高频电子线路第5章

1、第第5 5章章 高频振荡器高频振荡器5.1 概述概述5.2 反馈振荡器反馈振荡器5.3 三点式振荡器三点式振荡器5.4 振荡器频率稳定度振荡器频率稳定度5.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器5.6 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象 5.7 RC振荡器振荡器5.8 负阻振荡器负阻振荡器 振荡器振荡器就是自动地将直流能量转换为具有一定波形就是自动地将直流能量转换为具有一定波形参数的交流振荡信号的装置。和放大器一样也是能量转换参数的交流振荡信号的装置。和放大器一样也是能量转换器。它与放大器的区别在于，不需要外加信号的激励，其输器。它与放大器的区别在于，不需要外加信号的激励，其输出信号的频率，幅度和

2、波形仅仅由电路本身的参数决定。出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。振荡器振荡器分类分类正弦振荡正弦振荡低频正弦振荡器低频正弦振荡器高频正弦振荡器高频正弦振荡器微波振荡器微波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器矩形波振荡器矩形波振荡器三角波振荡器三角波振荡器锯齿波振荡器锯齿波振荡器5.1 5.1 概概 述述 应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生器）、计算机、医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器器）、计算机、医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用。都有着广泛的应用。 主要技术指标：主要技术指标： 1.振荡频率振荡

3、频率f及频率范围及频率范围: 2.频率稳定度频率稳定度:调频广播和电视发射机要求调频广播和电视发射机要求:10-510-7左右左右 标准信号源标准信号源:10-610-12 要实现与火星通讯要实现与火星通讯:10-11 要为金星定位要为金星定位:10-12 3.振荡的幅度和稳定度振荡的幅度和稳定度: 4. 4.频谱频谱: : 讨论内容讨论内容: 从振荡原理入手研究振荡器判据、寻求振荡条件的分析从振荡原理入手研究振荡器判据、寻求振荡条件的分析方法，讨论各种振荡电路，基本线索是振荡器的频率稳定度。方法，讨论各种振荡电路，基本线索是振荡器的频率稳定度。5.2 5.2 反馈振荡器反馈振荡器 正反馈是产

4、生自激振荡的必要条件。正反馈是产生自激振荡的必要条件。 而正反馈只是反而正反馈只是反馈放大器的特殊形式，我们试图将振荡器与反馈放大器联系馈放大器的特殊形式，我们试图将振荡器与反馈放大器联系起来起来，如图所示。，如图所示。)( sVo)( sVs)( sF)( sA)( sUf)( sUi 根据反馈理论，整个反馈放大器的根据反馈理论，整个反馈放大器的“闭环增益闭环增益”Af(s)为为)()()(1)()()(1)()()()(sDsAsTsAsFsAsAsVsVsAsof（5.2.1）其中其中)()()()()()(sVsUsFsUsVsAofio为放大器的电压增益为放大器的电压增益为反馈网络的

5、反馈系数为反馈网络的反馈系数)(1)()()()()()(sTsDsUsUsFsAsTif为环路电压增益为环路电压增益为反馈放大器的特征多项式为反馈放大器的特征多项式 由由(5.3.1)式可知，若令式可知，若令Vs(s)=0，则，则Af(s)趋于无穷，趋于无穷， 就是说就是说在在没有输入信号激励的情况下，就能自动地将直流能量转换为交没有输入信号激励的情况下，就能自动地将直流能量转换为交流能量。流能量。因此，我们说因此，我们说振荡器是反馈放大器的特殊形式振荡器是反馈放大器的特殊形式。0)()(1)()(1sDsTsFsA(5.2.2) 这就是这就是反馈放大器的特征方程反馈放大器的特征方程。解此方

6、程就可得振荡频解此方程就可得振荡频率、振幅平衡条件和起振条件。率、振幅平衡条件和起振条件。 欲满足振荡条件就必须欲满足振荡条件就必须FAAAf1(5.2.3)当其当其1FA时，时，就会产生自激振荡就会产生自激振荡。其。其振幅条件为：振幅条件为：相位条件为：相位条件为：.210 2arg1|，nnFAFAFA 要使振荡器能够起振要使振荡器能够起振，在刚接通电源后在刚接通电源后，1|FA，当达当达到平衡时到平衡时，1|FA。这就是振荡器振幅平衡条件这就是振荡器振幅平衡条件。 即即例：例： 单管互感耦合振荡器单管互感耦合振荡器 互感耦合振荡器互感耦合振荡器(或变压器反馈振荡器或变压器反馈振荡器)又称

7、为调谐型振又称为调谐型振荡器，根据回路荡器，根据回路(选频网络选频网络)的三极管不同电极的连接点又可的三极管不同电极的连接点又可分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。 这里我们只讨论集电极调谐型，而集电极调谐型又可这里我们只讨论集电极调谐型，而集电极调谐型又可分为共射和共基两种类型，均得到广泛应用。两者相比，共分为共射和共基两种类型，均得到广泛应用。两者相比，共基电路的功率增益较小，输入阻抗较低，所以难于起振，但基电路的功率增益较小，输入阻抗较低，所以难于起振，但截止频率较高。此外，共基电路内部反馈比较小，工作比较截止频率较高。此外，共基电路内

