linChapter5正弦波振荡器

1、 本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激励信本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激励信 号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频 率和一定幅度的交变能量电路。率和一定幅度的交变能量电路。 振荡器的分类：振荡器的分类： 按波形分：正弦波振荡器和非正弦波振荡器按波形分：正弦波振荡器和非正弦波振荡器 按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器 按选频网络所采用的元件分：按选频网络所采用的元件分： LC振荡器、振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型振荡器和晶体振荡器等类型 本章主要讨论本章主要讨论 反馈

2、型正弦波振荡器的基本工作原理反馈型正弦波振荡器的基本工作原理 振荡器的起振条件振荡器的起振条件 振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件 振荡器的平衡稳定条件振荡器的平衡稳定条件 正弦波振荡器三端电路的判断准则正弦波振荡器三端电路的判断准则 正弦波振荡器的电路特点、频率稳定度等性能指标正弦波振荡器的电路特点、频率稳定度等性能指标 实际中的反馈振荡器是由反实际中的反馈振荡器是由反 馈放大器演变而来，如右图。馈放大器演变而来，如右图。 + vf voLC + + vi K 1 2 Rb2 ReCe +VCC M + 自激振荡建立的物理过程自激振荡建立的物理过程 若开关若开关K拨向拨向“1”时，该电时，该电

3、 路则为调谐放大器，当输入信号路则为调谐放大器，当输入信号 为正弦波时，放大器输出负载互为正弦波时，放大器输出负载互 感耦合变压器感耦合变压器L2上的电压为上的电压为vf ， 调整互感调整互感M及同名端以及回路参及同名端以及回路参 数，可以使数，可以使 vi = vf 。 此时，若将开关此时，若将开关K快速拨向快速拨向“2”点，则集电极电路和基点，则集电极电路和基 极电路都维持开关极电路都维持开关K接到接到“1”点时的状态，即始终维持着与点时的状态，即始终维持着与vi 相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。 L2 在电源开关

4、闭合的瞬间，电流的跳变在集电极在电源开关闭合的瞬间，电流的跳变在集电极LC 振荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端振荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端 产生正弦波电压产生正弦波电压vo，并通过互感耦合变压器反馈到基级，并通过互感耦合变压器反馈到基级 回路，这就是激励信号。回路，这就是激励信号。 起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行 放大放大选频选频反馈反馈再放大等多次循环，于是一个与振再放大等多次循环，于是一个与振 荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。 由于

5、晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定 的幅度。因此振荡的幅度不会无限增大。的幅度。因此振荡的幅度不会无限增大。 反馈型自激振荡器的电路构成必须由三部分组成：反馈型自激振荡器的电路构成必须由三部分组成： 包含两个包含两个(或两个以上或两个以上)储能元件的振荡回路。储能元件的振荡回路。 2) 可以补充由振荡回路电阻产生损耗的能量来源。可以补充由振荡回路电阻产生损耗的能量来源。 3) 使能量在正确的时间内补充到电路中的控制设备。使能量在正确的时间内补充到电路中的控制设备。 振荡器的起振条件振荡器的起振条件: A F + vi + vo 基本反馈环基本反

6、馈环 FA1 A A o o f 0VV V A f i o o 若在某种情况下若在某种情况下1- =0时，此时即使没时，此时即使没 有输入信号有输入信号(vi=0)时，放大器仍有输出时，放大器仍有输出 电压放大器变为振荡器。电压放大器变为振荡器。 FAo 要维持一定振幅的振荡，反馈系数要维持一定振幅的振荡，反馈系数F F应设计得大一些。一般应设计得大一些。一般 取取 8 1 2 1 这样就可以使得在这样就可以使得在 1时的情况下起振。时的情况下起振。FAo o f v v F 甲类无反馈放大器甲类无反馈放大器: 反馈放大器反馈放大器: 由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：由上分析知，

7、反馈型正弦波振荡器的起振条件是： ), 1, 0(2 1 nn FA FA o FAo 1 其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度v vf f要要 一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。 振幅起振条件振幅起振条件 相位起振条件相位起振条件 Cb Rb Re Cc C L +VCC (vf) VEB vf vs + IBO IEO + Re ic o VB VB ic o ICQ eb eb o t ICQ t 自给偏压使工作点下移 (b) Q 起振过程中偏置电压建立的过程起振过程中偏置电

8、压建立的过程 放大器增益放大器增益A与输出电压幅度与输出电压幅度Vo 之间的关系叫振荡特性，之间的关系叫振荡特性，F与与Vo之间之间 的关系叫反馈特性。起振的幅度条件的关系叫反馈特性。起振的幅度条件 可用右上图表示。可用右上图表示。 在实际设计中，如果设计不当，在实际设计中，如果设计不当， 振荡特性可能不是单调下降的，而如振荡特性可能不是单调下降的，而如 右下图所示。其静态工作点太低，右下图所示。其静态工作点太低， ICQ太小，因而太小，因而A0太小，以至不满太小，以至不满 足足 。 这种振荡器电路一般不能自行起这种振荡器电路一般不能自行起 振，而必须给以一个较大幅度的初始振，而必须给以一个较

