第5章正弦波振荡器

通信电子电路张鏖烽计算机与通信学院51269402@第5章正弦波振荡器5.1概述5.2反馈振荡器的工作原理5.3LC正弦振荡器5.4LC正弦振荡器的频率稳定度5.5晶体振荡器（自学）5.6振荡器中的几种现象2正弦波振荡器：能自动将直流电能转换成（具有一定频率和振幅的）正弦交流电能的电路。它与放大器的区别在于这种转换不需外部信号的控制。振荡器输出的信号频率、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。应用：通信电路中作载波，本振信号；信号源及无线电测量仪表中。

产生方式：反馈式振荡器和负阻式振荡器分类：频率：低频，高频，微波振荡器

输出波形：正弦振荡器和非正弦振荡器要求：输出功率大，效率高，波形失真小，频率稳定度高5.1概述3

开关K接在1端，Uo=AUi。这时将开关迅速地转换到接于2端，去掉外部输入，此时Uf=UoF=UiAF

若AF=1，则Uf=Ui，没有输入也能维持输出，构成了振荡电路。回归比：T=AF为反馈放大器的环路增益。

T>1：增幅振荡；T<1：减幅振荡反馈式振荡器：

利用正反馈产生自激振荡5.2反馈振荡器的工作原理反馈式振荡器的方框图A12UiFKU05.2.1基本组成反馈系数：开环增益：4

原始激励：电源接通瞬间，相当于接入脉冲跳变信号，此外，电路中还有噪声，它们包含有丰富地频率成分，但是幅度非常微弱。对于某一频率ωg的信号若满足：T(ωg)

>1，则每循环一次，幅度就增大一次，产生增幅振荡，如图所示。增幅振荡等幅振荡起振和稳幅过程T>1T=1AUiUiA0U0QT<1减幅振荡5.2.2振荡的建立与振荡条件一、振荡的建立与稳定1、基本原理

振荡幅度增大，稳幅电路使T(ωg)

降低，最终使T(ωg)=1，振荡器进入稳幅振荡状态。ωg称为振荡频率，或叫作振荡器的工作频率52、电路组成：

放大器—完成能量转换选频网络—完成频率选择及滤波反馈网络—完成正反馈

稳幅电路—决定振荡的稳态振幅放大器选频网络反馈网络65.2.2振荡的建立与振荡条件2、平衡条件：T=1振幅平衡条件：｜T｜=｜A｜•｜F｜=1

相位平衡条件：T（）=φA+φF=2n(n=0,1,2,3…)相位平衡条件的含义----建立正反馈满足振荡平衡条件时，经过稳幅过程实现等幅输出。1、

起振条件：T>1振幅起振条件：｜T｜=｜A｜•｜F｜>1相位起振条件：T（）=φA+φF=2n(n=0,1,2,3…)二、振荡条件75.2.2振荡的建立与振荡条件3、振荡稳定条件

当振荡器受到外部因素的干扰失去平衡后，能自动恢复到原来的平衡状态，或能够在原平衡状态附近重建平衡的，称为稳定的平衡。稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件，振幅稳定条件是指当外界因素造成振荡幅度变化后，振荡器能够自动恢复原来振荡幅度所需满足的条件。相位稳定条件是指相位平衡条件被破坏时，电路能够重新建立相位平衡的条件。相位稳定条件同时也是频率稳定条件，因为相位的变化必然引起频率的变化。85.2.2振荡的建立与振荡条件综上所述振幅稳定条件：

图中A、B均为平衡点，其中A点为稳定平衡点，当某中扰动使电路离开A点（T≠1）时，电路会自动回到A点；B点是非稳定平衡点，受到扰动时电路会停振（左移）或过渡到A点（右移）。

上图的电路中起始扰动电压必须大于UiB，称为硬激励；下图的电路开机即可振荡，称为软激励。振荡电路应避免硬激励状态。ABUiTUiBUiA1硬激励T1AUiUiA软激励（1）振幅稳定条件95.2.2振荡的建立与振荡条件相位稳定条件：负载回路相频特性：增大，T

减小

相位条件的稳定是靠增大，T降低来实现的回路Q值越高稳定性越好AφT(ω)0A'Bω0φT(ω)（2）相位稳定条件

图中A点为稳定平衡点，B点为非稳定平衡点。105.2.2振荡的建立与振荡条件互感耦合反馈式振荡电路

利用互感耦合实现反馈振荡5.3LC正弦波振荡器改变同名端的位置，则反馈极性改变5.3.1互感耦合振荡器11发射极调谐R1R2ReCeCbCLUCCM集电极调谐MCbR2R1CLCcReUCCMR2UCCCLReCeR1基极调谐Cb

