第4章--正弦波振荡器PPT

1、第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.2 LC 振振 荡荡 器器4.3 频率稳定度频率稳定度4.4 LC振荡器的设计考虑振荡器的设计考虑4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓与放大器一样，振荡器也是一种能量转换器。与放大器一样，振荡器也是一种能量转换器。振荡器：振荡器：无需外部激励无需外部激励就能自动的将直流电源供给的功率就能自动的将直流

2、电源供给的功率转换为指定功率和振幅的交流信号输出。转换为指定功率和振幅的交流信号输出。振荡器组成：由振荡器组成：由晶体管晶体管和和具有某种选频能力的无源网络具有某种选频能力的无源网络组组成。成。在电子线路中，除了要对各种电信号进行放大的电子线路外，在电子线路中，除了要对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期性振荡的电子线还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期性振荡的电子线路路振荡器振荡器概述概述第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓概述概述1. 1. 分类分类根据根据工作原理工作原理分：反

3、馈型振荡器分：反馈型振荡器 和负阻型振荡器和负阻型振荡器正阻正阻消耗能量；消耗能量； 负阻负阻产生能量产生能量根据根据所产生的波形所产生的波形：正弦波振荡器；：正弦波振荡器； 非正弦波振荡器非正弦波振荡器（矩形脉冲，三角波，锯齿波）（矩形脉冲，三角波，锯齿波）根据根据选频网络选频网络所采用的器件：所采用的器件：LC振荡器，晶体振荡器振荡器，晶体振荡器（用于高频），（用于高频），RC振荡器（用于低频）振荡器（用于低频）第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓2. 振荡器与放大器的异同：振荡器与放大器的异同：共同点共同点：直流功率

4、：直流功率交流功率交流功率不同点不同点： 放大器放大器他激；他激； 振荡器振荡器自激自激3应用应用 电讯、广播、通讯、测量、雷达、自控遥测、仪器电讯、广播、通讯、测量、雷达、自控遥测、仪器等等主要技术指标主要技术指标 4. 振荡频率、频率稳定度、振幅稳定度振荡频率、频率稳定度、振幅稳定度概述概述第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓一、反馈振荡器的原理分析一、反馈振荡器的原理分析1. 反馈型振荡器的原反馈型振荡器的原理框图理框图反馈型振荡器是由反馈型振荡器是由放大器放大器和和反馈网络反馈网络组成的一个闭合环路组成的一个闭合环

5、路, 放大器通常是以某种放大器通常是以某种选频网络选频网络(如振荡回路如振荡回路)作负载作负载, 是一是一调调谐放大器谐放大器, 反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。 反馈型振荡器组成：电源与换能机构、选频网络、反馈网反馈型振荡器组成：电源与换能机构、选频网络、反馈网 络。络。4-1 反馈性振荡器的原理框图4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓一、反馈振荡器的原理分析一、反馈振荡器的原理分析4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理2. 原理分

6、析原理分析4-1 反馈性振荡器的原理框图设闭环电路放大倍数为：设闭环电路放大倍数为：Ku(s)则：则：( )( )( )ouSUsKsUs开环：( )( )( );( );( )( )( )( )( )oiisiioUsUsKsFsUsUsUsUsUs( )( )( )( )( )oiuisUsU sKsU sUs( )( )( )( )( )1( )/( )iiiiiU sK sK sU sU sU sU s( )( )1( ) ( )1( )K sK sK s F sT s第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓一、反馈振

7、荡器的原理分析一、反馈振荡器的原理分析4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理2. 原理分析原理分析4-1 反馈性振荡器的原理框图( )( )1( )uK sKsT s( )( )( ) ( )( )iiU sT sK s F sU s其中其中称为称为反馈系统的环路增益反馈系统的环路增益令sjw，则：()()1()uK jKjT j第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓讨论讨论：()uKj()1T j：当()()1()iiUjT jUj即：此时即使没有外加信号，也有振荡输出。一、反馈振荡器的原理分析一、反馈振荡器的原理分析4

8、.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理2. 2. 原理分析原理分析()()1()uK jKjT j当 时，()1T j( )( )iiU sU s振荡器为减幅振荡( )( )iiU sU s当 时，()1T j振荡器为增幅振荡第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓二、振荡器的平衡条件二、振荡器的平衡条件由前面的分析可知，当由前面的分析可知，当 时，时，()1T j()uKj这就表明，即使没有外加信号，也可以维持振荡输出。故这就表明，即使没有外加信号，也可以维持振荡输出。故自激振荡的条件为：自激振荡的条件为：()() ()1T