9、大幅度的初始 激励，使动态点越过不稳定平衡点激励，使动态点越过不稳定平衡点B 才能起振，这叫硬激励起振，设计电才能起振，这叫硬激励起振，设计电 路要力加避免。路要力加避免。 A0 Q VomQ 反馈特性 振荡特性 Vom F 1 起振条件与平衡条件起振条件与平衡条件 图解图解( (软激励起振软激励起振) ) Vom A0 F 1 F 1 A B Q 硬激励起振特性硬激励起振特性 F 1 A0 振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件: 所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡 必须满足的幅度与相位关系。必须满足的幅度与相位关系。 振荡器的平衡条件为振

10、荡器的平衡条件为 FA )(), 1, 1(2 )(1 相相位位平平衡衡 振振幅幅平平衡衡 nn AF FA =1 在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大 管维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压管维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压 的平衡，使振荡器得以维持。的平衡，使振荡器得以维持。 ifec1fe11maxc1 )()()cos1 ()(VyVyvgiI bccbccc )( c1fefe yy 振荡器的回路输出电压 p1c1c ZIV pfe 1 i c Zy V ZI V V A i pc 1 pfe Z

11、Fy 将各因子写成指数形式，有 式中 称为晶体管平均正向传输导纳 FA =1 F Z Y FF ZZ yy j j p1p1 j fefe e e e 1| 1 FZy pfe (5-11) )3,2,1,0(2 FzY nn 用电路参数表示振荡器的平衡条件：用电路参数表示振荡器的平衡条件： 振幅平衡条件振幅平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件 上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平 衡，但还不能说明这平衡状态是否稳定。平衡状态只是建衡，但还不能说明这平衡状态是否稳定。平衡状态只是建 立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能

12、立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能 否维持，还必需看平衡状态是否稳定。否维持，还必需看平衡状态是否稳定。 所谓平衡状态的稳定条件即指在外因作用下，平衡条件所谓平衡状态的稳定条件即指在外因作用下，平衡条件 被破坏后，振荡器能自动恢复原来平衡状态的能力。被破坏后，振荡器能自动恢复原来平衡状态的能力。 两个简单例子来说明稳定平衡与不稳定平衡的概念两个简单例子来说明稳定平衡与不稳定平衡的概念 BQ 振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件: 1 F 1 F 假定由于某种因素使振幅增大超过了假定由于某种因素使振幅增大超过了VomQ，可见这时，可见这时A 即出现即出现AF1的情况，

13、于是振幅就自动衰减而回到的情况，于是振幅就自动衰减而回到VomQ。 反之，当某种因素使振幅小于反之，当某种因素使振幅小于VomQ，这时，这时A ， 即出现即出现AF1的情况。于是振幅就自动增强，从而又回到的情况。于是振幅就自动增强，从而又回到 VomQ。因此。因此Q点是稳定平衡点。点是稳定平衡点。 ， 1) 振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件 A0 Q VomQ 反馈特性 振荡特性 Vom F 1 由于在由于在VomVomB的区间，振荡始终是衰减的，因此，的区间，振荡始终是衰减的，因此， 这种振荡器不能自行起振，除非在起振时外加一个大于这种振荡器不能自行起振，除非在起振时外加一个大于VomB

14、 的冲击信号，使其冲过的冲击信号，使其冲过B点，才有可能激起稳定于点，才有可能激起稳定于Q点的平衡点的平衡 状态。这样的现象，称为硬自激。一般情况下都是使振荡电状态。这样的现象，称为硬自激。一般情况下都是使振荡电 路工作于软自激状态，通常应当避免硬自激。路工作于软自激状态，通常应当避免硬自激。 V om A 0 F 1 F 1 A B Q 这时这时A=1/F(Vom)的变化曲线不是单调的变化曲线不是单调 下降的，而是先随下降的，而是先随Vom的增大而上升，的增大而上升， 达到最大值后，又随达到最大值后，又随Vom的增大而下的增大而下 降。因此，它与降。因此，它与1/F线可能出现两个交线可能出现

15、两个交 点点B与与Q。这两点都是平衡点。这两点都是平衡点。 如果晶体管的静态工作点取得太低，甚至为反向偏置，而如果晶体管的静态工作点取得太低，甚至为反向偏置，而 且反馈系数且反馈系数F又较小时，可能会出现另一种振荡形式。又较小时，可能会出现另一种振荡形式。 B点的平衡状态是不稳定的。点的平衡状态是不稳定的。 形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数 随振幅的变化特性具有负的斜率，即随振幅的变化特性具有负的斜率，即 omQom om VVV A 0 2) 相位平衡的稳定条件相位平衡的稳定条件 相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身相位稳

