第5章(2)三点式振荡器

1、第第5 5章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 (2)三点式振荡器三点式振荡器5.5 三点式振荡器三点式振荡器5.5.1 构成三点式振荡器的原则构成三点式振荡器的原则5.5.2 电容三点式振荡器电容三点式振荡器考毕兹振荡器考毕兹振荡器 5.5.3 电感三点式振荡器电感三点式振荡器哈特莱振荡器哈特莱振荡器5.5.4 电容三点式与电感三点式振荡器比较电容三点式与电感三点式振荡器比较5.5.5 改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器作业：作业：P182 5.9 5.135.5 5.5 三点式振荡器三点式振荡器 什么叫三点式振荡器什么叫三点式振荡器? ? 所谓三点式振荡器就是对于交流所谓三点式振荡器就

2、是对于交流等效电路而言等效电路而言，由由LCLC回路引出三个端点分别与晶体管三个电回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器极相连的振荡器。 依靠电容产生反馈电压依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为构成的振荡器则称为电容三点式电容三点式振荡器，又称振荡器，又称考毕兹考毕兹振荡器。振荡器。 依靠电感产生反馈电压依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为构成的振荡器则称为电感三点式电感三点式振荡器，又称振荡器，又称哈特莱哈特莱振荡器。振荡器。 构成三点式的基点是如构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反何取出满足相位条件的正反馈电压。馈电压。5.5.1 5.5.1 构成三点式振荡器的原则构

3、成三点式振荡器的原则( (相位判据相位判据) ) 假设假设: (1)不计晶体管的电抗效应；不计晶体管的电抗效应； (2)LC回路由纯电抗元件组成，即回路由纯电抗元件组成，即 为满足相位条件，回路引出的三个端点应如何与晶体管为满足相位条件，回路引出的三个端点应如何与晶体管的三个电极相连接的三个电极相连接 ？ 如图所示，振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振频率，如图所示，振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振频率，于是有于是有cbcbbebececejXZjXZjXZcbbececbbeceXXXXXX0即即5.5.25.5.35.5.1三点式振荡器的相位判据三点式振荡器的相位判据 放大器已经倒相放大器

4、已经倒相, ,即即 与与 差差180180，所以要求反馈电所以要求反馈电压压 必须与必须与 反相才能满足相位条件反相才能满足相位条件，如图，如图5.5-1所示。所示。oUiUfUoUcebecebeofXXjXIjXIUUF5.5.4 因此，因此，Xbe必须与必须与Xce同性质同性质，才能保才能保证证 与与 反相反相。 由由5.5.3和和5.5.4式式，归结起来，归结起来，Xbe和和Xce性性质相同；质相同；Xcb和和Xce、Xbe性质相反性质相反,即分别为电即分别为电感和电容。感和电容。这就是三点式振荡器的相位判据这就是三点式振荡器的相位判据。fUoU 可以这样来记忆：可以这样来记忆：与发射

5、极相连接的两个与发射极相连接的两个电抗性质相同电抗性质相同，另一个电抗则性质相反另一个电抗则性质相反。（或是或是CB接的与其他二极接的性质相反。接的与其他二极接的性质相反。）5.5.2 5.5.2 电容三点式振荡器电容三点式振荡器考毕兹振荡器考毕兹振荡器 图所示电路是电容三点式的典型电路。图所示电路是电容三点式的典型电路。LC回路的三个回路的三个端点分别与三个电极相连，且端点分别与三个电极相连，且Xce和和Xbe为容抗，为容抗，Xcb为感抗。为感抗。故属电容反馈三点式振荡器，又称考毕兹振荡器。故属电容反馈三点式振荡器，又称考毕兹振荡器。电容三点式振荡器电容三点式振荡器 其中其中ZLZL为高频扼

6、流圈，防止高频交流接地。为高频扼流圈，防止高频交流接地。R Rb1b1、R Rb2b2、Re为偏置电阻。下面分析该电路的振荡条件，图为偏置电阻。下面分析该电路的振荡条件，图 (a)画了交画了交流等效电路。流等效电路。(b)为为Y参数参数等效电路。等效电路。电容三点式振荡器的等效电路电容三点式振荡器的等效电路 容易判断振荡器属容易判断振荡器属并并- -并联接并联接，电流求和电流求和的反的反馈放大器。设其信号源电流为馈放大器。设其信号源电流为 ，负载电流为，负载电流为 ，显然，显然sILIooifLoriisUYUYIUYUYI5.5.5式中，式中，Yi网络网络aa-bb的大信号输入导纳；的大信号

