高频电子线路阳昌汉正弦波振荡器

第4章正弦波振荡器概述反馈型LC振荡原理反馈型LC振荡器振荡器的频率稳定原理高稳定度的LC振荡器晶体振荡电路

RC正弦波振荡器

1第一页，共七十三页。4.1概述一、振荡器的功能在无输入信号情况下，将电源的直流能量转换成具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号能量输出。二、振荡器与放大器的区别

振荡器：不需外加激励信号相同点：直流能量交流能量不同点：放大器：需外加的激励信号2第二页，共七十三页。振荡器正弦波非正弦波：反馈型振荡器负阻型振荡器

LC振荡器晶体振荡器

RC振荡器三、振荡器的分类产生三角波、锯齿波、矩形波等负阻器件+振荡回路（正反馈原理）3第三页，共七十三页。四、正弦波振荡器的用途高频加热设备医疗仪器发射机(载波频率fc)接收机(本地振荡频率fL)数字系统：时钟信号通信系统：测量仪器：信号源高频能源：五、主要技术指标振荡频率、振荡波形、振荡幅度、频率稳定度4第四页，共七十三页。4.2反馈型LC振荡原理定义：从放大器的输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入信号，无需外部提供激励信号，能产生等幅正弦波输出称为反馈型振荡器。一、反馈型正弦波振荡器的组成

正反馈网络

放大器

（选频网络）5第五页，共七十三页。组成：放大器──是对反馈信号进行放大；正反馈网络──是将输出回路中的能量取出一部分加 到放大器的输入端；选频网络──是获得单一确定的振荡频率；稳幅环节──使振荡的输出稳定。内稳幅外稳幅利用放大器件的非线性6第六页，共七十三页。二、振荡的建立与起振条件放大器的电压增益：反馈系数：这时调谐放大器与反馈网络就构成了自激振荡器。环路增益调谐放大器反馈网络－＋－＋－＋7第七页，共七十三页。起振条件：n=0,1,2…振幅起振条件相位起振条件增幅振荡正反馈－＋－＋调谐放大器反馈网络8第八页，共七十三页。三、振荡的平衡条件刚起振时，起始偏压为正偏置电路的偏置电压为：IEUB+UE_+UBE_－＋－＋9第九页，共七十三页。UoOA振荡特性反馈特性10第十页，共七十三页。n=0,1,2…振幅平衡条件相位平衡条件平衡条件：等幅振荡丙类乙类甲乙类甲类®®®放大器进入平衡的原因：（1）放大器固有的非线性特性（2）自给偏压效应从起振到平衡，放大器工作状态的变化:11第十一页，共七十三页。晶体管反馈网络

LC选频网络平衡条件的另一种表示形式：振幅平衡条件:相位平衡条件:12第十二页，共七十三页。四、振荡器平衡状态的稳定条件1)稳定平衡与不稳定平衡2)振荡器的稳定平衡因某一外因的变化，振荡的原平衡条件遭到破坏，振荡器能在新的条件下建立新的平衡，当外因去掉后，电路能自动返回原平衡状态。满足这样条件的平衡称为稳定平衡。13第十三页，共七十三页。3）振幅平衡的稳定条件UoOAQ外因变化F1/FQ1AF>1（增幅振荡）输出增大Q1点达到新的平衡外因消失FAF<1（减幅振荡）输出减小回到原平衡状态Q点1/F稳定B点不稳定：外因变化AF>1（增幅振荡）输出增大Q1点达到新的平衡F1/FQ1外因消失AF<1（减幅振荡）输出减小回到Q点达到平衡FQ点稳定：软激励硬激励振幅的稳定条件：（应避免）14第十四页，共七十三页。tui4）相位平衡的稳定条件频率随相位变化的关系：频率与相位的关系：（频率的稳定条件）信号周期信号频率信号频率信号周期15第十五页，共七十三页。Oωωo0)(<¶¶@¶++¶\wjwjjjZFZY

相位平衡的稳定条件：

即要求选频网络的相频特性曲线在工作频率附近应具有负斜率。实际中的并联LC谐振回路正好具有这种相频特性。16第十六页，共七十三页。总结1)正弦振荡器工作条件包括起振条件：平衡条件：稳定条件：保证振荡器从无到有建立起振荡保证振荡器进入平衡状态，产生持续的等幅振荡保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏

振幅稳定条件相位稳定条件17第十七页，共七十三页。2)振荡器的静态工作点应设计在软激励状态4)判断能否产生正弦振荡的方法

a)是否可能振荡——首先看电路供电是否正确；二是看是否满足相位平衡条件（正反馈）

b)是否起振——看是否满足振幅起振条件c)是否产生正弦波——看是否有正弦选频网络3)从振荡到平衡是由晶体管非线性与自给反偏压共同作用的结果，称为内稳幅；需要外加稳幅电路的称为外稳幅18第十八页，共七十三页。4.3反馈型LC振荡器以LC谐振回路作选频网络的反馈振荡器称为LC正弦波振荡器LC振荡器互感耦合电感三点式电容三点式19第十九页，共七十三页。一、互感耦合LC振荡器互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦合量M，使之满足振幅起振条件很重要。