16、定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身 能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保持其能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保持其 稳定的振荡。稳定的振荡。 振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件 工作于非线性状态的有源器件工作于非线性状态的有源器件(晶体管、电子管等晶体管、电子管等)正正 好具有这一性能，因而它们好具有这一性能，因而它们具有稳定振幅的功能具有稳定振幅的功能。 必须强调指出：相位稳定条件和频率稳定条件实质上是必须强调指出：相位稳定条件和频率稳定条件实质上是 一回事。因为振荡的角频率就是相位的变化率一回事。因为振荡的角频率就是相位的变化率，所以当振荡，所以当振荡 器的相

17、位变化时，频率也必然发生变化。器的相位变化时，频率也必然发生变化。 ) dt d ( 如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很 小的相位增量小的相位增量+，这就意味着反馈电压超前于原有输入电，这就意味着反馈电压超前于原有输入电 压一个相角压一个相角,相位超前就意味着周期缩短相位超前就意味着周期缩短,频率不断地提高。频率不断地提高。 反之，如果反之，如果为负，即滞后于原输入电压为负，即滞后于原输入电压,同理将导致频率的同理将导致频率的 不断降低。不断降低。 从以上分析可知，外因引起的相位变化与频率的关系是：从以上分析可知，外因引起的相位变化

18、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，频率随相相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，频率随相 位的变化关系可表示为位的变化关系可表示为 0 0 相位稳定条件应为相位稳定条件应为 0 )( FZY或或 为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有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。换句话说，就是在振荡频率发生变化恢复相位平衡的能力。换句话说，就是在振荡频率发生变化 的同时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化，以抵消由的同时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化，以抵消由 外因引起的外因引起的变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位

19、变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位 稳定条件应为稳定条件应为 写成偏微分形式，即写成偏微分形式，即 0 0 0 由于由于 y y和和 F F对于频率变化的敏感性一般远小于对于频率变化的敏感性一般远小于 Z Z对频率变化的敏对频率变化的敏 感性，即感性，即 ZY ZF Z 因此， 1 振幅起振条件振幅起振条件 相位起振条件相位起振条件 振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件: FA )(), 1, 1(2 )(1 相相位位平平衡衡 振振幅幅平平衡衡 nn AF FA =1 1| 1 FZy pfe )3,2,1,0(2 FzY nn 振幅平衡条件振幅平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件 用电路参数

20、表示振荡器的平衡条件：用电路参数表示振荡器的平衡条件： 管子是自动稳幅机构管子是自动稳幅机构 振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件: omQom om VVV A 0 振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件: 相位稳定条件相位稳定条件: : 0 0 Z 并联谐振回路具有相位稳定功能并联谐振回路具有相位稳定功能 LC振荡器按其反馈网络的不同，可分为振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡互感耦合振荡 器、电感反馈式振荡器器、电感反馈式振荡器和和电容反馈式振荡器电容反馈式振荡器三种类型。三种类型。 本部分内容重点介绍不同型式的反馈型本部分内容重点介绍不同型式的反馈型LC振荡器，以振荡

21、器，以 三点式振荡器作为重点。三点式振荡器作为重点。 互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反 馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦 合量合量M，使之满足振幅起振条件很重要。，使之满足振幅起振条件很重要。 互感耦合振荡器有三种形式：调基电路、调集电路和互感耦合振荡器有三种形式：调基电路、调集电路和 调发电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路调发电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路 和发射极电路来区分的。和发射极电路来区分的。 5.3.1互感耦合振荡器互感耦合振荡

22、器 由于基极和发射极由于基极和发射极 之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低， 为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回 路的路的Q值，故在调基和值，故在调基和 调发这两个电路中，晶调发这两个电路中，晶 体管与振荡回路作部分体管与振荡回路作部分 耦合。耦合。 调基电路振荡频率调基电路振荡频率 在较宽的范围改变时，在较宽的范围改变时， 振幅比较平衡。振幅比较平衡。 V CC R b1 R b2 C b C e M C L 1 L 2 R e L (a) 调基电路调基电路 调基电路调基电路 调集电路在高频输出方调集电路在高频输出方 面比其它两种电路稳定，面比其它两种电路稳定， 而且幅度较大，谐

23、波成而且幅度较大，谐波成 分较小。分较小。 v1 R b1 R b2 R e C b C e V CC C M （b）调集电路）调集电路 L L1 由于基极和发射极由于基极和发射极 之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低， 为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回 路的路的Q值，故在调基和值，故在调基和 调发这两个电路中，晶调发这两个电路中，晶 体管与振荡回路作部分体管与振荡回路作部分 耦合。耦合。 V CC R b1 R b2 R o C b C e M C L 2 L 1 （c）调发电路）调发电路 互感耦合振荡器在调整反馈互感耦合振荡器在调整反馈(改变改变M)时，基本上不影时，基本上不

