第4章正弦波振荡器

1、4.1 概述概述4.2 反馈型振荡器的基本工作原理反馈型振荡器的基本工作原理4.3 LC正弦振荡电路正弦振荡电路4.4 晶体振荡器晶体振荡器4.5 实训实训:正弦波振荡器的仿真与蒙托卡诺正弦波振荡器的仿真与蒙托卡诺 （Monte Carlo）分析）分析第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.1 概述概述 正弦波振荡器是一种将直流电能自动转换成所需交流电能的电路。它与放大器的区别在于这种转换不需外部信号的控制。振荡器输出的信号频率、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。 正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。例如，无线发射机中的载波信号源，接收设备中的本地振荡信号源，各种测量仪器如信号发生器

2、、频率计、T测试仪中的核心部分以及自动控制环节，都离不开正弦波振荡器。 正弦波振荡器可分成两大类：一类是利用正反馈原理构成的反馈型振荡器，它是目前应用最多的一类振荡器；另一类是负阻振荡器，它是将负阻器件直接接到谐振回路中，利用负阻器件的负电阻效应去抵消回路中的损耗，从而产生等幅的自由振荡，这类振荡器主要工作在微波频段。4.2 反馈型振荡器的基本工作原理反馈型振荡器的基本工作原理 反馈型振荡器是通过正反馈联接方式实现等幅正弦振荡的电路。这种电路由两部分组成，一是放大电路，二是反馈网络，见图4.1(a)。对电路性能的要求可以归纳为以下三点： (1)保证振荡器接通电源后能够从无到有建立起具有某一固定

3、频率的正弦波输出。 (2)振荡器在进入稳态后能维持一个等幅连续的振荡。 (3)当外界因素发生变化时，电路的稳定状态不受到破坏。图4.1 反馈振荡器的组成方框图及相应电路(a)放大器反馈网络UfUiUoUfUfUoUiUfLfLC谐振放大器反馈网络(b) 1.起振条件 振幅起振条件UfUi或T(j)1 (41) 相位起振条件T=2n n=0,1,2,3， (42) 式中， T(j)表示环路增益,()() ()fofiioUU UT jA jF jUU UT表示环路相移。 2. 平衡条件 振荡器起振后，振荡幅度不会无限增长下去，而是在某一点处于平衡状态。因此，反馈振荡器既要满足起振条件，又要满足平

4、衡条件。在接通电源后，依据放大器大振幅的非线性抑制作用，环路增益T(j)必具有随振荡器电压振幅Ui增大而下降的特性，如图4.2所示。 由上面分析可得平衡条件： 振幅平衡条件UfUi或T(j)1 (43) 相位平衡条件T=2n n=0,1,2,3， (44)图4.2 满足起振条件和平衡条件的环路增益特性 UiAT(j)Ui10A图4.3 振荡幅度的建立和平衡过程起振平衡UiTA10UiAUiAUiA图4.4 振荡幅度的确定 1.振幅稳定条件 设振荡器在Ui=UiA满足振幅平衡条件，如图4.4所示。在点为平衡点，T(j)1。 由以上分析可知，平衡点为一个稳定点的条件是，在平衡点附近环路增益T(j)

5、应具有随Ui增大而减小的特性，即()0iiAUUT jU(45) 2. 相位稳定条件 外界因素的变化同样会破坏相位平衡条件，使环路相移偏离2n。相位稳定条件是指相位条件一旦被破坏时环路能自动恢复T=2n所应具有的条件。 相位稳定条件是 00a (46) 满足相位稳定条件的T()特性曲线如图4.5所示。上式表示T()在0附近具有负斜率变化，其绝对值愈大，相位愈稳定。 在LC并联谐振回路中，振荡环路T()=A()+F()，即T()由两部分组成，其中,F()是反馈网络相移，与频率近似无关；A()是放大器相移，主要取决于并联谐振回路的相频特性Z()，见图4.6， 002()( )arctanZcQ 图

6、4.5 满足相位稳定条件的T()特性T010 T 可见，振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性的谐振回路来满足相位稳定条件的，且越大，Z()随增加而下降的斜率就越大，振荡器的频率稳定度也就越高。 图4.6 谐振回路的相频特性曲线(a)并联谐振回路；(b)相频特性曲线 Z00(a)(b) (1) 放大电路。 (2) 正反馈网络。 (3) 选频网络。 (4) 稳幅环节。 4.3 LC正弦振荡电路正弦振荡电路 1.三点式振荡器的原理电路 图4.7（）所示为电容三点式电路，又称为考毕兹电路，它的反馈电压取自C1和C2组成的分压器；图4.7（）所示为电感三点式电路，又称为哈脱莱电路，它的反馈电压取自L1和

