正弦波振荡器-通信电路-课件-05

1、1 笫笫5章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 本章主要内容本章主要内容 5.1、振荡器、振荡器 概述概述 5.2、LC 振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理 nLC振荡器的基本构成振荡器的基本构成 n振荡的三大条件振荡的三大条件 5.3 LC 振荡器的电路分析振荡器的电路分析 5.3.1 互感耦合振荡器互感耦合振荡器 5.3.2 三点式振荡器电路（考毕兹、哈特莱、改进型）三点式振荡器电路（考毕兹、哈特莱、改进型） 5.4、振荡器的频率稳定度、振荡器的频率稳定度 5.4.1频率稳定度的计量频率稳定度的计量 5.4.2导致振荡频率不稳定的原因导致振荡频率不稳定的原因 5.4.3主要稳频措施主要稳频

2、措施 5.4.4晶体振荡器晶体振荡器 o 石英谐振器的基本特性石英谐振器的基本特性 o 晶体振荡器电路晶体振荡器电路 5.5其他振荡器与特殊振荡现象其他振荡器与特殊振荡现象 2 （1）定义）定义：振荡器是一种振荡器是一种不需外加信号激励不需外加信号激励能自动将直流能自动将直流 能量变换为能量变换为特定频率和幅度特定频率和幅度的的交变能量的装置。交变能量的装置。 （2）分类）分类： o 按振荡波形分：按振荡波形分：正弦波正弦波振荡器和振荡器和非正弦波非正弦波(波形为方波、波形为方波、 矩形波或其它波形矩形波或其它波形)振荡器振荡器. o 按构成原理分：按构成原理分： o 按选频网络分：按选频网络

3、分： 5.1振荡器振荡器 概述概述 lRC振荡器振荡器(f低）低） lLC振荡器振荡器 l晶体振荡器晶体振荡器 l反馈型振荡器反馈型振荡器 l负阻型振荡器（微波段）负阻型振荡器（微波段） Hz kHz MHz GHz THz 振荡器RC 振荡器LC 晶体振荡器 负阻振荡器 微波半导体 3 振荡器振荡器 概述（续）概述（续）-应用应用 o （3）应用：）应用： o 无线发射机无线发射机调制用的调制用的载波信号载波信号。 o 超外差接收机超外差接收机混频用的本地振荡信号（本振）混频用的本地振荡信号（本振）。 o 同步解调用的同步解调用的本地载波信号（同步信号）本地载波信号（同步信号） o 各种电子

4、测量设备和计时仪表用它产生各种频率信号和各种电子测量设备和计时仪表用它产生各种频率信号和 频率（时间）频率（时间）基准信号基准信号。例如。例如 时钟、定时，信号源。时钟、定时，信号源。 o 工业生产部门高频电加热设备如微波炉，电疗设备工业生产部门高频电加热设备如微波炉，电疗设备 等。等。 4 产生振荡的机理产生振荡的机理 0 1 idt C Ri dt di L02 2 0 2 2 i dt di dt id LC L R1 , 2 0 其中 LC o V S 12 i 0 t t o e L V )(ti R oLC谐振回路是谐振回路是LC振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是振荡器的重要组

5、成部分，正弦波振荡器则是 基于二阶基于二阶RLC回路的自由振荡现象。回路的自由振荡现象。 o考虑了回路损耗后，当考虑了回路损耗后，当 时时 回路将产生振幅衰减的阻尼振荡回路将产生振幅衰减的阻尼振荡 )sin()( 0 0 te L V ti t C L R2 5 为什么是衰减振荡？为什么是衰减振荡？ 从能量角度：振幅衰减由于从能量角度：振幅衰减由于回路存在损耗回路存在损耗。 维持等幅振荡措施：维持等幅振荡措施： n 适时地补充必要的交变能量，适时地补充必要的交变能量， 以维持回路内部以维持回路内部 的能量平衡。的能量平衡。 （方法：正反馈）反馈振荡器（方法：正反馈）反馈振荡器 n 抵消回路存在

6、损耗，用负阻器件抵消回路存在损耗，用负阻器件, ,如隧道如隧道 二极管二极管 负阻振荡器负阻振荡器 n 这里只讨论反馈型振荡器（包括原理、设这里只讨论反馈型振荡器（包括原理、设 计方法、影响指标因素及典型线路）。计方法、影响指标因素及典型线路）。 n 本质上反馈型振荡器就是负阻振荡器，可用本质上反馈型振荡器就是负阻振荡器，可用 负阻的原理来分析。负阻的原理来分析。 6 （4）反馈振荡器基本构成：）反馈振荡器基本构成： o 一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络。一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络。 o 一个在规定频段内具有能量变换（或放大）作用的一个在规定频段内具有能量变换（或放大

7、）作用的换换 能机构。（有源器件能机构。（有源器件-放大器）放大器） o 一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳 定的定的反馈电路反馈电路。 o 一个对振荡强度具有自动调整作用的一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件非线性元件。 事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换 的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。 振荡器振荡器 概述（续概述（续）反馈振荡器基本构成）反馈振荡器基本构成 7 （5）分析方法：）分析方法： o 正弦波振荡器是

8、一个含有非线性元件和储能元件的闭正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件的闭 环系统，或说是一个非线性动态网络，要对它进行分环系统，或说是一个非线性动态网络，要对它进行分 析，至少需求解一个二阶以上的非线性微分方程。析，至少需求解一个二阶以上的非线性微分方程。 o 为便于定性分析振荡器的振荡特性，在进行电路分析时， 为便于定性分析振荡器的振荡特性，在进行电路分析时， 仍采用电路参数的仍采用电路参数的准线性分析法和零极点分析法准线性分析法和零极点分析法。 o 在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因 此，可以引用线性系统的分析方法传递函数，来