24、影 响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难 于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过 高，一般应用于中、短波波段。高，一般应用于中、短波波段。 根据根据h参数等效电路分析可知互感耦合振荡器的振荡频率参数等效电路分析可知互感耦合振荡器的振荡频率 LC 1 2 1 1 h h LC 1 2 1 f i o 起振条件：起振条件： M hLCh bi hf 其中其中 为为L中的损耗电阻，中的损耗电阻， h=h0hi hf hr 显然，显然，M与与hf越大，越容易起振。越大，越容易起

25、振。 三端式三端式LC振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在 几几MHz到几百到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器耦合振的范围，频率稳定度也比变压器耦合振 荡电路高一些，约为荡电路高一些，约为103104量级，采取一些稳频措施后，量级，采取一些稳频措施后， 还可以再提高一点。还可以再提高一点。 三端式三端式LC振荡器有多种形式，主要有：振荡器有多种形式，主要有： 电感三端式，又称哈特莱振荡器电感三端式，又称哈特莱振荡器(Hartley)； 电容三端式，又称考毕兹振荡器电容三端式，又称考毕兹振荡器(Coplitts)； 串联型改进电容三端式，又称克拉泼振

26、荡器串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器(Clapp)； 并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器(Selier)。 LC三端式振荡器组成法则三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则相位平衡条件的判断准则) v 1 R b 1 R b 2 C b V C C C L L 1 L 2 C e R e (a) (a) 共发电感反馈三端式振荡器电路共发电感反馈三端式振荡器电路 v 1 C N 1 N 2 L 1 L 2 + + + v i v f (b) 等效电路等效电路 由由h h参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件参数等效电路可以推导，电感反馈三

27、端电路的起振条件 ML ML R h RF h 2 1 p ie p ie pfe ie Rh h hfe 电感反馈三端电路的振荡频率为电感反馈三端电路的振荡频率为 LC 1 2 1 )MLL( h h )M2LL(C 1 2 1 f 2 21 ie oe 21 0 电感反馈三端式振荡器电感反馈三端式振荡器(哈特莱电路哈特莱电路) ML ML F 1 2 ie pfe h Rh A p oeoe R 1 hh L=L1+L2+2M F F值过小，值过小，A A0 0F F1 1不易满足；不易满足； F F值过大，值过大，L L2 2+M+M 由图由图可知，可知，F F，L L2 2+M+M 接

28、入系数接入系数P Pbe be= = 管子输入阻抗管子输入阻抗Z Zi i折合到折合到cbcb的阻抗的阻抗 cb cb回路的回路的Q Q值减小值减小R R p p ， M2LL ML 21 2 2 be i i P Z Z C Zi L 1 L 2 e c Z i b F F不能取得太小，也不能取得太大，否则振荡条件均难以满足。不能取得太小，也不能取得太大，否则振荡条件均难以满足。 即要求的即要求的h hfe fe加大，难于起振，同时影响了振荡波形产生失真。 加大，难于起振，同时影响了振荡波形产生失真。 ML ML F 1 2 哈特莱电路的优点：哈特莱电路的优点： 1、L1、L2之间有互感，反

29、馈较强，容易起振；之间有互感，反馈较强，容易起振； 电路的缺点：电路的缺点： 1、振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得， 而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的 反馈较强，使波形失真大；反馈较强，使波形失真大； 2、电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这 是因为频率太高，是因为频率太高，L L太小且分布参数的影响太大。太小且分布参数的影响太大。 2、振荡频率调节方便，只要调整电容、振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。的大小即可。 3、而且、而且C的改

30、变基本上不影响电路的反馈系数。的改变基本上不影响电路的反馈系数。 电容反馈三端振荡器电容反馈三端振荡器(考毕兹电路考毕兹电路) v1 Cb Re Ce VCC L Rs Cc C1 C2 v1 C1 C2 + + + L vi vf 电容三端式振荡电路电容三端式振荡电路 （a）（b） 可推导电容反馈三端电路的起振条件可推导电容反馈三端电路的起振条件 1 2 p ie C C R h pfe ie Rh h hfe 电容反馈三端电路的振荡频率电容反馈三端电路的振荡频率 2 1 C C F ie pfe h Rh A LC 1 2 1 CCh h CLC CC 2 1 f 21ie oe 21 2

31、1 0 21 21 CC CC C 考毕兹电路的优点：考毕兹电路的优点： 1）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。 2）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可 以减小不稳定因素对振荡频率的影响。以减小不稳定因素对振荡频率的影响。 3）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振 荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作 频率可做到几十频率可做到几十MHz到几百到几百MHz的甚高频波段范围。

