第四章 正弦波振荡器

1、第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器第一节第一节 概述概述 振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于的交变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于, , 无需外加激励信号无需外加激励信号, , 就能产生具有一定频率、一定波形和一就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。定振幅的交流信号。根据所产生的波形不同根据所产生的波形不同, , 可将振荡器分成：可将振荡器分成：1 1、正弦波振荡器、正弦波振荡器2 2、非正弦波振荡器、非正弦波振荡器 正弦波振荡器主要由决定振荡频率的正弦

2、波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络选频网络和维持振和维持振荡的荡的正反馈放大器正反馈放大器组成组成, , 这就是反馈振荡器。这就是反馈振荡器。按照选频网络所采用元件的不同按照选频网络所采用元件的不同, , 正弦波振荡器可分为：正弦波振荡器可分为：1 1、振荡器、振荡器2 2、振荡器、振荡器3 3、晶体振荡器、晶体振荡器主要性能指标：主要性能指标：频率稳定度频率稳定度第二节第二节 反馈振荡原理反馈振荡原理一、并联谐振回路中的自由振荡现象一、并联谐振回路中的自由振荡现象CL/21R0e当以后以后, , 回路在欠阻尼情况下的零输入响应：回路在欠阻尼情况下的零输入响应：tweUtutsc0cos)(

3、LCw/10CoeR21二、振荡过程与振荡条件二、振荡过程与振荡条件 利用利用正反馈正反馈方法来获得等幅的正弦振荡方法来获得等幅的正弦振荡, , 这就是反馈振荡这就是反馈振荡器的基本原理。器的基本原理。 一个反馈振荡器必须满足三个条件：一个反馈振荡器必须满足三个条件：1 1、 起振条件起振条件（保证接通电源后能逐步建立起振荡）（保证接通电源后能逐步建立起振荡）2 2、 平衡条件平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）3 3、 稳定条件稳定条件（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏）。受到破坏）。 起振过程

4、与起振条件起振过程与起振条件在图在图4 42 23 3所示闭合环路中所示闭合环路中, , 在处断开在处断开, , 并定义环路增益并定义环路增益FAUUUUUUwTfiif00)(要使振幅不断增长的条件是要使振幅不断增长的条件是: :)()()()(0000wUwUwTwUiif1)(0wT1)(0wTT(0)=2n (n=, , , ) 平衡过程与平衡条件平衡过程与平衡条件反馈振荡器的平衡条件为反馈振荡器的平衡条件为: :T(0)=1 T(0)=2n(n=, , , )只要保证起振时环路只要保证起振时环路增益幅值大于即可。增益幅值大于即可。而环路增益的相位而环路增益的相位 T T（ 0 0）则

5、必须维持在则必须维持在 上上, , 保证为保证为正反正反馈馈。 平衡状态的稳定性和稳定条件平衡状态的稳定性和稳定条件0)(0iAiUUiUwT0|)(0wwTww三、反馈振荡电路判断三、反馈振荡电路判断 可变增益放大器件可变增益放大器件( (晶体管晶体管, , 场效应管或集成电路场效应管或集成电路) )应有正应有正确的直流偏置确的直流偏置, , 开始时应工作在开始时应工作在甲类甲类状态状态, , 便于起振。便于起振。 开始起振时开始起振时, , 环路增益幅值环路增益幅值FAFA (0 0) )应大于应大于1 1。由于反馈网。由于反馈网络通常由无源器件组成络通常由无源器件组成, , 反馈系数反馈

6、系数F F小于小于1, 1, 故故A(A(0 0) )必须大于必须大于1 1。共射、共基电路共射、共基电路都可以满足这一点。都可以满足这一点。 为了增大为了增大A(A(0 0), ),负载负载电阻不能太小。电阻不能太小。 环路增益相位在振荡频率点应为环路增益相位在振荡频率点应为2 2 的整数倍的整数倍, , 即环路应即环路应是是正反馈正反馈。 选频网络应具有选频网络应具有负斜率的相频特性负斜率的相频特性。因为在振荡频率点。因为在振荡频率点附近附近, , 可以认为放大器件本身的相频特性为常数可以认为放大器件本身的相频特性为常数, , 而反馈网而反馈网络通常由变压器、络通常由变压器、 电阻分压器或