9、此，可以引用线性系统的分析方法传递函数，来 确定这一时期振荡器的工作状态。确定这一时期振荡器的工作状态。 p 振荡建立后，用准线性方法（如用振荡建立后，用准线性方法（如用表示基波电流与基波表示基波电流与基波 电压的关系的电压的关系的平均跨导代替跨导，采用线性方法）分析。平均跨导代替跨导，采用线性方法）分析。 振荡器振荡器 概述（续）概述（续）分析方法分析方法 8 o 以互感耦合以互感耦合 LC 振荡电路为例进行讨论振荡电路为例进行讨论 ： 正弦波振荡器是基于二阶正弦波振荡器是基于二阶RLC回路的自由振荡回路的自由振荡。反馈振荡器是靠正反馈反馈振荡器是靠正反馈 补充必要的交变能量，以维持回路内部

10、的能量平衡。讨论工作原理补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡。讨论工作原理 揭示电路产生等幅持续振荡条件。揭示电路产生等幅持续振荡条件。 C L BE v CE v M c i b i L C b C e C 1b R 2b Re R CC V M 5.2、LC 振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理 9 振荡的产生振荡的产生-初始阶段初始阶段(小信号）小信号） o LC 振荡电路的振荡是如何建立的？振荡电路的振荡是如何建立的？ 频域：电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或电扰动频域：电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或电扰动 包含许多频率分量包含许多频率分量 谐振回路选出

11、谐振频率分量谐振回路选出谐振频率分量 正反馈到输入端正反馈到输入端 放大放大 回路选频回路选频 反馈输入端反馈输入端 放大，反复循环放大，反复循环 信号足够大，晶体管进入非线性区，振荡达信号足够大，晶体管进入非线性区，振荡达 到平衡状态。到平衡状态。 0 )( )()(sVsAsV io )( )(sVsFsV of )()( )(sVsVsV fsi sFsA sA sV s s 1)( )(V H(s) o 1)()(sFsA )()( )( )( )(sFsA sV sV sT i f 反反 馈馈 放放 大大 器器 10 o 反馈振荡器振荡必须满足三大条件：反馈振荡器振荡必须满足三大条件

12、： n 起振条件起振条件：振荡电压从无到有逐步增长的条件。振荡电压从无到有逐步增长的条件。 n 平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上 的条件。的条件。 n 稳定条件：受外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状稳定条件：受外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状 态破坏，能使振荡器恢复平衡状态的条件。态破坏，能使振荡器恢复平衡状态的条件。 LC 振荡器基本工作原理振荡器基本工作原理三大条件三大条件 11 o 为了保证输出信号从无到有，幅度不断增长，在为了保证输出信号从无到有，幅度不断增长，在 振荡建立过程中，反馈电压振荡建立过程中，反馈电压 和原输入电

13、压和原输入电压 (噪声噪声)必须同相，并且必须同相，并且 o 反馈振荡器的起振条件反馈振荡器的起振条件 n 振幅起振条件（增幅）振幅起振条件（增幅） n 相位起振条件（正反馈）相位起振条件（正反馈） 1)( FA V V jT i f 1)( 0 FAT n FAT 2 000 .2 , 1 , 0n 1、反馈振荡器的起振条件、反馈振荡器的起振条件 fV iV ifVV 12 o 起振初始，放大器工作于小信号状态起振初始，放大器工作于小信号状态 线性工作状态，可用晶体管小信号等效电路计算其增益线性工作状态，可用晶体管小信号等效电路计算其增益A A -为了获得较高的增益为了获得较高的增益A A，

14、要适当设置晶体管工作点要适当设置晶体管工作点(A(A类）类） o 振荡建立过程中，环路增益恒大于振荡建立过程中，环路增益恒大于1 1，放大器的输入，放大器的输入V Vi i不不 断增大，放大器从小信号工作状态进入大信号工作状态断增大，放大器从小信号工作状态进入大信号工作状态 n- -如果外界不加任何措施，放大器将从线性进入非线性工如果外界不加任何措施，放大器将从线性进入非线性工 作（出现饱和与作（出现饱和与/ /或截止或截止） ，此时放大器增益，此时放大器增益A A的估算一的估算一 般采用大信号平均参数（如平均跨导）般采用大信号平均参数（如平均跨导） 用准线性方法分析。用准线性方法分析。 n大

15、信号非线性工作状态，晶体管集电极电流有丰富的谐波大信号非线性工作状态，晶体管集电极电流有丰富的谐波 分量，输出信号有波形失真，我们关心的是其中分量，输出信号有波形失真，我们关心的是其中 ( (基波基波) ) 分量。分量。 起振过程中的信号分析起振过程中的信号分析 0 13 o零极点分析（见零极点分析（见P263) n两个共轭极点在右半平面，系统是不稳定的。两个共轭极点在右半平面，系统是不稳定的。 n起振过程就是系统从右半平面到左半平面的移动过程，当移到起振过程就是系统从右半平面到左半平面的移动过程，当移到 虚轴上后，即进入平衡状态，得到稳定的正弦波输出虚轴上后，即进入平衡状态，得到稳定的正弦波

