第4章 正弦波振荡器

第四章正弦波振荡器4.1反馈振荡器的原理4.2LC振荡器4.3振荡器的频率稳定度4.4LC振荡器的设计方法4.5石英晶体振荡器1概述一、与功放比较(从能量角度)

1．功率放大器

将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量。

特点：被动地，需输入信号控制。

2．正弦波振荡器(SinewaveOscillator)

将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。

特点：自动地，无需输入信号控制。2二、正弦波振荡器的应用

1．作信号源(本章将讨论)

正弦波信号源：电子测量仪器；

要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。

2．正弦交变能源(本章不讨论)用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。要求：功率足够大，高效。载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；时钟信号：数字系统。3

三、分类

（1）反馈振荡器

利用正反馈原理构成，应用广泛。（2）负阻振荡器利用负阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。1、按组成原理2、按产生的波形

（1）正弦波振荡器

（2）非正弦波振荡器

矩形脉冲、三角波、锯齿波。3、按选频网络所采用的器件

LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器。4第一节反馈振荡器的原理一、反馈振荡器的原理分析组成：正反馈：U’i(s)与Ui(s)相位相同。（1）放大器放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载，是调谐放大器。一般是由无源器件组成的线性网络。（2）反馈网络5一、反馈振荡器的原理分析闭环电压放大倍数：放大器电压放大倍数：（开环电压增益）反馈网络的电压反馈系数：整个反馈系统的环路增益：6闭环电压放大倍数将S=jω代入，在某一频率上，T（jω

）＝1，闭环增益降趋于无穷，表明当没有信号输入也可以有信号输出。（自激振荡）观察环路，T(jω

)的含义振幅增幅振荡减幅振荡等幅振荡7自激振荡的条件：又称为振荡器的平衡条件。二、平衡条件相位平衡条件振幅平衡条件相位超前和落后，对频率的影响8二、平衡条件相位平衡条件振幅平衡条件分析K(jω)与F(jω)的意义（以单调谐放大器为例）（功放）若又因为晶体管的正向转移导纳放大器的负载阻抗所以9（1）振幅平衡条件决定了振荡器输出振幅的大小。（2）相位平衡条件决定了振荡器输出信号的频率大小，解

得到。一般在回路的谐振频率附近。二、平衡条件相位平衡条件振幅平衡条件作业：思考，振幅平衡条件，相位平衡条件的意义；功率放大器为什么电压增益K可变，理解后可预习：起振条件和稳定条件10第一节反馈振荡器的原理三、振荡器的起振条件初始的激励是从哪里来的呢？振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等。11三、振荡器的起振条件振幅起振条件相位条件Ub1U01Ub2U02Ub3U0Ub振荡开始时应为增幅振荡！振幅条件的图解表示121、振幅稳定条件四、稳定条件UiAU’iU’’i因此，振荡器由增幅振荡过渡到稳幅振荡，是由放大器的非线性完成的。由于放大器的非线性，振幅稳定条件很容易满足。131.振幅稳定条件要振幅稳定，振荡器在平衡点必须具有阻止振幅变化的能力，即：当外界影响使振幅时，|T|应该阻止振幅即需要环路增益有阻止振幅变化的能力。增大，变小，成反比，即因为反馈网络为线性网络，F不随输入信号的变化，所以振幅稳定条件又可以写为：斜率越大越稳定，曲线越陡非线性放大器为可变增益放大器，输入振幅越大…当外界影响使振幅时，|T|应该阻止振幅14四、稳定条件振荡器稳定工作时回路的相频特性并联振荡回路的相位特性保证了相位稳定。2、相位稳定条件1、振幅稳定条件152.相位稳定条件一个正弦信号的相位φ和它的频率ω之间的关系相位的变化引起频率的变化，反之亦然。振荡器在时相位平衡，即输入信号的频率为此时必有：假设外界原因使（）超前原输入信号即反馈相位（变大）提前（），所以振荡周期缩短，频率增加，比如提高到，，则，必须能有阻止相位超前的能力，频率增加时，相位应减小（相位为负值时才满足）。统一记为：反之亦然。当外界因素消失后，落回到，频率应该能回落到，反馈相位应该滞后，使周期变长，频率下降。16所以，相位稳定应该满足时，应该减小，才能回到原平衡点。时，应该增大，才能回到原平衡点。所以相位稳定条件为：又因为不变所以，相位稳定条件也可以记为：当然也是越陡峭（大）越稳定，并联谐振回路的Q值越高越稳定图4－3

