第6章 正弦波振荡器

1、第6章 正弦波振荡器 6.1 概述概述6.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件由正反馈的观点来决定振荡的条件6.5 振荡的平衡与稳定条件振荡的平衡与稳定条件6.6 反馈型反馈型LC振荡器线路振荡器线路6.8 石英晶体振荡器石英晶体振荡器6.12 RC振荡器振荡器6.7 振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题6.1 概述概述振荡器振荡器不需要外部信号激励，直接将直流电能转换为交流电能的装置。振荡器根据输出波形分为正弦波振荡器正弦波振荡器和非正弦波振非正弦波振荡器荡器。正弦波振荡器正弦波振荡器按照工作原理分为反馈式正弦波振荡器反馈式正弦波振荡器和负阻式正弦波振荡器负阻式正弦波振荡器。 无线电发明初

2、期是由的火花发射机、电弧发生器等都是振荡器。目前使用电子管、晶体管等器件和L、C、R等元件组成的振荡器，这类振荡器将直流电能转换为交流电能，而本身静止不动，不需要作机械转动或移动；产生的是等幅振荡；使用方便，灵活性大。反馈式正弦波振荡器LC振荡器振荡器互感耦合型互感耦合型三端式三端式用来产生频率较高的正弦波石英晶体振荡器石英晶体振荡器用来产生频率稳定度高的正弦波串联谐振型串联谐振型并联谐振型并联谐振型RC振荡器振荡器用来产生频率较低的正弦波相移式相移式文氏电桥文氏电桥6.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件由正反馈的观点来决定振荡的条件反馈式放大器框图放大器A反馈网络F+ViVoVfVid外加输

3、入电压放大器净输入电压反馈电压输出电压fiidVVV放大器的增益放大器的增益idoVVA反馈系数反馈系数ofVVF反馈放大器反馈放大器的闭环增益的闭环增益iofVVAfidoVVVoidoVFVVidididVAFVVAFAA1当 ，01FA则 。fA，若 ，且 是有限值，则iofVVAfAoV0iV当满足 时，即使没有输入信号，也会有输出信号01FA当 时，1FAididofVVFAVFV 即使没有输入信号 ，反馈信号 也可以代替放大器的净输入信号 ，使放大器产生输出信号。iVfVidV放大器A反馈网络FVoVf=Vid6.5 振荡的平衡与稳定条件振荡的平衡与稳定条件 6.5.1 振荡器的平

4、衡条件振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件1FA其中AjAeAFjFeF振幅平衡条件振幅平衡条件1AF相位平衡条件相位平衡条件), 2 , 1 , 0( 2nnFA 振幅平衡条件，保证输出信号的振幅稳定；相位平衡条件，保证输出信号的频率稳定。振荡器的起振条件振荡器的起振条件10FA即), 2 , 1 , 0( 2100nnFAFAA0是放大器工作于小信号时的增益 6.5.2 振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件 由于振荡电路中存在各种干扰，如温度变化、电压波动、噪声、外界干扰等，这些干扰会破坏振荡的平衡条件，因此，为使振荡器的平衡状态能够存在，只有使它成为稳定的平衡具有

5、返回原先平衡状态能力的平衡。鉴于此，除了平衡条件外还必须有稳定条件。稳定条件同样分成振幅平衡的稳定条件和相位平衡的稳定条件。不稳定的平衡稳定的平衡1. 振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件 要想使振荡幅度稳定，电路必须有阻止幅度变化的能力。放大器的放大倍数实际上是输出电压振幅Vom的非线性函数，在起振时， Vom较小，放大器的放大倍数较高且基本不变，当Vom增大到一定程度时，晶体管的工作状态进入到饱和区或者截止区，放大倍数A迅速下降。反馈网络是反馈网络是线性网络线性网络，其反馈系数，其反馈系数F与与Vom无关。无关。VomAA01/FVomQQ平衡点A= 1/ FVomQAAF1VomBB点是