9、 jK jF j振荡器平衡条件振荡器平衡条件即：()120,1,2,TKFnT jKFn振幅平衡条件相位平衡条件4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓二、振荡器的平衡条件二、振荡器的平衡条件4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理在平衡状态中，电源共给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时，输出幅度将不再变化，因此振幅平衡条件决定了振荡器输出振幅大小。环路只有在某一特定频率上才能满足相位平衡条件，环路只有在某一特定频率上才能满足相位平衡条件，即即相位平衡条件决定了振荡器输出信号频率的

10、大小。相位平衡条件决定了振荡器输出信号频率的大小。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理二、振荡器的平衡条件二、振荡器的平衡条件以单调谐谐振放大器为例来看K(j)与F(j)的意义：令 ，则：,ocibUU UU()-()occcfLibbcUUI UK jYjZUUUIZL为放大器的负载阻抗：为放大器的负载阻抗：LjcLLcUZR eI Yf(j)为晶体管的正向转移导纳。为晶体管的正向转移导纳。 fjfbcfeYUIjY)(第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气

11、工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理二、振荡器的平衡条件二、振荡器的平衡条件()-()fLK jYjZLjLLZR e()fjffYjY e设与设与F(j)反号的反馈系数为反号的反馈系数为F(j)，即，即()()FjicUFjF eF jU 则 ()()()fLT jYjZ F j FFLj()e1fLY R F()()fLYjZ Fj振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为 120,1,2fLfLFY R Fnn 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾

12、涓涓顾涓涓4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理三、起振条件三、起振条件振荡器在实际应用时，不应有外加信号振荡器在实际应用时，不应有外加信号U Us s(s),(s),应当是振荡器应当是振荡器一加上电后即产生输出，那么初始的激励从哪里来？一加上电后即产生输出，那么初始的激励从哪里来？振荡器的振荡器的最初来源最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声电冲击及各种热噪声等。等。如：在加电时，晶体管电流由零突然增加，突变的电流包如：在加电时，晶体管电流由零突然增加，突变的电流包含有很宽的频谱分量，在他们通过负载回路时，只有频率含有很宽的频谱分

13、量，在他们通过负载回路时，只有频率等于回路谐振频率的分量可以产生较大的输出电压，而其等于回路谐振频率的分量可以产生较大的输出电压，而其他频率成分不会产生压降他频率成分不会产生压降,因此负载回路上产生的压降频率因此负载回路上产生的压降频率为回路的谐振频率。该压降通过反馈网络产生出较大的正为回路的谐振频率。该压降通过反馈网络产生出较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入端，再进行放反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入端，再进行放大，反馈，不断地循环。大，反馈，不断地循环。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.1 反馈振荡

14、器的原理反馈振荡器的原理三、起振条件三、起振条件为了使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号为了使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的大，即振荡开始时，应为增幅振荡，则比输入到放大器的大，即振荡开始时，应为增幅振荡，则()1T j起振条件为：起振条件为：()10,1,2,2fLTfLFT jYnR Fn起振的振幅条件起振的相位条件起振的相位条件也是正反馈条件第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理三、起振条件三、起振条件振荡器由增幅振荡过渡到稳幅振荡的过

15、程：振荡器由增幅振荡过渡到稳幅振荡的过程：信号较小时，晶体管工作在线性放大区，放大器的输信号较小时，晶体管工作在线性放大区，放大器的输出随输入的增加而线性增加出随输入的增加而线性增加信号增大到一定值时，晶体管工作在非线性放大区，此时信号增大到一定值时，晶体管工作在非线性放大区，此时输出信号幅度增加有限，即增益将随输入信号的增加而下输出信号幅度增加有限，即增益将随输入信号的增加而下降，当降，当 时，振荡器达到平衡状态。时，振荡器达到平衡状态。()1T j第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的

16、原理四、稳定条件四、稳定条件振荡器在工作的过程中不可避免的要受到外界各种因素的影振荡器在工作的过程中不可避免的要受到外界各种因素的影响，如温度改变，电源电压的波动等，这些波动将使放大器响，如温度改变，电源电压的波动等，这些波动将使放大器放大倍数和反馈系数改变，破坏了原来的平衡状态，对振荡放大倍数和反馈系数改变，破坏了原来的平衡状态，对振荡器的正常工作将会产生影响。器的正常工作将会产生影响。如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能在原平衡点附件如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能在原平衡点附件建立起新的平衡状态，则建立起新的平衡状态，则原平衡点是稳定原平衡点是稳定的；否则原平衡点的；否则原平衡点

