第3章_正弦振荡电路15-03-30

1、第三章：正弦波振荡电路第三章：正弦波振荡电路 邓邓 钢钢GG内容提要内容提要本章着重讨论正弦波振荡电路的构本章着重讨论正弦波振荡电路的构成、工作原理、分析方法以及常用成、工作原理、分析方法以及常用的正弦振荡电路的正弦振荡电路振荡电路的定义、作用及其分类：振荡电路的定义、作用及其分类：正弦波振荡电路和非正弦波振荡电正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路路正弦振荡电路的分类正弦振荡电路的分类从工作原理来看：从工作原理来看：根据反馈回路的形式：变压器反馈式、根据反馈回路的形式：变压器反馈式、三端型三端型LCLC、RCRC、晶体、晶体反馈式振荡器反馈式振荡器：把有源器件接成正反馈：把有源器件接成正反馈环路来

2、实现自激振荡，大多数振荡器以环路来实现自激振荡，大多数振荡器以这种原理工作这种原理工作负阻振荡器负阻振荡器：以具有负阻效应的器件来：以具有负阻效应的器件来抵消谐振回路中的损耗电阻，从而使回抵消谐振回路中的损耗电阻，从而使回路能维持等幅的正弦振荡。工作频率可路能维持等幅的正弦振荡。工作频率可高达几千兆赫，在微波波段使用较多高达几千兆赫，在微波波段使用较多从构成来看：从构成来看：根据有源器件的不同：晶体管、场效应根据有源器件的不同：晶体管、场效应管、集成电路、压控等等管、集成电路、压控等等反馈式正弦波振荡电路的工作原理反馈式正弦波振荡电路的工作原理构成反馈式正弦波振荡电路的构成反馈式正弦波振荡电路

3、的必要必要条件：条件：放大电路的正反馈放大电路的正反馈，从而产生，从而产生自激振荡自激振荡选频网络或者相移网络选频网络或者相移网络，以控，以控制振荡频率和波形制振荡频率和波形放大电路的非线性放大电路的非线性，以控制振，以控制振荡幅度荡幅度反馈式正弦波振荡电路的自激条件反馈式正弦波振荡电路的自激条件00() ()1AF方框图的结构方框图的结构说明说明巴克豪森准则巴克豪森准则(Barkhousen (Barkhousen Criterien)Criterien)：开环法开环法相位平衡条件相位平衡条件是先决的、最是先决的、最本质的条件本质的条件000|() ()| 1()2,0,1,2,AFAFnn

4、 反馈式正弦波振荡电路自激条件举例反馈式正弦波振荡电路自激条件举例互感耦合互感耦合调集振荡调集振荡电路的说电路的说明明除满足相除满足相位平衡条位平衡条件外还必件外还必须满足幅须满足幅度平衡条度平衡条件件振荡幅度的建立和振荡幅度的建立和稳幅稳幅过程过程000|() ()1()2,0,1,2,AFAFnn 故起振条件为：故起振条件为：稳幅过程？稳幅过程？稳定条件稳定条件( (一一) )振荡电路的平衡条件不能说明振荡振荡电路的平衡条件不能说明振荡电路在外来干扰作用下平衡状态是电路在外来干扰作用下平衡状态是否稳定，只是维持振荡的否稳定，只是维持振荡的必要条件必要条件而不是充分条件而不是充分条件稳定平衡

5、状态稳定平衡状态，干扰因素消失后，干扰因素消失后振荡能自动回到原来的平衡状态振荡能自动回到原来的平衡状态两种可能的平衡状态：两种可能的平衡状态：不稳定平衡状态不稳定平衡状态，干扰因素消，干扰因素消失后越来越偏离原来的平衡状态失后越来越偏离原来的平衡状态稳定条件稳定条件( (二二) )：振幅稳定条件：振幅稳定条件振幅稳定条件的定义振幅稳定条件的定义左图中的左图中的B B点即为点即为稳定平衡状态稳定平衡状态稳定过程叙述稳定过程叙述振幅稳定条件：振幅稳定条件：*0|(,)|0iiiiVVAVV硬激励硬激励和和软激励软激励的区别的区别稳定条件稳定条件( (三三) )：相位稳定条件：相位稳定条件相位稳定