稳定工作时回路的相频特性书中图的纵轴不是而是注意区别和联系。17闭合环路成为反馈振荡器的三个条件：

①起振条件——接通电源后可从无到有建立起振荡。

②平衡条件——进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。第一节反馈振荡器的原理总结：

③

稳定条件——平衡状态不因外界不稳定因素的影响而受到破坏。18主网络反馈网络五、振荡线路举例——互感耦合振荡器

互感耦合反馈振荡器的正反馈是由互感耦合回路中的同名端来保证的。反馈振荡器工作原理19第二节LC振荡器一、振荡器的组成原则1三端式振荡器的组成LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接。三端式(又称三点式)振荡器：①并联谐振回路：决定振荡频率。②反馈网络：构成正反馈。三个电抗元件X1、X2、X3：20一、振荡器的组成原则1三端式振荡器的组成X1+X2+X3=0①谐振条件电路中三个电抗元件必须由两种不同性质的电抗元件组成。②相位平衡条件，即正反馈条件X1、X2为同性质电抗元件判断三端式振荡器能否振荡的原则：

“射同余异”或“源同余异”21一、振荡器的组成原则三端式振荡器有两种基本电路：(a)电容反馈振荡器(b)电感反馈振荡器三点式振荡电路组成法则22例题：图4-7是三回路振荡器的等效电路，设有下列几种情况：试分析上述四种情况是否都能振荡，振荡频率f1与回路谐振频率有何关系？属于何种类型的振荡器？23作业4-34-44-5（a、b、d、e）检查振荡器线路是否正确的步骤：1.检查交流通路是否存在正反馈2.检查直流通路为满足起振的振幅条件，起振时应使放大器工作在线性放大区，即对三极管电路，直流通路应使发射结正偏，集电结反偏。4-1224二、电容反馈振荡器交流等效电路电阻R1、R2、Re起直流偏置作用。Ce为旁路电容，Cb为隔直电容，保证起振时有合适的静态工作点及交流通路。Lc可防止集电极交流电流从电源入地。下面分析该电路的振荡频率及起振条件。25二、电容反馈振荡器(2)晶体管Cie、Coe很小，可忽略它们的影响；高频小信号等效电路分析振荡频率、起振条件：(3)忽略晶体管集电极电流ic对输入信号ub的相移，将Yfe用跨导gm表示。设:(1)忽略Yre=0的影响;：除晶体管以外的电路中所有电导折算到ce两端后的总电导。26电压增益：反馈系数：环路增益：下面分析环路增益！分析振荡频率、起振条件：27T(jω)。ω1令T(jω)虚部等于零。分析振荡频率、起振条件：下面分析环路增益：28振荡频率表达式：近似表示：ω1分析振荡频率：29将gie折算到放大器输出端：放大器总的负载电导gL：放大器电压放大倍数：分析起振条件：30起振条件：分析起振条件：31第一项：输出电导和负载电导对振荡的影响，F越大，越容易振荡；第二项：输入电阻对振荡的影响，gie、F越大，越不容易振荡。二、电容反馈振荡器只要在设计电路时使晶体管的跨导满足此式，振荡器就可以振荡。