17、是是不稳定的。不稳定的。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第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理四、稳定条件四、稳定条件 要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅阻止振幅变化变化的能力。的能力。 在平衡点附件，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益在平衡点附件，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益的模值应该减小，形成减幅振荡，从而阻止振幅的增大，的模值应该减小，形成减幅振荡，从而阻止振幅的增大，达到新的平衡。达到新的平

18、衡。反之，当不稳定因素使振幅减小时，环路增益的模值应该反之，当不稳定因素使振幅减小时，环路增益的模值应该增大，形成增幅振荡，从而阻止振幅的减小，达到新的平增大，形成增幅振荡，从而阻止振幅的减小，达到新的平衡。衡。振幅稳定条件振幅稳定条件第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓振幅稳定条件为：振幅稳定条件为：0iiAUUiTU4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理四、稳定条件四、稳定条件振幅稳定条件振幅稳定条件反馈网络为线性网络，即反馈系数反馈网络为线性网络，即反馈系数F大小不随输入信号改变，大小不随输入信号改变，故振幅稳定条

19、件也可写为：故振幅稳定条件也可写为：0iiAUUiKU第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理四、稳定条件四、稳定条件相位稳定条件相位稳定条件设振荡器原在设振荡器原在=1处处于平衡状态，即有：处处于平衡状态，即有：L1fF()0设有外因使反馈电压设有外因使反馈电压Ub的相位超前与原输入信号的相位超前与原输入信号Ub，即此，即此时时 0, f,即频率提高，假设提高到即频率提高，假设提高到2，则此时不满则此时不满足平衡条件。足平衡条件。此时此时 不变，要满足平衡条件，应使不变，要满足平衡条件

20、，应使 ，此，此时时 ，即，即Ub相位落后于相位落后于Ub， f,使频率使频率恢复到原来的频率恢复到原来的频率1fFLfFL2C2 L3C3 (2) L 1C1 L2C2L3C3（4）L 1C1 L2C2 L3C3f01f02f03当当f02fL2C2 L3C3f01f02f03当当f02ff03时，电路可能振荡时，电路可能振荡属于电感反馈振荡器属于电感反馈振荡器解：解：第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器一、振荡器的组成原则一、振荡器的组成原则解：解： （3）L 1C1 =L2C2L3C3f01=

21、f02f03 f01=f02ff03时，电路可能振荡时，电路可能振荡 属于电容反馈振荡属于电容反馈振荡(4) L 1C1 f02=f03此时电路不可能振荡。此时电路不可能振荡。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓 下图是一些常见振荡器的高频电路, 读者不妨 自行判断它们是由哪种基本线路演变而来的。 (d)Cbc(a)(b)(c)(e)(f)图 4 7 几种常见振荡器的高频电路 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器二、电容反馈振荡

22、器二、电容反馈振荡器1. 电路电路实际电路实际电路LC2C1V(b)交流等效电路交流等效电路Cb隔直电容；隔直电容；Lc通直断交；通直断交；Ce旁路电容；旁路电容；R1，R2，Re直流偏置电阻直流偏置电阻第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器二、电容反馈振荡器二、电容反馈振荡器2. 高频等效电路高频等效电路由于起振时，晶体管工作在小信号线性放大区，因此分析该电路时做由于起振时，晶体管工作在小信号线性放大区，因此分析该电路时做以下以下假设假设：忽略晶体管内部反馈的影响，即令忽略晶体管内部反馈的影响，即令

23、yre=0；忽略晶体管的输入电容，输出电容，或者将其包含在忽略晶体管的输入电容，输出电容，或者将其包含在C1，C2中；中；忽略忽略ic对对Ub的相移，用跨到的相移，用跨到gm代替代替Yfe；gL是除晶体管以外的电路中，所有电导折算到是除晶体管以外的电路中，所有电导折算到“C、E”两端的总电导；两端的总电导；第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器二、电容反馈振荡器二、电容反馈振荡器3. 分析分析（1）振荡频率）振荡频率1211mbcoeLieg UUggjwCj Lj Cg2b21U 1ieciej C