6、条件的定义相位稳定条件的定义环路相位变化对环路相位变化对角频率的影响角频率的影响相位稳定过程叙相位稳定过程叙述述相位稳定条件：相位稳定条件：0( )0AF ddt正弦波振荡电路的线性频域分析方法正弦波振荡电路的线性频域分析方法检查电路结构（检查电路结构（三个必要条件三个必要条件）判别正弦振荡电路能否振荡的步判别正弦振荡电路能否振荡的步骤：骤：分析振荡的平衡条件分析振荡的平衡条件起振阶段可以用小信号模型构成的起振阶段可以用小信号模型构成的微变等效电路估算振荡频率和起振微变等效电路估算振荡频率和起振条件（开环法、闭环法）条件（开环法、闭环法）稳幅阶段应使用丙类放大电路的分稳幅阶段应使用丙类放大电路

7、的分析方法析方法利用利用LCLC组成选频网络的组成选频网络的反馈型正弦波振荡电路反馈型正弦波振荡电路统称为统称为LCLC正弦波振荡电正弦波振荡电路路LCLC振荡电路中晶体管的工作状态振荡电路中晶体管的工作状态( (一一) )振荡电路的振荡电路的应用条件应用条件振荡电路的振荡电路的工作区域工作区域起振时的放起振时的放大倍数大倍数工作点的选工作点的选择择振荡幅度的振荡幅度的建立过程建立过程 实用的小功实用的小功率振荡器多率振荡器多工作于甲乙工作于甲乙类类LCLC振荡电路中晶体管的工作状态振荡电路中晶体管的工作状态( (二二) )静态工作静态工作点选在截点选在截止区时无止区时无法自动起法自动起振振L

8、CLC振荡电路中晶体管的工作状态振荡电路中晶体管的工作状态( (三三) )甲类起振丙甲类起振丙类工作的自类工作的自偏电路偏电路起振后工作点起振后工作点的移动过程的移动过程BEOBEQBBOEEOBEQVVR IR IV212BBEQCCEEQBBRVVR IRR调谐型正弦波振荡电路调谐型正弦波振荡电路采用互感耦合线圈采用互感耦合线圈( (或变量器或变量器) )作为作为反馈网络构成的振荡电路即为调谐反馈网络构成的振荡电路即为调谐型电路型电路使用部分接使用部分接入的原因入的原因三端型三端型LCLC振荡电路振荡电路( (一一) )三端电感振荡电路，通常也称为哈三端电感振荡电路，通常也称为哈特莱特莱(

9、Hartley)(Hartley)电路电路亦可称为电感分压反馈式振荡电路亦可称为电感分压反馈式振荡电路三端型三端型LCLC振荡电路振荡电路( (二二) )三端电容振荡电路，通常也称为科三端电容振荡电路，通常也称为科皮兹皮兹(Colpitts)(Colpitts)电路电路亦可称为电容分压反馈式振荡电路亦可称为电容分压反馈式振荡电路选频网络的反相作用选频网络的反相作用( (一一) )选频网络的反相作用选频网络的反相作用( (二二) )1221211psC CLCLCC当选频网络当选频网络的输入信号的输入信号频率为频率为 时时p选频网络与放大电路的反相作用相选频网络与放大电路的反相作用相加，从而可以

10、构成正反馈加，从而可以构成正反馈选频网络的反相作用选频网络的反相作用( (三三) )选频网络的反相作用选频网络的反相作用( (四四) )左图所示三端型电路左图所示三端型电路的的( (相位相位) )判别准则：判别准则： 与与 的电抗性的电抗性质相同质相同bXcX 与与 ， 的电的电抗性质相反抗性质相反bXcXmX可用于判别多个不可用于判别多个不同符号电抗元件构同符号电抗元件构成的复杂电路成的复杂电路射同基射同基( (集集) )反反例题例题判别下图是否满足自激所需的相位判别下图是否满足自激所需的相位条件，设条件，设201231/()LLL C0101LC由于集射和基射之由于集射和基射之间为感抗，则