7、L2组成的分压器。从结构上可以看出,三极管的发射极相接两个相同性质的电抗元件，而集电极与基极则接不同性质的电抗元件。 图4.7 三点式振荡器的原理电路C1C2iUfUoULL1L2iUfUoUCVV(a)(b) 2. 三点式振荡电路 1) 电容耦合振荡电路 图4.8给出两种电容三点式振荡器电路。图(a)、(b)中，L、C1和C2为并联谐振回路，作为集电极交流负载；R1、R2和R3为分压式偏置电阻；C3、C4和C5为旁路和隔直流电容；RL为输出负载电阻。 由图（）可求得小信号工作时的电压增益为 omupiUgAgU(47) 式中，gpgo+gL，go为振荡输出回路的固有电导，gL为负载电导。 图

8、4.8 三点式振荡电路R1R2R3C3C4C5C1C2LR1R2R3C3C4VVRLC1C2L(a)(b)VLcC1C2LR2R1LC1C2VR3(c)(d )UCCUCCLcRL图4.9 简化等效电路fULC1C2CceCbeVebciUfUeC1C2LgmUigPg0gL(a)(b)RLUogi 当考虑晶体管结电容CCe和Cbe对电路的影响时，反馈系数由下式求得: 式中，C1=C1+CCe，C2=C2+Cbe。 根据(j)，由式(47)、(48)可求得起振条件: 21fzoUCFCCU(48) 1mpggF (49) 电容三点式振荡器的振荡频率由下式求得: 121212ofLCC CCCC

9、 2) 电感耦合振荡电路 图4.10给出电感三点式振荡电路。图(a)中，L1、L2和C组成并联谐振回路，作为集电极交流负载；R1、R2和R3为分压式偏置电阻；C1和C2为隔直流电容和旁路电容。图(b)是图（）的交流等效电路。 图4.10 电感三点式振荡器R1R2R3LVC1C2CL1L2VL1L2C(a)(b)UCC 下面我们利用型等效电路来讨论电感三点式振荡电路。这里只给出结果：反馈系数由下式求得： 2211LMNFLMN(411) 式中，1、2分别为线圈L1、L2的匝数；M为L1、L2间的互感。 根据(j)，可求得起振条件: 1mpggF(412) 电感三点式振荡器的振荡频率由下式求得 0

10、12122fLCLLLM(413) 1. 串联改进型振荡电路 如图4.11(a)所示,该电路的特点是在电感支路中串接一个容量较小的电容C3。此电路又称为克拉泼电路。其交流通路见图4.11（）。 回路总电容C为031122fLCLC(414) VC1C2LC3ReRb2CbRb1Rc(a)UCCLC3C1C2CbeCceVCcb(b)图4.11 克拉波电路及交流通路 2. 并联改进型振荡电路 通常,C3、C4为同一数量级的电容，故回路总电容CC3+C4。西勒电路的振荡频率为03412()fL CC(415) 与克拉泼电路相比，西勒电路不仅频率稳定性高，输出幅度稳定，频率调节方便，而且振荡频率范围

11、宽，振荡频率高，因此，是目前应用较广泛的一种三点式振荡电路。 图4.12 西勒振荡电路及交流通路VC1C2LC3ReRb2CbRb1RcC2C4(a)UCCLC3C1C2CbeCceVC4(b)4.4 晶体振荡器晶体振荡器 石英谐振器（简称晶体）是利用石英晶体（二氧化硅）的压电效应而制成的一种谐振元件。 它的内部结构如图4.13所示，在一块石英晶片的两面涂上银层作为电极，并从电极上焊出引线固定于管脚上，通常做成金属封装的小型化元件。 图4.13 石英谐振器 晶片图4.14 石英晶体振荡器的等效电路abcC0CqrqLq 由图4.14可求得石英晶体的等效阻抗为（忽略rq）2201()11()1s

12、eepsqqZjjXCL C 式中，s为晶体串联谐振角频率， p为晶体并联谐振角频率， qopqqoCCL C C(416) 图4.15 晶体的阻抗频率特性感性Xe容性容性ps表41 1.并联型晶体振荡电路 并联型晶振电路的工作原理和一般三点式LC振荡器相同，只是把其中的一个电感元件用晶体置换，目的是保证反馈电压中仅包含所需要的基音频率或泛音频率，而滤除其它的奇次谐波分量。 图4.16 皮尔斯晶体振荡电路UCCVC1C2R3CbLcR1BCcR2C1C2LR3C0LqCqrqV晶体RLRL(a)(b)图4.17 晶体振荡实例C1C4C2C3V320 p120 p2004700 p75030 k