8、部反馈比较小，工作比较稳定。稳定。三种互感耦合振荡器三种互感耦合振荡器 以上三种电路，变压器的同名端如图所示。它必须满足以上三种电路，变压器的同名端如图所示。它必须满足振荡的相位条件，在此基础上适当调节反馈量振荡的相位条件，在此基础上适当调节反馈量M M以满足振荡以满足振荡的振幅条件。下面利用的振幅条件。下面利用“切环注入法切环注入法”判断电路是否满足相判断电路是否满足相位条件。位条件。 (1)(1)在电路中某一个合适的位置在电路中某一个合适的位置( (往往是放大器的输入端往往是放大器的输入端) )把电路断开，把电路断开，( (用用X X号表示号表示) )； (2)(2)在断开出的一侧在断开出

9、的一侧( (往往是放大器的输入端往往是放大器的输入端) )对地引入对地引入一个外加电压源一个外加电压源 , ,该电压源的频率从低到高覆盖回路的谐该电压源的频率从低到高覆盖回路的谐振频率；振频率； (3)(3)看经过放大器反馈网络之后转回到断开处另一侧对看经过放大器反馈网络之后转回到断开处另一侧对iU地的电压地的电压 是否与是否与 同相，为同相则其中必有某一个频率满同相，为同相则其中必有某一个频率满足自激振荡的相位条件足自激振荡的相位条件( (注意这里是实际方向注意这里是实际方向) )，电路有振荡，电路有振荡的可能。的可能。 如果电路又同时满足振幅条件就可以产生正弦振荡了。如果电路又同时满足振幅

10、条件就可以产生正弦振荡了。 fUiU5.3 5.3 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构成的振荡器则称为电容三点式依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式振荡器，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构成的振荡器则称为电感三点式依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式振荡器，又称振荡器，又称哈特莱哈特莱振

11、荡器。振荡器。 构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电压。压。5.3.1 5.3.1 构成三点式振荡器的原则构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 为了满足相位条件，回路引出的三个端点应如何与晶体为了满足相位条件，回路引出的三个端点应如何与晶体管的三个电极相连接？管的三个电极相连接？ 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，（谐振回路谐振时呈现

12、纯电阻性），于是有（谐振回路谐振时呈现纯电阻性），于是有cbcbbebececejXZjXZjXZcbbececbbeceXXXXXX0即即（5.3.2）（5.3.3）（5.3.1）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。oUiUfUoUcebecebeofXXjXIjXIUUF5.3.4 因此，因此，Xbe必须与必须与Xce同性质同性质，才能保证才能保证 与与 反相反相。 由由5.3.3和和5.3.4式，归结起来，式，归结起来，Xbe

13、和和Xce性质相同性质相同；Xcb和和Xce、Xbe性质相反性质相反。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。也也可以这样来记忆，可以这样来记忆，与发射极相连接的两个电抗性质相同与发射极相连接的两个电抗性质相同，另另一个电抗则性质相反一个电抗则性质相反。fUoU5.3.2 5.3.2 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

14、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。下为偏置电阻。下面分析该电路的振荡条件，图面分析该电路的振荡条件，图 (a)画了交流等效电路。画了交流等效电路。(b)为为Y参数等效电路。参数等效电路。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 容易判断振荡器属并容易判断振荡器属并- -并联接，电压取样电流求和的反并联接，电压取样电流求和的反馈放大器。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

15、，显然sILIooifLoriisUyUyIUyUyI5.3.5式中，式中，yi网络网络aa-bb的大信号输入导纳；的大信号输入导纳； 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， 只不过是虚构的。因为振荡器工作时无只不过是虚构的。因为振荡器工作时无须外加信号激励电流，即须外加信号激励电流，即 由于未接负载，故由于未接负载，故 ，而而 。意味着式。意味着式5.3.5是线性齐次方程。即是线性齐次方程。即00oiUU，LsII,，0

16、sI0LI 其系数行列式为其系数行列式为0 0，即，即00ooiforiiUyUyUyUy0y y o rfiyy.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 y y y oereonrnoereoronfnferniniefninfeiefiyyyyyyyyyyyy 式中，式中，e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5.3.8 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

17、个网络的电压、电流方向符合电压取样、电流求和的条件。件。 5.3.9式中式中ye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，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 0fnfernreonoeinieyyyyyyyy（5.3.9）oerng g0 ieegy （5.3.10） 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

18、LjCjUIyLjUIyLjUIyLjCjUIyioioUooonUiofnUoirnUiiin1111100020（5.3.11） 将式将式 5.3.10和和5.3.11代入式代入式5.3.9得得 0111112LjgLjLjCjgLjCjgrnoeie整理得整理得无源网络无源网络5.3.12021212221LCCCCggjLggggCgCoeieoeiernoeie 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211CgCgLCoeieg5.3.13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