32、的甚高频波段范围。 电路的缺点：电路的缺点： 调调C1或或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但 只要在只要在L两端并上一个可变电容器，并令两端并上一个可变电容器，并令C1与与C2为固定电为固定电 容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。 串联型改进电容三端式振荡器串联型改进电容三端式振荡器( (克拉泼电路克拉泼电路) ) Cb Re VCC Rs C3 C1 C2 L Rb2 Rb1 A B RL C1 L A B Cce Cbe C2 Re b Ccb c e Reo C3 （a a）克拉泼电路的实用

33、电路）克拉泼电路的实用电路（b b）高）高频频等效电路等效电路 因为因为C C3 3远远小于远远小于C C1 1和和C C2 2，所以三电容串联后的等效电容，所以三电容串联后的等效电容 3 2 3 1 3 3 313221 321 C C C C C 1 C CCCCCC CCC C 3 0 LC 1 LC 1 振荡角频率振荡角频率 故克拉泼电路的振荡频率几乎与故克拉泼电路的振荡频率几乎与C C1 1、C C2 2无关。无关。 2 1 C C F 和电容三端式电路中Cce与谐振回路的接入系数 Pce=C2/(C1+C2)比较，由于C3C1，C3C2，所以PcePce， 同理 Pbe0, 所以所

34、以F=x xbe be/x xcece0 , x xebeb与 与x xce ce性质相同 性质相同 简言之就是简言之就是“ce，be同抗件，同抗件，cb反抗件反抗件” 以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理， 能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡 现象。现象。 x xeb eb、 、x xce ce电抗性质相同， 电抗性质相同，x xcb cb与 与x xeb eb、 、x xec ec电抗性质相反。 电抗性质相反。 X b e + b X ce X cb v i v f + v o c e 许多变形的三端式

35、许多变形的三端式LCLC振荡电路，振荡电路，x xce ce和 和x xbe be、 、x xcb cb往往不都 往往不都 是单一的电抗元件，而是可以由不同符号的电抗元件组是单一的电抗元件，而是可以由不同符号的电抗元件组 成。但是，成。但是，多个不同符号的电抗元件构成的复杂电路，多个不同符号的电抗元件构成的复杂电路， 在频率一定时，可以等效为一个电感或电容。在频率一定时，可以等效为一个电感或电容。根据等效根据等效 电抗是否具备上述三端式电抗是否具备上述三端式LCLC振荡器电路相位平衡判断准振荡器电路相位平衡判断准 则的条件，便可判明该电路是否起振。则的条件，便可判明该电路是否起振。 由此得出三

36、端电路组成法则为：由此得出三端电路组成法则为： 例例5-1 5-1 振荡电路如图振荡电路如图( (a)a)所示，试画出交流等效电路，并判断电所示，试画出交流等效电路，并判断电 路在什么条件下起振，属于什么形式的振荡电路？路在什么条件下起振，属于什么形式的振荡电路？ L3 C3 C1 C2 Rb1 Rb2 Cc Cc Rc Re Ce L1 C VCC e b c C2 C3 e L3 C1 L1 b c 2) 2) 根据交流等效电路可知，因为根据交流等效电路可知，因为x xeb eb为容性电抗，为了满足 为容性电抗，为了满足 三端电路相位平衡判断准则，三端电路相位平衡判断准则，x xce ce

37、也必须呈容性。同理， 也必须呈容性。同理，x xcb cb应该 应该 呈感性。呈感性。 ( (b)b)( (a)a) 解解 1) 1) 根据画交流等效电路原则，将所有偏置视为开路，将耦根据画交流等效电路原则，将所有偏置视为开路，将耦 合电容、交流旁路电容视为短路，则该电路的交流等效电路如图合电容、交流旁路电容视为短路，则该电路的交流等效电路如图 ( (b)b)所示。所示。 根据并联谐振回路的相频特性，当振荡频率根据并联谐振回路的相频特性，当振荡频率f f0 0f f1 1( (回路回路 L L1 1C C1 1的固有频率的固有频率) )时，时，L L1 1C C1 1呈容性。根据呈容性。根据x

38、 xbe be+ x + xce ce+ x + xbc bc=0 =0， L L3 3C C3 3回路应呈感性，振荡电路才能正常工作。由图可知，回路应呈感性，振荡电路才能正常工作。由图可知， f f0 0f f3 3时可以振荡，等效为电容三端振荡电路。其条件可写时可以振荡，等效为电容三端振荡电路。其条件可写 为为 11C L2 1 33C L2 1 Z f fo 感性 容性 即即L L1 1C C1 1L L3 3C C3 3 并联谐振回路的相频特性并联谐振回路的相频特性 C1 L1 C3L3 C2L2 e b c 例例5-2 5-2 有一振荡器的交流等效电路如图所示。已知回路参数有一振荡器