根据LC回路与三极管不同电极的连接方式分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型电路，如图所示

三种电路相比较，集电极调谐型电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且输出幅度大，谐波成分小。而基极调谐型电路的振荡频率可以在较宽的范围内变化，仍能保持振荡幅度平稳。

互感耦合振荡器一般工作于工作频率不太高的中、短波波段。125.3.1互感耦合振荡器5.3.2三端式振荡器若为场效应管，则管脚对应关系为：becgsdX1、X2、X3组成谐振回路谐振时：X1+X2+X3=0回路电流处处相同＝I∴构成正反馈：X1、X2为同性质电抗X1X2X3ufu0Iui13构成原则:射同它反,即与发射极相连的两电抗X1、X2性质相同；X3与X1、X2的电抗性质相反。一、三端式振荡器构成原则：两种典型的三端式振荡器的简化电路：左图：电容三端式电路，又称为考毕兹电路，它的反馈电压取自C1和C2组成的分压器；右图：电感三端式电路，又称为哈特莱电路，它的反馈电压取自L1和L2组成的分压器。X1X2X3ufu0IuiX1X2X3ufu0Iui145.3.2三端式振荡器二、电容三端式振荡器R1、R2、Re

为直流偏置电阻；振荡产生后作为自偏压电阻，稳幅作用。Lc高频扼流圈，防止电源旁路Ce旁路电容、Cb

隔直流电容L、C1、C2

构成谐振回路，决定振荡频率：CbR2R1R2ReCeC1C2LLCUCC155.3.2三端式振荡器电容三端式振荡器的特点：优点：输出波形较好，工作频率较高，主要是由于其反馈支路采用了电容元件，高频时电抗小，能较好的滤除高次谐波。若直接采用极间电容代替回路电容，工作频率可以提高很多。缺点：频率不易调整，因为改变回路电容会同时改变反馈系数，甚至可能造成回路停振。165.3.2三端式振荡器5.3.3两种改进型电容反馈式振荡器引入：晶体管各个电极与电抗元件并联，极间电容对振荡器的影响很大为提高频率稳定性，要尽量减小晶体管与回路的耦合。一、克拉泼振荡器晶体管以部分接入方式与回路连接C3小，C主要由C3决定，C3小，频率可调范围小。C1C2C3LR1R2ReLRCUCCC1C2C3Cb17CbR1R2ReLRCUCCC1C2C4C3二、西勒振荡器振荡频率主要C4由决定，可调范围大。C4的变化对三极管对回路接入系数n1和F都不改变，展宽了工作频带，常用于频率可调的振荡器。接入系数与克拉泼电路相同185.3.3两种改进型电容反馈式振荡器5.4LC振荡器的频率稳定度设实际工作频率为f1，标称频率为f0绝对频率偏差：相对频率偏差：频率稳定度：在一定时间间隔内振荡频率的相对变化量，即

频率稳定度是振荡器最重要的性能指标之一。频率稳定，频率稳定是指当外界条件发生变化时，振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差尽可能小。5.4.1频率稳定度的概念19

对频率稳定度的要求视用途而异，一般的短波、超短波发射机的相对频稳度为10-4~10-5数量级；电视发射机为10-7数量级；卫星通信发射机为10-9~10-11数量级。普通信号发生器为10-4~10-5数量级，高精度信号发生器为10-7~10-9数量级。用于国家时间标准的频率源，要求在10-12数量级。205.4.1频率稳定度的概念5.4.2LC振荡器的频率稳定分析其中，φfe是BJT正向传输导纳Yfe(ω)的相移，φF是反馈系数F(ω)的相移C1C2LRbRieU0Uf电容三端式振荡器交流通路Ui振荡器的振荡频率由相位平衡条件以图所示电容三端式振荡电路为例来分析频率稳定程度与元件参数的关系。

由电路可得到：凡能引起φz、φfe和φF变化的因素都会引起振荡频率的变化

因为在谐振频率附近，φfe

和φF随ω的变化远小于Φz

(ω)的变化，在分析时将φF+φfe近似为一个常数，这样相位条件就变为：21－f

Z()0g已知LC并联谐振回路的等效阻抗的幅角φz(ω）为：代入相位平衡条件式，得φz(ω）与－φf的交点就是相位平衡点，交点处对应的频率就是振荡频率ωg。

225.4.2LC振荡器的频率稳定分析

外界因素通过改变ω0、Qe和φf来影响ωg。其变化用全微分表示：

从公式可以看出，增大Qe和减小φf，可以减弱Δω0、ΔQe和Δφf造成的频率偏移。235.4.2LC振荡器的频率稳定分析-φf

Z()ω(a)