19、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，可求得其振幅振幅平平衡条件为衡条件为LC1ieoemgCCgCCg2112（5.3.14） 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ieoemmgCCgCCgg2112min（5.3.15）因因2112CCCjICjIUUFof（5.3.16）代入上式得代入上式得 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

20、与晶体管的输入导纳还与晶体管的输入导纳gie有关有关。ieoemmFggFgg1min（5.3.17）fU 不能简单地认为反馈系数越大，就越易起振，而应该有不能简单地认为反馈系数越大，就越易起振，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一定范围。另外反馈系数的大小还会影响振荡波形的好坏，反馈系数过大会产生较大的波形失真。通常坏，反馈系数过大会产生较大的波形失真。通常F0.011且一般取得较小。且一般取得较小。5.3.3 5.3.3 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 电感三点式振荡器电路如图所示。通常电感三点式振荡器电路如图所示。通常L1、L2同绕在一同绕

21、在一个骨架上，它们之间存在着互感，且耦合系数个骨架上，它们之间存在着互感，且耦合系数M1。电感三点式等效电路电感三点式等效电路 电感三点式振荡器的等效电路如下，电感三点式振荡器的等效电路如下， 是从是从L2取得的取得的,故称为电感反馈三点式振荡器。故称为电感反馈三点式振荡器。fU电感三点式等效电路电感三点式等效电路 下面利用基尔霍夫定律列出网孔方程来分析其振荡条件下面利用基尔霍夫定律列出网孔方程来分析其振荡条件. .由图由图 (c)列出回路方程：列出回路方程：012010121121122ICjMjLjLjILjMjILjMjIMjLjILjGIGGGMjIMjLjIMjILjGcbcoebo

22、eiemcbie5.3.19 令上面方程组系数行列式令上面方程组系数行列式D D的虚部等于零，得的虚部等于零，得0 1 2122121MLLCCMLLGGoeie得得221212 21MLLGGCMLLoeieg5.3.20 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。通常2212122MLLGGMLLCoeie故故LCg15.3.21式中式中L=L1+L2+2M 为求起振条件，令为求起振条件，令.19式的系数行列式的实部等于式的系数行列式的实部等于0 0，即即022221222oeoeiemieGLM

23、MLMLGGGGML可得振荡平衡条件可得振荡平衡条件MLMLGMLMLGGieoem12215.3.22因此振荡条件是因此振荡条件是 MLMLGMLMLGggieoemm1221min5.3.23 故起振条件可写成：故起振条件可写成：1212F NNMLMLUUofieoemmgFgFgg1min.25 至于反馈系数的选取，为兼顾振荡的振荡波形，通常取至于反馈系数的选取，为兼顾振荡的振荡波形，通常取F=0.10.5。5.3.4 5.3.4 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1。电路结构与调试电路结构与调试。 两者电路都简单。起振调试时，电感反馈振

24、荡两者电路都简单。起振调试时，电感反馈振荡器只要改变线圈抽头的位置就可以改变反馈系数器只要改变线圈抽头的位置就可以改变反馈系数F，电容反馈振荡器需要改变电容反馈振荡器需要改变C1、C2的比值。的比值。5.3.4 5.3.4 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2。输出波形质量输出波形质量。 振荡器在稳定振荡时，晶体管工作在非线性状态，在回振荡器在稳定振荡时，晶体管工作在非线性状态，在回路上会有高次谐波存在。对于电容三点式振荡器，由于反馈路上会有高次谐波存在。对于电容三点式振荡器，由于反馈是由电容产生的，是由电容产生的，高次谐波在电容上产生的反馈压降较小高次谐波在电容

25、上产生的反馈压降较小；而对于电感三点式振荡器，反馈是由电感产生的，所以，而对于电感三点式振荡器，反馈是由电感产生的，所以，高高次谐波在电感上产生的反馈压降较大次谐波在电感上产生的反馈压降较大。即电感三点式振荡器。即电感三点式振荡器输出的谐波较电容三点式振荡器的大，因而电容三点式振荡输出的谐波较电容三点式振荡器的大，因而电容三点式振荡器的输出波形比电感三点式振荡器的输出波形要好。器的输出波形比电感三点式振荡器的输出波形要好。 5.3.4 5.3.4 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3。频率调整频率调整。 通过改变电容能够调整振荡频率。电容三点式振荡器在通过改变电容