7、电容分压器组成电阻分压器或电容分压器组成, , 其相频其相频特性也可视为常数特性也可视为常数, , 所以相位稳定条件应该由选频网络实现。所以相位稳定条件应该由选频网络实现。 注意注意LCLC并联回路阻抗并联回路阻抗的相频特性和的相频特性和LCLC串联回路导纳串联回路导纳的相频的相频特性是负斜率特性是负斜率, , 而而LCLC并联回路导纳的相频特性和并联回路导纳的相频特性和LCLC串联回串联回路阻抗的相频特性是正斜率。路阻抗的相频特性是正斜率。例例 4.1 4.1 判断图例判断图例4.14.1所示各反馈振荡电路能否正常工作。所示各反馈振荡电路能否正常工作。 其中（）、（）是交流等效电路其中（）、

8、（）是交流等效电路, , （）是实用电路。（）是实用电路。四、振荡器的频率稳定度四、振荡器的频率稳定度1、频率稳定度定义、频率稳定度定义 根据测试时间的长短，频率稳定度分为：根据测试时间的长短，频率稳定度分为：A、长期频稳度：一天以上；元器件老化长期频稳度：一天以上；元器件老化B、短期频稳度：一天以内；电源电压和环境温度的变化短期频稳度：一天以内；电源电压和环境温度的变化及电路参数的变化及电路参数的变化C、瞬时频稳度：一秒以内；元器件内部噪声瞬时频稳度：一秒以内；元器件内部噪声211lim000000)(ffffinninff|)(00fffiiniinffnf100|1lim2 提高提高LC

9、振荡器频率稳定度的措施振荡器频率稳定度的措施A、减小外界因素变化的影响减小外界因素变化的影响 B、提高电路抗外界因素变化影响的能力提高电路抗外界因素变化影响的能力1）提高回路的标准性：回路的标准性是指外界因素变化）提高回路的标准性：回路的标准性是指外界因素变化时，振荡回路保持其振荡频率不变的能力时，振荡回路保持其振荡频率不变的能力2）选取合理的电路形式）选取合理的电路形式第三节第三节 LC振荡器振荡器按其反馈网络的不同，按其反馈网络的不同，LC振荡器分为：振荡器分为：1、互感耦合、互感耦合2、电容耦合、电容耦合3、自耦变压器耦合、自耦变压器耦合一、互感耦合振荡器一、互感耦合振荡器二、三点式振荡

10、器二、三点式振荡器 电路组成法则电路组成法则当回路谐振（当回路谐振（ 0 0）时时, , 回路呈纯阻性回路呈纯阻性, , 有：有：cebebcccebebcbecbefUXXXXjUjXU)(0cebexx即即 bebe与与 cece必须是必须是同性质同性质电抗电抗, , 因而因而X Xbcbc必须是必须是异性质异性质电抗。电抗。 在三点式电路中在三点式电路中, , 回路中与回路中与发射极发射极相连接的两个电抗相连接的两个电抗元件必须为元件必须为同同性质性质, , 另外一个电抗元件必须为异性质。这就另外一个电抗元件必须为异性质。这就是三点式电路组成的相位判据是三点式电路组成的相位判据, , 或

11、称为三点式电路的组成法或称为三点式电路的组成法则。则。 与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路路, , 称为电容三点式电路称为电容三点式电路, , 也称为考毕兹电路。与发射极相也称为考毕兹电路。与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路, , 称为电感三称为电感三点式电路点式电路, , 也称为哈特莱电路。也称为哈特莱电路。 电容三点式电路电容三点式电路211cccn求得振幅起振条件为:1.eLmggng)(1)(1eLeLmnggnggngeebeeoLLrrgRRg11,|1211cc

12、cnF. . 电感三点式电路电感三点式电路LCw10其中L=L1+L2+2M, M为互感系数起振条件为：eLmnggng1MLLMLNNn22121312LLRg1eerg1MLLMLnF2212 电容三点式振荡器的优点是：电容三点式振荡器的优点是： 反馈电压取自反馈电压取自2 2, , 而电容而电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗, , 所以反馈所以反馈电压中高次谐波分量很小电压中高次谐波分量很小, , 因而输出波形好因而输出波形好, , 接近于正弦波。接近于正弦波。缺点是：反馈系数因与回路电容有关缺点是：反馈系数因与回路电容有关, , 如