因此，考虑晶体管输入电阻对回路的加载作用，反馈系数F并非越大越好。起振时环路增益一般取3~5。起振条件：32三、电感反馈振荡器(a)实际电路(b)交流等效电路通常电感是绕在同一带磁芯的骨架上，它们之间存在有互感，用M表示。33三、电感反馈振荡器(b)交流等效电路①振荡频率表达式：②反馈系数：③起振时的gm应满足：条件与电容反馈振荡器相同！34电感反馈振荡器与电容反馈振荡器的比较（1）两种线路都简单，容易起振。（2）电感反馈振荡器的工作频率不能过高；电容反馈振荡器，工作频率可以较高。（3）电容反馈振荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好。综上，由于电容反馈振荡器具有工作频率高、波形好等优点，在许多场合得到了应用。35四、两种改进型电容反馈振荡器1.克拉泼振荡器实际电路交流等效电路（克拉泼振荡器、西勒振荡器）抽头并联谐振回路36四、两种改进型电容反馈振荡器①回路的总电容

②振荡频率回路总电容主要由C3决定，极间电容对总电容的影响很小!③反馈系数37④接入系数四、两种改进型电容反馈振荡器⑤等效到晶体管ce两端的负载电阻RLp很小，晶体管与回路间的耦合很弱！C1、C2不能过大，否则停振！381.克拉泼振荡器（1）主要用于固定频率或波段范围较窄的场合。（2）频率覆盖系数一般只有1.2~1.3。结论：①改变C3RLK停振②RL的变化波段范围内输出振幅变化较大39四、两种改进型电容反馈振荡器2.西勒振荡器实际电路交流等效电路402.西勒振荡器①回路的总电容②振荡频率改变频率主要是通过调整C4完成的！41③接入系数2.西勒振荡器（1）C4的改变并不影响接入系数p，波段内输出幅度较平稳。西勒振荡器适用于较宽波段工作，在实际中用得较多。（2）C4改变，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大，可达1.6~1.8。结论42第三节振荡器的频率稳定度一、频率稳定度的意义和表征频率稳定度是指由于外界条件的变化，引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度，它是振荡器的一个重要指标。频率不稳定带来的影响？1、对频稳度的不同要求：

高精度信号发生器用途中波电台电视发射机信号发生器频稳度10-510-4~10-510-710-7~10-943频率稳定度的表征绝对偏差：设f1为实际工作频率，相对偏差：频率稳定度：用Δf/f1|时间间隔表示。2、f0为标称频率频率准确度！频率稳定度?这个数值越小，频率稳定度越高！时间间隔？第三节振荡器的频率稳定度443、按照时间间隔长短不同一般指一天以上以至几个月的时间间隔内。一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变化。①长期稳定度一般指一天以内，以小时、分钟或秒计时的时间间隔内。②短期稳定度③瞬时稳定度一般频率稳定度主要是指短期稳定度！通常是由振荡器中元器件老化而引起的。产生这种频率不稳定的因素有温度、电源电压等。引起不稳定的主要因素是振荡器内部的噪声。45二、振荡器的稳频原理②振荡回路在ω0附近的幅角①相位平衡条件该式反映了振荡器的频率不稳定因素！振荡频率：46二、振荡器的稳频原理1.回路谐振频率ω0的影响回路元件L和C的稳定度将影响振荡器的频率稳定度。①提高回路的标准性！结论：47

2.QL对频率的影响二、振荡器的稳频原理回路QL越大，频率稳定度就越高！②提高回路的QL！结论：48二、振荡器的稳频原理主要取决于晶体管内部的状态。3、对频率的影响③减小晶体管的影响！结论：491.提高振荡回路的标准性三、提高频率稳定度的措施2.减少晶体管的影响3.提高回路的品质因数4.减少电源、负载等的影响为减少温度对振荡频率的影响，可以将振荡器放在恒温槽内。在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另外，应选择fT较高的晶体管，fT越高，高频性能越好。回路的Q值越大，回路的相频特性斜率就越大，即回路的Q值越大，相位越稳定。①振荡器电源应采取必要的稳压措施。②应减小负载对回路的耦合，可以在负载与回路之间加射极跟随器等措施。50频稳度晶体振荡器：超过10-5LC振荡器：10-3~10-5