13、6.8 kBUCCVC1C2LC4(a)(b) 图4.18 泛音晶体振荡电路及LC回路的电抗频率特性 C1C2L1BV(a)01234567fXe(b) 2. 串联型晶体振荡电路 频率稳定度完全取决于晶体的稳定度。谐振回路的频率为012fLC图4.19 串联型晶体振荡电路VC1C2LC3ReCbR1UCCR2RC4VBBLC3C1C2Re(a)(b)4.5 实训实训:正弦波振荡器的仿真与蒙托卡诺正弦波振荡器的仿真与蒙托卡诺（MonteCaRlo）分析）分析 范例：观察输出波形及蒙托卡诺分析步骤一 绘出电路图 (1)请建立一个项目Ch4，然后绘出如图4.20所示的电路图。 (2)图中U是正弦波振

14、荡器激励信号（用脉冲信号源代替），参数设置如下： AC:交流值，现设为100mV。 U1:初始电压，设定为0V。TD:出现第一个脉冲延迟时间，设定为2ns。TR:上升时间，设定为2ns。TF:下降时间，设定为2ns。PW:脉冲宽度，设定为2s。PER:周期，设定为0。 (3)在作蒙托卡诺分析时，设定L1的容差为15%，L2的容差为15%。 (4)将图4.20中的其它元件编号和参数按图中设置。 图4.20 正弦波振荡器V1R1R2C1C3C4R3L3UCCC5110 FU1001000.01 F0.01 H150.11 pF100C2L1L213.2 pF0.03 H150.001 HA10 V

15、0.1 FG 步骤二 设置Transient Analysis(瞬态分析) (1)在PSpiCe电路分析功能（分析设置）项中，选Transient Analysis(瞬态分析)。 (2)在Transient Analysis(瞬态分析)中，设置绘图的时间增量，设定为1000ns；设置瞬态分析终止时间，设定为120s。 步骤三 设置ACSweep(交流分析) (1)在PSpiCe电路分析功能（分析设置）项中，选ACSweep(交流分析)。 (2)在AC Sweep(交流分析)中，选用OCtave(倍频程)扫描或DeCade(十倍频程)扫描类型。 (3)设StaRt FRequenCy(仿真起始频

16、率)为20kHz，设End FRequenCy(仿真终点频率)为500kHz，设每DeCade(十倍频程)扫描记录100点。 步骤四设置蒙托卡诺(Monte CaRlo)分析 (1)在PSpiCe电路分析功能（分析设置）项中，选蒙托卡诺(Monte CaRlo)分析。 (2)在蒙托卡诺(Monte CaRlo)分析中，设定MC运行次数为50次；分析类型选AC；设定输出变量为U(A)；在求值方式中，选每个波形与标称运行值的最大差值；在输出形式上选择，只给出前次运行的输出数据（设n=3）。 步骤五存档 在执行PSpiCe分析以前最好养成存档习惯，先存档一次，以防万一。 步骤六启动PSpiCe进行仿

17、真观察TRansient(输出波形)在PRobe窗口中选择TRaCeAdd，打开Add TRaCe对话框。在窗口下方的TRaCe ExpRession栏处用键盘输入“U(A)”。用鼠标选“OK”退出Add TRaCe窗口。这时的PRobe窗口出现正弦波振荡器输出波形，见图4.21。 图4.21 正弦波振荡器输出波形4.0 V2.0 V0.0 V0 s40 s80 s120 sTime U(A)2.0 V U(U1)U(A)U(U1) 步骤七启动PSpiCe进行仿真并观察ACSweep(输出波形) 在PRobe窗口中选择TRaCeAdd，打开AddTRaCe对话框。请在窗口下方的TRaCeExpRession栏处输入“U(A)”。选“OK”,退出AddTRaCe窗口。这时的PRobe窗口出现正弦波振荡器的幅频特性曲线，见图4.22。图4.22 正弦波振荡器幅频特性曲线5.0 V50 kHz0 V100 kHz150 kHzFrequency U(A) 步骤八启动PSpiCe仿真并观察蒙托卡诺(Monte CaRlo)分析的输出波形 在PRobe窗口中选择Tra CeAdd，