24、gUj Lj Cg2211cieULCj Lg第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器二、电容反馈振荡器二、电容反馈振荡器3. 分析分析1211mbcoeLieg UUggjwCj Lj Cg2b21U 1ieciej CgUj Lj Cg2211cieULCj Lg221T(j )12bmbieoeLieUgULCj LgggjwCj Cg（1）振荡频率）振荡频率第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器二、电容

25、反馈振荡器二、电容反馈振荡器3. 分析分析221T(j )12bmbieoeLieUgULCj LgggjwCj Cg令令 的虚部为的虚部为0，即其相位为，即其相位为0，得：，得：T(j )12()1ieoeLgggLCC C电路振荡频率电路振荡频率（1）振荡频率）振荡频率1212C CCCC01LC振荡频率可用回路振荡频率可用回路谐振频率来近似谐振频率来近似第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器二、电容反馈振荡器二、电容反馈振荡器3. 分析分析(2) 反馈系数反馈系数2121/|()|/bcFUIC

26、FkCCjUIC将将gie折算到放大器输出端，根据功率相等原则有：折算到放大器输出端，根据功率相等原则有：忽略忽略gie时，有：时，有：22ciebieU gUg22c()bieieFieUggkgU（3）总负载电导）总负载电导：2LFieoeLgK ggg1LR第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器二、电容反馈振荡器二、电容反馈振荡器3. 分析分析（4）起振条件）起振条件由由振荡器的振幅起振条件YfRLF1，有：1mLFg R k11mLLFFggR kk1()FieoeLFk gggk2LFieo

27、eLgK ggg只要设计电路时，使晶体管的跨导满足上式，振荡器只要设计电路时，使晶体管的跨导满足上式，振荡器就可以振荡，在就可以振荡，在gm，gie，goe一定时，可以通过调整一定时，可以通过调整F，gL来保证起振。来保证起振。F并非越大越好并非越大越好第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器二、电感反馈振荡器二、电感反馈振荡器1. 电路电路实际电路实际电路交流等效电路交流等效电路第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡

28、器振荡器二、电感反馈振荡器二、电感反馈振荡器2. 高频等效电路高频等效电路第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器3. 分析分析（1）振荡频率）振荡频率二、电感反馈振荡器二、电感反馈振荡器该振荡器的振荡频率同样可用回路的谐振频率近似表示，即该振荡器的振荡频率同样可用回路的谐振频率近似表示，即01LCMLLL221由相位平衡条件得到的振荡频率为：由相位平衡条件得到的振荡频率为：)(12211MLLgggLCLoeie0第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电

29、气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器3. 分析分析二、电感反馈振荡器二、电感反馈振荡器（1）振荡频率）振荡频率)(12211MLLgggLCLoeie耦合越紧密，耦合越紧密，M越大，越大，1越接近越接近 00第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器3. 分析分析二、电感反馈振荡器二、电感反馈振荡器（2）反馈系数）反馈系数工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响, 反馈系数的大小为 MLMLjGKF12)(（3）起振条件）起振条件gie等效到等效到C、E两端的等效导纳为：两端的等效导纳为：2()b

30、ieiecUggU2FieKg总导纳为：总导纳为：2LieoeieieoeFieggggggKg第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器3. 分析分析三、电感反馈振荡器三、电感反馈振荡器（3）起振条件）起振条件21LieoeFieLgggKgR由振幅起振条件有：由振幅起振条件有：1FmLK g R 11mLFLFggK RK1(mieoeFieFgggK gK）第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器电容反馈振荡

31、器与电感反馈振荡器的比较：电容反馈振荡器与电感反馈振荡器的比较：两种线路都比较简单，容易起振两种线路都比较简单，容易起振电容反馈振荡器的振荡频率可以做的较高，而电感反馈电容反馈振荡器的振荡频率可以做的较高，而电感反馈振荡器较低振荡器较低电感与极间电容并联，频电感与极间电容并联，频率高时，电抗性质改变，率高时，电抗性质改变，相位条件将不满足相位条件将不满足电容反馈振荡器产生的振荡电压波形及频率稳定电容反馈振荡器产生的振荡电压波形及频率稳定度比电感反馈振荡器产生的要好度比电感反馈振荡器产生的要好因为晶体管工作在非线性状态，回路中存在高次谐波，高次谐波在电因为晶体管工作在非线性状态，回路中存在高次谐

