第4章 正弦波振荡器

1、第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器1第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.1 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理4.2 LC 4.2 LC 振振 荡荡 器器4.3 4.3 频率稳定度频率稳定度4.4 LC4.4 LC振荡器的设计考虑振荡器的设计考虑4.5 4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器4.6 4.6 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2本章计划学时：10学时主要教学内容： 重点讲授反馈振荡器的基本工作原理，反馈振荡器的电路模型和起振条件以及振荡器的分析。LC三点式振荡器，互感耦合型LC荡器、石英晶体振荡器的电路结构、原理分析和参数计算。

2、以及振荡器频率稳定度的概念及其重要性、影响频率稳定度的因素及其改善频率稳定性的一般措施。并对振荡器中出现的 间歇振荡、频率占据和寄生振荡产生的原因和解决方法进行介绍。教学目的： 让学生掌握各种振荡器的电路组成特点、工作原理分析、性能如何改善、参数计算等。并能设计实用的振荡电路。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器3 在没有激励信号的情况下产生周期性振荡信号的电子电路，称为振荡器。 与放大器一样，振荡器也是一种能量转换器，但不同的是振荡器无需外部激励就能自动地将直流电源供给的功率转换为指定频率和振幅的交流信号功率输出。 振荡器一般由晶体管等有源器件和具有某种选频能力的无源网络组成。 振荡器的种类

3、很多，粮据工作原理可以分为反馈型振荡器和负阻型振荡器等；根据所产生的波形可以分为正弦波振荡器和非正弦波（矩形脉冲、三角波、锯齿波等）振荡器；根据选频网络所采用的器件可以分为LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器等。 本章将主要介绍输出为正弦波的高频振荡器，所使用的选频网络为LC网络或晶体。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器44.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.1.1 反馈振荡器的原理分析反馈振荡器的原理分析 反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路, 放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载, 是一调谐放大器, 反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。 图4-1 反馈型

4、振荡器原理框图图第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器5 该放大器的闭环增益是：( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )ouSoiioisiUsKsUsUsK sUsUsF sUsUsUsUs 由：11( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )iuiiiiK s U SK sK sKsU sT sK sUSFU SK s F ssUTss 得：叫反馈系统的环路增益。其中(4-1)(4-2)(4-3)(4-4)(4-5)(4-6)第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器6因此自激振荡的条件就是环路增益为1, 即 ()()()1T

5、 jK jF j这通常又称为振荡器的平衡条件。另外，也可以看出()1,( )( )()1,( )( )iiiiT jU sU sT jU sU s 形成增幅振荡形成减幅振荡jS 用代替式中的 ，就得到稳态下的环路增益和传输系数(4-7)(4-8)第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器7 4.1.2平衡条件平衡条件振荡器的平衡条件即为：1()()()T jK jF j120 1 2(), ,TKFTjKFnn （振幅平衡条件）（相位平衡条件），也可表示为： 这个条件是在其振荡频率上才满足的，其他频率不满足，因此可由平衡条件求出振荡频率。(4-9)第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器8 例如，用一个

6、单调谐放大器构成振荡器时，设放大器集电级阻抗ZL，则：112()()()()()()()()LfofLiCjLLCjCffbfLfLfLfLFUK jYjZUUZR eIIYjY eUT jYjZ F jYjZ FjY R Fn 放大器增益：集电极阻抗：晶体管转移导纳： 因此平衡条件可表示为：可见，调整回路参数，可以改变振荡频率(4-10)(4-11)(4-12)(4-13)(4-14)第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器94.1.3 4.1.3 起振条件起振条件 1.起振条件 要想使反馈系统最终达到平衡，首先必须能够起振，其初始激励来自电源接通的时刻，例如噪音、ICEO等。只要反馈系统的反馈