16、输出 C L i Z imV g i V o V f V M o R I sFsA sA sH 1 sC sL G g sZgsA m om 1 0 1 0 2 Lsg L M GLCs sLg sH m m L M V V jF G g jA ce f m 0 0 0 1 00 jFjA o 利用平均跨导概念，用类似小信号分利用平均跨导概念，用类似小信号分 析方法，如传递函数法，分析起振过析方法，如传递函数法，分析起振过 程程.平均跨导平均跨导 ，它表示基波电流与，它表示基波电流与 基波电压的关系，随振荡幅度而变。基波电压的关系，随振荡幅度而变。 m g 准线性方法准线性方法 L M IsL

17、 sMI V V sF o f )( 0 1 Rg L M m 14 稳幅机理稳幅机理 o反馈振荡器起振条件为反馈振荡器起振条件为T=AF1T=AF1，保证了输出信号幅度的不断增长，保证了输出信号幅度的不断增长， 但随后必须限制其增长，使其达到平衡，即满足平衡条件但随后必须限制其增长，使其达到平衡，即满足平衡条件T=AF=1T=AF=1 稳幅根本原因：稳幅根本原因： l晶体管本身的非线性，晶体管本身的非线性，使得使得 放大器的放大倍数放大器的放大倍数A随输入信随输入信 号的增大而减小，如图。号的增大而减小，如图。 l外加措施外加措施帮助振荡器由帮助振荡器由T1自自 动调节到动调节到T=1.注意

18、管子不能饱注意管子不能饱 和，和，因为饱和区的晶体管输出因为饱和区的晶体管输出 阻抗很低，使回路的阻抗很低，使回路的Q值降低，值降低， 影响频率的稳定度。影响频率的稳定度。 差分放大器代替单管。差分放大器代替单管。 采用混合偏置电路采用混合偏置电路，自给偏置使自给偏置使 晶体管不工作于饱和晶体管不工作于饱和 区，区，并加速振荡器进入平衡状态并加速振荡器进入平衡状态。 15 o （开环）环路增益（开环）环路增益 o 平衡条件平衡条件 n振幅平衡条件：开环增益的模为振幅平衡条件：开环增益的模为1 n相位平衡条件：在相位平衡条件：在 上上 与与 同相，同相， 满足正反馈满足正反馈 ,.2 , 1 ,

19、 0n 1)()( oscosc FA 2, 1 ,02)(nn FAosc 1)()( oscosc FA 2、反馈振荡器的平衡条件、反馈振荡器的平衡条件振荡的必要条件振荡的必要条件 )()()(jFjA V V jT i f fV iV 0 16 be V f V ce V 1o m AFg Z F ,.4 ,2 , 0)( FZg om m g L b I L C M c I be V ce V f V i Z b I F b I c I ce V iZ oZ be V omo ib b be ce ZgZ ZI I V V A L M F 举例：互感耦合举例：互感耦合 LC 振荡器的平

20、衡条件振荡器的平衡条件 17 o 当工作频率较高时，引起回路传输系数和相移的因素很多的：当工作频率较高时，引起回路传输系数和相移的因素很多的： n晶体管输入阻抗晶体管输入阻抗 i j b e ii b V ZZe I n晶体管电流增益晶体管电流增益 j c b I e I n谐振回路阻抗（电压、谐振回路阻抗（电压、 电流方向如图）电流方向如图） n反馈系数反馈系数 f j f ce V FF e V 振荡平衡条件表示为：振荡平衡条件表示为： 1 o o m i Z A FgZF Z F 2 , 1 , 0 2 )( n n fog fioosc m o j ce oo c V ZZ e I F

21、 be V b I c I ce V iZ oZ omo ib b be ce ZgZ ZI I V V A 2. 振荡的平衡条件用电路参数表示振荡的平衡条件用电路参数表示 18 o并联谐振回路的相频特性并联谐振回路的相频特性 o除除 外，外， 晶体管跨导晶体管跨导g gm m和反馈系数和反馈系数F F的相角几乎不随频率的相角几乎不随频率 的变化而变化，令的变化而变化，令 o相位平衡条件简化为相位平衡条件简化为 n ho 2 0 0 o arctgQ fifgh m 讨论：讨论： 2 , 1 , 0 2 )( n n fog fioosc m o 相位平衡条件决定振荡频率相位平衡条件决定振荡频

22、率 19 o （1）振荡器要产生振荡，必须同时满足振荡的起振条）振荡器要产生振荡，必须同时满足振荡的起振条 件和平衡条件。平衡条件是产生振荡必要条件。件和平衡条件。平衡条件是产生振荡必要条件。 o （2）若假设：若假设： n振荡频率远小于晶体管的截止频率（振荡频率远小于晶体管的截止频率（ ），）， 。 ff 0 n晶体管输入阻抗晶体管输入阻抗 是纯阻，是纯阻， 。i Z0 i n反馈回路：反馈回路： 。0 , f 振荡器工作于振荡器工作于LC并联谐振回路的谐振频率处，并联谐振回路的谐振频率处， 。0 o 振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率 = 并联谐振回路的谐振频率并联谐振回路的谐振频率 。 o

23、sc f 0 f 这是这是理想情况理想情况,此时此时：n h 2 相位平衡条件决定振荡频率讨论（续）相位平衡条件决定振荡频率讨论（续） 20 o （3）实际情况分析：）实际情况分析： ， 不是零，不是零， 或零或零 i n h 2 o 1 0 0 () oh tgQ 当当 、 、 的数值已知的数值已知 时，振荡器的实际振荡频率时，振荡器的实际振荡频率 也就确定了。也就确定了。 0 h 01 f Q 结论：实际振荡频率结论：实际振荡频率 由相位平衡条件决定由相位平衡条件决定 0 f f n h 2 相位平衡条件决定振荡频率讨论（续）相位平衡条件决定振荡频率讨论（续） osc f 21 o 1 Q