26、能够调整振荡频率。电容三点式振荡器在改变频率时，反馈系数也将改变，影响了振荡器的振幅起振改变频率时，反馈系数也将改变，影响了振荡器的振幅起振条件，故一般工作在固定频率；电感三点式振荡器改变频率条件，故一般工作在固定频率；电感三点式振荡器改变频率时，不影响反馈系数，因而工作频带较电容三点式振荡器要时，不影响反馈系数，因而工作频带较电容三点式振荡器要宽。但工作频带不会很宽，因为改变频率，将改变回路的谐宽。但工作频带不会很宽，因为改变频率，将改变回路的谐振阻抗，可能是振荡器停振。振阻抗，可能是振荡器停振。 5.3.4 5.3.4 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4。振

27、荡频率振荡频率。 由于晶体管存在极间电容，对于电感三点式振荡器，极由于晶体管存在极间电容，对于电感三点式振荡器，极间电容与回路电感并联，在频率高时极间电容影响大，有可间电容与回路电感并联，在频率高时极间电容影响大，有可能使电抗的性质改变，故电感反馈振荡器的振荡频率不能过能使电抗的性质改变，故电感反馈振荡器的振荡频率不能过高；对于电容三点式振荡器，极间电容与回路电容并联，不高；对于电容三点式振荡器，极间电容与回路电容并联，不存在电抗性质改变的问题，故振荡频率可以较高。存在电抗性质改变的问题，故振荡频率可以较高。 不管是电感三点式还是电容三点式振荡器，晶体管的输不管是电感三点式还是电容三点式振荡器

28、，晶体管的输入输出电容（极间电容）分别与回路的两个电抗元件并联，入输出电容（极间电容）分别与回路的两个电抗元件并联，影响回路的等效电抗元件参数，从而影响振荡频率。而极间影响回路的等效电抗元件参数，从而影响振荡频率。而极间电容随环境温度、电源电压等因素而变化，因而两种振荡器电容随环境温度、电源电压等因素而变化，因而两种振荡器的频率稳定度都不高，约在的频率稳定度都不高，约在1010-3-3量级。那么如何提高频率稳量级。那么如何提高频率稳定度呢定度呢? ? 5.3.5 5.3.5 改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器 事实上，前面研究的两种振荡器，其振荡频率事实上，前面研究的两种振荡器，其振

29、荡频率不仅取不仅取决于决于LCLC回路回路参数，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，而晶体管的参数又随环流温度、电源电压的变化有关，而晶体管的参数又随环流温度、电源电压的变化而变化，因此其频率稳定度不高。而变化，因此其频率稳定度不高。 以电容三点式振荡器为例，如图所示，以电容三点式振荡器为例，如图所示，Cie和和Coe分别与分别与回回路电容并联，其振荡频率可近似写成路电容并联，其振荡频率可近似写成)()(12121ieoeieoegCCCCCCCCL5.3.26晶体管电容晶体管电容Coe、Cie 对振荡频率的影响对振荡频率的影响5.3.5 5.

30、3.5 改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器 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？ 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。1. 这种方法只适用于频率不高的场合。这种方法只适用于频率不高的场合。 同时减小接入系数同时减小接入系数pce和和pbe，减小晶体管与回路之间的耦合，减小晶体管与回路之间的耦合， 而又不改变反馈系数，这就是下图所示的克拉泼而又不改变反馈系数，这就是下图所示的克拉泼(Clapp)振振 荡器。荡器。这种电路就是在电容三点式的基础上进行了改进，这种电路就是在电容三点

31、式的基础上进行了改进， 在在L支路中串接一个可变的支路中串接一个可变的小电容器小电容器C3，所以又叫做串联所以又叫做串联型型2. 电容三点式反馈振荡器电容三点式反馈振荡器。克拉泼振荡器克拉泼振荡器R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C3(b)LRoC1C2C3V分析：分析：3231, CCCC振荡频率为振荡频率为LCg1则有则有332111111CCCCC3g1 LC5.3.29 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。于是可于是可以通过以通过增加增加C1、C2来减小晶体管极间电容对频率的影响来减小晶体管极间电容对频率的影响，提高提高了频率稳定度了频率稳

32、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C1、C2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；同时，；同时， C1、C2只是回路的一部分，晶体管以部分接入的形式与回路连接，只是回路的一部分，晶体管以部分接入的形式与回路连接，介入系数小，减弱了晶体管与回路之间的耦合。介入系数小，减弱了晶体管与回路之间的耦合。但是，但是， C1、C2不能过大。为什么？不能过大。为什么？021302)(RCCRpRceL回路的谐振电阻回路的谐振电阻 等效到晶体管等效到晶体管ce两端的负载电阻两端的负载电阻 为：为：LR0RC1过大，过大， 很

33、小，放大器增益就较低，环路增益也就较低，很小，放大器增益就较低，环路增益也就较低，可能使振荡器停振或输出信号幅度变化。可能使振荡器停振或输出信号幅度变化。C2过大，反馈系数减小，也可能使振荡器停振。过大，反馈系数减小，也可能使振荡器停振。LR 克拉泼振荡器的回路总电容主要有克拉泼振荡器的回路总电容主要有C3 决定。改变决定。改变C3 就可就可调整频率。但克拉泼振荡器存在的问题是：当增大调整频率。但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，难于起振，且振荡器的输出信号幅时引起振荡幅度下降，难于起振，且振荡器的输出信号幅度不稳定。度不稳定。 那么如何解决这一问题呢？那