6、不稳定的平衡不稳定的平衡点振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件0omQomVVomVA2. 相位平衡的稳定条件相位平衡的稳定条件 假设由于外因引起相角的变化0，即反馈电压 比放大器的净输入电压 的相位超前了，相当于提前给回路补充能量，振荡频率增振荡频率增加加。反之0， 的相位滞后于 ，则振荡频率下降振荡频率下降。因此为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须是频率变化时产生相反趋势的相位变化，以补偿外因引起的相位变化。idVidVfVfV相位平衡的稳定条件相位平衡的稳定条件00振荡器的相移 = A+ F= Y+ Z+ FY 晶体管正向传输导纳的相移Z 回路的相移F 反馈网络的相移则FZYY和和 F对

7、频率变化的敏感性一般远小于Z，即ZYZF得到0Z回路的相频特性曲线在工作频率附近需要具有负的斜率回路的相频特性曲线在工作频率附近需要具有负的斜率0226.6 反馈型反馈型LC振荡器线路振荡器线路反馈型反馈型LC振荡器振荡器互感耦合振荡器互感耦合振荡器三端式振荡器三端式振荡器电感反馈式振荡器电感反馈式振荡器电容反馈式振荡器电容反馈式振荡器 反馈型LC振荡器以LC谐振回路作为选派网络，用来产生几十kHz几百MHz的正弦波信号，按照反馈网络结构不同，分为互感耦合振荡器和三端式振荡器。 6.6.1 互感耦合振荡器互感耦合振荡器1. 调集电路调集电路VCCRb1Rb2CbCeReCL1L2MCL1ML2

8、Re交流通路+Vo-+Vf-放大器是共基极电路，同相电压放大器，则A= 0根据同名端可以得到 与 同相oVfV则F= 0即A+ F=0，所以电路可能振荡2. 调基电路调基电路VCCRb1Rb2CbCeReCL1L2M交流通路CL1ML2+Vo-+Vf-放大器是共射极电路，反相电压放大器，则A= 根据同名端可以得到 与 反相oVfV则F= 即A+ F= 2 ，所以电路可能振荡3. 调射（发）电路调射（发）电路VCCRb1Rb2CbCeReL2MCL1交流通路CL1ML2Re+Vo-+Vf-放大器是共基极电路，同相电压放大器，则A= 0根据同名端可以得到 与 同相oVfV则F= 0即A+ F=0，

9、所以电路可能振荡 互感耦合振荡器能否满足相位平衡条件，取决于线圈L1和L2的极性，要特别注意耦合线圈L1和L2同名端的正确位置，以保证电路构成正反馈。 为了满足起振条件，可以通过设计合理的耦合线圈匝数，以及调节耦合系数M 的大小，不仅可以使振荡器容易起振，而且可以使晶体管获得最佳负载阻抗并获得较大的信号输出。 互感耦合振荡器的振荡频率取决于谐振回路的参数LCf210 互感耦合振荡器中，由于互感耦合元件的分布电容和漏感的存在，而限制了其振荡频率及稳定度的提高；由于高次谐波的阻抗大，反馈电压中高次谐波振幅较大，导致输出信号中高次谐波分量较大，波形不理想。互感耦合振荡器只适合工作频率不太高的场合。

10、6.6.2 电感反馈式三端振荡器（哈特莱振荡器）电感反馈式三端振荡器（哈特莱振荡器）VCCRb1Rb2CeReCbCL1L2原理电路等效电路CL1L2- Vo + Vf -放大器是共射极电路，反相电压放大器，则A= I1212LLILjILjVVFof则F= 即A+ F= 2 ，所以电路可能振荡振荡频率CMLLf)2(21210优点：优点： L1和L2之间有互感存在，容易起振；改变回路电容来调整输出信号的频率时，基本不影响电路的反馈系数。缺点：缺点： 由于反馈支路为感性支路，对于LC回路中高次谐波反馈较强，导致输出波形失真较大；由于L1和L2 上的分布电容和晶体管的极间电容均并联于L1和L2