24、 2 Q 2 2 01 02 0 h ho arctgQ 0 0 LC QQ OO 1 012 21 更接近于比 h 相位平衡条件决定振荡频率相位平衡条件决定振荡频率 22 振荡频率与选频回路中心频率振荡频率与选频回路中心频率 o 反馈振荡器的振荡频率由相位平衡条件决定反馈振荡器的振荡频率由相位平衡条件决定 o 反馈振荡器的相频特性由环路中的选频回路决定反馈振荡器的相频特性由环路中的选频回路决定 n 选频回路的选频回路的Q值越大，相频特性的斜率越陡，选频值越大，相频特性的斜率越陡，选频 回路的选频功能就越好，反馈振荡器的振荡频率回路的选频功能就越好，反馈振荡器的振荡频率 就越接近于选频回路的中

25、心频率就越接近于选频回路的中心频率 n 选频回路的选频回路的Q值越高，频率稳定性越好。值越高，频率稳定性越好。 振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率 n 一般情况下由于一般情况下由于Q值高计算振荡频率只需算回路的值高计算振荡频率只需算回路的 谐振频率。谐振频率。 osc f 0 f 23 （1）振幅稳定条件）振幅稳定条件 指振荡器的工作状态在外界各种干扰的作用下（如在电压波指振荡器的工作状态在外界各种干扰的作用下（如在电压波 动、温度变化、噪声等作用下）偏离平衡状态时，系统自动动、温度变化、噪声等作用下）偏离平衡状态时，系统自动 恢复到原来的平衡

26、状态所应具备的条件。恢复到原来的平衡状态所应具备的条件。 nP点是一个稳定的平衡点。点是一个稳定的平衡点。 n平衡点附近振荡特性斜率的变平衡点附近振荡特性斜率的变 化应小于反馈线斜率的变化。化应小于反馈线斜率的变化。 n稳定点的条件为：稳定点的条件为：0 P I dv dA 3. 振荡的稳定条件振荡的稳定条件 24 n 若要使该振荡器能进入稳定的若要使该振荡器能进入稳定的 平衡点，在起振时应给晶体管平衡点，在起振时应给晶体管 加一电冲击，并使冲击电压大加一电冲击，并使冲击电压大 于于 n 硬激励与软激励：硬激励与软激励：n 振荡器晶体管静态工作点位于振荡器晶体管静态工作点位于 转移特性接近截止

27、的非线性区。转移特性接近截止的非线性区。 n 如图两平衡点中，如图两平衡点中，P点为稳定点为稳定 的平衡点，的平衡点，B点为不稳定的平点为不稳定的平 衡点。衡点。 n 这种起振时需要外加冲击的电振荡称为这种起振时需要外加冲击的电振荡称为“硬激励硬激励”，那，那 些不需冲击而能自由产生振荡的现象称为些不需冲击而能自由产生振荡的现象称为“软激励软激励”。 IB v （1）振幅稳定条件）振幅稳定条件-硬激励与软激励硬激励与软激励 25 相位稳定条件：当处于平衡状态的系统受到某一外来因素的相位稳定条件：当处于平衡状态的系统受到某一外来因素的 干扰，相位平衡状态受到破坏，总相移角大于或小于干扰，相位平衡

28、状态受到破坏，总相移角大于或小于 时，时， 环路是否具有自动恢复平衡状态重新回到环路是否具有自动恢复平衡状态重新回到 的条件的条件。 n2 f 2 2 02 f 01 f h 0 n系统相位平衡时振荡频率为系统相位平衡时振荡频率为 。 01 f n当外来干扰使环路总相移增加即产生当外来干扰使环路总相移增加即产生 超前相位增量超前相位增量+时，这就意味着反时，这就意味着反 馈电压馈电压 超前于原有输入电压超前于原有输入电压 （前一次反馈电压）一个相角（前一次反馈电压）一个相角 f V be V n相位超前就意味着周期缩短，故环路相位超前就意味着周期缩短，故环路 的振荡频率也因而有所提高，若有一的

29、振荡频率也因而有所提高，若有一 特性能产生一滞后的相移增量，则将特性能产生一滞后的相移增量，则将 阻止频率的升高。阻止频率的升高。 n h 2 0 n2 （2）相位稳定条件）相位稳定条件 26 n 为减小频差为减小频差 必须加大必须加大LC回路的有载回路的有载Q值。值。 因为当因为当Q值提高时，回路相频特性斜率也相应加值提高时，回路相频特性斜率也相应加 大。产生同样的相位增量，只需较小的频率偏移，从大。产生同样的相位增量，只需较小的频率偏移，从 而提高了系统的频率稳定性。而提高了系统的频率稳定性。 f n 回路相频特性产生滞后相移，若干周期后等于外界因素回路相频特性产生滞后相移，若干周期后等于

30、外界因素 引起的超前增量引起的超前增量+，使环路总相移重新恢复为使环路总相移重新恢复为n2 n 相位稳定条件为：相位稳定条件为： 0 0 ff f 即系统内应含有某一即系统内应含有某一相频特性具有负斜率相频特性具有负斜率的单元的单元. n 为了抵消不稳定因素引入的相移增量，系统的振荡频为了抵消不稳定因素引入的相移增量，系统的振荡频 率有相应的偏移，产生了频差率有相应的偏移，产生了频差 。 f （2）相位稳定条件（续）相位稳定条件（续） 27 o 1、起振条件：振幅起振条件：起振条件：振幅起振条件： AF 1 相位起振条件：相位起振条件： n FA 2 o 2、平衡条件：振幅平衡条件：平衡条件：