11、基集间为感抗，则基集之间必须为容抗之间必须为容抗即：即：故左图满足自激所故左图满足自激所需相位条件需相位条件例题例题不可能不可能不可能不可能例题例题0112211LCL C0221111L CLC三端电感振荡电路三端电感振荡电路( (一一) )使用闭环法，可得：使用闭环法，可得：02121212021010211(2)(2)11imiLLM CL LMLLM Cr rLMLMgrLMrLM(0)if M 0121201212210011()1)1imiL LLL Cr rLLgrLrLLLC2121(,)if ML LMnL022211100011(1)(1)1imin LnLCnLCr rn

12、grnr三端电感振荡电路三端电感振荡电路( (二二) )优点：优点：容易起振，输出容易起振，输出电压幅度较大电压幅度较大容易通过调节电容易通过调节电容改变振荡频率，容改变振荡频率，调节时不影响反调节时不影响反馈系数馈系数缺点：缺点：输出端和反馈端均为电感，振荡波输出端和反馈端均为电感，振荡波形不太好形不太好分布参数影响环路增益，振荡频率分布参数影响环路增益，振荡频率不能过高不能过高三端电容振荡电路三端电容振荡电路( (一一) )使用开环使用开环法法( (在基极在基极开环开环) )进行进行分析分析10121201221010221211111imiC CC CC C rrLCCCCgCCCrLr

13、C三端电容振荡电路三端电容振荡电路( (二二) )优点：优点：输入端和反馈端都是电容，对高次谐输入端和反馈端都是电容，对高次谐波电抗较小，振荡波形好波电抗较小，振荡波形好只要减小电容就能提高振荡频率，若只要减小电容就能提高振荡频率，若仅利用晶体管的输入和输出电容作回路仅利用晶体管的输入和输出电容作回路电容，振荡频率可高达几百兆赫甚至上电容，振荡频率可高达几百兆赫甚至上千兆赫千兆赫缺点：缺点：改变频率不方便，适用于作为固定频改变频率不方便，适用于作为固定频率的振荡器率的振荡器 和和 接在晶体管集射极和基射极上，接在晶体管集射极和基射极上，振荡频率越高，振荡频率越高， 和和 的电容值越小，此的电容

14、值越小，此时晶体管的结电容将直接影响到时晶体管的结电容将直接影响到 和和 ，从而影响振荡频率的稳定性，从而影响振荡频率的稳定性1C2C1C2C1C2C关于振荡频率的进一步讨论关于振荡频率的进一步讨论严格计算时应取决于相位平衡条件，严格计算时应取决于相位平衡条件，并采用丙类电路分析方法对平衡状并采用丙类电路分析方法对平衡状态进行分析态进行分析工程估算时，工程估算时，可将谐振回路的谐振可将谐振回路的谐振频率近似看作为振荡频率频率近似看作为振荡频率改进型三端电容振荡电路改进型三端电容振荡电路( (一一) )串联改进型三端电容电路，克拉串联改进型三端电容电路，克拉泼泼(clapp)(clapp)电路电

15、路01211111LCCC12(&)if CCCC121111CCCC01/LC优点优点缺点：不易起振等缺点：不易起振等改进型三端电容振荡电路改进型三端电容振荡电路( (二二) )并联改进型三端电容电路，西勒并联改进型三端电容电路，西勒(Seiler)(Seiler)电路：频率稳定性高，输出电路：频率稳定性高，输出幅度较平稳，频率覆盖宽幅度较平稳，频率覆盖宽3132(&)if CCCC4142,CC CC3C 固定，通过改变固定，通过改变 来调节振荡频率。来调节振荡频率。4C优点：调节频率时不优点：调节频率时不影响反馈及放大倍数影响反馈及放大倍数0343411()()L CCL