11、，导致F随着频率的变化而变化，工作频率越高，分布参数的影响越严重，甚至使F减小到不能满足起振条件。 6.6.3 电容反馈式三端振荡器（考毕兹振荡器）电容反馈式三端振荡器（考毕兹振荡器）原理电路VCCRb1Rb2CeReCbC1LCcC2Rc等效电路C1LC2+Vo-Vf+放大器是共射极电路，反相电压放大器，则A= I211211CCICjICjVVFof则F= 即A+ F= 2 ，所以电路可能振荡振荡频率LCf2102121CCCCC优点：优点：由于反馈支路为容性支路，高次谐波的反馈较弱，输出波形较好；由于电路的不稳定电容（分布电容、器件的结电容）都是并联于电路 ，适当的增大回路电容，可以减弱

12、不稳定因素对振荡频率的影响，从而提高了频率稳定度。缺点：缺点： 调节电容C1和C2来改变振荡频率时，反馈系数F也随之改变。C1LC2CLCf2102121CCCCCC电容C1和C2固定，反馈系数F固定，调节C改变振荡频率考虑晶体管的输入电容Cie和输出电容Coe的影响CoeCieC1LC2LCf210)()()(2121ieoeieoeCCCCCCCCC 若增大电容C1和C2的值看，可以减弱Cie和Coe的变化对振荡频率的影响，只能适用于频率不太高的场合；在频率较高时，若增大电容C1和C2的值，必须使L的值很小，而在实际当中很难做到电感量很小的电感线圈。因此要对电容反馈式三端振荡器加以改进。改

13、进型电容反馈式三端振荡器（克拉泼电路）VCCRb1Rb2CeReCbC1LCcC2RcC3CoeCieC1LC2C3交流等效电路回路总电容ieoeCCCCCC2131111当C2C3且C1C3时，3CC 振荡频率3021LCf 6.6.4 LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则三端式振荡器相位平衡条件的判断准则三端式振荡器的等效电路X1X2X3如果是共射极放大电路- Vo +-Vi则A= + Vf -I1212XXIXIXVVFof若要产生振荡必须A+ F= 2n 即 F= ，则则X2和和X1的符号相的符号相同，同， X2和和X1应当是同种电抗应当是同种电抗电路振荡时，回路应当谐振即X1+ X

14、2+ X3 =0，则，则X3与与X2和和X1的电抗性质相异的电抗性质相异LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则三端式振荡器相位平衡条件的判断准则射（源）同余异射（源）同余异例1：振荡器的交流等效电路如图，判断是否能够产生振荡，如果能振荡，是那种振荡器？振荡频率f0=？C1L1L2C2解：当L1C1串联支路呈容性，电路可能振荡，是电容反馈式三端振荡器若电路能振荡，则振荡频率2121210)(21CCCCLLfL1C1串联支路的谐振频率11121CLf只有当f0 f1时， L1C1串联支路在工作频率f0处呈容性，电路才可能振荡例2：振荡器的交流等效电路如图，判断是否能够产生振荡，如果能振荡，是那种

15、振荡器？振荡频率f0=？C1C2L3C3解：当L3C3串联支路呈感性，电路可能振荡，是电容反馈式三端振荡器若电路能振荡，则振荡频率CLf30213211111CCCCL3C3串联支路的谐振频率33321CLfC f3， L3C3串联支路在工作频率f0处呈感性，该电路必然振荡6.7 振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题 1. 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度评价振荡器频率的主要指标有：准确度准确度（accuracy）、稳定度稳定度（ stability ）绝对频率准确度0fff相对频率准确度000ffffff实际工作频率f0标称频率频率稳定度频率稳定度在一定时间间隔内，频率准确度的变化。