34、么如何解决这一问题呢？ 在电感在电感L L两端并联一个可变电容两端并联一个可变电容C4 ，用以改变振荡频率用以改变振荡频率，而保持而保持C3不变。这就是不变。这就是西勒西勒(Seiler)振荡器振荡器。由于电容与电感。由于电容与电感L并联，所以该电路也叫并联，所以该电路也叫并联型电容三点式反馈振荡器并联型电容三点式反馈振荡器。 西勒振荡器西勒振荡器R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C4(b)LC1C2C3VC3C4V 由于由于C C1 1、C C2 2远小于远小于C C4 4， C C3 3远小于远小于C C1 1 、C C2 2 ，所以回路总电容为，所以回路总电容为432141111C

35、CCCCC4g1 LCCCCCCCCCCpce西勒振荡器的接入系数西勒振荡器的接入系数Pce与克拉泼振荡器的相同与克拉泼振荡器的相同可见，只需改变可见，只需改变C4就可以改变振荡频率，而不影响接入系数，就可以改变振荡频率，而不影响接入系数，所以西勒振荡器的在波段内输出信号幅度较稳定。所以西勒振荡器的在波段内输出信号幅度较稳定。改变改变C4 ，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率可调范围也，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率可调范围也较大。较大。 C40，通过改变，通过改变C4就可以调整频率；就可以调整频率； pce与与C4无关，改变无关，改变C4不会影响不会影响pce，

36、这样，改变频率时在，这样，改变频率时在波段内振荡幅度变化不大。因此，作为波段振荡器的波段覆波段内振荡幅度变化不大。因此，作为波段振荡器的波段覆盖可以较宽，且在波段内幅度较均匀，其工作频率也较高，盖可以较宽，且在波段内幅度较均匀，其工作频率也较高，可达到数百兆赫。这是一种性能较好的振荡器。可达到数百兆赫。这是一种性能较好的振荡器。 C3的选取应综合考虑波段覆盖系数、频率稳定度和起振，的选取应综合考虑波段覆盖系数、频率稳定度和起振，在保证起振的条件下，在保证起振的条件下，C3应选得小一点好。应选得小一点好。 在实际中，西勒振荡器用的较多。在实际中，西勒振荡器用的较多。 结论：结论：5.4 5.4

37、振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 频率稳定度是振荡器非常重要的电气指标之一。例如电频率稳定度是振荡器非常重要的电气指标之一。例如电子钟时钟频率不稳，直接影响计时的精度；子钟时钟频率不稳，直接影响计时的精度；FMFM广播如广播如FMFM发射发射频率非常稳定，就可实现自动播音，取代有线广播。频率非常稳定，就可实现自动播音，取代有线广播。5.4.1 频率准确度和频率稳定度频率准确度和频率稳定度 评价振荡频率的主要指标是频率准确度和稳定度。评价振荡频率的主要指标是频率准确度和稳定度。 频率准确度频率准确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度。它表明实际工作频率偏离标称频率的程度。它可以分为绝对频率准

38、确度和相对频率准确度。可以分为绝对频率准确度和相对频率准确度。定义：定义：绝对频率准确度绝对频率准确度offf相对频率准确度相对频率准确度ooofffff.2 式中，式中，f f为实际工作频率，为实际工作频率，f fo o为标称频率。为标称频率。 频率稳定度频率稳定度：是在指定时间间隔内频率准确度变化的最是在指定时间间隔内频率准确度变化的最大值大值。也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度。常用相对。常用相对频率稳定度表示。频率稳定度表示。时间间隔oofffmax|5.4.3 频率稳定度按时间间隔分为频率稳定度按时间间隔分为: 长期频率稳定度长期

39、频率稳定度数月或一年内的相对频率准确度数月或一年内的相对频率准确度; 短期频率稳定度短期频率稳定度一天内的相对频率稳定度一天内的相对频率稳定度; 瞬时频率稳定度瞬时频率稳定度秒或毫秒内的相对频率稳定度。秒或毫秒内的相对频率稳定度。 均方根值表示法：它是用在指定的时间间隔内测得的各频均方根值表示法：它是用在指定的时间间隔内测得的各频率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。即率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。即 nioonffffn12215.4.4 式中式中, n为测量次数，为测量次数，off为为n个测量数据的平均值。个测量数据的平均值。 频率稳定度数据处理方法频率稳定度数据处理方