7、量是随时间逐渐增加的， 即输出是一个增幅振荡，一直循环下去，最后达到平衡的等幅振荡。 因此，为了起振，必须保证环路增益大于1，即：1120 1 2()()(, , ,fLTfLFT jT jY R Fnn 起振振幅条件）（ 起振相位条件）(4-15)第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器101.起振到平衡的过程 那如何在增幅振荡的进行中逐渐达到等幅振荡，即达到平衡条件？因为反馈网络一般是一个线形网络，其反馈系数一般是个常数。很明显，放大环节的增益k()必须随ui的增大而逐渐减小，即具有负斜率特性。其图解如下：0UoUb(a)A反馈特性放大特性0UoUb(b)F1AK 图 4 2 振幅条件的图解表

8、示 K，1/FA-平衡点第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器11 一般的放大器能满足这个条件。当晶体管进入非线性区时，由于非线性，输入的信号越大，其晶体管的ic-ube的平均跨导也越小，即增益越小。而且，放大器的自偏压效应也会是增益随输入幅度增大而减小，因此靠晶体管的非线性的，可以达到稳幅，因此这是一种内稳幅过程。例如： 图 4 2 晶体管的非线性特性图解icubeubettic000第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器124.1.4 4.1.4 稳定条件稳定条件 当外界因素，如温度、湿度、电源电压等都将使振荡器的工作状态受到影响。改变平衡条件。使振荡器的频率不稳定或者停振。因此必须考虑振荡器

9、的稳定工作条件。 稳定：当干扰时，经过放大器内部循环，能在原来的平衡点附近建立起新的平衡，干扰消失后，又回到原来的平衡点。 不稳定：当干扰时，使其偏离原来的平衡点，或者干脆停振，而当干扰消失后，不能使其回到原来的平衡点。 1.振幅稳定条件振幅稳定条件 要达到振幅稳定，振荡器在平衡点处的环路增益应该是随输入负斜率变化。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器130iiAUUiKU 振幅定件：UiT()UiBUiAAB1 斜率越大，越稳定。 例如图4-3 如果A点是原来的平衡点，当干扰过后，它必将稳定在A点，因此，A 点是稳定的，而如果原来在B点，正向干扰后它将在A点建立新的平衡，负向可能使之停振，所

10、以B点是不稳定的。(4-15)图4-3振幅稳定示例第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器142.相位稳定条件相位稳定条件 当外界因素使振荡不满足（）=0时，此时产生一个T0,则表明反馈后的相位超前，振荡频率将增加,如TC3,C3(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。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器703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,通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区（14mA）,电路应采用自偏压

11、。 4振荡回路元件选择 从稳频出发,振荡回路中电容C应尽可能大,但C过大,不利于波段工作;电感L也应尽可能大,但L大后,体积大,分布电容大,L过小,回路的品质因数过小,因此应合理地选择回路的C、L。在短波范围,C一般取几十至几百皮法,L一般取0.1至几十微亨。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器715反馈回路元件选择 由前述可知,为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振,在静态工作点通常应选择35fLY 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260 10 5. .CQfmImAYgmVF 反馈系数的大小应在下列范围选择第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器724

12、.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器4.5.1 石英晶体振荡器的特点：第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器73特点：1.晶体具有很高的标准性，因此谐振频率非常稳定。而且Q值很高，一般104。2. 频率范围小，f0fq3.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。 4. 在 q、 0之间相当于一个等效大电感Lq，如在串联谐振频率附近21112(/)/oqqqeqqqqqqqdLCdxLCddLL CLC 5. 利用它可组成泛音振荡器(4-67)第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器744.5.2 晶体振荡器电路晶体振荡器电路(Parallel-Mode Crystal Os

13、cillators)晶体振荡器可为并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。 1并联型晶体振荡器（a）皮尔斯(Pierce)振荡器 在图-24(a)中，当工作在晶体频率附近，晶体相当于一个电感，构成电容三点式，符合平衡条件，因此振荡器频率近似等于晶体的频率，即f1=f0。(a)第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器75CeEc(a)C1C2C3(b)C1VCEBC2Ub.gmUb.C3CqLqrqC0CeEc(a)C1C2C3(b)C1VCEBC2Ub.gmUb.C3CqLqrqC0 图424 皮尔斯振荡器 (b)(c) 但是由于不能改变频率，故常在C1和晶体管之间加一个电容C3，如图-24(b)，这