32、波，高次谐波在电容上的压降小，在电感上的压降大。容上的压降小，在电感上的压降大。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器电容反馈振荡器与电感反馈振荡器的比较：电容反馈振荡器与电感反馈振荡器的比较：电容反馈振荡器一般工作在固定频率，而电感反馈振荡电容反馈振荡器一般工作在固定频率，而电感反馈振荡器工作频率较宽，可作为波段用振荡器。（改变器工作频率较宽，可作为波段用振荡器。（改变C）一般改变一般改变C调节调节电容反馈电容反馈FCk一般工作在固定频率一般工作在固定频率电感反馈电感反馈C变化不影响变化不影响KF工

33、作频率宽工作频率宽2121/|()|/bcFUICFkCCjUIC第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器四、两种反馈型电容反馈振荡器四、两种反馈型电容反馈振荡器一般电容、电感反馈振荡器的缺陷：一般电容、电感反馈振荡器的缺陷：由于极间电容对电容反馈和电感反馈振荡器的回路电抗由于极间电容对电容反馈和电感反馈振荡器的回路电抗均有影响，从而对振荡器也会有影响。而极间电容受环均有影响，从而对振荡器也会有影响。而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，故电路的频率稳境温度、电源电压等因素的影响较大，故电路的

34、频率稳定度不高。定度不高。为了提高稳定度，需要对电路做改进以减少晶体管极间电为了提高稳定度，需要对电路做改进以减少晶体管极间电容对回路的影响。容对回路的影响。克拉拨振荡器克拉拨振荡器西勒振荡器西勒振荡器第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器四、两种反馈型电容反馈振荡器四、两种反馈型电容反馈振荡器克拉拨振荡器克拉拨振荡器实际电路实际电路交流等效电路交流等效电路Rc起隔离作用，也可用扼流圈；起隔离作用，也可用扼流圈；C3C3的条件下，电路振荡频率基本上与的条件下，电路振荡频率基本上与C1、C2无关，则无关

35、，则C3 稳定度稳定度C1、C2确定后，确定后，KF确定，确定， C3 p RL 振幅振幅C3较小较小变化范围小变化范围小1变小变小用于固用于固定频率或波段较窄的振荡器定频率或波段较窄的振荡器22301()LoCRp RRC311CCpCC由于电路中串入了比由于电路中串入了比C1、C2小得多的小得多的C3，故晶体管集电极与振荡回路，故晶体管集电极与振荡回路的耦合比电容三点式弱得多，虽有利于振荡频率的稳定，但对于起振条的耦合比电容三点式弱得多，虽有利于振荡频率的稳定，但对于起振条件却非常不利，在其他条件相同的情况下，该电路起振较困难。件却非常不利，在其他条件相同的情况下，该电路起振较困难。第第4

36、 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.2 LC振荡器振荡器四、两种反馈型电容反馈振荡器四、两种反馈型电容反馈振荡器西勒振荡器西勒振荡器实际电路实际电路交流等效电路交流等效电路主要特点：与电感L并联一可变电容C4 ，改变振荡器的工作波段C3 (310)fmax,fmax是振荡器最高工作频率第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.3 频率稳定度频率稳定度三、提高频率稳定度的措施三、提高频率稳定度的措施提高回路的品质因数LQ 相位越稳定相位越稳定 频率越稳定频率

37、越稳定减少电源、负载等的影响电源电压的波动,会使晶体管的工作点、电流发生变化,从而改变晶体管的参数,降低频率稳定度振荡荡器电源应采取稳压措施负载电阻并联在回路的两端,这会降低回路的品质因数,从而使振荡器的频率稳定度下降。应减小负载对回路的耦合，可以在负载与回路之间加射极跟随器。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.4 LC振荡器的设计方法振荡器的设计方法设计时应考虑的主要问题：设计时应考虑的主要问题： 振荡器实际上是一个具有反馈的非线性系统，精确计算振荡器实际上是一个具有反馈的非线性系统，精确计算是很复杂的，而且也是不必

38、要的。是很复杂的，而且也是不必要的。 振荡器的设计通常是进行一些设计考虑和近似估算，选振荡器的设计通常是进行一些设计考虑和近似估算，选择合理的线路和工作点，确定元件的数值，而工作状态和元择合理的线路和工作点，确定元件的数值，而工作状态和元件的准确数值需要在调整、调试中最后确定。件的准确数值需要在调整、调试中最后确定。1. 振荡器电路选择振荡器电路选择 振荡器线路主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择。 在短波范围,电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以采用。 要求波段范围较宽的信号产生器中常用电感反馈振荡器。 在频率稳定度要求较高，波段范围又不很宽的场合，常用克拉拨、西勒振荡器。 在短波、超短波

