第四章 正弦波振荡器

第四章正弦波振荡器4.1概述4.2反馈式振荡器的基本工作原理4.3LC正弦振荡电路

4.3.1互感反馈振荡器

4.3.2三点式振荡电路

4.3.3改进型电容三点式振荡电路4.4石英晶体振荡器补充RC振荡器本章小结高频电子线路第四章正弦波振荡器4.1概述一、振荡器与放大器的区别放大器：对外加的激励信号进行不失真的放大。振荡器：不需外加激励信号，靠电路本身产生具有一定频率、波形和幅度的交流信号。二、振荡器的分类⒈按振荡原理分⑴反馈式振荡器：依靠外加正反馈而得到的自激振荡。①RC低频振荡器②LC高频振荡器⑵负阻式振荡器二、振荡器的分类⒉按振荡的波形分⑴正弦波振荡器⑵非正弦波振荡器三、本章主要内容反馈式振荡器的工作原理对基本振荡器电路以及几种典型振荡电路进行分析高频电子线路第四章正弦波振荡器4.2反馈式振荡器的基本工作原理一、从调谐放大到自激振荡⒈调谐放大器分析⒉反馈式振荡器可以看成是由调谐放大器演变而来。二、反馈式振荡器的组成反馈振荡器的基本原理就是利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡。反馈振荡器是由主网络和反馈网络组成的一个闭合环路。二、反馈式振荡器的组成二、反馈式振荡器的组成主网络一般由放大器和选频网络组成（可以看成为一个调谐放大器），反馈网络一般由无源器件组成。二、反馈式振荡器的组成三、自激振荡的平衡条件⒈相位平衡条件UF和Ui同相，即∑Ф=2nп⒉振幅平衡条件UF=Ui，即AuFu=1(即环路增益T(jw)=1)四、起振过程和起振条件起振过程：在刚接通电源时，电路中存在各种电子的扰动，比如接通电源瞬间引起的电流突变，电路中的热噪声等等，这些扰动均具有很宽的频谱，包含着各种频率分量。由于选频网络是由Q值极高的LC并联谐振回路组成带宽极窄，这些扰动中只有角频率为谐振角频率的分量才能通过反馈产生较大的反馈电压。四、起振过程和起振条件若反馈电压与输入电压同相且具有更大的振幅，则经过线性放大和反馈的不断循环，振荡电压振幅就会不断增大。起振条件⒈相位起振条件UF和Ui同相，即∑Ф=2nп⒉振幅起振条件UF＞Ui，即AuFu＞1(即环路增益T(jw)>1)互感反馈振荡电路自激振荡的建立过程自激振荡器的平衡过程为便于起振，必须给晶体管加较大的正向偏置，使放大器开始时工作在甲类工作状态，随着振幅的增大，放大器由放大区进入饱和区或截止区，工作于非线性的丙类状态，其增益逐渐下降。当增益下降到反馈电压等于输入电压时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡，进入等幅振荡状态。五、平衡状态的稳定性和稳定条件⒈振幅平衡稳定条件⒈振幅平衡稳定条件振幅的稳定条件是：在平衡点曲线Au~Ubem斜率为负，即dAu/dUbem

|Au=（1/Fu）＜0或dT(jw)/dU|Ubem=UQ＜0⒉相位平衡稳定条件⒉相位平衡稳定条件

相位稳定平衡的条件是：在平衡点，Ф~f曲线的斜率为负，即dФ/df|f=f0＜0高频电子线路第四章正弦波振荡器4.3LC正弦振荡电路

4.3.1互感反馈振荡器一、振荡器的频率稳定度反馈振荡器如满足起振、平衡、稳定三个条件，就能够产生等幅持续的振荡波形。当受到不稳定因素影响时，振荡器的相位或振荡频率可能发生些微小变化，虽然能自动回到平衡状态，但振荡频率在平衡点附近随机变化这一现象却不可避免，为了衡量实际振荡频率相对于标称振荡频率变化的程度，提出了频率稳定度这一性能指标。

频率稳定度的定义振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化，引起振荡频率的变动，且在新的平衡点又达到稳定平衡时，新的频率偏离原频率的程度。（绝对稳定度、相对稳定度）常用的是相对稳定度，用10-n表示，n的值越大，稳定度越高。