14、时振荡器的工作频率应由C1、C2、C3及晶体构成的回路决定,即由晶体电抗Xe与外部电容相等的条件决定。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器76001000111122()()()qqqLLqqLqqqLCCpCCCCCCffCCCffpfCC 接接入入系系数数为为振振荡荡频频率率为为1231111110LeLCCCCXC 设外部电容为CL,则：振荡条件(4-68)(4-69)(4-70)(4-71)第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器77图425 并联型晶体振荡器稳频原理20012 VC1V68 k3/15 pF20 pF15 k33 k7503DG6C300 pF4700 pF301 kC2

15、f1(MHz)1515C1(pF)600350120C2(pF)75051032020012 VC1V68 k3/15 pF20 pF15 k33 k7503DG6C300 pF4700 pF301 kC2f1(MHz)1515C1(pF)600350120C2(pF)7505103201k 图426 并联型晶体振荡器的实用线路忽略rq时的晶体电抗1 1 X1LC 1LC q 第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器78（b）密勒）密勒(Miler)振荡器振荡器 可见，只要晶体等效为电感，LC1应满足下列条件：1112fLC EcVC2LCeC1 则该电路为一个电感三点式振荡器。L1、C1的作用为

16、抑制谐波，故输出波形较好，但是，由于晶体直接并接于b-e间，且rbe较小，故降低了品质因数，所以频率稳定度较Pirce电路要低。 图427 密勒振荡器第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器79（c）泛音振荡器 当要求频率较高时，可采用泛音振荡器，如下图4-28图428 泛音晶体皮尔斯振荡器 111135LC LC1用来破坏基频和低次泛音的相位条件。例如，要工作在5次泛音上。则必须保证： 泛音较高时，由于接入系数将减小，因此使等效到ce两端的阻抗也减小，不利于起振。故一般最高为7次泛音振荡。VLC13/15 pF430 pF220 pF20 pF5.6 H第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器80（

17、d）场效应管并联晶体振荡器振荡器4.7 k 24 V输出1 M1 000 pF1 000 pF1 000 pF图429 场效应管晶体并联型振荡器线路第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器812串联型晶体振荡器(Series-Mode Crystal Oscillators) 基本原则：提供正反馈通路 晶体串联在谐振回路上，当f1=fq时，晶体相当于短路，构成一个电容三点式电路，而当频率偏离fq时，晶体相当于很大的阻抗，破坏了振幅条件，不能振荡。 EcVLC2C1(a)C1C2LVJT(b)图430一种串联型晶体振荡器(a)实际线路;(b)等效电路第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器82 如果有高

18、频放大器 ，则可以直接利用晶体构成正反馈，如集成电路XK76。V1V2V3V4V5图4-31 XK76集成晶体振荡器的内部电路 V1、V2和晶体组成两级正反馈放大器。 V3是跟随器，V4、V5是输出放大器第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器833使用注意事项使用注意事项(1)石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前,在石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的,实际使用时也必须外加负载电容,并经微调后才能获得标称频率。 (2)石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。(3)晶体频率是固定的，如需要改变频率时，应用频率合成技术。(4)晶体如果损坏，可利用C0做电容使用， 但无稳频作用。第第4章章 正

19、弦波振荡器正弦波振荡器844.5.3 高稳定晶体振荡器高稳定晶体振荡器 一般晶体是10-5量级的稳定度。如果要求更高，一定要采取其它技术措施。 方法一：采用较低温度系数的晶体。如AT（切片），广泛用于几兆到几十兆的振荡器。T ( )806040200 20 40 40 20 (10 6)f fAT图432 AT切片的频率温度特性第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器85方法二：采取恒温措施 （1）将晶体放在恒温槽里直流放大器功率放大器电桥感温电阻加热电阻晶振调谐放大器输出放大器检波器恒温槽AGC 电压图433 恒温晶体振荡器的组成恒温控制电路晶体振荡电路第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器86（

