论可知，耍使反馈振荡器能够产生持续的等幅 振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们 是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：，放大电路，正反馈网络，选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈 网络合二为一。）,稳幅环节从a歹1回至14月=1home bl.，稳定环节幅度稳定相位稳定7.6.1互感耦合振荡器29/1217.6.2 电感反馈式三端振荡器 （哈特莱振荡器）7.6.3 电容反馈式三端振荡器 （考毕兹振荡器）7.6.4 lc三端式振荡器相位平衡条件的判断准则201hom

8、e j高频电子线路贺州学院机械与电子工程学院二二反馈式振荡器工作原理反馈式振荡器的组成44ut谐振放大器uo止反馈网络贺州学院机械与电子工程学院4放大器k反馈网络f(s)反馈型振荡器原理框图25/1212015年7 2 h贺州学院机械与电子工程学院反馈型振荡器是通过正反馈联接方式实现等幅 正弦振荡的电路q这种电路由两部分组成，一 是放大电路，二是反馈网络。对电路性能的要 求可以归纳为以下三点： (1)保证振荡器接通电源后能够从无到有建立起 具有某一固定频率的正弦波输出。 (2)振荡器在进入稳态后能维持一个等幅连续 的振荡。 (3)当外界因素发生变化时，电路的稳定状态 不受到破坏。贺州学院机械与

9、电子工程学院高频电子线路 反馈式振荡器的工作原理 1.平衡条件 振荡器起振后，振荡幅度不会无限增长 下去，而是在某一点处于平衡状态。当 振荡器的正反馈电压等于输入电压时， 振荡器达到平衡。uf=ut=ak/ ui贺州学院机械与电广程学院高频电子线路 振荡器的平衡条件为z3=1 二 振幅平衡条件：4勺=1 相位平衡条件：0人+0k =24( =0/23.)贺州学院机械与电了程学院高频电子线路 2.起振条件 振荡器的起振过程体现在其输出电压上表现为输出电 压从无到有，由小变大。输出电压越来越大，需要其 输入电压越来越大，等效于 ufui 而uf=akf5振荡器的起振条件为kf 1振幅起振条件：a,

10、kfi相位起振条件：(pa+(pk =2/t7r(?2 = 0,l,2,3.)2015年7月2日37/121贺州学院机械与电子工程学院高频电子线路振荡器只有同时满足振幅条件和相位条件才能正常工 作，相位条件的满足实际上就是保证振荡器中的反馈 为正反馈。2015年7月21|39/121贺州学院机械与电子工程学院高频电子线路3)图振幅条件的图解表示起振过程：开始增幅振荡 非线性.稳幅振荡图振荡幅度的建立和平衡过程2015年7月2日#/121缈”喈.t程鱼感耦合振霜嘉好线路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

11、出正反回输 入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡 器。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。由互感耦合同名端定义可判知，反馈网络形成 正反馈，满足相位平衡条件。如果再满足起振条件, 就符合基本原理。贺州学院力霍甘林上感羯合振褶幕好线路由于三极管结电容和其它分布电容的存在，在频率较高1而lc回路电容较小时，.狗影响稳定性。:(a)调基电路调发电路home图761互感耦合调基、调发振荡器电路end 4lrm_ 乙十 hpr高通）k容易起振a f调整频率方便变电容而不影响方。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

12、容和极间电容并联于乙与 七2两端，方随频率变化而改变。home高频电子线路贺州学院机械与电子工程学院电感三点式振荡器(1)电路电感三点式振荡电路(b)2015年7月21|59/121高频电子线路贺州学院机械与电子工程学院 (2)振荡频率 (3)反馈系数i+ml+m电感三点式振荡电路容易起振，可通过改变电容c方 便改变振荡频率，但由于反馈电压取自l2,电感对高 次谐波呈高阻，不能抑制电路对高次谐波的反馈，故 振荡波形差。2015年7月2日#/121如果正反馈网络由lc谐振回路中的电容分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。图763电容反馈式三端振荡器back1nextho