13、果用改变回路电容如果用改变回路电容的方法来调整振荡频率的方法来调整振荡频率, , 必将改变反馈系数必将改变反馈系数, , 从而影响起振。从而影响起振。 电感三点式振荡器的优点是便于用改变电容的方法来调电感三点式振荡器的优点是便于用改变电容的方法来调整振荡频率整振荡频率, , 而不会影响反馈系数而不会影响反馈系数, , 缺点是反馈电压取自缺点是反馈电压取自2 2, , 而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗, , 所以反馈电压中高次谐所以反馈电压中高次谐波分量较多波分量较多, , 输出波形较差。输出波形较差。 两种振荡器共同的缺点是：晶体管输入输出电容分别和两种振荡器共同的

14、缺点是：晶体管输入输出电容分别和两个回路电抗元件并联两个回路电抗元件并联, , 影响回路的等效电抗元件参数影响回路的等效电抗元件参数, , 从从而影响振荡频率。而影响振荡频率。 由于晶体管输入输出电容值随环境温度、由于晶体管输入输出电容值随环境温度、电源电压等因素而变化电源电压等因素而变化, , 所以三点式电路的频率稳定度不高所以三点式电路的频率稳定度不高, , 一般在一般在-3 -3量级。量级。例例. .在图例在图例4.34.3所示振荡器交流等效电路中所示振荡器交流等效电路中, , 三个并三个并联回路的谐振频率分别是：联回路的谐振频率分别是：f f1 1=1=1( ), f( ), f2 2

15、=1=1( ), ( ), f f3 3=1=1( ), ( ), 试问试问1 1、 2 2、3 3满足什么条件时该振荡器满足什么条件时该振荡器能正常工作？且相应的振荡频率是多少？能正常工作？且相应的振荡频率是多少？112CL222CL332CL解解: : 由图可知由图可知, , 只要满足三只要满足三点式组成法则点式组成法则, , 该振荡器该振荡器就能正常工作。就能正常工作。 若组成电容三点式若组成电容三点式, , 则则在振荡频率在振荡频率0101处处, , 1 11 1回路与回路与2 22 2回路应呈回路应呈现容性现容性, , 3 33 3回路应呈回路应呈现感性。现感性。 所以应满足所以应满

16、足1 12 201013 3或或2 21 101013 3。若组成电感三点式若组成电感三点式, , 则在振荡频率则在振荡频率0202处处, , 1 11 1回路与回路与2 22 2回路应呈现感性回路应呈现感性, , 3 33 3回路应呈现容性回路应呈现容性, , 所以应满足所以应满足1 12 202023 3或或2 21 102023 3。在两种情况下在两种情况下, , 振荡频率振荡频率0 0的表达式均为的表达式均为: :CLf21032321321321,)(CCCCCCLLLLLLL 克拉泼（）电路克拉泼（）电路克拉泼电路的特点是在回路中增加了一个与串联的电容克拉泼电路的特点是在回路中增加

17、了一个与串联的电容3 3。各电容取值必须满足：。各电容取值必须满足：3 31 1, , 3 3 2 2, , 这样这样可使电路的振荡频率近似只与可使电路的振荡频率近似只与3 3、有关。、有关。 3231333132213211CCCCCCCCCCCCCCCC3011LCLCw由此可见由此可见, , 克拉泼电路的振荡频率几乎与克拉泼电路的振荡频率几乎与1 1、2 2无关。无关。 由于由于cece的接入系数大大减小的接入系数大大减小, , 所以它等效到回路两端所以它等效到回路两端的电容值也大大减小的电容值也大大减小, , 对振荡频率的影响也大大减小。对振荡频率的影响也大大减小。同理, be对振荡频