7、输入导纳； Yr网络网络aa-bb的大信号反向传输导纳；的大信号反向传输导纳； Yf网络网络aa-bb的大信号正向传输导纳；的大信号正向传输导纳； Yo网络网络aa-bb的大信号输出导纳。的大信号输出导纳。 实际上实际上 ，这只不过是虚构的。而，这只不过是虚构的。而意味着式意味着式5.5.5是线性齐次方程。即是线性齐次方程。即00LsII，00oiUU， 其系数行列式为其系数行列式为0 0，即，即00ooiforiiUyUyUyUy0y y o rfiyy5.5.65.5.7 因网络因网络aa-bb是两个网络是两个网络(有源和无源有源和无源)并并-并联接，所并联接，所以以0y y y y y

8、y y y oTrTonnroTrToronfnfTnriniTnfinfTiTfiyyyyyyyyyyyy 式中，式中，T表示晶体管，表示晶体管，n表示无源网络。即表示无源网络。即5.5.8 这就是反映振荡器满足平衡条件这就是反映振荡器满足平衡条件。使用上述方法时，应使用上述方法时，应使两个网络的电压、电流方向符合电压取样、电流求和的条使两个网络的电压、电流方向符合电压取样、电流求和的条件。件。 5.5.9式中式中yT是晶体管参数，可以测得和计算出是晶体管参数，可以测得和计算出,yn则则可以由具体网络根据可以由具体网络根据y参数的定义求得。参数的定义求得。 假设，振荡器的工作频率远低于假设，

9、振荡器的工作频率远低于fT，且忽略内部反馈的，且忽略内部反馈的影响和不计晶体管的电抗效应，有影响和不计晶体管的电抗效应，有 0fnfTrnrTonoTiniTyyyyyyyy5.5.9oernG G0 ieTGy5.5.10由下图，根据由下图，根据y y参数的定义，可求得无源网络参数的定义，可求得无源网络|y|yn n| |为为LjCjUIyLjUIyLjUIyLjCjUIyioioUooonUiofnUoirnUiiin11111000205.5.11 将式将式 5.5.10和和5.5.11代入式代入式5.5.9得得 0111112LjGLjLjCjGLjCjGrnoeie整理得整理得无源网

10、络无源网络5.5.12021212221LCCCCGGjLGGGGCGCoeieoeiemoeie 令其虚部等于令其虚部等于0,可求得振荡频率为可求得振荡频率为LCCGCGLCoeieg1)(1215.5.13式中：式中：2121CCCCC 可见，可见，电容三点式振荡器的振荡频率略高于回路的谐振电容三点式振荡器的振荡频率略高于回路的谐振频率频率，且与晶体管的参数有关且与晶体管的参数有关。 令其实部等于令其实部等于0 0，并近似认为，并近似认为 ，可求得其，可求得其振荡振荡平平衡条件为衡条件为LC1ieoemGCCGCCG21125.5.14 用微变参数代替平均参数，可求得起振时所要求的最小用微

11、变参数代替平均参数，可求得起振时所要求的最小跨导跨导(gm)min，其起振条件为，其起振条件为ieoemmgCCgCCgg2112min5.5.15因因2112CCCjICjIUUFof5.5.16代入上式得代入上式得0221LGGGGCGCoeiemoeie 从图（从图（a a）可以看出，）可以看出，反馈电压反馈电压 不仅取决于电容不仅取决于电容C C2 2 ，还与晶体管的输入导纳还与晶体管的输入导纳gie有关有关。当。当gie较小时，较小时，gie的分路作的分路作用可以忽略，此时第一项起主要作用用可以忽略，此时第一项起主要作用ieoemmFggFgg1min5.5.17fUFggoemmi

12、nmin2mgFC当当，利于起振利于起振。 当当gie较大时，较大时，gie的分流作用不能忽略，此时第二项起主的分流作用不能忽略，此时第二项起主 要作用，要作用，iemFggmin则则 min2mgFC，难于起振难于起振。 所以不能简单地认为反馈系数越大，就越易起振所以不能简单地认为反馈系数越大，就越易起振，而应，而应该有一定范围。另外反馈系数的大小还会影响振荡波形的好该有一定范围。另外反馈系数的大小还会影响振荡波形的好坏，坏，反馈系数过大会产生较大的波形失真反馈系数过大会产生较大的波形失真。通常。通常F0.011且一般取得较小。且一般取得较小。 以上的讨论，没有考虑线圈的损耗，如以上的讨论，