13、me2日电路的特点:lpr低通）卜调整频率不太方便变电容影响匕变电感不便。，输出波形较好高次谐波反馈较弱，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g与 。2两端，被较大g与。2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。home：贺州学院机械与电子工程学院高频电子线路电容三点式振荡器(1)电路(a)(b)电容三点式振荡电路2015年7月2日65/121贺州学院机械与电子程学院(2)振荡频率2tt4lcc=_gcc,+c2 (3)反馈系数k = ill - 02 厂比一 j_ a)c2015年7月2日贺州学院机械与电子工程学院高频电子线路通过改变c1和c2来改

14、变振荡器的振荡频 率时，由于反馈系数也随着变化，导致 振荡幅度变化，使振荡器的频率和幅度 不能独立调整，所以电容三点式振荡器 使用于要求频率调节范围不大的场合。2015年7月2日67/121回顾lc三端式振荡器的基本电路，发现其电路结构存 在一个规律：晶体管的集电极一发射极(ce)之间和基 极一发射极(be)之间回路元件的电抗性质相同；它们与集 电极一基极之间(be)回路元件的电抗性质相反。它具有普遍 意义吗？下面就此证明。2日homeback1next为简便起见，我们假定谐振回 路三个元件都是纯电抗，即z = jxcez?= jbez3 = j4br/一般lc振荡器的频率稳定度“偏只能达到1

15、0-3io so若 要求频率稳定度超过105,需用石英晶体振荡器。l石英晶体滤波器的特点1）石英晶体的物理和化学性能都十分稳定；2）晶体的q值可高达数百万数量级；3）在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内， 具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极 灵敏的补偿能力。因此，用石英晶体作为振荡回路元件，就能使振荡器的频 率稳定度大大提高。贺州学院机械与电子工程学院2015年7月21|高频电子线路#/121贺州学院机械与电子工程学院3.为晶体串联谐振角频率,1cdq%为晶体并联谐振角频率,2015年7月2日贺号容岩美晶体振捞鬻子线路因此，振荡电路可分为两类：一类是作为等效电感元件，称 为并联

16、谐振型晶体振荡器；另一类是作为串联谐振元件，称为 串联谐振型晶体振荡器。贺号容岩美晶体振捞鬻子线路2.石英晶体滤波器的应用(a)(b)(c)石英晶体谐振器(a)符号(b)基频等效电路(c)完整等效电路奇次谐波的泛音振动除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会产生奇次 (2n-l)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。homi“8?/呻鳖r獭葡振型晶体振吉线路这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式lc振荡器相 同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感 性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组 成三端振荡器。根据这种原理，在理论上可以构成三

17、种类型 基本电路。图7.8.1并联谐振型晶体振荡器的iioxiilar-至2u尺b%lxt贺兆学院机械与电r.找:产罪减普振型晶体振警募g(a)晶振电路(b)频回路的等效电路图 7.8.2并联谐振型晶体c-b型振荡器电路homea2日back1next找:产罪减普振型晶体振警募g贺兆学院机械与电r.1高频电子线路 贺州学院机械与电了t.程学院.皮尔斯晶体振荡器图皮尔斯晶体振荡电路2015年7月2日77/121窗贺州学院机械与电子程学院2.密勒振荡+em+，）gc巧然智电赭娜振型晶体凝射路(a)串联型晶振电路(b)交流等效电路图784串联谐振型正弦波晶体振荡器电路homea2日贺州学院机械与电子

18、工程学院串联型石英晶体振荡器0 +ec纤=0 s =-jm-2015年7月2日高频电子线路79/121g+jrs)贺州学院机械与电子工程学院高频电子线路俄用tt英品南瞩看面酷意事项- 二 使用石英晶体谐振器时应注意以下几点： 1.石英晶体谐振器的标称频率都是出厂前在石英晶体 谐振器上并接一定负载电容的条件下测定的，实际使 用时也必须外加负载电容，并经微调后才能获得标称 频率。 2.石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内，否则 晶体无法安全的工作。 3.在并联型晶体振荡器中，石英晶体起电感作用时才 有稳频作用。 4.晶体振荡器中一块石英晶体只能稳定一个频率，当 需要多个稳定频率时，就得采取其他措