16、 CCLCLC正弦波振荡电路简单回顾正弦波振荡电路简单回顾反馈式正弦波振荡电路的三个必要反馈式正弦波振荡电路的三个必要条件：条件：正反馈正反馈调谐型正弦波振荡电路调谐型正弦波振荡电路三端振荡电路三端振荡电路选频网络选频网络LCLC谐振电路谐振电路01/LC稳幅电路稳幅电路BJTBJT的内稳幅的内稳幅甲类起振丙类工作甲类起振丙类工作稳定条件：稳定条件：0( )0AF *0|(,)|0iiiiVVAVV能否起振的判别能否起振的判别场效应管振荡电路场效应管振荡电路仍然集中于三个必要条件和一个稳仍然集中于三个必要条件和一个稳定条件：定条件：正反馈正反馈调谐型调谐型三端振荡电路：三端振荡电路：源同栅反源

17、同栅反选频网络选频网络01/LC稳幅电路稳幅电路内稳幅内稳幅甲类起振丙类工作甲类起振丙类工作差分对管振荡器差分对管振荡器电路结构说明电路结构说明LCLC回路两端的振回路两端的振荡电压幅度不能荡电压幅度不能太大，一般为太大，一般为200mV200mV左右左右起振分析起振分析01/LC优点：优点：截止区限幅的优点截止区限幅的优点奇对称性的优点奇对称性的优点其它振荡器其它振荡器请自行参考课本请自行参考课本例题：判别以下电路能否起振例题：判别以下电路能否起振综述综述( (一一) )使用使用RCRC振荡电路的原因振荡电路的原因RCRC振荡电路的定义：使用振荡电路的定义：使用RCRC移相网移相网络替代络替

18、代LCLC选频网络构成的正弦振荡选频网络构成的正弦振荡电路电路由于由于RCRC选频网络的选频特性比选频网络的选频特性比LCLC选选频网络的特性差得多，导致频网络的特性差得多，导致RCRC振荡振荡器的电路构成和器件工作状态与器的电路构成和器件工作状态与LCLC振荡器有明显的区别：振荡器有明显的区别： 放大器件工作在线性区放大器件工作在线性区 常采用负反馈来提高电路的选频特常采用负反馈来提高电路的选频特性性综述综述( (二二) )总反馈效果：在振总反馈效果：在振荡频率，正反馈超荡频率，正反馈超过负反馈并满足自过负反馈并满足自激条件；偏离自激激条件；偏离自激频率时，使负反馈频率时，使负反馈超过正反馈

19、，以抑超过正反馈，以抑制不需要的频率，制不需要的频率，从而改善输出波形从而改善输出波形文氏桥文氏桥RCRC振荡电路的构成振荡电路的构成由同相放大电路和串并联由同相放大电路和串并联RCRC网络构成网络构成电路电路结构结构说明：说明：正反正反馈网馈网络和络和负反负反馈网馈网络络文氏桥文氏桥RCRC振荡电路的振荡频率和起振条件振荡电路的振荡频率和起振条件121/(1)ZRj CZRj RC0(1/)ifRC211/,0AARR 0故振荡角频率即为故振荡角频率即为212RR幅度平衡条件为幅度平衡条件为222( )(1)3j RCFR CjRC2200001|( )|3( )arctan3FF 文氏桥文

20、氏桥RCRC振荡电路的振荡频率和起振条件振荡电路的振荡频率和起振条件称为文氏桥称为文氏桥电路的原因电路的原因文氏桥文氏桥RCRC振荡电路振荡的建立与稳定振荡电路振荡的建立与稳定由于由于RCRC振荡电振荡电路的频率选择路的频率选择性差，没有有性差，没有有效滤除谐波的效滤除谐波的能力，因此应能力，因此应使用外稳幅的使用外稳幅的方法解决振荡方法解决振荡电路的稳幅问电路的稳幅问题，例如左图题，例如左图中中R R2 2的使用的使用使用温度系数为负的热使用温度系数为负的热敏电阻敏电阻 后的稳定过程后的稳定过程描述描述2R请思考：若请思考：若R R1 1为热敏电阻，该如何取为热敏电阻，该如何取值？值？文氏桥