39、波段的通信设备中，常用电容反馈振荡器。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.4 LC振荡器的设计方法振荡器的设计方法2. 晶体管的选择晶体管的选择 从稳频的角度出发,应选择fT较高的晶体管,这样晶体管内部相移较小。 通常选择fT (310)f1max。同时希望电流放大系数大些,这既容易振荡,也便于减小晶体管和回路之间的耦合。3. 直流馈电线路的选择直流馈电线路的选择 为保证振荡器起振的振幅条件,起始工作点应设置在线性放大区; 从稳频出发,稳定状态应在截止区,而不应在饱和区,否则回路的有载品质因数QL将降低。所以,通常应将

40、晶体管的静态偏置点设置在小电流区,电路应采用自偏压。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.4 LC振荡器的设计方法振荡器的设计方法4. 振荡回路元件选择振荡回路元件选择 从稳频出发，电容从稳频出发，电容C尽可能大，但是尽可能大，但是C过大，不利于波段工作过大，不利于波段工作 电感电感L也应尽可能大，但是也应尽可能大，但是L大后，体积大，分布电容大，大后，体积大，分布电容大，L过小，过小，回路的品质因素太小，回路的品质因素太小，要合理选择要合理选择L，C 在短波范围，在短波范围，C：101000pF L：0.1100H第

41、第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓电容三点式的改进型“西勒振荡器”如图所示第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓5. 反馈回路元件选择反馈回路元件选择静态工作点通常应选择3 5fLY R F 当静态工作点确定后,Yf的值就一定,对于小功率晶体管可以近似为4.4 LC振荡器的设计方法振荡器的设计方法26cQfmIYgmV反馈系数的大小应在下列范围选择 F=0.11第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程

42、系顾涓涓顾涓涓4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英晶体振荡器是利用石英晶体谐振器作滤波元件构成石英晶体振荡器是利用石英晶体谐振器作滤波元件构成的振荡器，其振荡频率由石英晶体谐振器决定。的振荡器，其振荡频率由石英晶体谐振器决定。 石英晶体振荡器有很高的标准性和极高的品质因数，因石英晶体振荡器有很高的标准性和极高的品质因数，因此石英晶体具有较高的频率稳定度。此石英晶体具有较高的频率稳定度。一、一、石英晶体振荡器频率稳定度石英晶体谐振器与一般的谐振回路相比具有优良的特性,具体表现为: (1)石英晶体谐振器具有很高的标准性。 (2)石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小,一般为10-310-4

43、。 (3) 石英晶体谐振器具有非常高的Q值。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英晶体振荡器是利用石英晶体谐振器作滤波元件构成石英晶体振荡器是利用石英晶体谐振器作滤波元件构成的振荡器，其振荡频率由石英晶体谐振器决定。的振荡器，其振荡频率由石英晶体谐振器决定。 石英晶体振荡器有很高的标准性和极高的品质因数，因石英晶体振荡器有很高的标准性和极高的品质因数，因此石英晶体具有较高的频率稳定度。此石英晶体具有较高的频率稳定度。一、一、石英晶体振荡器频率稳定度石英晶体谐振器与一般的谐振回路相比

44、具有优良的特性,具体表现为: (1)石英晶体谐振器具有很高的标准性。 (2)石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小,一般为10-310-4。 (3) 石英晶体谐振器具有非常高的Q值。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓石英晶体谐振器石英晶体谐振器1. 物理特性石英晶体之所以能成为电的谐振器，是由于它具有压电效应。压电效应（正压电效应）当晶体受外力作用（如伸缩、切变、扭曲等）而变形时，就在它对面的表面上产生正负电荷，呈现出电压。反压电效应当晶体两面加电压时，晶体又会发生机械形变。交变电压周期性机械振动交变电压当所加电压频

45、率等于晶体本身固有的机械振荡频率时，压电效应最明显，即产生交变电压与机械振动共振，晶体振荡器正是基于这一原理。 高频电路中的基本电路高频电路中的基本电路第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓石英晶体谐振器石英晶体谐振器1.等效电路及阻抗特性 高频电路中的基本电路高频电路中的基本电路(1)等效电路(a)基频及各次泛音等效电路（b）谐振频率附近的等效电路由于各次谐振频率相隔较远，互相影响很小，因此在具体应用中，只需考虑某一频率附近的电路特性，如图（b）所示。与通常的谐振回路相比，晶体的参数 、 与一般的电感、电容有很大不同，这里