13、没有考虑线圈的损耗，如考虑到考虑到r的影响的影响,则起振条件应该修正，如图（则起振条件应该修正，如图（b）所示。）所示。 将将r经过两次折算，折算到经过两次折算，折算到ce两端和两端和goe并联，所以起振并联，所以起振条件应修正为条件应修正为:ieLoeieLoemmFgggFgCCggCCgg12112min5.5.18当不考虑当不考虑gie的影响时，反馈系数的影响时，反馈系数F的大小为的大小为21CCUUFKcbF将将gie折算到放大器的输出端，有折算到放大器的输出端，有ieFiecbiegKgUUg22放大器总的负载电导为放大器总的负载电导为2LoeieFLgggKg图图4-8 电容反馈

14、振荡器电路电容反馈振荡器电路 1FRYLf )(11LoeFieFFLmFLmggKgKKggKgg26)(mAIgCQm可见，反馈系数并非越大越好。可见，反馈系数并非越大越好。（另一种分析法）（另一种分析法）图（图（a a）影响起振因素）影响起振因素图（图（b b）起振条件修正）起振条件修正Pce=c2/(c1+c2)gP5.5.3 5.5.3 电感三点式振荡器电感三点式振荡器哈特莱哈特莱振荡器振荡器 电感三点式振荡器电路如图所示。电感三点式振荡器电路如图所示。 是从是从L2取得的取得的,故称为电感反馈三点式振荡器。通常故称为电感反馈三点式振荡器。通常L1、L2同绕在一个骨架同绕在一个骨架上

15、，它们之间存在着互感，且耦合系数上，它们之间存在着互感，且耦合系数M1。fU电感三点式等效电路电感三点式等效电路 下面利用下面利用基尔霍夫基尔霍夫定律列出定律列出网孔方程网孔方程来分析其振荡条件来分析其振荡条件. .由图由图 (c)列出列出I电流回路方程：电流回路方程：0)()(12IIMjIILjIGcbbie012010121121122ICjMjLjLjILjMjILjMjIMjLjILjGIGGGMjIMjLjIMjILjGcbcoeboeiemcbie5.5.190121121121122CjMjLjLjLjMjLjMjMjLjLjGGGGMjMjLjMjLjGDoeoeiemie(

16、 I 回路回路 )（Ib回路）回路）（Ic回路）回路）令上面方程组系数行列式令上面方程组系数行列式 D D 的的虚部等于零虚部等于零，整理后得，整理后得0 1 2122121MLLCCMLLGGoeie所以，得到所以，得到221212 21MLLGGCMLLoeieg5.5.20 可见，可见，g略低于回路谐振角频率略低于回路谐振角频率0，且振荡频率与晶且振荡频率与晶体管参数有关体管参数有关。通常情况下有。通常情况下有2212122MLLGGMLLCoeie故故LCg15.5.21（电容三点式的频率是略（电容三点式的频率是略高于回路谐振角频率。）高于回路谐振角频率。）式中式中 L=L1+L2+2

17、M （同名端在异侧推出（同名端在异侧推出-M） 为求起振条件，可令方程组的系数行列式为求起振条件，可令方程组的系数行列式 D D 的的实部等于实部等于0 0，即，即022221222oeoeiemieGLMMLMLGGGGML可得振荡平衡条件可得振荡平衡条件:MLMLGMLMLGGieoem12215.5.22因此起振条件是因此起振条件是: MLMLGMLMLGggieoemm1221min5.5.23故起振条件可写成：故起振条件可写成：1212F NNMLMLUUofieoemmgFgFgg1min5.5.245.5.25 至于反馈系数的选取，为兼顾振荡的振荡波形，通至于反馈系数的选取，为兼

18、顾振荡的振荡波形，通常常 取取F=0.10.5。（考毕兹电路。（考毕兹电路F=0.011）5.5.4 5.5.4 电容三点式与电感三点式振荡器比较电容三点式与电感三点式振荡器比较电容三点式电容三点式: 优点：优点： 1.输出波形好，接近于正弦波；输出波形好，接近于正弦波； 2.因晶体管的输入输出电容与回路电容并联，可因晶体管的输入输出电容与回路电容并联，可 适当增加回路电容提高稳定性；适当增加回路电容提高稳定性； 3.工作频率可以做得较高（利用极间电容）工作频率可以做得较高（利用极间电容） 缺点：调整频率困难，起振困难。缺点：调整频率困难，起振困难。电感三点式：电感三点式： 优点：优点： 起振

19、容易，调整方便；起振容易，调整方便； 缺点：输出波形不好，在频率较高时，不易起振。缺点：输出波形不好，在频率较高时，不易起振。ieoeieoemmFggFgCCgCCgg12112min电感三点式起振条件电感三点式起振条件 振荡频率振荡频率电容三点式起振条件电容三点式起振条件 振荡频率振荡频率LCMLLGGCMLLoeieg12 2122121（实际会略高）（实际会略高）ieoeieoemmFggFgNNgNNgg11221minLCCGCGLCoeieg1121（实际会略低）（实际会略低）5.5.5 5.5.5 改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器 前面研究的三种振荡器，其振荡频率前