16、频率稳定度更为重要频率稳定度分为：长期频率稳定度长期频率稳定度、短期频率稳定度短期频率稳定度、瞬间频率稳定度瞬间频率稳定度、长期频率稳定度指一天以上至几个月的相对频率变化的最大值。短期频率稳定度指一天之内相对频率变化的最大值。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，通常称为振荡器的相位抖动或相位噪声。 2. 频率不稳定的因素频率不稳定的因素 LC回路参数的不确定 晶体管参数的不稳定 3. 稳定频率的措施稳定频率的措施 减小温度的影响 稳定电源电压 减小负载的影响 晶体管与回路之间采用松耦合 提高回路的品质因数Q 使振荡频率接近于回路的谐振频率 屏蔽、远离热源6.8 石英

17、晶体振荡器石英晶体振荡器 6.8.1 石英晶体的压电效应及等效电路石英晶体的压电效应及等效电路正压电效应当晶体受到机械力时，晶片两侧产生异号的电荷反压电效应当晶体两面加有电压时，晶体就会产生弹性变形 石英晶体具有惯性和弹性，存在固有振动频率，当外加电源频率和晶体的固有振动频率相等时，晶片产生谐振。这时机械振动的幅度最大，相应晶片表面产生的电荷量最大，因而外电路中的电流也最大。 1. 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 2. 石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路JT符号CqrqLqC0等效电路串联谐振频率qqqCL1并联谐振频率001CCCCLqqqp显然p q，由于Cq C0，可以认为p q

18、石英晶体的等效电感Lq很大，而Cq和rq非常小，所以Q很高Xeqp电抗曲线 石英晶体作为振荡回路元件，能使振荡器的频率稳定度大大提高，是由于： （1）石英晶体的物理和化学性能都十分稳定，它的等效谐振回路有很高的标准性； （2）石英晶体的等效电感Lq很大，而Cq和rq非常小，所以Q很高，能够达到数百万； （3）在串 联谐振频率p 和并联谐振频率q 之间很窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因此对频率的变化具有极灵敏的补偿能力；缺点：单频性，一块晶体只能提供一个稳定的振荡频率 6.8.2 并联谐振型晶体振荡器并联谐振型晶体振荡器晶体作为振荡回路的元件之一，晶体用作电感晶体用作电感c-b型电路

19、b-e型电路按照三端式振荡器的判断准则“射同余异”，晶体用作电感VCCRb1Rb2CbReC1C2ZLJTc-b型振荡电路C1C2JT交流等效电路b-e型振荡电路VCCRb1Rb2ReC1C2JTCeZLL1C交流等效电路C2JTC1L1L1C1并联回路呈现感性，振荡频率111021CLff b-e型振荡电路的输出信号较大，L1C1回路还可以一直其他谐波，频率稳定度不如c-b型振荡电路。因为在b-e型电路中，晶体接在b-e之间，由于发射结正偏， b-e之间的阻抗较小，使晶体的Q值下降较多。 6.8.3 串联谐振型晶体振荡器串联谐振型晶体振荡器晶体用作电阻晶体用作电阻（阻值很小，近似认为短路）R

20、b1Rb2ReC2C3VCCC1LCRcJTCpCbC1C2JTReC3L交流等效电路6.12 RC振荡器振荡器RC振荡器用来产生较低振荡频率（几十kHz甚至更低）的信号主要优点：结构简单，经济方便根据RC网络的不同形式，RC振荡器分为：相移振荡器相移振荡器（phase - shift oscillator）、文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器（Wien -bridge oscillator ）RC振荡器也要满足相位平衡条件A+ F= 2n 和和振幅平衡条件AF=1 6.12.1 RC相移振荡器相移振荡器1. RC相移网络相移网络（1）相位超前的相移网络）相位超前的相移网络CR+-+-iVoViVoVioVVFCjRR1RCjRCj1FjFe2)(1RCRCFRCF1arctan显然显然 F 1，20Fn节相位超前的相移网络级联相位超前的相移网络级联C1R1+-+-iVoVC2R2CnRnFjioFeVVF则则 F 1，20nFF2nO 相频特性曲线与具有负