第3章正弦波振荡器-2

1、3.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器第第 3 章正弦波振荡器章正弦波振荡器3.2.1三点式振荡电路三点式振荡电路3.2.3举例举例3.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器LC 正弦波振荡器：正弦波振荡器：采用采用 LC 谐振回路作为相移网络的谐振回路作为相移网络的振荡器。振荡器。 种类：种类：变压器耦合振荡电路变压器耦合振荡电路 三点式振荡电路和差分对管振荡电路。三点式振荡电路和差分对管振荡电路。 3.2.1三点式振荡电路三点式振荡电路一、电路组成法则一、电路组成法则1电路电路两种基本类型三点式振两种基本类型三点式振荡器的原理电路荡器的原理电路( (交流通路交流通路) )。 2组成法则组成法则：交

2、流通路中，三极管的三个极与谐振回交流通路中，三极管的三个极与谐振回路的三个引出端相连接。其中，与发射极相接的为两个路的三个引出端相连接。其中，与发射极相接的为两个同性同性质质电抗，接在集电抗，接在集-基间的为基间的为异性异性电抗。电抗。 三点式振荡电路组成法则三点式振荡电路组成法则:射同基反射同基反可证，此法连接必满足相位平衡条件，实现正反馈。可证，此法连接必满足相位平衡条件，实现正反馈。 二、三点式振荡器电路二、三点式振荡器电路 1电容三点式电容三点式 ( (1) )电路电路 RB1、RB2 和和 RE ：分压式偏置电阻分压式偏置电阻； CC、CB、CE ：旁路和隔直流电容旁路和隔直流电容；

3、RC ：集电极直流负载电阻集电极直流负载电阻； RL ：输出负载电阻输出负载电阻 ； L、C1、C2 ：并联谐振回路并联谐振回路。( (2) )组成组成 可变增益器件：三极管可变增益器件：三极管 T；相移网络：；相移网络：LC并并联谐振。交流通路：联谐振。交流通路：发射极：为两同性质容性电抗；集发射极：为两同性质容性电抗；集-基：基：感性电抗。（感性电抗。（注意注意：大电容应短路，小电容应留着）：大电容应短路，小电容应留着） 交流通路：交流通路：12osc121,C CCCCLC（后面有推导）（后面有推导）( (3) )讨论讨论 起振与平衡起振与平衡 T 为可变增益器件，增益随振幅增大而减小。

4、同时，随为可变增益器件，增益随振幅增大而减小。同时，随 vi 的增大产生的增大产生自给偏置效应自给偏置效应，加速放大器增益的下降。，加速放大器增益的下降。其其直流偏置电路如图直流偏置电路如图。刚起振时，发射结直流偏置为。刚起振时，发射结直流偏置为静态偏置电压，静态偏置电压，VBE0= VBEQ = VBB - - IBQRB - - IEQRE 反馈反馈 vi vi 一部分进入截止区一部分进入截止区 iC为为失真的脉冲波，失真的脉冲波，其其平均值平均值 IC0 将将ICQ VBE0 增益增益 平衡平衡所以，振荡振幅增大时，加在发射结所以，振荡振幅增大时，加在发射结上上的偏置电压将自静态值向截止

5、方向移动，的偏置电压将自静态值向截止方向移动，导致环路增益进一步下降，从而提高了振导致环路增益进一步下降，从而提高了振荡振幅的稳定性。荡振幅的稳定性。自给偏置效应自给偏置效应2电感三点式振荡器电路电感三点式振荡器电路( (1) )电路组成电路组成 ( (2) )组成法则判断组成法则判断 osc121,2LLLMLCL1和和L2通常绕在一个线圈通常绕在一个线圈架，架，M为二者之间的互感为二者之间的互感 3电感三点式与电容三点式的比较电感三点式与电容三点式的比较电感三点式：电感三点式：优点：由于优点：由于L1和和L2之间之间有互感，有互感，易起振易起振。且改变。且改变C调整调整fosc时，基本不影

6、响电路的反馈系数，时，基本不影响电路的反馈系数，较方便较方便。缺点：反馈支路为感性支路，对高次谐波呈高阻抗，即缺点：反馈支路为感性支路，对高次谐波呈高阻抗，即高次谐波反馈较强，高次谐波反馈较强，波形失真较大波形失真较大。工作频率较高时工作频率较高时，因为电感上的分布电容和晶体管的极间电容并联于因为电感上的分布电容和晶体管的极间电容并联于L1和和L2两端两端，分布参数影响严重，甚至使反馈系数下降到，分布参数影响严重，甚至使反馈系数下降到无无法起振法起振。 电容三点式：电容三点式：优点：反馈支路为容性支路，对高次谐波呈低阻抗，即优点：反馈支路为容性支路，对高次谐波呈低阻抗，即高次谐波反馈较弱，高次