31、振幅平衡条件： 相位平衡条件：相位平衡条件： 决定振荡频率决定振荡频率 1)()( oscosc FA ,.2 , 1 , 02)( nn hoosc fih )( o 3、稳定条件：稳定条件： 振幅稳定条件：振幅稳定条件： 相位稳定条件：相位稳定条件： 0 P I dv dA 0 0 ff f 适时补充能量适时补充能量 负斜率环路增益（对输入幅度）和负斜率相频负斜率环路增益（对输入幅度）和负斜率相频 特性保证幅度和频率的稳定性特性保证幅度和频率的稳定性 非线性器件使得幅度受限，非线性器件使得幅度受限， 最终到达平衡；最终到达平衡； 振荡的三大条件小结：振荡的三大条件小结： 28 T b C

32、e C e R b R b E e I b I T CC V b C e C e R 2b R 1b R 起振时，晶体管处于起振时，晶体管处于A类放大，增益高类放大，增益高 eeQbbQbBEQ RIRIEV 21bbb RRR|CC bb b b V RR R E 21 2 LC振荡器的偏置电路振荡器的偏置电路混合偏置混合偏置 29 BE v BE v C i 0 0 m g B V th V B V t Q n起振后，起振后，Vi的不断增高，晶体管进入的不断增高，晶体管进入 非线性区，电流非线性区，电流Ie正负半周不对称，正负半周不对称， 平均电流平均电流 增大，大于增大，大于 ，其在发射

33、其在发射 极上的压降极上的压降 增大；同理，增大；同理， 也也 增大增大,管子直流工作点不断降低管子直流工作点不断降低 n振荡器从振荡器从A类到类到B类类,甚至进入甚至进入C类类. 减小，减小， 减小减小,使得使得 基波电流幅度和晶体管增益基波电流幅度和晶体管增益 减小，直至减小，直至AF=1，电路进入平衡状电路进入平衡状 态。态。 eebbbBEQ RIRIEV e I ee RI bb RI ggm)cos1)( 1 om RgA n自给偏置的设置加速了振荡进入平自给偏置的设置加速了振荡进入平 衡状态的过程。衡状态的过程。 eQ I LC振荡器的偏置电路振荡器的偏置电路混合偏置混合偏置 3

34、0 画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产 生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。 图（图（A） 图（图（B） L C 0 C e C 1 R 2 R e R CC V b C 3 2 1 e R 1 R 2 R CC V 0 C 0 C b Ce C C L 举例：习题举例：习题 5-4 31 C L L C e R b C 3 2 1 32 33 画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡， 请注明互感线圈各同名端的位置。请注明互感线圈

35、各同名端的位置。 图（图（C） L C 0 C e C 1 R 2 R e R CC V b C 举例：举例： 5-4 （续）（续） 34 下堂课：下堂课： LC 振荡器的电路分析振荡器的电路分析 35 画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡， 请注明互感线圈各同名端的位置。请注明互感线圈各同名端的位置。 返回返回 图（图（A） C L e R 1 R 2 R CC V 0 C 0 C b Ce C C L 举例：举例： 5-4（A） 36 画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，画出互感反馈振荡器的高频等效电路

36、。要使电路能产生振荡， 请注明互感线圈各同名端的位置。请注明互感线圈各同名端的位置。 返回返回 图（图（B） L C e R b C 3 2 1 L C 0 C e C 1 R 2 R e R CC V b C 3 2 1 举例：举例： 5-4（B） 37 画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡， 请注明互感线圈各同名端的位置。请注明互感线圈各同名端的位置。 返回返回 图（图（C） C L L C 0 C e C 1 R 2 R e R CC V b C 举例：举例： 5-4（C） 38 39 40 差分对管互感耦合振荡器差分

37、对管互感耦合振荡器 o 振荡环路由振荡环路由 经回路经回路 及其耦合线及其耦合线 圈圈 与与 基极相接，再通过公共发射基极相接，再通过公共发射 极将信号反馈回极将信号反馈回 。图中，。图中， 与与 同同 相，环路满足正反馈条件，振荡频相，环路满足正反馈条件，振荡频 率率 。 o 该振荡器的优点是输出电路不在闭合反该振荡器的优点是输出电路不在闭合反 馈环路之内，只要不饱和，环路与负载馈环路之内，只要不饱和，环路与负载 将处于隔离状态，有利于振荡器的频率将处于隔离状态，有利于振荡器的频率 稳定和幅度稳定。稳定和幅度稳定。 1 T 11C L b L 2 T 1 T o差分对管是依靠一管趋向截止而另

38、一管恒流使其差模传输特性差分对管是依靠一管趋向截止而另一管恒流使其差模传输特性 接入平坦区的，接入平坦区的，振荡器由起振进入平衡状态的稳幅作用是振荡器由起振进入平衡状态的稳幅作用是振荡管振荡管 进入截止区而不是饱和区所引起的进入截止区而不是饱和区所引起的，这样就保证了回路，这样就保证了回路Q值不会值不会 降低，进一步改善了频率和幅度的稳定性。降低，进一步改善了频率和幅度的稳定性。 1C U 2b U 11 0 1 CL 41 无线收发信机中的振荡器无线收发信机中的振荡器 42 课堂练习课堂练习1 o 已知已知LC 并联谐振回路电路及频率响应曲线如图并联谐振回路电路及频率响应曲线如图1（a）（）