20、2）.采用温度补偿电路RTRTEc(T) EcERT为温敏电阻通过RT的调节，调整加在变容二极管上的电压，从而补偿由温度引起的晶体频率的改变稳定频率。图434 温度补偿晶振的原理线路第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器874.6 4.6 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象4.6.1 间歇振荡(Squegging Oscillation) 时而振荡时而停振的现象，产生的原因主要是由于晶体管的非线性建立起的自偏压效应引起的。 下面一电容反馈电路为例： 图435电容反馈振荡器的自偏压等效电路(a)实际电路；(b)偏置电路(a)ReCeCbub(b)Eb0第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器8820

21、122112000bCBBbbebEeREERRR RRRREEUEIR 从图中可以计算出(1)稳幅建立过程 开始时，由于环路增益大于1，故电路增幅振荡。由于非线性原因，使集电极电流平均值IC0逐渐增大，即给电容Ce充电，Ue上升，使UBE减小，最后使晶体管进入非线性状态，反馈电压的正半周电容充电，负半周晶体管截止，电容放电。在t1达到平衡后，一个周期内的充放电相等，此时环路增益等于一，进入等幅振荡。(4-72)(4-73)(4-74)第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器89 （2）间歇原因 如果电容Ce过大，Re、Ce在Ub的负半周晶体管截止时放电速度较慢，当uc( ub)开始下降时，UBE

22、还处于较大的自偏压，不能跟随uc( ub) 的变化，因此UBE会继续下降，从而也造成环路增益小于1的减幅振荡，直到使得在uc( ub)的正半周，晶体管依然截止，造成停振，然后Ce放电恢复到初始值，电路重新起振。如下图：第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器90 因此，要避免间歇振荡，要使KF不宜过大，自偏压不能建立的太多太快；二是Cb、Ce的值不宜选择过大图436 间歇振荡时Ub与Eb的波形第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器914.6.2 频率拖曳现象频率拖曳现象 拖拽现象发生在耦合回路做负载的反馈振荡器中，如果耦合系数过大，而次级也是谐振回路，当调节次级回路参数时，振荡频率也随之改变。振荡回

23、路+u2-(a)C1CbVCeC2MRbRrEcL1L2C2L2L1r1r2C1(b)(a)C1CbVCeC2MRbRrEcL1L2C2L2L1r1r2C1(b)图437变压器反馈振荡器(a)实际电路; (b)耦合回路的等效电路第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器92的的情情况况。条条件件，来来分分析析满满足足相相位位的的影影响响，即即和和忽忽略略00 LfFfF ffffjXRXXrMjrXrMjXrMCjLjrMZMZZCjLjrZ 2222222222222222222221111)()()(1)()(1 （1）如L=0，初级谐振时，次级X2=0时，即次级也谐振，那么Zf为一纯阻Rf，振

24、荡频率为 = 01= 02 。（2）如L=0，初级谐振时，次级X20时，那么Xf为容性电抗，使初级总电容减小，则振荡频率为 。(4-75)(4-76)第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器93（3）如L=0，初级谐振时，次级X20时，那么Xf为感性电抗，使初级总电感增大，则振荡频率为 。 可以看出，这种振荡器有三个振荡频率，它取决于初级和次级参数以及耦合系数。 耦合系数的影响 在满足振荡的相位条件，即L=0时，必须保证初级谐振，所以有：12122212222222222222221222222222222()()(1)(1)(1)(1)fLLrrMMXXXXrXrk L LQ kAXXXr 即：

25、 可以看出当 1和 02一定时，耦合越紧， 、 离 越远。图4-37给出了耦合回路的相频特性。(4-77)第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器94. 1和 02对 和 的影响 当改变是1和02 ，即回路系数不一样时，如果忽略了损耗电阻r的影响，则振荡时应满足。图438 阻抗ZL的幅角L的频率特性第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器95222111202222221211121111222221111221121112()()11()()()(1)(1)frMMXXXrXXX XLLMCCLCL CL L kCC 42211212111222421122220102010224222221101