晶体振荡器：

采用石英谐振器控制和稳定振荡频率的振荡器。

一、石英谐振器的电特性1．石英晶体的性能与等效电路

利用石英晶体(Quartz-Crystal)的压电效应制成的一种谐振器件。第五节石英晶体振荡器51(1)性能①

晶片有一固有振动频率，与切割方位、形状、大小有关，且十分稳定。将其接到振荡器的闭合环路中，利用其固有频率，能有效地控制和稳定振荡频率。

②

压电效应：机械与电的相互转换效应。

正压电效应：外加力，产生电荷现象。

逆压电效应：外加电压，产生机械振动现象。

③

振动特性1．石英晶体的性能与等效电路

具有多谐性，除基频振动外还有奇次谐波的泛音振动。

52(2)等效电路

包括泛音在内的等效电路谐振频率附近的等效电路53(2)等效电路

串联谐振频率并联谐振频率二者关系：等效接入系数54①

在

q

~

o

之间为正值，呈感性；其他频段内为负值，呈容性。②在q

上Xe=0，为串联谐振；在0

上Xe

，为并联谐振。2．电抗特性晶振体两个谐振频率：q

~

o

；且q

<

o

①

工作于

q

~

o之间为高

Q电感，并联谐振。②

工作于

q附近为串联谐振，对

q

，相当于短路。晶振体只能工作于上述两种方式，否则频稳度下降。结论：55

3.石英晶体振荡器频率稳定度具有高频稳度的原因：(3)有非常高的Q值。(2)与有源器件的接入系数p很小。一般为10－3~10－4。(1)具有很高的标准性。其振荡频率主要由石英晶体谐振器的谐振频率决定。56二、晶体振荡器电路1、并联型晶体振荡电路Ce：

旁路电容。C1、C2：既是回路的一部分，也是反馈电路。（1）皮尔斯振荡器57振荡频率外部电容1、并联型晶体振荡电路等效接入系数并联谐振频率（a）改变CL可以微调振荡频率。（b）

CL主要由C3决定。通常电路中C3<<C1、C2。实际电路中用与晶体串一小电容C3来微调振荡频率。

分析晶体振荡器反馈系数581、并联型晶体振荡电路(2)并联型晶体振荡器的实际线路其适宜的工作频率范围为0.85~15MHz。交流等效电路59皮尔斯振荡器(3)密勒(Miler)振荡器1、并联型晶体振荡电路由于晶体与晶体管的低输入阻抗并联，降低了有载品质因数QL，故密勒振荡器的频率稳定度较低。结论：60(3)密勒(Miler)振荡器1、并联型晶体振荡电路交流等效电路由于皮尔斯振荡器的频稳度比密勒振荡器高，故实际应用的晶体振荡器大多为皮尔斯振荡器，在频率较高时可以采用泛音晶体构成。61(4)泛音晶体皮尔斯振荡器1、并联型晶体振荡电路+UccC2交流等效电路62原理分析：设取五次泛音，标称频率为5MHz。（a）对五次泛音，LC1呈容性，满足电容三点式；（b）对基音、三次泛音，LC1呈感性，不满足组成法则；（c）对高于七次以上泛音，使放大器增益减小，振荡器停振。(4)泛音晶体皮尔斯振荡器53.51为抑制基音和三次泛音的寄生振荡，LC1应调谐在三次和五次泛音之间，例如3.5MHz。一般为3、5、7次泛音。632、串联型晶体振荡器实际线路等效电路晶体接在振荡器要求低阻抗的两点间，通常在反馈电路中。642、串联型晶体振荡器原理分析：

①当f=fq

时，晶体串联谐振，等效为短路元件，电路满足相位条件，且反馈最强，满足起振条件。

②f

fq时，晶体呈高阻抗，反馈显著减弱，不能满足振幅和相位起振条件。因此这种振荡器的振荡频率受晶体串联谐振频率的控制，具有很高的频稳度。652、串联型晶体振荡器补充说明：通常这种晶体标明其负载电容为无穷大。①不需要外加负载电容CL。这是由于晶体只起到控制频率的作用，对回路没有影响，只要电路能正常工作，输出幅度就不受晶体控制。②串联型晶体振荡器能适应高次泛音工作。