39、（b） 所示，设电感所示，设电感Q值很高，其损耗可忽略不计，值很高，其损耗可忽略不计， ，负，负 载载 ，回路的谐振频率，回路的谐振频率 ，试求：，试求： （1）回路的）回路的3dB带宽带宽 （2）如果要使回路的）如果要使回路的3dB带宽扩大一倍，而带宽扩大一倍，而L、和负载的值、和负载的值 都不变，那么电路应作如何修改？画出满足要求的电路图都不变，那么电路应作如何修改？画出满足要求的电路图, 并标出所加元件的值。若要使回路的并标出所加元件的值。若要使回路的3dB带宽缩小一倍，带宽缩小一倍， 可采取什么措施？可采取什么措施？ HL6 .95 KRL20 0 1fMHz L C L R i I

40、() o v t v f 0 f f 1 0.707 O dB BW3 dB3 1 f 2 f 如图如图1（a） 如图如图1（b） 43 笫5章 正弦波振荡器 本章主要内容 5.1、振荡器 概述 5.2、LC 振荡器的基本工作原理 nLC振荡器的基本构成 n振荡的三大条件 5.3 LC 振荡器的电路分析 5.3.1 互感耦合振荡器 5.3.2 三点式振荡器电路（考毕兹、哈特莱、改进型） 5.4、振荡器的频率稳定度 5.4.1频率稳定度的计量 5.4.2导致振荡频率不稳定的原因 5.4.3主要稳频措施 5.4.4晶体振荡器 o 石英谐振器的基本特性 o 晶体振荡器电路 5.5其他振荡器与特殊振荡

41、现象 44 5.3 LC振荡器的电路分析 5.3.1 互感耦合振荡器 o LC 振荡器的基本电路振荡器的基本电路 互感耦合振荡器；互感耦合振荡器；三点式振荡器。三点式振荡器。 u 互感耦合振荡器互感耦合振荡器 e R 1 R 2 R CC V 0 C b Ce C C L 0 C n 相位平衡条件（正反馈）相位平衡条件（正反馈） 由耦合线圈同名端保证由耦合线圈同名端保证 o 共基接法振荡器：耦合线圈共基接法振荡器：耦合线圈 初、次级绕组必须对地具有初、次级绕组必须对地具有 相同的同名端。（因输入、相同的同名端。（因输入、 输出端没有反相输出端没有反相） o 共射接法振荡器：耦合线共射接法振荡器

42、：耦合线 圈初、次级绕组必须对地具圈初、次级绕组必须对地具 有相反的同名端。因输入、有相反的同名端。因输入、 输出端已反相输出端已反相180度）。度）。 45 互感耦合振荡器（续） L M V V jF G g jA ce f m 0 0 0 o 起振条件起振条件 om Rg L M 1 o 振荡频率振荡频率 LC fosc 2 1 o 反馈式振荡电路采用反馈式振荡电路采用固定偏置和自给偏置结合固定偏置和自给偏置结合 的混合偏置电路。为满足一定的输出幅度，固的混合偏置电路。为满足一定的输出幅度，固 定偏置要求给出合适的工作点。定偏置要求给出合适的工作点。 o 互感耦合振荡器采用变压器耦合，反馈

43、支路取于互感耦合振荡器采用变压器耦合，反馈支路取于 变压器的次级。只适合较低频率运用（变压器分变压器的次级。只适合较低频率运用（变压器分 布参数大）。布参数大）。 46 振荡器选频回路的Q值尽可能高 o 如果直接从集电极输出端（如果直接从集电极输出端（LC回路两端）取电压反馈回路两端）取电压反馈 回输入端，小的晶体管输入电阻并联在回输入端，小的晶体管输入电阻并联在LC谐振回路两谐振回路两 端，会大大降低回路的谐振阻抗和端，会大大降低回路的谐振阻抗和Q值。值。 n降低降低Q值的直接后果是降低了放大器的增益，可能使得环值的直接后果是降低了放大器的增益，可能使得环 路增益小于路增益小于1而无法起振；

44、而无法起振； nQ降低的第二个后果是降低了振荡器的降低的第二个后果是降低了振荡器的频率稳定度频率稳定度 o 必须提高放大器必须提高放大器输入端输入端对对LC并联谐振回路的接入阻抗，并联谐振回路的接入阻抗， 在反馈支路上进行阻抗变换。在反馈支路上进行阻抗变换。 n阻抗变换的方法一般分两种，一是采用变压器互感耦合阻抗变换的方法一般分两种，一是采用变压器互感耦合 (互感耦合振荡器互感耦合振荡器)，二是采用部分接入（电容抽头、电感，二是采用部分接入（电容抽头、电感 抽头）方式抽头）方式(三点式振荡器三点式振荡器)。 47 5.3.2 三点式振荡器 n电容耦合（电容反馈型）振荡器。电容耦合（电容反馈型）

45、振荡器。 n自耦变压器耦合（电感反馈型）振荡器自耦变压器耦合（电感反馈型）振荡器。 三点式振荡器是指三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管或场效回路的三个端点与晶体管或场效 应管三个电极直接连接的一种振荡器。应管三个电极直接连接的一种振荡器。 ce V eb V 1 C 2 C L ce V eb V L2 L1 o 三点式振荡器三点式振荡器 48 1. 电容反馈型考毕兹（Colpitts）振荡器 （1）分析电路的相位平衡条件：）分析电路的相位平衡条件： n回路是谐振状态，回路是谐振状态， 应与应与 倒相。倒相。 ce V be V 0 i 0 n反馈电压：反馈电压： 。正反馈。正反馈 。