20、面研究的三种振荡器，其振荡频率不仅取决于不仅取决于LCLC回回路路参数，还与晶体管的内部参数参数，还与晶体管的内部参数(Goe、Gie、Coe、Cie)有关，有关，而晶体管的参数又随环流温度、电源电压的变化而变化，因而晶体管的参数又随环流温度、电源电压的变化而变化，因此其频率稳定度不高。以电容三点式为例，如图所示此其频率稳定度不高。以电容三点式为例，如图所示,Cie和和Coe分别与回路电容并联，其振荡频率可近似写成分别与回路电容并联，其振荡频率可近似写成)()(12121ieoeieoegCCCCCCCCL 如何减小晶体管电容如何减小晶体管电容Coe、Cie对频率的影响呢？对频率的影响呢？5.

21、5.261.加大回路电容加大回路电容C1和和C2的值，但它限制了振荡频率的提高，的值，但它限制了振荡频率的提高，同时为确保同时为确保的不变，减小了的不变，减小了L的值，随之带来的值，随之带来Q值下降，使值下降，使振荡幅度下降甚至停振。这种方法只适用于频率不高的场合。振荡幅度下降甚至停振。这种方法只适用于频率不高的场合。2.同时减小接入系数同时减小接入系数pce和和pbe，而又不改变反馈系数，这就是，而又不改变反馈系数，这就是图所示的克拉泼图所示的克拉泼(Clapp)振荡器。振荡器。这种电路就是在这种电路就是在L支路中串支路中串接一个可变的小电容器接一个可变的小电容器C3，所以又叫做串联型电容三

22、点式反所以又叫做串联型电容三点式反馈振荡器馈振荡器，它是在电容三点式的基础上进行了改进它是在电容三点式的基础上进行了改进。晶体管电容晶体管电容Coe、Cie 对振荡对振荡频率的影响频率的影响考毕兹考毕兹 克拉泼振荡器克拉泼振荡器Coe、Cie只影只影响响C1、C2,对谐对谐振回路影响很振回路影响很小。小。所以可采用电容三点式的分析方法。所以可采用电容三点式的分析方法。3231, CCCC故故LCg105.5.27式中式中3323121321CCCCCCCCCCC5.5.2830g1 LC5.5.29 可见，可见，g只取决于只取决于L、C3，而与而与C1、C2基本无关基本无关。于是于是可以增加可

23、以增加C1、C2(不必减小电感不必减小电感L)以减小晶体管极间电容对频以减小晶体管极间电容对频率的影响率的影响，提高了频率稳定度提高了频率稳定度，改变改变C3即可改变振荡频率而即可改变振荡频率而不影响反馈系数不影响反馈系数，改变改变C C1 1、C C2 2可调节反馈系数而不会影响振可调节反馈系数而不会影响振荡频率荡频率。 起振条件可以用式起振条件可以用式5.5.18来得出，问题是如何求得来得出，问题是如何求得gL，由下图所示。由下图所示。克拉泼振荡器的起振条件克拉泼振荡器的起振条件ieLoeieLoemmFgggFgCCggCCgg12112min5.5.1813323213232)()(C

24、CCCCCCCCCCpce故故021300022021002312111QLCLQLCLQCCpggcepL因而起振条件为：因而起振条件为：ieoemmgCCQLCgCCgg210213012min而基本放大器谐振时增益为：而基本放大器谐振时增益为：LoemuogggA集电极接入系数为：集电极接入系数为：(1)(1)若若C C1 1gL(分路作用增强分路作用增强) (gm)min 难于起振难于起振; Auo振荡幅度减小振荡幅度减小 (2)若若C3 0gL (gm)min 难于起振难于起振; Auo 振荡幅度减小振荡幅度减小 (3)若若Q0 gL (gm)min 易于起振。易于起振。 Auo 振荡幅度增大振荡幅度增大 频率稳定性提高频率稳定性提高 克拉泼振荡器存在的问题是当增大克拉泼振荡器存在的问题是当增大C1和减小和减小C3时引起振荡幅度下降时引起振荡幅度下降，难于起振难于起振。原因在于。原因在于pce下降，使得下降，使得gL增大，因为增大，因为gL和和03成正比，解决这成正比，解决这一矛盾，一矛盾，可以保持可以保持C3不变不变，而在电感而在电感L两端并联一个小的可变电容两端并联一个小的可变电容，用以用以改变