40、法:5.4.2 5.4.2 频率稳定度分析频率稳定度分析 为寻求提高频率稳定度的途径，就必须找出引起频率不为寻求提高频率稳定度的途径，就必须找出引起频率不稳的因素。稳的因素。 1. 1. 不稳定因素也会破坏相位平衡条件。如电流电压的波不稳定因素也会破坏相位平衡条件。如电流电压的波动或者工作点的变化会使晶体管动或者工作点的变化会使晶体管Y Yfefe的相角的相角fefe发生变化。相发生变化。相角的变化必然会引起频率的变化。角的变化必然会引起频率的变化。 例如温度、湿度、电源电压、负载等的变化以及机械例如温度、湿度、电源电压、负载等的变化以及机械 振动的影响都有可能引起回路元件参数振动的影响都有可

41、能引起回路元件参数(L、C、Q等等)。有。有源源2. 器件参量和相角器件参量和相角 、 、 发生变化，而使发生变化，而使发生变化。发生变化。YZF5.4.3 5.4.3 提高频率稳定度的措施提高频率稳定度的措施 减小外界因素变化的措施减小外界因素变化的措施 影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动，环境温影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动，环境温度度 的变化、湿度及大气压力的变化、电源电压的变化、周围的变化、湿度及大气压力的变化、电源电压的变化、周围电电 磁场的影响、负载不稳定等。磁场的影响、负载不稳定等。 (1)机械振动：回路线圈、电容应具有较高的机械强度，机械振动：回路线圈、电容应具有较

42、高的机械强度，底板和屏蔽罩必须结实。元器件焊接牢固。加防震措施和调底板和屏蔽罩必须结实。元器件焊接牢固。加防震措施和调谐回路锁定装置。谐回路锁定装置。 (2)温度：将主要元器件放在恒温槽中。合理选择回路元温度：将主要元器件放在恒温槽中。合理选择回路元件的材料，如选用膨胀系数小的金属材料和介质材料。采用件的材料，如选用膨胀系数小的金属材料和介质材料。采用正负温度补偿。也可用热敏电阻稳定偏置。正负温度补偿。也可用热敏电阻稳定偏置。 (3)湿度和大气压力：将振荡器和主要元件密封，还可选湿度和大气压力：将振荡器和主要元件密封，还可选用吸潮性较小的介质和绝缘材料。用吸潮性较小的介质和绝缘材料。 (4)电

43、源电压：采用性能好的稳压电源，振荡器单独供电。电源电压：采用性能好的稳压电源，振荡器单独供电。 (5)周围电磁场的影响：采用电磁屏蔽措施。周围电磁场的影响：采用电磁屏蔽措施。 (6)负载变化：加缓冲级（跟随器）。负载变化：加缓冲级（跟随器）。 (7)老化：预先对元器件进行老化处理。老化：预先对元器件进行老化处理。 (1) 采用高质量的回路元件采用高质量的回路元件 目前使用较广的是在高频陶瓷上用烧渗银的方法制成的目前使用较广的是在高频陶瓷上用烧渗银的方法制成的电感线圈。其特点是损耗小且温度膨胀系数小，吸水性小。电感线圈。其特点是损耗小且温度膨胀系数小，吸水性小。高质量的电容则采用膨胀系数小的金属

44、（如殷钢）作极片的高质量的电容则采用膨胀系数小的金属（如殷钢）作极片的空气电容或云母电容器。还可以采用温度补偿的方法。空气电容或云母电容器。还可以采用温度补偿的方法。2.2.提高电路抗外界因素影响的能力提高电路抗外界因素影响的能力 (2) 减小分布电容和引线电感减小分布电容和引线电感。引线尽可能短，且应有。引线尽可能短，且应有足够的机械强度，各引线和元器件的连接和安装尽可能牢靠。足够的机械强度，各引线和元器件的连接和安装尽可能牢靠。 (3) 减小不稳定电容对回路标准性的影响，即减小不稳减小不稳定电容对回路标准性的影响，即减小不稳定电容在回路中所占的比重定电容在回路中所占的比重。可以有两种方法，

45、一是降低振。可以有两种方法，一是降低振荡频率，可选的集中参数电容容量大，降低不稳定电容占回荡频率，可选的集中参数电容容量大，降低不稳定电容占回路总电容量的比重。所以，为了提高频率稳定度，在无线电路总电容量的比重。所以，为了提高频率稳定度，在无线电设备中总是希望主振器工作在较低的频段，然后采用倍频的设备中总是希望主振器工作在较低的频段，然后采用倍频的方法达到规定的频率。另外一种方法是在满足起振的条件下方法达到规定的频率。另外一种方法是在满足起振的条件下尽量减小回路与负载、有源器件之间的耦合，即采用部分接尽量减小回路与负载、有源器件之间的耦合，即采用部分接入的方法。入的方法。 (4) 提高回路的有

46、效提高回路的有效Q值值。采用先进工艺提高线圈本身。采用先进工艺提高线圈本身的的Q值。值。5.5 5.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英谐振器的符号和等效电路如图所示。其串联石英谐振器的符号和等效电路如图所示。其串联谐振频谐振频率为率为qqqCLf21Crq Cq Lq JT b a xo 容性 O 容性 q p 感性 当等效电路并联时，并联谐振频率为：当等效电路并联时，并联谐振频率为：000121CCfCCCCLfqqqqqp石英谐振器的电抗石英谐振器的电抗-频率特性如图所示频率特性如图所示5.5.1 5.5.1 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 把晶体作为一个感性元件置于反馈网络