46、 ce C C f VV 2 1 返回返回 f V 1b R b C CC V 2b R e R C C 2 C 1 C e C RFC L 2 C 1 C be V ce V c I b I f V L I L ce V be V . LI 49 考毕兹（Colpitts）振荡器（续1） （2）分析电路的起振条件：）分析电路的起振条件： L i R P R C I O R O C 1 C 2 C i C ce V be V L C I O R 1 C 2 C i R P R . O CCC 1 1 i CCC 2 2 1 2 1 2 1 p C C CC CC v v F i O ce be

47、 2 F R R i i 返回返回 1 p 50 PPP RpR CC C R 2 2 2 2 1 2 )( iPO R F RpRR 2 2 2 111 F Rp RF R P O i ) 11 ( 2 2 根据起振条件根据起振条件 AF 1 ，得出：，得出： i i RR V V A/ 0 考毕兹（Colpitts）振荡器（续2） 2 p 51 o 讨论考毕兹电路参数对起振条件的影响：讨论考毕兹电路参数对起振条件的影响： F RpRF R PO i ) 11 ( 2 2 iPO R F RpRR 2 2 2 111 当回路损耗可忽略当回路损耗可忽略 ， ，得出：，得出：OP RRp 2 2

48、 F FR R O i 1 当当 一定时，一定时， 的选取应两方面考虑：的选取应两方面考虑： O i R R F o 第一项：第一项： 越大越大 ，保证起振的，保证起振的 A 越小越小 ，即，即 较小即可起振。较小即可起振。F o 第二项：第二项： 越大越大 ，不容易起振。，不容易起振。 晶体管的输入电阻晶体管的输入电阻 反映到回路两端的电阻越小反映到回路两端的电阻越小 ， 减小减小 ，Q下降，放大倍数下降。下降，放大倍数下降。 F i R R 考毕兹（Colpitts）振荡器（续3） 52 o F太大、太小都不利起振，太大、太小都不利起振，只有一段范围内只有一段范围内 较合适。较合适。 n

49、原因：原因： oF过小，反馈不足，回路能量的补充不足以弥补回过小，反馈不足，回路能量的补充不足以弥补回 路的损耗，使振荡最终不能建立；路的损耗，使振荡最终不能建立； oF过大，输入电路与回路耦合过紧，使过大，输入电路与回路耦合过紧，使Q值降低，值降低， 增益减小，环路负载过重，振荡也难以发生。增益减小，环路负载过重，振荡也难以发生。 o 通常通常F F0.2-0.5. 0.2-0.5. 结论： 53 （3）电路的振荡频率：只考虑输入、输出电容时）电路的振荡频率：只考虑输入、输出电容时 2 1 2 1 CC CC C LC f 2 1 iOR RCCLC f 2 1 11 2 1 即考毕茨（即考

50、毕茨（Colpitts）振荡器的振荡频率稍高于回路振荡器的振荡频率稍高于回路 的振荡频率。因为的振荡频率。因为 考毕兹（Colpitts）振荡器（续4） 54 共基接法考毕兹电路的起振条件举例 o 例： L 1 C 2 C e R L R 55 分析思路 E m Ee i R g Rr g 111 F CC C p 21 1 56 分析思路（续1） pLL Ggg max L g minp R min0 Q F CC C p 21 1 21 2 0 0 1 CC gg iL osc 57 例题解 o 解 58 例题解（续） 由已知频率和电感求回路总电容 00 21 2 0 0 001. 11

51、CC gg iL osc 2 1 21 1 CC C p 59 C c I （2）电路的振荡频率：（无互感）电路的振荡频率：（无互感） CLL f )(2 1 21 I f V ce V be V （1）分析电路的相位条件：）分析电路的相位条件：CL2支路容性支路容性 1b R b C 2b R e R e C 2 L 1 L CC V C C C 2 L 1 L be V ce V f V I b I 2 .电感反馈型哈脱莱（Hartley）振荡器 60 （1）电容反馈型电路的）电容反馈型电路的优缺点：优缺点： n优点：优点： l振荡波形更接近正弦波。（振荡波形更接近正弦波。（由于反馈电压取

52、自于电容两由于反馈电压取自于电容两 端，对高次谐波电抗小）端，对高次谐波电抗小） l振荡频率可较高（利用结电容作振荡电容）。振荡频率可较高（利用结电容作振荡电容）。 n 缺点：缺点：有两个电容调节频率不方便，（要有两个电容调节频率不方便，（要 不变）不变） 而且振荡器的振幅不稳定。而且振荡器的振幅不稳定。 2 1 C C F PPP RpR CC C R 2 2 2 2 1 2 )( （2）电感反馈型电路的）电感反馈型电路的优缺点：优缺点： n 优点：优点：用一个电容可方便调节频率。用一个电容可方便调节频率。 n 缺点：缺点：由于反馈电路是电感，振荡波形含有高次谐波多。由于反馈电路是电感，振荡

53、波形含有高次谐波多。 寄生电容影响振荡频率不高。寄生电容影响振荡频率不高。 3. 两种振荡器电路比较： 61 4、三点式振荡电路的组成法则 法则：与发射极相联的两个电抗同性质，基集间的为异性 ce X be X k I ce X cb X ce V eb V cb V （1） 与与 应为同一性质的电抗。应为同一性质的电抗。 （2） 应与应与 ， 的的电抗性质电抗性质 相反。相反。 ce Xbe X cb Xbe X 假定：各极间的电路阻抗为纯电抗且不考虑极间电容影响，则假定：各极间的电路阻抗为纯电抗且不考虑极间电容影响，则 0 cbcebe XXXX 与与 必须为同一性质的电抗。必须为同一性质