7、谐波反馈较弱，波形较好。波形较好。电路中的分布电容都是电路中的分布电容都是与与C1、C2并联，因此可适当加大回路电容，以减弱不稳并联，因此可适当加大回路电容，以减弱不稳定因素对振荡频率的影响，从而提高频稳度。当工作频定因素对振荡频率的影响，从而提高频稳度。当工作频率较高时，甚至可以只利用器件的极间电容作为回路电率较高时，甚至可以只利用器件的极间电容作为回路电容。所以容。所以适用于较高工作频率适用于较高工作频率。缺点：缺点：不易起振。调不易起振。调C1或或C2来改变振荡频率时，反馈系来改变振荡频率时，反馈系数会改变。数会改变。 Clapp，Seiler电路电路。三、电容三点式振荡电路的起振条件三

8、、电容三点式振荡电路的起振条件( (相位与振幅相位与振幅) )1等效电路等效电路( (以以 3-2-2b 为例为例) ) 推导环路增益推导环路增益 T( (j ) ) 时，应将闭合环路断开。时，应将闭合环路断开。( (1) )改画电路改画电路 断点左面加环路的输入电压断点左面加环路的输入电压 Vi(j )断点右边断点右边( (与与C2 并联并联) )接入自断点向左看进去的阻抗接入自断点向左看进去的阻抗 Zi Re0 ： L、C1、C2 并联谐振回路的固有谐振电阻并联谐振回路的固有谐振电阻。e000LRLQrCQ0：固有品质因数。固有品质因数。( (2) )用混合用混合 型等效电路表示型等效电路

9、表示设设 fosc 1 (gm A)可求得三点式振荡器的相位可求得三点式振荡器的相位起振条件起振条件为为0Li21212osc - - - - - gLgCCCLC (3-2-3)振幅振幅起振条件起振条件为为)11()1(12osci12LmLCgCCgg - - (3-2-4)讨论：讨论：1振荡角频率振荡角频率 osc 振荡频率振荡频率 osc 由相位起振条件决定，解由相位起振条件决定，解( (3) )求得求得2120Li021Liosc11CCggCCggLC (3-2-5)式中，式中， 2121CCCCC ：LC 回路总电容回路总电容， LC10 ：固有谐振角频率。固有谐振角频率。 os

10、c 与与 0 (LC) 有关，还与有关，还与 gi (Ri)、g L ( Re0、 RL) 有关，有关，且且 osc 0 。Li2120ggCC 在实际电路中，一般在实际电路中，一般满足满足 工程估算时，工程估算时， osc 0 = (3-2-6)LC12振幅起振条件振幅起振条件 工程估算时，令工程估算时，令 = osc 0 ，代入，代入( (4) )式，即：式，即：)11()1(12osci12LmLCgCCgg - - (3-2-4)211i121LmCCCgCCCgg 振幅起振条件可简化为：振幅起振条件可简化为：设设211CCCn (3-2-7)n 为电容分压比，上式改写为为电容分压比，

11、上式改写为gm iL1nggn (3-2-8a)或或 1i2Lm gnggn(3-2-8b)2C 若若 gi 11i2Lm gnggni2/R n讨论：讨论：为满足振幅起振条件，应增大为满足振幅起振条件，应增大 Av( 0) 和和 kfv 。 增大增大 kfv (= n) ，n2gi 增大，增大，Av( 0) 减小；减小减小；减小 kfv ，虽提高虽提高 Av( 0)，但回路增益但回路增益 T( 0) 受限。受限。故故 n 取值应适中。取值应适中。 提高提高 ICQ，可以增大，可以增大 gm，从而提高，从而提高 Av( 0) ，但不宜，但不宜过大，否则，过大，否则，gi( ( 1/re = g

12、m/ ) )会过大，造成回路有载品质会过大，造成回路有载品质因数下降，影响频率稳定性。因数下降，影响频率稳定性。ICQ 一般取一般取( (1 5) )mA。结论：结论：若振荡管若振荡管 fT 5fosc，RL 又不太小又不太小( ( 1 k ) )，且，且 n( (两电容两电容) )取值适中，一般都满足起振条件。取值适中，一般都满足起振条件。 四、用工程估算法求起振条件四、用工程估算法求起振条件 1将闭合环路断开，画出开环等效电路。将闭合环路断开，画出开环等效电路。 2求出固有谐振频率求出固有谐振频率 0，并令，并令 osc 0。 3将谐振回路的电导折算到集电极上，求放大器回路将谐振回路的电导