46、一般 很大， 很小。qLqCqLqC由图可知，晶体有两个谐振频率：串联谐振频率 和并联谐振 频率。qf0f第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓石英晶体谐振器石英晶体谐振器1.等效电路及阻抗特性 高频电路中的基本电路高频电路中的基本电路00000111122qqqqqqqqCCC CL CLCCfCfC由于 ， 与 非常接近。qf0f0qCC001(1)2qqCffC当 时，有：0/1qCC 002qqqqffCfffC相对频差为：接入系数接入系数：001qqqCCpCCC品质因素：qqqqLQr很大12qqqfL C串联谐

47、振频率：第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓石英晶体谐振器石英晶体谐振器1.等效电路及阻抗特性 高频电路中的基本电路高频电路中的基本电路qqqeLCLddddXq2)1(晶体振荡器的特点：（1）晶体的谐振频率 很稳定，因为晶体参数由其尺寸决定，受外界因素影响小；（2）品质因素很大；（3）接入系数很小（4）晶体在工作频率附近阻抗变化率很大，有很高的并联谐振阻抗。0qff、应用：除了可作振荡器的振荡回路外，还可以频率窄带滤波器当 或 时，回路呈容性； 当 时，回路呈感性。 qff0ff0qfff220220111qeeCjjX

48、Z第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器二、二、 晶体振荡器电路晶体振荡器晶体振荡器串联型串联型并联型并联型并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器皮尔斯振荡器皮尔斯振荡器第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器二、二、 晶体振荡器电路并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器当振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时晶体呈感性,该电路满足三端式振荡器的组成原则,而且该电路与电容反馈的振荡

49、器对应,通常称为皮尔斯(Pierce)振荡器。 皮尔斯振荡器 皮尔斯振荡器的工作频率应由C1、C2、C3及晶体构成的回路决定设外部电容为CL,由晶体电抗Xe与外部电容相等的条件,则:110eLXC1231111LCCCC皮尔斯振荡器皮尔斯振荡器第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器二、二、 晶体振荡器电路并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器110eLXC该图中有两个交点，靠近串联谐振频该图中有两个交点，靠近串联谐振频率率wq附近的附近的w1是稳定工作点。是稳定工作点。忽略晶体损耗时的电抗与实际

50、电抗忽略晶体损耗时的电抗与实际电抗Xe很接近，故振荡频率很接近，故振荡频率f1等于包括并等于包括并联电容在内的并联谐振频率。联电容在内的并联谐振频率。皮尔斯振荡器皮尔斯振荡器第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器二、二、 晶体振荡器电路CL与晶体静电容与晶体静电容C0并联，并联，引入等效接入系数引入等效接入系数pqqLoqLoCCpCCCCC 1(1)2qpff故改变故改变CL，可以微调，可以微调f11231111LCCCC一般电路中一般电路中C3C2、C1； CL主要由主要由C3决定决定

51、实际电路中，用与晶体串一小电容实际电路中，用与晶体串一小电容C3来微调振荡器。来微调振荡器。皮尔斯振荡器皮尔斯振荡器第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器二、二、 晶体振荡器电路并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器反馈系数反馈系数F：12CFC晶体的品质因数晶体的品质因数Qq很高很高 并联谐振电阻并联谐振电阻R0也很高也很高虽然接入系数虽然接入系数p很小，但等效到晶体管很小，但等效到晶体管c、e两端的阻抗两端的阻抗RL仍仍很高，因此放大器的增益较大，电路容易满足振幅起振条件。很高，因此放大器的

52、增益较大，电路容易满足振幅起振条件。皮尔斯振荡器皮尔斯振荡器第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓图419 并联型晶体振荡器的实用线路 20012 VC1V68 k3/15 pF20 pF15 k33 k7503DG6C300 pF4700 pF301 kC2f1(MHz)1515C1(pF)600350120C2(pF)750510320第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器二、二、 晶体振荡器电路并联型晶体振荡器并联

53、型晶体振荡器密勒振荡器密勒振荡器 EcVC2LCeC1 晶体与晶体管的低输入阻晶体与晶体管的低输入阻抗并联，降低了有载抗并联，降低了有载QL，频率，频率稳定度降低。稳定度降低。 只要晶体呈感性，即满足三只要晶体呈感性，即满足三端式振荡器的组成原则。端式振荡器的组成原则。 该电路类似于该电路类似于电感反馈振荡电感反馈振荡器，也称器，也称密勒振荡器密勒振荡器。密勒振荡器密勒振荡器 皮尔斯振荡器的频率稳定度较高，故常用的是皮皮尔斯振荡器的频率稳定度较高，故常用的是皮尔斯振荡器。尔斯振荡器。 当频率较高时，可采用当频率较高时，可采用泛音晶体泛音晶体构成。构成。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合