19、施，如频率合 成器。2015年7月21|81/121戕浮聚音晶体振荡鬻电子线路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。back1nexthome 贺州学翳r犍音

20、晶体振荡翳电的路7.8.5泛音晶体手 交流等效电路若泛音晶体的标称泛音次数为5,相应的标称频率为5mhz, 则lc谐振回路应调谐在35次泛音频率之间，如3.5mhz。在 5mh乙lc谐振回路呈容性，满足相位平衡条件。而对于基频和3次泛音频率来 说，问路呈感性，振荡器不满足相 位平衡条件，不能产生振荡。而对 于7次及其以上的泛音频率，回路呈 容性，但其电容量过大，负载阻抗 过小，以致电压增益下降太多，不 能起振。home图791正、负电阻的概念ri2inext贺州学院机勺。蚊程学除.i七一 门商频电子线路x。负阻振荡器负阻振荡器是把一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振回路相接，以产生等幅振荡。夕

21、上的电位降方向与电流方向 相同，呈正电阻性，故此电阻相当于 电动机作用，它从外界电源吸收功 率。若兄上的电位升方向与电流方 向相同，呈负电阻性，故此负电阻 相当于发电机作用，它不但不消耗 功率，反而向外界输出功率。注 意，以上针对交流电阻。home。蚊程学除.一七一门商频电子线路x。负阻振荡器(a)电压控制型负阻特性贺州学院机勺具有负阻的器件有两大类：电压控制型负阻和电流控制 型负阻。(b)电流控制型负阻特性图792负阻特性曲线的类型201homeback1next。蚊程学除.一七一门商频电子线路x。负阻振荡器贺州学院机勺负阻振荡电路也有两种基本类型，即串联型负阻振荡器线路和并联型负阻振荡器线

22、路。homejcst%ij_gn汽(b)并联型负阻振荡器线路(a)串联型负阻振荡器线路图794负阻振荡器原理电路back1next贺州学院机贴蚊匚程学除* i 朋1 -南频电子线路7.9负阻振荡器举例:_ir500 q%1.5 v(a)隧道二极管负阻振荡电路(b)交流等效电路图795隧道二极管负阻振荡器贺州学院机贴蚊程学院.i r射频电子线路n9负阻振荡器特点：适用于较高的工作频段（可在100mhz至10ghz波 段内）。优点：噪声低，对温度变化、核辐射均不敏感，电路简单， 体积小和成本低等。缺点：输出功率和电压都较低；在电路中使用起来不如反馈 式振荡器方便；频率稳定和幅度稳定都不及反馈式振荡

23、器。201home贺州学院机械与电子工程学院 rc正弦波振荡器高频电子线路rc移相网络当要求产生频率在几十千赫以下的低频正弦波信号时，需 采用rc振荡器。其电路由rc选频网络和放大器组成。l超前型j/cri + ja)cr其中4噎2015年7月2日87/121贺州学院机械与电子工程学院幅频特性& r %kf(a) = -r=v+()2相频特性相应的幅频特性 和相频特性曲线如图 所示。2015年7月21|高频电子线路(c)图rc超前相移网络的频率特性(b)幅频特性(c)相频特性#/121贺州学院机械与电子工程学院2.滞后型传输系数为:其中 幅频特性2015年7月21|高频电子线路图rc滞后相移网络及其频率特性(a)相移网络(b)幅频特性.(c)相频特性89/121贺州学院机械与电子工程学院高频电子线路结论：(1) 一节导前移相或滞后移相电路实际能产生的相移量小于90。(当相移趋近90。时，增益已趋于零)，所以，至少要三节r c移相电路才能 产生180。相移。(2)与反相放大器就可以组成正反馈