18、率的影响也极小。因此因此, , 克拉泼电路的频率稳定度比电容三点式电路要好。克拉泼电路的频率稳定度比电容三点式电路要好。克拉泼电路是用牺牲环路增益的方法来换取回路标准性的克拉泼电路是用牺牲环路增益的方法来换取回路标准性的提高。提高。克拉泼电路的缺陷是不适合于作波段振荡器。克拉泼电路的缺陷是不适合于作波段振荡器。 克拉泼电路只适宜于作固定频率振荡器或波段复盖系克拉泼电路只适宜于作固定频率振荡器或波段复盖系数较小的可变频率振荡器。所谓波段复盖系数是指可以在数较小的可变频率振荡器。所谓波段复盖系数是指可以在一定波段范围内连续正常工作的振荡器的最高工作频率与一定波段范围内连续正常工作的振荡器的最高工作

19、频率与最低工作频率之比。一般克拉泼电路的波段复盖系数为最低工作频率之比。一般克拉泼电路的波段复盖系数为。西勒（）电路西勒（）电路1 1 、 2 2远大于远大于3 3 , , 1 1 、 2 2远大于远大于4 4434323121321CCCCCCCCCCCCC)(2121430CCLLCf第四节第四节 晶体振荡器晶体振荡器一、石英晶振的阻抗频率特性一、石英晶振的阻抗频率特性1、具有压电效应、具有压电效应2、固有频率十分稳定、固有频率十分稳定3、振动具有多谐性，除有基频外，还有、振动具有多谐性，除有基频外，还有3、5、7等奇次等奇次谐波谐波安装电容安装电容C C0 0约约pFpFF F动态电感动

20、态电感L Lq q约约1010-3 -3H H10102 2 H H动态电容动态电容C Cq q约约1010-4 -4pFpF1010-1 -1pFpF动态电阻动态电阻r rq q约几十欧到几百欧约几十欧到几百欧） 石英晶振的值和特性阻抗石英晶振的值和特性阻抗 都非常高。都非常高。qqqqcLrQ12 2） 由于石英晶振的接入系数由于石英晶振的接入系数n=Cn=Cq q(C(C0 0+C+Cq q) )很小很小, , 所所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。串联谐振频率qqsCLf21并联谐振频率00000121ccfcccfccccLqfqsqsqqp

21、标称频率标称频率N N。N N的值位于的值位于s s与与p p之间之间, , 这是指石英晶这是指石英晶振两端并接某一规定负载电容振两端并接某一规定负载电容L L时石英晶振的振荡频率。时石英晶振的振荡频率。二、晶体振荡器电路二、晶体振荡器电路 根据石英晶振在振荡器中的作用原理根据石英晶振在振荡器中的作用原理, , 晶体振荡器可分晶体振荡器可分成两类。一类是将其作为成两类。一类是将其作为等效电感元件等效电感元件用在三点式电路中用在三点式电路中, , 工作在工作在感性区感性区, , 称为并联型晶体振荡器；称为并联型晶体振荡器； 另一类是将其作另一类是将其作为一个为一个短路元件短路元件串接于正反馈支路

22、上串接于正反馈支路上, , 工作在它的工作在它的串联谐串联谐振频率振频率上上, , 称为串联型晶体振荡器称为串联型晶体振荡器。 皮尔斯（）振荡电路皮尔斯（）振荡电路（）（） 振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管、端管、端, , 、端和、端的接入系数分别是、端和、端的接入系数分别是: :21210,CCCCCccccnLLqqcbcbcencccn.212cbebncccn.212（）（） 振荡频率几乎由石英晶振的参数决定振荡频率几乎由石英晶振的参数决定, , 而石英晶振而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。本身的参数具有高度的稳定性。LqsLq

23、LqcccfcccccCqLf00001)(21（） 由于振荡频率由于振荡频率0 0一般调谐在标称频率一般调谐在标称频率N N上上, , 位于位于晶振的感性区内晶振的感性区内, , 电抗曲线陡峭电抗曲线陡峭, , 稳频性能极好。稳频性能极好。（） 由于晶振的值和特性阻抗由于晶振的值和特性阻抗 都很高都很高, , 所以晶振的谐所以晶振的谐振电阻也很高振电阻也很高, , 一般可达一般可达1010 以上。这样即使外电路接以上。这样即使外电路接入系数很小入系数很小, , 此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大大, , 使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。