21、文氏桥RCRC振荡电路的优点振荡电路的优点电路中的放大部分有很深的电压串电路中的放大部分有很深的电压串联负反馈，使输出电压幅度在整个频联负反馈，使输出电压幅度在整个频段内基本不随振荡频率而变段内基本不随振荡频率而变电路的放大部分工作于线性状态，电路的放大部分工作于线性状态，依靠外加热敏电阻进行外稳幅，因此依靠外加热敏电阻进行外稳幅，因此波形失真很小波形失真很小频率易于调节，且频率覆盖系数大频率易于调节，且频率覆盖系数大文氏桥文氏桥RCRC振荡器广泛用来作为频率振荡器广泛用来作为频率范围由几赫到几百千赫的低频信号源范围由几赫到几百千赫的低频信号源RCRC振荡器的频率稳定度约在振荡器的频率稳定度约

22、在1010-2-21010-3-3量级之间量级之间例题例题LC/RCLC/RC正弦波振荡电路简单回顾正弦波振荡电路简单回顾正反馈正反馈调谐型正弦调谐型正弦波振荡电路波振荡电路三端振荡电路三端振荡电路选频网络选频网络/ /移相网络移相网络LCLC谐振电路谐振电路01/LC稳幅电路稳幅电路BJT/FETBJT/FET的内的内稳幅稳幅甲类起振丙甲类起振丙类工作类工作能否起振的判别能否起振的判别LCLC电路电路RCRC电路电路文氏桥振荡文氏桥振荡电路电路RCRC移相电路移相电路01/ RC放大器件工放大器件工作在线性区作在线性区依靠其他器依靠其他器件稳幅件稳幅正弦振荡电路的频率稳定问题正弦振荡电路的频

23、率稳定问题( (一一) )频率稳定度频率稳定度通常使用通常使用 或或 来表示，有时会附加时间条件来表示，有时会附加时间条件0/ 0/ffLCLC值变化对频率值变化对频率稳定度的影响：稳定度的影响：0012LCLC L L和和C C的参数变化主要受环境温度的的参数变化主要受环境温度的影响，可使用温度系数来衡量影响，可使用温度系数来衡量电感的温度系数一般为正；根据电感的温度系数一般为正；根据介质材料不同，电容的温度系数介质材料不同，电容的温度系数可正可负可正可负正弦振荡电路的频率稳定问题正弦振荡电路的频率稳定问题( (二二) )00()0AF0000AFdd 越大，由越大，由 引起的振荡角频率引起

24、的振荡角频率的偏移就越小。因此通常把的偏移就越小。因此通常把 作作为衡量一个振荡器频率稳定度的判据为衡量一个振荡器频率稳定度的判据/AFdd/AFdd正弦振荡电路的频率稳定问题正弦振荡电路的频率稳定问题( (三三) )00( )arctanAFTQ 为了提高振荡器的频率稳定为了提高振荡器的频率稳定性，必须选用高性，必须选用高Q Q值谐振回值谐振回路和大而稳定的负载电阻路和大而稳定的负载电阻( )11LmRgAj Crj L ( )j LFnrj L 002AFTdQd 正弦振荡电路的频率稳定问题正弦振荡电路的频率稳定问题( (四四) )提高频率稳定度的措施提高频率稳定度的措施请自行参考课本请自