二、互感反馈振荡器的振荡原理

⒈基本电路—调集型共射组态互感反馈振荡器

⒉相位平衡条件由互感线圈的同名端来保证，满足正反馈。判断晶体管工作组态及线圈同名端的方法：⑴LC调谐回路所接端——输出端⑵反馈线圈所接端——输入端⑶剩下的端口——公共组态⑷共e——输出、输入反相共c、共b——输出、输入同相互感反馈振荡电路的反馈极性互感反馈振荡电路的反馈极性互感反馈振荡电路的反馈极性⒊起振条件和振荡频率起振条件Uo=yfeUiZ0

Z0为谐振阻抗Au=Uo/

Ui=yfeZ0

Fu=jwM（Uo/jwL）/Uo=M/L∴AuFu=yfeZ0M/L＞1即要求yfe↑、M↑振荡频率（估算）fo=1/2п√LC

三、实用电路举例四、互感反馈振荡器优缺点优点：易起振，输出电压较大，结构简单，调频方便，且调频时输出电压变化不大，常用于收音机中本振。缺点：由于互感耦合元件分布电容的存在，使高频时分布电容影响大，输出波形不好，频率稳定性差，只适用于较低频段。小结振荡器与放大器的区别，振荡器的分类反馈式振荡器的组成自激振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件互感反馈振荡电路相位平衡的判断互感反馈振荡电路振荡频率的计算

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第四章正弦波振荡器4.3LC正弦振荡电路

4.3.2三点式振荡电路

一、电容三点式振荡电路

——考毕兹(Colpitts)振荡器

晶体管三个极分别与LC回路的三个点相联接，且反馈元件为电容，故称为电容三点式振荡器。1。电路组成2。相位平衡条件关键在于：从c-e看入，由电容C2和电感L组成的支路呈感性。3。起振条件和振荡频率起振条件Uo=yfeUiZ0

Z0为谐振阻抗Au=Uo/

Ui=yfeZ0

Fu=UF/Uo=（1/wC2）IL/（1/wC1）IC=C1/C2

∴AuFu=yfeZ0C1/C2＞1即yfe↑、C1↑、C2↓振荡频率（估算）fo=1/2∏√LC其中C=C1

C2/（C1+C2）4。主要优缺点优点：电容作为输出、反馈元件，它对谐波呈现的阻抗小，因此输出波形好，振荡频率高。缺点：改变频率不方便，Co、Ci影响频率稳定度。

二、电感三点式振荡电路

——哈特莱(Hartley)振荡器

晶体管三个极分别与LC回路的三个点相联接，且反馈元件为电感，故称为电感三点式振荡器。1。电路组成2。相位平衡条件关键在于：从c-e看入，由电容C和电感L2组成的支路呈容性。3。起振条件和振荡频率起振条件Uo=yfeUiZ0

Z0为谐振阻抗Au=Uo/

Ui=yfeZ0

Fu=UF/Uo=（wL2IC）/（wL1IL）=L2/L1

∴AuFu=yfeZ0L2/L1＞1即yfe↑、L2↑、L1↓振荡频率（估算）fo=1/2∏√LC其中L=L1+L2若考虑互感则L=L1+L2+2M4。主要优缺点优点：易起振、输出电压幅度大，调节频率方便（在较宽的频段内）。缺点：电感作为输出、反馈元件，输出波形不理想、振荡频率不高。三、三点式振荡电路的判别法则三、三点式振荡电路的判别法则Xce、Xbe电抗性质相同，Xcb与它们电抗性质相反。（射同基反）四、三点式振荡电路判别举例

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4.3.3改进型电容三点式振荡电路一、电容反馈三点式电路的两个主要缺点调节频率时，同时改变反馈量。Co、Ci影响频率稳定度。二、串联改进型电容反馈三点式电路——克拉泼(Clapp)电路图中C3<<C1,C3<<C2克拉泼电路振荡回路的总电容

C∑=（C1//Co）+（C2//Ci）+C3≈C3振荡频率fo=1/2∏√LC∑≈1/2∏√LC3注意：C3不能太小，否则影响fo的调节范围。三、并联改进型电容反馈三点式电路——西勒(Seiler)电路