39、的交流等效电路如图所示。已知回路参数 L L1 1C C1 1L L2 2C C2 2L L3 3C C3 3，试问该电路能否起振，等效为哪种类型的振荡试问该电路能否起振，等效为哪种类型的振荡 电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率之间有何关系？电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率之间有何关系？ 解解 ： 该电路要振荡必须满足相位平衡判该电路要振荡必须满足相位平衡判 断准则。先假定断准则。先假定x xce ce、 、x xbe be均为电感，则 均为电感，则x xcb cb应为 应为 电容。电容。 根据已知条件根据已知条件L L1 1C C1 1L L2 2C C2 2L L3 3C C3

40、3， 则有则有f f1 1f f2 2f f3 3，若要若要x xce ce、 、x xbe be为电感，则应 为电感，则应 该该f f0 0f f1 1，f f0 0f f2 2，同时同时f f0 0f f3 3，由已知条件由已知条件 看出看出f f0 0不可能同时大于不可能同时大于f f3 3小于小于f f2 2，故不成立。故不成立。 若若x xce ce、 、x xbe be同为电容，则 同为电容，则f f0 0f f2 2f f1 1，同时应同时应 该该f f0 0f f3 3，有已知条件知振荡频率可满足该条有已知条件知振荡频率可满足该条 件，即件，即f f1 1f f2 2f f0

41、0f f3 3，所以，该电路应为电所以，该电路应为电 容三端振荡器。容三端振荡器。 频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要 求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化 最小。最小。 绝对准确度绝对准确度0 fff 相对准确度相对准确度 0 0 0 f ff f f 振荡器的实际工作频率振荡器的实际工作频率f f与标称频率与标称频率f f0 0之间的偏差，称为之间的偏差，称为 振荡频率的准确度。它通常分为绝对频率准确度与相对频率准振荡频率的准确度。它通常分为绝对频率准确度与相对

42、频率准 确度两种，其表达式为确度两种，其表达式为 频率准确度频率准确度: 5.4.1频率稳定度频率稳定度的定义的定义 指在一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对指在一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对 于标称频率变化的程度，如于标称频率变化的程度，如 t t时间内测得频率的最大变化为时间内测得频率的最大变化为 f fmax max， ， 则频率稳定度则频率稳定度 定义为定义为: : tt0 max f f 长期频率稳定度：长期频率稳定度： 一般指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值。一般指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值。 短期频率稳定度： 一般指一天

43、以内频率的相对变化最大值。一般指一天以内频率的相对变化最大值。 瞬间频率稳定度：瞬间频率稳定度： 指秒或毫秒内随机频率变化，即频率的瞬间无规则变化，指秒或毫秒内随机频率变化，即频率的瞬间无规则变化， 通常称为振荡器的相对抖动或相位噪声。通常称为振荡器的相对抖动或相位噪声。 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 指在一定时间间隔内指在一定时间间隔内,频率准确度变化的最大值频率准确度变化的最大值. 短期频率稳定度主要与温度变化、电源电压变化和电路参短期频率稳定度主要与温度变化、电源电压变化和电路参 数不稳定性等因素有关。数不稳定性等因素有关。 长期频率稳定度主要取决于有源器件和电路元件及石英晶长期

44、频率稳定度主要取决于有源器件和电路元件及石英晶 体和老化特性，与频率的瞬间变化无关。体和老化特性，与频率的瞬间变化无关。 瞬间频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的频率瞬间频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的频率 起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 1. 1. 振荡回路参数对频率的影响振荡回路参数对频率的影响 因为振荡频率因为振荡频率 LC 1 0 其相对频率变化量为其相对频率变化量为 ) C C L L ( 2 1 0 0 2. 2. 回路品质因素回路品质因素Q Q值对频率的影响值对频率的影响 如右

45、图，如右图，Q Q值越高，则相同的相角变值越高，则相同的相角变 化引起频率偏移越小。化引起频率偏移越小。 Z YF o o2 YF YF YF o2 o2 ZYF Q2 Q1Q1Q2 1 o1 o1 3. 有源器件的参数对频率的影响有源器件的参数对频率的影响 振荡管为有源器件，若它的工作状态振荡管为有源器件，若它的工作状态( (电源电压电源电压 或周围温度等或周围温度等) )有所改变，则由式有所改变，则由式 如果晶体管参数如果晶体管参数 h h与与h hi i将发生变化，即引起振荡频率的改变。将发生变化，即引起振荡频率的改变。 LC 1 2 1 1 h h LC 1 2 1 f i o 另外，

46、另外， 当外界因素当外界因素( (如电源电压、温度、湿度等如电源电压、温度、湿度等) )变化时，变化时， 这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。 LC 1 2 1 CCh h CLC CC 2 1 f 21ie oe 21 21 0 LC 1 2 1 )MLL( h h )M2LL(C 1 2 1 f 2 21 ie oe 21 0 1. 1. 减小外因变化，根除减小外因变化，根除“病因病因” 减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；另使振减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；另使振 荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的荡器远离热