0变化的影响00+0gg+gZ()－φf0gg+gQeQe+Q(b)Qe变化的影响ω－φf

Z()0gg+g(c)

f变化的影响－φf+∆φfω右图形象的表示了ω0、Qe和φf分别变化时ωg相应的变化过程。245.4.2LC振荡器的频率稳定分析5.4.3提高频率稳定度的措施二、提高振荡回路的标准性一、减小外界因素的变化

采用恒温槽减小温度变化的影响；采用屏蔽措施减小磁场变化的影响；加入减振装置减小机械振动的影响；采用隔离电路减小负载变化的影响等。

选用参数高度稳定的L、C元件，如用石英晶体替代谐振回路的L，或者采用温度补偿来减小温度变化对元件带来的影响。已知：

与谐振回路元件参数L、C的关系为：，则25三、减小晶体管对振荡频率的影响

采用加大回路总电容的方法可以减小极间电容的相对影响，但是大电容会使频率调谐范围变窄，使振荡变弱；减弱三极管与回路之间的耦合，也就是将三极管以部分接入方式接入回路，也可以减小极间电容对谐振回路的影响；通过稳定晶体管的工作点可以减小gm的变化，从而减小φf的变化，也能够稳定振荡频率等方法。265.4.3提高频率稳定度的措施5.6振荡器中的几种现象

在实际振荡电路中，由于各种原因，还可能产生一些特殊的振荡现象。如寄生振荡，间歇振荡，频率占据，频率拖曳等。这些振荡现象一般应尽量避免，但有时也可以利用间歇振荡和频率占据现象来实现某些功能。5.6.1寄生振荡

寄生振荡是指某些特定频率上，由电路中某些集总参数和分布参数构成的闭合环路，满足振荡条件而产生的自激振荡，一般是叠加在正常振荡的波形上，引起振荡波形的畸变。低频寄生振荡——由电路中的电感量较大的高频扼流圈、电容量较大的隔直流电容或旁路电容所引起。超高频寄生振荡——分布参数（如引线电感、管子极间电容）所引起。27RbCbCeReLCUBBUCCUfUbU0(a)t1t2UBBubtt(b)5.6.2间歇振荡

如果振荡电路中某些元件参数选择不当，就会产生间歇振荡，这时输出电压的波形如下图(b)所示。电源接通后，振荡建立速度快，振荡电压迅速增加，管子进入非线性区域，实现稳幅，振荡很容易趋于稳定（图b的t1~t2时间段内）。如果在t2时刻，UBB继续变负，振荡幅度会有所减小，A也随之下降，造成环路增益小于1，若在此期间偏压不能迅速建立，则振荡迅速衰减到零，停振，直到偏压又增加到起振时的电压，开始新一轮振荡。

为防止间歇振荡的产生，偏置电压的变化速度必须跟上振荡振幅的变化速度。为此，可以通过增大回路的值来减小振荡振幅的变化速度，同时要减小偏置电路中Cb、Ce取值来加快偏压建立的瞬态过程。

28R1R2CbCeReLCUCCUsf1f2f3f4f’1=f1|fs–f’1|f|fs–f1|455.6.3频率占据

若从外部引入一个频率为的信号，当接近振荡器的振荡频率时，振荡器受外加信号的影响，会向fs附近变化，甚至就等于fs

，产生强迫同步。

发生频率占据的fs范围称为占据频带，用Δf表示：

Δf=Δf3-Δf2

实际中，外来信号往往来自周围的干扰或邻近的其它信号，当发生频率占据时，整个系统的工作都受到影响，可以采取措施切断或减弱振荡器与外来信号之间的耦合，以防止产生频率占据。但在某些情况下，可以利用频率占据现象实现注入同步，对振荡器进行强制的频率和相位的同步，或者实现同步分频，即对振荡频率的某次谐波进行强制同步。29R1R2CbCeReL1C1UCCL2C21020101MNⅠⅡ5.6.4频率拖曳

在以耦合振荡回路作选频网络时，在一定条件下会产生所谓的频率拖曳现象：当变化一个回路（如次级回路）的谐振频率时，振荡频率会产生非单值的变化，即有频率突