13、折算到集电极上，求放大器回路谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。 3.2.3举例举例例例 1：判断图示交流通路判断图示交流通路能否满足相位平衡条件？能否满足相位平衡条件？解：解：若若 L、C3 串联支路呈串联支路呈感性，则感性，则符合相位平衡条件符合相位平衡条件条件：条件：当当 osc 时时， L、C3串联支路呈感性串联支路呈感性。331LC 感性感性容性容性纯阻纯阻 例例 2：求例求例1电路的振幅起振条件。电路的振幅起振条件。例例 3：图为三回路振荡器交流通路，图为三回路振荡器交流通路，f01， f02， f03分别为分别为三个回路的固

14、有谐振频率，写出它们之间能满足相位平衡条三个回路的固有谐振频率，写出它们之间能满足相位平衡条件的两种关系式，并指出两种情况下振荡频率处在什么范围件的两种关系式，并指出两种情况下振荡频率处在什么范围内。内。解：解：已知串、并联谐振回路电抗特性曲线如图已知串、并联谐振回路电抗特性曲线如图(b)、(c)串联串联中，中， 0，X 0，呈呈感性；感性； 0，X 0，X 0，呈呈容性；容性； 0，呈呈感性感性1若构成电容三点式电路若构成电容三点式电路L1C1、L2C2 回路呈回路呈容性失谐容性失谐，L3C3 回路回路呈呈感性失谐感性失谐。容性失谐容性失谐：fosc f02；感性失谐感性失谐：fosc f0

15、1， fosc f030103osc02,ffff第第 3 章正弦波振荡器章正弦波振荡器3.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度3.3.1提高频稳度的基本措施提高频稳度的基本措施3.3.2电容三点式电容三点式振荡电路的改进电路振荡电路的改进电路3.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度一、定义：频率稳定度又称频稳度，为振荡器最重要定义：频率稳定度又称频稳度，为振荡器最重要的指标，指的指标，指在规定时间内在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，等变化范围内，振荡频率的相对变化量振荡频率的相对变化量。二、种类二、种类 按规定按规定时间的长短时

16、间的长短不同，频稳度可分：不同，频稳度可分： 长期频稳度：长期频稳度：一天以上乃至几个月内因元器件老化而引一天以上乃至几个月内因元器件老化而引起的频率相对变化量。起的频率相对变化量。 短期频稳度：短期频稳度：一天内因温度、电源电压等外界因素变化一天内因温度、电源电压等外界因素变化而引起的频率相对变化量。而引起的频率相对变化量。 瞬时瞬时( (秒级秒级) )频稳度：频稳度：电路内部噪声引起频率相对变化量。电路内部噪声引起频率相对变化量。 常用常用 三、三、表达式表达式 绝对准确度：绝对准确度：oscoscfff- - fosc：标称频率：标称频率 相对准确度：相对准确度：oscoscoscosc

17、fffff- - f：实测的振荡频率实测的振荡频率将规定时间划分为将规定时间划分为 n 个等间隔，各间隔内实测的振荡频个等间隔，各间隔内实测的振荡频率为率为 fi，短期频稳度的定义：短期频稳度的定义：2oscoscoscosc1oscosc)(1limffffnffinin- - 式中，式中， ，第，第 i 个间隔内实测的绝对准确度；个间隔内实测的绝对准确度； osciosc)(fffi- - 为绝对准确度的平均值，为绝对准确度的平均值， 越小，越小，频率准确度就越高。频率准确度就越高。 )(1limosci1oscffnfnin- - oscf四、对频稳度的不同要求四、对频稳度的不同要求 高

18、精度信号高精度信号 发生器发生器510- -710- -541010- - - -971010- - - -用用 途途中波电台中波电台电视发射机电视发射机信号发生器信号发生器频稳度频稳度3.3.1提高频稳度的基本措施提高频稳度的基本措施首先分析外界因素对振荡频率变化的影响。首先分析外界因素对振荡频率变化的影响。一、频稳度的定性分析一、频稳度的定性分析 1振荡频率的图解振荡频率的图解由相位平衡条件由相位平衡条件 T( osc) = 0即即0)()()()(foscZoscfoscAoscT 说明：说明：( (1) ) A( ) 主要取决于并联谐振回路的相移主要取决于并联谐振回路的相移 z( )