47、源，如采用正、负温度系数不同的L L、C C，抵，抵 消消 L L、 C C。 减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采 取单独供电。取单独供电。 3) 3) 减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。 4) 4) 减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。 5) 5) 消除机械振动的影响消除机械振动的影响 通常可加橡皮垫圈作减振器。通常可加橡皮垫圈作减振器。 减小负载的影响减小负载的影响: : 在振荡器和下级电路之间加缓冲器，提高回路

48、在振荡器和下级电路之间加缓冲器，提高回路Q Q值；值； 本级采用低阻抗输出本级采用低阻抗输出; ; 本级输出与下一级采取松耦合；本级输出与下一级采取松耦合； 采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路 之之 间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小， 提高回路标准性，提高频率稳定度。提高回路标准性，提高频率稳定度。 2. 2. 提高回路的标准性提高回路的标准性 所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持 其固有谐振频率不变的能力。其固有谐振频率不变的能力。

49、要提高回路标准性即要减小要提高回路标准性即要减小 L L和和 C C，因此可采取优质材，因此可采取优质材 料的电感和电容。料的电感和电容。 3. 3. 减小相角减小相角 YF YF及其变化量 及其变化量YF YF 为使振荡器的频率稳定度高，则为使振荡器的频率稳定度高，则 要求要求 YF YF的数值小，且变化量小。 的数值小，且变化量小。 可使振荡器的工作频率比振荡管的特性频可使振荡器的工作频率比振荡管的特性频 率低很多，即率低很多，即fff1MHz，回路对于，回路对于1MHz呈现感性，不满足三点法呈现感性，不满足三点法 则，所以把晶体换为则，所以把晶体换为1MHz，该电路不能起振。，该电路不能

50、起振。 6.6.1压控振荡器压控振荡器(VCO) 6.6.2集成电路振荡器集成电路振荡器 压控振荡器是以某一电压来控制振荡频率或相位大小的一压控振荡器是以某一电压来控制振荡频率或相位大小的一 种振荡器，常以符号种振荡器，常以符号VCO(Voltage Controlled OscVCO(Voltage Controlled Osci illator)llator) 代之。代之。 在电子设备中，压控振荡器的应用极为广泛，如彩色电视接在电子设备中，压控振荡器的应用极为广泛，如彩色电视接 收机高频头中的本机振荡电路、各种自动频率控制收机高频头中的本机振荡电路、各种自动频率控制( (AFC)AFC)系

51、统系统 中的振荡电路、锁相环路中的振荡电路、锁相环路( (PLL)PLL)中所用的振荡电路等均为压控中所用的振荡电路等均为压控 振荡器。振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。振荡器。振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。 5.6.1压控振荡器压控振荡器(VCO) 1. 1. 变容二极管压控振荡器的基本工作原理变容二极管压控振荡器的基本工作原理 在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元 件后，即可对振荡频率实行控制。受控电抗元件常用变容二极件后，即可对振荡频率实行控制。受控电抗元件常用变容二极 管取代。管取代。 C1 C2

52、L C3 C4 Cj C1 C2 L C3 C4 Cj (隔直) 变容二极管的电容量变容二极管的电容量C Cj j取决于外加控制电压的大小，控制电压的取决于外加控制电压的大小，控制电压的 变化会使变容管的变化会使变容管的C Cj j变化，变化，C Cj j的变化会导致振荡频率的改变。的变化会导致振荡频率的改变。 对于图中，若对于图中，若C C1 1、C C2 2值较大，值较大，C C4 4又是隔直电容，容量很大，则振荡又是隔直电容，容量很大，则振荡 回路中与回路中与L L相并联的总电容为相并联的总电容为 CC CCCCCC CCC C CCCCC j 413221 321 j 123j 串串

53、利用半导体利用半导体PNPN结的结电容受控于外加结的结电容受控于外加 反向电压的特性而制成的一种晶体二反向电压的特性而制成的一种晶体二 极管，它属于电压控制的可变电抗器极管，它属于电压控制的可变电抗器 件，其压控特性的典型曲线如图所示。件，其压控特性的典型曲线如图所示。 图中，反向偏压从图中，反向偏压从3 3V V增大到增大到3030V V时，时， 结电容结电容C Cj j从从1818pFpF减小到减小到3 3pFpF，电容变电容变 化比约为化比约为6 6倍。倍。 Cj(pF) 0 20 18 15 10 5 3 3 10 20 30 VR(V) 通常将通常将f fmax max和 和f fm