47、的振荡电路中，把晶体作为一个感性元件置于反馈网络的振荡电路中，与其他回路元件一起构成三点式振荡器。与其他回路元件一起构成三点式振荡器。 并联型石英晶体正弦波振荡电路的电路原理如图。振荡并联型石英晶体正弦波振荡电路的电路原理如图。振荡电路的选频网络由石英晶体和电容电路的选频网络由石英晶体和电容C1、C2组成。电路的交流组成。电路的交流等效电路如图等效电路如图(b)所示。图中所示。图中Rb=Rb1Rb2。该等效电路类似。该等效电路类似于改进型电容三点式振荡器。其振荡频率为于改进型电容三点式振荡器。其振荡频率为/0/0021CCCCCCLfqqq式中式中2121/CCCCC并联石英晶体振荡器及等效电

48、路并联石英晶体振荡器及等效电路.2串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器这种振荡器类似于三点式振荡器，区别就是两个分压电容这种振荡器类似于三点式振荡器，区别就是两个分压电容C1、C2的中间抽头通过石英谐振器接到晶体管的发射极，的中间抽头通过石英谐振器接到晶体管的发射极，完成正反馈的作用。完成正反馈的作用。石英晶体在串联谐振时阻抗接近于零，石英晶体在串联谐振时阻抗接近于零，可认为是短路，此时正反馈最强，满足振荡条件。可认为是短路，此时正反馈最强，满足振荡条件。5.6 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象 5.6.1 寄生振荡寄生振荡 振荡器电路中产生的各种非需要的频率的振荡。振

49、荡器电路中产生的各种非需要的频率的振荡。 在高频放大器或振荡器中在高频放大器或振荡器中, ,由于某种原因由于某种原因, ,会产生不需要会产生不需要的振荡信号的振荡信号, ,这种振荡称为寄生振荡。如第这种振荡称为寄生振荡。如第3 3章介绍的小信章介绍的小信号放大器稳定性时所说的自激号放大器稳定性时所说的自激, ,即属于寄生振荡。即属于寄生振荡。 产生寄生振荡的形式和原因是各种各样的产生寄生振荡的形式和原因是各种各样的, ,有单级和多有单级和多级振荡级振荡, ,有工作频率附近的振荡或者是远离工作频率的低频有工作频率附近的振荡或者是远离工作频率的低频或超高频振荡。或超高频振荡。 消除寄生振荡的根本措

50、施是破坏振荡电路在寄生振荡频消除寄生振荡的根本措施是破坏振荡电路在寄生振荡频率上的振荡条件。率上的振荡条件。 LcC2C3C1EcLbL1R(a)(b)VLcCbcLb0uct(c)V（1）低频寄生振荡）低频寄生振荡 产生的原因：电路中电感量很大的扼流圈和容量很大的产生的原因：电路中电感量很大的扼流圈和容量很大的隔直流电容所决定的频率远低于工作频率。隔直流电容所决定的频率远低于工作频率。 消除措施：尽可能减少扼流线圈的电感量，以降低寄生消除措施：尽可能减少扼流线圈的电感量，以降低寄生振荡回路的谐振阻抗；在扼流线圈两端并一大电阻或串联一振荡回路的谐振阻抗；在扼流线圈两端并一大电阻或串联一小电阻以

51、降低其小电阻以降低其Q值，通过增加损耗来破坏其振幅条件等。值，通过增加损耗来破坏其振幅条件等。（2）超高频寄生振荡）超高频寄生振荡 产生的原因：晶体管的极间电容、分布电容以及引线电产生的原因：晶体管的极间电容、分布电容以及引线电感的影响所致。感的影响所致。 消除措施：元件的排列和布线合理，避免出现放大器输消除措施：元件的排列和布线合理，避免出现放大器输入和输出回路之间的耦合。入和输出回路之间的耦合。PCBPCB板采用短而粗的引线，以减板采用短而粗的引线，以减小引线电感；在基极或集电极上串一个小的无感电阻，以降小引线电感；在基极或集电极上串一个小的无感电阻，以降低低Q Q值，消除振荡的可能发生等

52、。值，消除振荡的可能发生等。 对工作频率附近的寄生振荡，可通过合理设计放大器并对工作频率附近的寄生振荡，可通过合理设计放大器并采用失配法和中和法来消除。采用失配法和中和法来消除。5.6.2 间歇振荡间歇振荡 LCLC振荡器在建立振荡的过程中振荡器在建立振荡的过程中, ,有两个互有联系的暂态有两个互有联系的暂态过程过程, ,一个是回路上高频振荡的建立过程一个是回路上高频振荡的建立过程; ;另一个是偏另一个是偏压的建立过程。回路有储能作用压的建立过程。回路有储能作用, ,要建立稳定的振荡器要建立稳定的振荡器需要有一定的时间。需要有一定的时间。5.6.3 振荡器的占据现象振荡器的占据现象 在一般在一