24、使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。例例 4.5 4.5 图例图例4 4（）是一个数字频率计晶振电路（）是一个数字频率计晶振电路, , 试分试分析其工作情况。析其工作情况。 MHZf0 . 410330107 . 4211260在晶振工作频率在晶振工作频率MHzMHz处处, , 此回路等效为一个电容。可此回路等效为一个电容。可见见, , 这是一个皮尔斯振荡电路这是一个皮尔斯振荡电路, , 晶振等效为电感晶振等效为电感, , 容量为容量为pFpFpFpF的可变电容起微调作用的可变电容起微调作用, , 使振荡器工作在晶振的使振荡器工作在晶振的标称频率标称频率MHzMHz上。上。 密勒（）振

25、荡电路密勒（）振荡电路 石英晶体作为电感石英晶体作为电感元件连接在栅极和源元件连接在栅极和源极之间极之间, , 并联回并联回路在振荡频率点等效路在振荡频率点等效为电感为电感, , 作为另一电作为另一电感元件连接在漏极和感元件连接在漏极和源极之间源极之间, , 极间电容极间电容gdgd作为构成电感三作为构成电感三点式电路中的电容元点式电路中的电容元件。由于件。由于gdgd又称为又称为密勒电容密勒电容, , 故此电路故此电路有密勒振荡电路之称。有密勒振荡电路之称。 泛音晶振电路泛音晶振电路 泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电路中路中,

26、, 为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上, , 不但必须不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡, , 而且而且必须必须正确地调节电路的环路增益正确地调节电路的环路增益, , 使其使其在工作泛音频率上略在工作泛音频率上略大于大于1 1, , 满足起振条件满足起振条件, , 而而在更高的泛音频率上都小于在更高的泛音频率上都小于1 1, , 不满不满足起振条件。足起振条件。 在实际应用时在实际应用时, , 可在三点式振荡电路中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

27、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上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则, , 不能起不能起振；振； 而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组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成法则, , 达到起振。达到起振。 假设泛音晶振为五次泛音假设泛音晶振为五次泛音, , 标称频率为标称频率为MHz, MHz, 基频为基频为MHz, MHz, 则则1 1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样这样, , 在在 MHz MHz 频率上频率

28、上, , 1 1回路呈容性回路呈容性, , 振荡电路满足组振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说成法则。对于基频和三次泛音频率来说, , 1 1回路呈感性回路呈感性, , 电路不符合组成法则电路不符合组成法则, , 不能起振。不能起振。 串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器 串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中, , 利利用其串联谐振时等效为短路元件用其串联谐振时等效为短路元件, , 电路反馈作用最强电路反馈作用最强, , 满足满足振幅起振条件振幅起振条件, , 使振荡器在晶振串联谐振频率使振荡器在晶振串联谐振频率s s上起振。上起振。

29、第五节第五节 压控振荡器压控振荡器VCO一、变容二极管一、变容二极管 变容二极管是利用结的结电容随反向电压变化这一变容二极管是利用结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种压控电抗元件。变容二极管的符号和结电特性制成的一种压控电抗元件。变容二极管的符号和结电容变化曲线如图容变化曲线如图4 45 51 1所示。所示。nBjjUuCC)1 ()0(变容二极管必须工作在变容二极管必须工作在反向偏压反向偏压状态状态, , 所以工作时需加负所以工作时需加负的静态直流偏压的静态直流偏压U UQ Q。若交流控制电压若交流控制电压u u 为正弦信号为正弦信号, , 变变容管上的电压为容管上的电压为: :u=-

30、(UQ+u)=-(UQ+U m cos t)njQnQBjQjtmcUUucC)cos1 ()1 (nBQjjQUUCc)1 ()0(1)(QBmUUUm二、变容二极管压控振荡器二、变容二极管压控振荡器例例 4.6 4.6 画出图例画出图例4.6(4.6(a) a)所示中心频率为所示中心频率为360360MHzMHz的变容二极管的变容二极管压控振荡器中晶体管的直流通路和高频振荡回路压控振荡器中晶体管的直流通路和高频振荡回路, , 变容二极变容二极管的直流偏置电路和低频控制回路。管的直流偏置电路和低频控制回路。 压控振荡器的主要性能指标是压控振荡器的主要性能指标是压控灵敏度和线性度压控灵敏度和线性度。其中压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的其中压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的增量增量, , 用表示用表示, , 即即ufS三、晶体压控振荡器三、晶体压控振