54、in min的比值称为频率 的比值称为频率 覆盖系数，以符号覆盖系数，以符号K Kf f表示，上述振表示，上述振 荡回路的频率覆盖系数为荡回路的频率覆盖系数为 )CC(L2 1 f minj max )CC2 1 f maxj min CC CC f f K minj maxj min max f ( (V VR R为最小为最小) ) ( (V VR R为最大为最大) ) 对于不同的对于不同的C Cj j，所对应的振荡频率为所对应的振荡频率为 变容二极管的特性变容二极管的特性 某彩色电视接收机某彩色电视接收机VHFVHF调谐器中第调谐器中第6-126-12频段的本振电路如图所示频段的本振电路如

55、图所示 电路中，控制电压电路中，控制电压V VC C为为0.5-300.5-30V V，改变这个电压，就使变容管的结改变这个电压，就使变容管的结 电容发生变化，从而获得频率的变化。由图电容发生变化，从而获得频率的变化。由图( (b)b)可见，这是一典型可见，这是一典型 的西勒振荡电路，振荡管呈共集电极组态，振荡频率约为的西勒振荡电路，振荡管呈共集电极组态，振荡频率约为170-170- 220220MHz MHz ，这种通过改变直流电压来实现频率调节的方法，通常称这种通过改变直流电压来实现频率调节的方法，通常称 为电调谐，与机械调谐相比它有很大的优越性。为电调谐，与机械调谐相比它有很大的优越性。

56、 6pF D 1.5pF 47pF 1000pF 5.6k 15pF 18pF 1.2k 15k L 47k Vc 0.530V +VCC L 18pF6pF L 47pF Cj 15pF 2. 2. VCOVCO的实际电路的实际电路 电视接收机电视接收机VHFVHF本振电路本振电路 (b) (b) 5.6.2集成电路振荡器集成电路振荡器 1. 1. 差分对管振荡电路差分对管振荡电路 在集成电路振荡器里，广泛采用如图在集成电路振荡器里，广泛采用如图 ( (a)a)所示的差分对管振所示的差分对管振 荡电路，其中荡电路，其中V V2 2管集电极外接的管集电极外接的LCLC回路调谐在振荡频率上。回路

57、调谐在振荡频率上。( (b)b)图图 为其交流等效电路。为其交流等效电路。( (b)b)图中图中R Rce ce为恒流源 为恒流源I I0 0的交流等效电阻。的交流等效电阻。 这是共集这是共集共基反馈电路。由于共集电路与共基电路均为同相共基反馈电路。由于共集电路与共基电路均为同相 放大电路，且电压增益可调至大于放大电路，且电压增益可调至大于1 1，根据瞬时极法判断，在，根据瞬时极法判断，在V V1 1管管 基极断开，有基极断开，有v vb1 b1 v vbe be( (v ve2e2) ) v vc2 c2 v vb1 b1 ， ，所以是正反馈。在振所以是正反馈。在振 荡频率点，并联荡频率点，

58、并联LCLC回路阻抗最大，正反馈电压回路阻抗最大，正反馈电压v vf f( (v vo o) )最强，且满足最强，且满足 相位稳定条件。相位稳定条件。 C1L VCC V2V1 VBBRL Io + vo V1 V2 LC RL + vo + vi Rce (a) (b) 由运算放大器代替晶体管可以组成运放振荡器，由运算放大器代替晶体管可以组成运放振荡器， Cb vo + M L2 L1 C CMLL f )2(2 1 21 0 2. 2. 运放振荡器运放振荡器 运放三点式电路的组成原则与晶体管三端式电路的组成原则运放三点式电路的组成原则与晶体管三端式电路的组成原则 相似，即同相输入端与反相输

59、入端、输出端之间是同性质电抗相似，即同相输入端与反相输入端、输出端之间是同性质电抗 元件，反相输入端与输出端之间是异性质电抗元件元件，反相输入端与输出端之间是异性质电抗元件 运放振荡器电路简单，调整容易，但工作频率受运放上限频运放振荡器电路简单，调整容易，但工作频率受运放上限频 率的限制。率的限制。 ( (a)a) C1 vo + C3 C2 ( (b)b) 运放皮尔斯电路运放皮尔斯电路 其振荡频率为其振荡频率为 电感三点式运放振荡器电感三点式运放振荡器 其中正反馈支路中的石英晶体工作在其中正反馈支路中的石英晶体工作在 串联谐振频率上，作短路元件使用。串联谐振频率上，作短路元件使用。 正反馈支路中串入变容二极管，其电正反馈支路中串入变容二极管，其电 容量随控制电压容量随控制电压V VC C的变化而变化，达的变化而变化，达 到压控振荡的目的，但为了使振荡器到压控振荡的目的，但为了使振荡器 的振荡频率仍然在晶体串联谐振频率的振荡频率仍然在晶体串联谐振频率 附近变化以提高频率的稳定性和标准附近变化以提高频率