19、，它在谐振频率附近随它在谐振频率附近随 的变化十分剧烈；的变化十分剧烈； ( (2) ) f( ) 随随 的变化相对地要缓慢的多，可近似认为它的变化相对地要缓慢的多，可近似认为它与频率无关的常数，用与频率无关的常数，用 f 表示。表示。得：得： Z( osc) = - - f故：故： z( ) 曲线与高度为曲线与高度为 - - f 水平线相交点上所对应的角频水平线相交点上所对应的角频率率振荡角频率振荡角频率 osc 。 2影响振荡频率影响振荡频率 osc 的参数的参数 由由 00eoscZ)(2arctan)( - - - Q知：知：影响振荡频率影响振荡频率 osc 的参数是的参数是 0 0、

20、Qe 和和 f 。故讨论频稳度。故讨论频稳度就是分析外界因素通过这三个参数对振荡频率变化的影响。就是分析外界因素通过这三个参数对振荡频率变化的影响。 ( (1) )谐振频率谐振频率 0 0 变化变化若若 L 、C 变化，变化， 0 0 产生产生 0 0 的变化，的变化，则则 z z( ( ) )曲线沿横坐标平移曲线沿横坐标平移 0 0，曲线形，曲线形状不变。状不变。图图( (a) )( (2) )Qe 变化变化 若若负载和管子参数变化，使谐负载和管子参数变化，使谐振回路振回路 Qe增加增加 Qe，则，则 z z( ( ) )曲线曲线变陡。变陡。 Qe 引起振荡频率的变化量引起振荡频率的变化量与

21、与 f f 大小有关大小有关 。图图(b)oscosc ( (3) )若若 f f 产生产生 f f，则，则 z z( ( ) )曲线曲线形状不变，而交点移动。形状不变，而交点移动。 f f 引起振荡频率的变化与引起振荡频率的变化与 f f( (同同条曲线条曲线) ) 、Qe 的大小有关。的大小有关。3讨论讨论 提高提高 LC 振荡器频稳度的基本措施：振荡器频稳度的基本措施： 减小减小 0、 Qe 和和 f，故应减小，故应减小外界因素变化引起外界因素变化引起 0、Qe 和和 f 的变化。的变化。 减小减小 f 和增大和增大 Qe ，以减小由，以减小由 Qe、 f 引起的振荡引起的振荡频率变化量

22、。频率变化量。 二、提高频稳度的基本措施二、提高频稳度的基本措施1减小外界因素的变化减小外界因素的变化 外界因素：外界因素：温度、湿度、大气压、电源电压、周围磁场、温度、湿度、大气压、电源电压、周围磁场、机械振动及负载变化等，其中尤以机械振动及负载变化等，其中尤以温度的影响最严重温度的影响最严重。 措施：措施：减振、恒温、密封减振、恒温、密封( (湿度、大气压湿度、大气压) )、高稳定度电、高稳定度电源、屏蔽罩、振荡器与负载间播入跟随器。源、屏蔽罩、振荡器与负载间播入跟随器。 2提高振荡回路标准性提高振荡回路标准性( (1) )标准性：标准性：振荡回路在外界因素变化时保持固有谐振振荡回路在外界

23、因素变化时保持固有谐振频率不变的能力。频率不变的能力。标准性越高，标准性越高， 0 0 就越小。就越小。( (2) ) 0 0 与与 L、 C 的关系的关系)1)(1(1)(1000CCLLCCLL 将此式展开，忽略高阶小量，化简化为将此式展开，忽略高阶小量，化简化为 00 CCLLCCLL2121)21)(21(0000 - - - - - - ）（CCLL2100 - - ( (3) )分析分析 可见，可见，为提高回路标准性，须减小为提高回路标准性，须减小 L、 C 的相对的相对变化变化量。量。措施：措施： 温度补偿。电感和部分寄生参量有正值的温度系数，温度补偿。电感和部分寄生参量有正值的

24、温度系数，选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补偿。选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补偿。 缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。 使用高稳定度的外接集总电容、电感，减小不稳定使用高稳定度的外接集总电容、电感，减小不稳定的寄生量及其在的寄生量及其在 L、C 中的比重。中的比重。 ( (4) )讨论讨论fosc= = (LC)- -1/2一一定时，定时，C（减小分布电容在总电容中的比（减小分布电容在总电容中的比重）重）L Q0 Qe 频稳度频稳度所以，增加总电容是有限度的。因此一般都串联电容，所以，增加总电容是有限度的。因此一般都串联电容，减小管子与回路间耦合的方法。减小管子与回路间耦合的方法。如：如：clapp 电路电路3.3.2电容三点式振荡电路的改进电路电容三点式振荡电路的改进电路一一Clapp电路电路 2特点特点 为为电容三点式振荡器的改进型电容三点式振荡器的改进型电路，其差别：与电路，其差别：与 C1、C2 串联的电串联的电容容 C3。且。且C3