26、020102(1)()10(1)1110(1)()0C C L LkL CL Ckk (4-78)(4-79)(4-80)(4-81)(4-82)第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器96)1(2)1(4)()(2412220220120220121kk 0220120122200201010(b)(a)1,22MNdecbaf0220120122200201010(b)(a)1,22MNdecbafM1 N1 可见，当改变初级或次级参数时，即改变02 和01时，振荡频率都会随之改变。图439 是I、II随02的关系曲线。 图439 I、II与02的关系曲线及拖曳 (a)(b)(4-83)第第4

27、章章 正弦波振荡器正弦波振荡器97 如果设振荡器的振幅平衡条件实际在 1M 1N之间，则对应的02应在 M N之间符合振幅平衡条件。那么当 02从小到大变化时，应先在 上振荡，即1= ，到达 N(c点)时， 再不满足振幅条件，因此跳到(d点) 上振荡，然后随 02增加而增加；当 02减小到(f点) N时 ， 又不满足振幅条件，因此跳到(b点) 上振荡，然后随 02减小而减小。 总之：在紧耦合回路中，如变化一个回路的参数使它的谐振频率改变时，振荡频率1是非单值变化，将产生一个拖曳环b-c-d-f-b,如果 02位于 M N之间，那么当有一个干扰，就可能引起振荡频率发生突变。这就是振荡器的频率拖曳

28、现象。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器98因此，在实际不需要拖拽现象或可能减弱拖拽现象，应采取的措施为：1.减小耦合系数k，或减小Q值2.选择次级回路谐振频率远离振荡频率，然后可通过调整初级的谐振频率01来调整1的频率。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器994.6.3 振荡器的频率占据现象振荡器的频率占据现象1.频率占据现象 由于外界信号fs引入了反馈回路，当fs信号频率接近于原振荡频率时，fs将对振荡频率产生牵引，当fs在原f1附近时。 f1被 fs强制同步，即完全占据了原来的频率。占据特性如图4-40ES.Ui.Ic1.Uo.(a)f0fsfCfDfAfB2f(b)fs f1fs f

29、1Ub频率为fS图440(a)外来信号加入振荡器第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器100ES.Ui.Ic1.Uo.(a)f0fsfCfDfAfB2f(b)fs f1fs f1Ub11ff 是是未未被被牵牵引引的的原原振振荡荡频频率率是是被被牵牵引引后后的的振振荡荡频频率率fAfB, fDfC是被牵引区域fBfC是完全被占据区域，其宽度叫占据频带图440(b)外来信号带来的频率牵引与占据现象第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器1012.频率占据产生的原因SibOEUUI c1（1）当无时，等于反馈电压，并与输出电压、集电极电流都同相位。U U112,() ,sssCCEUEUffEstUIUI

30、UI isbbibco（ ）当有时，=+，当时，落后U落后相位为因此、也要落后，因此，谐振回路对新的集电极电流 感性失谐，使新的输出电压超前一个相位。CCLCUEsUUIff obioiL1s（3）当达到平衡后与U 同相，U 和I 超前一个固定相位 ，超前和一个固定的相位，就是回路对I 感性失谐造成的。这说明新的振荡频率 等于 .如图4-41所示第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器102Ub.Uo.Ui.ES.0(b)(a)Uo.Ic1.Ui.Ub.ES.0LIc1Ub.Uo.Ui.ES.0(b)(a)Uo.Ic1.Ui.Ub.ES.0LIc1图441说明占据过程的瞬时电压矢量图 (a)fs小于f1;(b)占据时的矢量 0()()0TiLObLiObsiUUUUUUEUcc显然，闭环回路的的总的相移为（与I ）或超前I落后或也就是说，由回路的感性失谐补偿了由于带来的