25、行参考课本石英晶体振子及其特性石英晶体振子及其特性( (一一) )使用石英晶体振子来替代使用石英晶体振子来替代LCLC谐振回路谐振回路构成正弦振荡电路，这种电路称为石构成正弦振荡电路，这种电路称为石英晶体振荡电路，简称英晶体振荡电路，简称晶体振荡电路晶体振荡电路石英晶体的正压电效应和反压电效应石英晶体的正压电效应和反压电效应石英晶体的谐振、基音及奇次泛音石英晶体的谐振、基音及奇次泛音石英谐振器的结构与等效电路石英谐振器的结构与等效电路 的取的取值范围值范围Q石英晶体振子及其特性石英晶体振子及其特性( (二二) )001212spfLCfC CLCC ：串联谐：串联谐振频率振频率sf ：并联谐：

26、并联谐振频率振频率pf,spspffff电抗特性曲线分成电抗特性曲线分成三个不同的区域三个不同的区域并联型晶体振荡电路并联型晶体振荡电路( (一一) )并联型晶体振荡电路的特点是把石英并联型晶体振荡电路的特点是把石英谐振器作为谐振器作为等效电感元件等效电感元件与其它回路与其它回路元件一起按照三端电路的基本准则组元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡回路成三端振荡回路并联型晶体振荡电路并联型晶体振荡电路( (二二) )：皮尔斯电路：皮尔斯电路012sffLC对振荡频率的进一步对振荡频率的进一步讨论：讨论：12,C C 的影响的影响1C可能使用呈现电容可能使用呈现电容性的性的LCLC并联谐振回

27、并联谐振回路来替代路来替代由于石英晶体接在阻抗很高的由于石英晶体接在阻抗很高的BCBC间，间，故频率稳定性高故频率稳定性高并联型晶体振荡电路并联型晶体振荡电路( (三三) )：密勒电路：密勒电路由于石英晶体接在输入阻抗较低的由于石英晶体接在输入阻抗较低的BEBE间，其频率稳定性较皮尔斯电路差，间，其频率稳定性较皮尔斯电路差，所以多采用场效应管晶体振荡电路所以多采用场效应管晶体振荡电路左图与左图与LCLC型三端电型三端电感电路的区别感电路的区别左图的振荡频率略左图的振荡频率略高于晶体的串联谐高于晶体的串联谐振频率振频率 ，一般认，一般认为为0sffsf串联型晶体振荡电路串联型晶体振荡电路利用晶体

28、在串联谐利用晶体在串联谐振频率下呈现的低振频率下呈现的低阻抗可以构成串联阻抗可以构成串联型晶体振荡电路型晶体振荡电路电路结构说明电路结构说明电路原理电路原理振荡频率的分析振荡频率的分析可在三端振荡电路中用一选频回路来可在三端振荡电路中用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件，使其在代替某一支路上的电抗元件，使其在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三端振荡器的组成法则，无法起满足三端振荡器的组成法则，无法起振；而在所需的泛音频率上呈现的电振；而在所需的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振抗性质恰好满足组成法则，达到起振泛音晶体振荡电路泛音晶体振荡电路

29、使用泛音晶体振荡器的原因使用泛音晶体振荡器的原因泛音晶振电路与基频晶振电路的区别：泛音晶振电路与基频晶振电路的区别：不但必须有效地抑制掉基频和低次泛不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡，还必须正确地选择音上的寄生振荡，还必须正确地选择环路增益使其满足所需条件环路增益使其满足所需条件基本概念基本概念压控正弦波振荡器压控正弦波振荡器VCO (Voltage VCO (Voltage Controlled Oscillator)Controlled Oscillator)：振荡：振荡频率随外加控制电压而变化频率随外加控制电压而变化最常用的压控电抗元件是变容二最常用的压控电抗元件是变容二极管极管/CSfv 压控灵敏度压控灵敏度线性度线性度压控振荡器的主要性能指标压控振荡器的主要性能指标：变容二极管简介变容二极管简介变容二极管原理变容二极管原理0(1/)jCCv V0(1/)jQQCCVV1cmQVmVV静态直流偏压静态直流偏压QV(1cos)jQjCCmt变容二极管压控振荡器原理变容二极管压控振荡器原理( (一一)