54、肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓二、二、 晶体振荡器电路1、并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器密勒振荡器密勒振荡器 图444是场效应管密勒振荡电路。 石英晶体作为电感元件连接在栅极和源极之间, 并联回路在振荡频率点等效为电感, 作为另一电感元件连接在漏极和源极之间, 极间电容gd作为构成电感三点式电路中的电容元件。由于gd又称为密勒电容, 故此电路有密勒振荡电路之称。 密勒振荡电路通常不采用晶体管, 原因是正向偏置时高频晶体管发射结电阻太小, 虽然晶振与发射结的耦合很弱, 但也会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性, 所以采用输入阻抗高的场效应管。 第第4

55、 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓二、二、 晶体振荡器电路1、并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器密勒振荡器密勒振荡器第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器二、二、 晶体振荡器电路并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器泛音晶体皮尔斯振荡器泛音晶体皮尔斯振荡器VLC13/15 pF430 pF220 pF20 pF5.6 H问题：如果需要电路工作在问题：如果需要电路工作在5次泛音频率次泛音频率上，则上，则LC回路的谐振频率应该在什么范

56、回路的谐振频率应该在什么范围？围？分析：要使该振荡器能够工作，则分析：要使该振荡器能够工作，则LC谐振回路必须呈谐振回路必须呈容性。容性。对于并联谐振回路有：对于并联谐振回路有：0ff容性容性0ff感性感性要使电容工作在要使电容工作在5次泛音频率上，则次泛音频率上，则LC回回路应该在路应该在5次泛音上呈容性次泛音上呈容性，并且在，并且在3次泛次泛音上应该呈感性音上应该呈感性，故谐振频率应满足：，故谐振频率应满足：03 5ffff是晶体基频是晶体基频第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓 泛音晶体皮尔斯振荡器泛音晶体皮尔斯振荡

57、器 从图中可以看到从图中可以看到, 在石英晶振的完整等效电路中在石英晶振的完整等效电路中, 不仅包含了基频串联谐振支不仅包含了基频串联谐振支路路, 还包括了其它奇次谐波的串联谐振支路还包括了其它奇次谐波的串联谐振支路, 这就是前面所说的石英晶振的多谐性。这就是前面所说的石英晶振的多谐性。但泛音晶体所工作的奇次谐波频率越高但泛音晶体所工作的奇次谐波频率越高, 可能获得的机械振荡和相应的电振荡越可能获得的机械振荡和相应的电振荡越弱。弱。 在工作频率较高的晶体振荡器中在工作频率较高的晶体振荡器中, 多采用泛音晶体振荡电路多采用泛音晶体振荡电路。 泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。泛音晶振电路与基频

58、晶振电路有些不同。 在泛音晶振电路中在泛音晶振电路中, 为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上音上, 不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡, 而且必须正而且必须正确地调节电路的环路增益确地调节电路的环路增益, 使其在工作泛音频率上略大于使其在工作泛音频率上略大于1, 满足起振条件满足起振条件, 而在更高的泛音频率上都小于而在更高的泛音频率上都小于1, 不满足起振条件。不满足起振条件。 基频及各次泛音等效电路第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息

59、与电气工程系顾涓涓顾涓涓 在实际应用时, 可在三点式振荡电路中, 用一选频回路来用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件代替某一支路上的电抗元件, 使这一支路在基频和低次泛音上使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则, 不能起振； 而在所需要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。 例如： 图4.4.5()给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。假设泛音晶振为五次泛音, 标称频率为MHz, 基频为MHz, 则1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样, 在 MHz 频率上, 1回路呈容性, 振荡电路满足组成法则。

60、对于基频和三次泛音频率来说, 1回路呈感性, 电路不符合组成法则, 不能起振。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓 而在七次及其以上泛音频率, LC1回路虽呈现容性, 但等效容抗减小, 从而使电路的电压放大倍数减小, 环路增益小于1, 不满足振幅起振条件。 LC1回路的电抗性如(b)图所示。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系顾涓涓顾涓涓场效应管晶体并联