53、般LCLC振荡器中振荡器中, ,若从外部引入一频率为若从外部引入一频率为f fs s的信的信号号, ,当当f fs s接近振荡器原来的振荡频率接近振荡器原来的振荡频率f f1 1时时, ,会发生占据现会发生占据现象象, ,表现为当表现为当f fs s接近接近f f1 1时时, ,振荡器受外加信号影响振荡器受外加信号影响, ,振荡振荡频率向接近频率向接近f fs s的频率变化的频率变化, ,而当而当f fs s进一步接近原来进一步接近原来f f1 1时时, ,振荡频率甚至等于外加信号频率振荡频率甚至等于外加信号频率f fs s, ,产生强迫同步。产生强迫同步。 当要求产生频率在几十千赫以下的正弦

54、波信号时当要求产生频率在几十千赫以下的正弦波信号时, 如仍采如仍采用回路作选频网络用回路作选频网络, 则所需回路电感量很大则所需回路电感量很大, 使元件体积使元件体积增大增大, 且使用不方便。且使用不方便。 这时这时, 可以改用电路作选频网络可以改用电路作选频网络, 同同时采用晶体管或集成电路作为放大器时采用晶体管或集成电路作为放大器, 组成振荡器。组成振荡器。振荡器也是一种反馈型振荡器振荡器也是一种反馈型振荡器, 用于产生低频正弦波信号。用于产生低频正弦波信号。 下表是三种常用的选频网络电路及其电压传输系数下表是三种常用的选频网络电路及其电压传输系数（j）和频率特性。其中）和频率特性。其中,

55、 导前移相电路和滞后移相电路分导前移相电路和滞后移相电路分别具有高通滤波和低通滤波的特性别具有高通滤波和低通滤波的特性, 其幅频特性分别是单调递其幅频特性分别是单调递增和单调递减曲线增和单调递减曲线, 选频特性很差；选频特性很差； 串并联选频电路具有类似串并联选频电路具有类似回路的带通滤波特性回路的带通滤波特性, 但选择性能不如回路。但选择性能不如回路。 三种三种电路均具有负斜率的相频特性电路均具有负斜率的相频特性, 满足振荡器的相位稳定条件。满足振荡器的相位稳定条件。 5.7 振 荡 器 5.7.1 文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器 由上图可知由上图可知, 串并联选频电路在串并联选频电路在=0处

56、的相移为零处的相移为零, 所以所以, 为了形成正反馈为了形成正反馈, 必须采用同相放大器。通常可以采用两级共必须采用同相放大器。通常可以采用两级共射电路组成射电路组成, 或者采用同相集成运算放大器。后者所组成的振或者采用同相集成运算放大器。后者所组成的振荡电路如下图所示。（）图可以改画成如（）图所示的荡电路如下图所示。（）图可以改画成如（）图所示的文氏电桥电路形式文氏电桥电路形式, 因而称为文氏电桥振荡器。因而称为文氏电桥振荡器。 与振荡器相同与振荡器相同, 振荡器也必须满足起振、振荡器也必须满足起振、 平衡和平衡和稳定三个条件。稳定三个条件。 文氏电桥振荡器的反馈系数（即串并联选频电路的传输

57、文氏电桥振荡器的反馈系数（即串并联选频电路的传输系数）为：系数）为：)(3100wwwwjF其中振荡角频率其中振荡角频率RCw10或RCf210所以所以200)(911wwwwF 所以所以, 在在N()= 处处, 有有1=0.30, 2=3.30。21 可见可见, 串并联选频电路的幅频特性不对称串并联选频电路的幅频特性不对称, 且选择性较差。且选择性较差。 由于串并联选频电路组成的反馈网络在振荡频率由于串并联选频电路组成的反馈网络在振荡频率0处的增处的增益为益为, 所以同相运放的起始增益必须大于所以同相运放的起始增益必须大于, 才能满足才能满足环路增益大于的振幅起振条件。文氏电桥振荡器由于串并环路增益大于的振幅起振条件。文氏电桥振荡器由于串并联选频电路的选频特性差联选频电路的选频特性差, 不能有效地滤除高次谐波分量不能有效地滤除高次谐波分量, 所所以以, 放大器必须工作在线性区放大器必须工作在线性区, 才能保证输出波形非线性失真才能保证输出波形非线性失真小。为此小。为此,采用了以下两个方法：采用了以下两个方法： () 引入负反馈以减小和限制放大器的增益引入负反馈以减小和限制放大器的增益, 使在开始使在开始时放大器增益略大于时放大器增益略大于, 这样这样, 环路增益仅在振荡频率环路增益仅在振荡频率0及及其附近很