54、的电抗。 ） pbem ce be be cbbe ce f RVg X X X XX V V ( be X ce X f V 62 举例：习题举例：习题5-5能否振荡？类型？能否振荡？类型？ ;) 1 ( 332211 CLCLCL ;)2( 332211 CLCLCL ;)3( 332211 CLCLCL ;)4( 332211 CLCLCL ;)5( 332211 CLCLCL ;)6( 113322 CLCLCL i P X 电 感 电 容 i=1,2,3 1 L 1 C 2 L 3 L 2 C 3 C 三点式振荡器举例 63 2 1 2 1 C C CC CC v v F i O c

55、e be 电容反馈型三点式振荡电路的振荡波形更接近正弦波。振荡电容反馈型三点式振荡电路的振荡波形更接近正弦波。振荡 频率可较高。但存在以下几个问题：频率可较高。但存在以下几个问题： n 改变改变C调节频率时，调节频率时，F会变。会变。 n 晶体管的输出输入电容影响振荡频率。晶体管的输出输入电容影响振荡频率。 n 晶体管的等效电阻晶体管的等效电阻 、 影响回路的影响回路的 Q 值，从值，从 而影响振荡频率。而影响振荡频率。 i R O R n 影响反馈系数影响反馈系数F与振荡频率的因素都是与振荡频率的因素都是 和和 。 1 C 2 C iOR RCCLC f 2 1 11 2 1 考毕兹振荡器的

56、缺点 64 p对电容反馈型三点式振荡器改进思路对电容反馈型三点式振荡器改进思路 n 把决定振荡频率的主要元件与反馈系数把决定振荡频率的主要元件与反馈系数F的主要元件分开。的主要元件分开。 n 振荡频率不受晶体管的输出输入电容影响。振荡频率不受晶体管的输出输入电容影响。 （1）串联改进型串联改进型电容反馈三点式振荡器电容反馈三点式振荡器（克拉泼克拉泼 clapp 电路） 1b R b C CC V 2b R e R C C 2 C 1 C e C C R 3 C L 2 C 1 C 3 C O C i C L 5、串联改进型电容三点式克拉泼电路 65 P R LC f 2 1 iO CCCCCC

57、 213 1111 013 CCC i CCC 23 3 2 1 LC f i O CC CC F 2 1 3 C 2 3 1 PP C RR C 显然当：显然当： n 反馈系数反馈系数F与振荡频率的调节互不影响。与振荡频率的调节互不影响。 n 振荡频率受晶体管参数的影响减弱，提高了频率稳定度。振荡频率受晶体管参数的影响减弱，提高了频率稳定度。 n 缺点：振荡器的振幅不稳定。缺点：振荡器的振幅不稳定。(当调节当调节 改变振荡频率时改变振荡频率时 并联谐振回路的谐振电阻并联谐振回路的谐振电阻 等效等效到晶到晶 体管的体管的C-E两端的值会变。）两端的值会变。） 对对 的选择：的选择： 不能太小，

58、太小了，接入系数小不能太小，太小了，接入系数小 ， 振荡幅度就小了。振荡幅度就小了。 3 C 克拉泼 电路（续） 66 显然当 013 CCC i CCC 23 )(2 1 43 CCL f （2）并联改进型电容反馈三点式振荡器）并联改进型电容反馈三点式振荡器（西勒西勒（shelle）电路） 1b R b C CC V 2b R e R C C 2 C 1 C e C C R 3 C 4 C L 2 C 1 C 3 C O C i C 4 C L 6并联改进型三点式西勒（shelle）电路 67 l 与与 并联，调节并联，调节 可调节振荡频率，但对并联谐可调节振荡频率，但对并联谐 振回路的谐振

59、电阻振回路的谐振电阻 等效到晶体管的等效到晶体管的C-E两端的等两端的等 效电阻效电阻 影响较小，对振荡幅度影响较小。影响较小，对振荡幅度影响较小。 P R 4 C 4 C P R L o 西勒（西勒（shelle）电路解决了克拉泼电路解决了克拉泼 （clapp ） 电路调频率时输出幅度不稳的问题。电路调频率时输出幅度不稳的问题。 p西勒电路是较理想的振荡电路，频率稳定度高，作西勒电路是较理想的振荡电路，频率稳定度高，作 波段振荡器时，输出幅度平稳。广泛用于短波、超波段振荡器时，输出幅度平稳。广泛用于短波、超 短波通信机，电视机等电子设备中。短波通信机，电视机等电子设备中。 321 4 111

60、 1 2 1 CCC CC LC f 西勒电路西勒电路的振的振 荡频率：荡频率： 西勒（shelle）电路（续） 68 举例：（习题举例：（习题5-11）画出图中各振荡器的高频等效电路，说明画出图中各振荡器的高频等效电路，说明 它们属于哪种类型的振荡器，计算其振荡频率值。从电路构成它们属于哪种类型的振荡器，计算其振荡频率值。从电路构成 形式上看，三种电路各有什么特点。形式上看，三种电路各有什么特点。 CC V 510 H57 PF1500 O V 510 PF2 . 2 PF2 . 2 k15 PF15 PF3 . 3 k1 . 5 PF2 . 8 CC V H470k32 PF6800 k1