西勒电路振荡回路的总电容

C∑=（C1+C2+C3）//C4≈C3+C4

振荡频率fo=1/2∏√LC∑≈1/2∏√L（C3+C4）

西勒电路的优点：频率稳定度高，振荡频率高，覆盖宽，振幅平稳，输出波形好。四、本节要求相位条件的判断振荡频率的计算振荡器的类型判别熟练掌握考毕兹及哈特莱振荡电路并能画出交流等效电路图五、作业(补充)在西勒振荡电路中,C1=C2=100pF,C3=10pF,L=5uH,fo=10~15MHz,求C4值应为多大范围?考毕兹振荡器的fo=45MHz,L=0.2uH,Fu=0.3,若忽略晶体管输入、输出阻抗的影响,计算C1和C2的值.高频电子线路第四章正弦波振荡器4.4石英晶体振荡器一、石英晶体的结构和特性⒈结构

石英晶体俗称水晶，是一种化学成分为SiO2两端呈角锥的六棱柱结晶体。按一定的方位角将晶体切成薄片称石英晶片（正方形、长方形、圆形），不同方位的切片有不同程度的频率特性，即石英晶片尺寸、厚度决定频率。⒈结构⒉特性压电特性反压电特性正是因为压电特性和反压电特性，石英晶片可以做成谐振器。二、石英谐振器的等效电路

与电抗特性曲线⒈等效电路与符号⒈等效电路与符号其中：C0—金属板及支架构成的电容，约1~10pFCq—压电谐振等效电容，约10-4~10-1pFLq—压电谐振等效电感，约10-3~102Hrq—摩擦损耗电阻，约几十~几百欧姆C∑=C0

Cq/（C0+Cq）≈CqQ=√Lq/Cq/rq可达几万到几百万⒉电抗曲线（取rq=0）⒉电抗曲线串联谐振频率fs

=1/2∏√Lq

Cq

并联谐振频率fp

=1/2∏√LqC∑故只在fs~fp很窄的范围内，石英谐振器等效一特殊电感，其余频率均等效于电容。另外，石英晶振产品还有一个标称频率fN。fN的值位于fs与fp之间，这是指石英晶振两端并接一规定负载电容CL时石英晶振的谐振频率。

三、石英谐振器频率稳定度

高的原因Q值高，利于稳频在fs~fp之间等效为一特殊电感（斜率陡、利于稳频）接入系数小四、晶体振荡器电路⒈串联型晶体振荡器⒉并联型晶体振荡器⒊泛音晶体振荡器⒈串联型晶体振荡器将晶体作为一个短路元件串接在正反馈支路中，工作在晶体的串联谐振频率上，称为串联型晶体振荡器。⒈串联型晶体振荡器⒉并联型晶体振荡器将晶体作为等效电感元件用在三点式电路中，工作在感性区，称为并联型晶体振荡器。皮尔斯电路（类似考比兹）皮尔斯电路的特点振荡频率几乎由晶振的参数决定，具有高度的稳定性。振荡频率

f0=1/2∏√LqCq（C0+CL）/（Cq+C0+CL）=fs√1+

Cq/（

C0+

CL）其中CL是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值，即产品要求的负载电容。振荡频率一般调谐在标称频率fN上，位于晶振的感性区，电抗曲线陡，稳频性好。实用的并联型晶体振荡器电路⒊泛音晶体振荡器在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。在实际应用时，可在三点式振荡电路中，用一选频回路来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上呈现的电抗性质不满足三点式振荡电路的判别法则，而在所需的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足法则，达到起振条件。⒊泛音晶体振荡器五、石英晶体振荡器的优缺点优点：频率稳定度高缺点：单频性、加工困难高频电子线路补充RC振荡器一、RC串并联网络的选频特性一、RC串并联网络的选频特性串联阻抗Z1=R1+1/jwC1并联阻抗Z2=R2/（1+jwR2C2）网络传输系数K=Uo/Ui=Z2/（Z1+Z2）设R1=R2=R，C1=C2=C

K=1/[3+j（wRC－1/wRC）]K=1/√9+（wRC－1/wRC）2⒈幅频特性（选频特性差）f=fo=1/（2∏RC）时谐振，Uo最大，此时K=1/3f＜fo、f＞fo时K＜1/3⒉相频特性f很低时，Z1≈1/jwC，Z2≈R，Ф≈п/2，相位超前型，相当于高通滤波器。f=f0时，纯阻抗，Ф=0，选频点