互感耦合振荡器有三种形式：调基电路、调集电路和调射电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射极电路来区分的。判断相位平衡条件是否满足的方法：通常采用瞬时极性法。20第二十页，共七十三页。共基调集型bce高频旁路电容1)判断是否可能振荡的基本准则：是否是正反馈。正反馈系数:振荡频率:2)是否能起振：取决于变压器是否有足够的耦合量M方法：瞬时极性法21第二十一页，共七十三页。共e调b型bce高频旁路电容－共b调e型高频旁路电容ebc－－互感耦合振荡器在调整反馈(改变M)时，基本上不影响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段。22第二十二页，共七十三页。二、电容反馈式振荡器(考毕兹电路)1、电路结构直流通路交流等效电路电容三点式振荡器becC1C2L反馈信号取自C2两端23第二十三页，共七十三页。2、相位平衡条件用矢量法分析其交流通路是否满足相位平衡条件，即分析电路是否为正反馈。+--++-24第二十四页，共七十三页。3、起振条件分析起振条件时可以利用高频小信号放大器的分析法。

（1）电压增益25第二十五页，共七十三页。

（2）反馈系数（忽略各个g的影响）（3）起振条件①满足起振条件是选取晶体管的

②从输出电导和负载电导的影响看，F越大越容易起振，从输入电导看，F不能太大。因而兼顾二者，。26第二十六页，共七十三页。4、振荡频率振荡频率一般可以利用相位平衡条件求解。在忽略、、等的影响，可得近似式为若忽略晶体管输入电容和输出电容的影响27第二十七页，共七十三页。三、电感反馈式振荡器(哈特莱电路)1、电路结构电感三点式振荡器becCbceeL2L1b反馈信号取自L2两端28第二十八页，共七十三页。becL2L1C2、相位平衡条件+--++-3、起振条件反馈系数:若忽略互感M的影响则有：4、振荡频率29第二十九页，共七十三页。四、电感三点式与电容三点式的比较频率不易调（调L，调节范围小）缺点：优点：(1)高次谐波成分小，输出波形好(2)振荡频率可以做得很高缺点：(2)振荡频率不能太高（1）输出波形差优点：频率易调（调C）30第三十页，共七十三页。五、LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则bce(1)Xbe、Xce应为同性质的电抗元件；(2)Xcb

与Xce、Xbe的电抗性质相反。结论：射同集（基）反(3)对于振荡频率，应满足：31第三十一页，共七十三页。例1判断下图电路能否振荡，能振荡的属于哪种类型振荡器。32第三十二页，共七十三页。分析：33第三十三页，共七十三页。34第三十四页，共七十三页。(e)经判断满足相位平衡条件，故可能振荡，为共基调射型互感耦合振荡器。⊕○1⊕○2○3○45⊕(f)经判断满足相位平衡条件，故可能振荡，为共射调基型互感耦合振荡器。⊕⊕⊕⊕35第三十五页，共七十三页。例236第三十六页，共七十三页。例3z90º-90º0º0LC37第三十七页，共七十三页。z90º-90º0º0LC38第三十八页，共七十三页。4.4振荡器的频率稳定原理一、频率稳定度的定义

频率稳定度的定义：39第三十九页，共七十三页。按照时间间隔长短的不同，频率稳定度分为一天以上乃至几个月内振荡频率相对变化量主要由于器件老化。一天之内振荡频率的相对变化量主要由于温度、电源电压等外界因素变化长期频率稳定度短期频率稳定度瞬时频率稳定度秒或毫秒内振荡频率的相对变化量由电路内部噪声或突发性干扰引起。中波广播电台发射机的频率稳定度为电视发射机的频率稳定度为标准信号发生器的频率稳定度为~40第四十页，共七十三页。•二、频率不稳定的原因

晶体管反馈网络

LC选频网络uiic1uc1uf41第四十一页，共七十三页。•二、频率不稳定的原因

晶体管反馈网络

LC选频网络uiic1uc1uf振荡频率：并联谐振回路的相角：、42第四十二页，共七十三页。具体分析导致频率不稳定的因素：(3)负载变化——影响回路Q值（1）LC回路参数不稳定温度机械振动（2）晶体管参数不稳定温度电源电压43第四十三页，共七十三页。三、振荡器的稳频措施2、提高振荡回路的标准性1、减小外界因素变化的影响温度的影响采用高稳定度直流稳压电源采用金属屏蔽罩采用减震器在振荡器和负载之间加缓冲器电压的影响负载的影响电磁场的影响振动的影响将振荡回路或整个振荡器置于恒温槽44第四十四页，共七十三页。三、振荡器的稳频措施3、提高回路的品质因数4、选用高稳定度的振荡电路据LC回路的特性,Q值越大,相频特性曲线越陡峭,相位越稳定。如克拉波振荡电路、西勒振荡电路、石英晶体振荡电路。45第四十五页，共七十三页。4.5高稳定度的LC振荡器一、一般电容三点式振荡电路的稳定性分析工作状态和外界条件的变化都会改变Cie和Coe的值，从而改变振荡频率f0，导致f0不稳定。46第四十六页，共七十三页。二、串联改进型电容三点式振荡器（克拉泼振荡器CLAPP）C3<<C1，C3<<C2

振荡频率：优点：频率可调47第四十七页，共七十三页。克拉泼振荡器的缺点：

波段范围不宽，波段内输出幅度不平稳，波段覆盖系数一般约为1.2-1.3,实际中常用于固定频率振荡器。

.CLAPP电路的主要缺点是：频率不能太高，48第四十八页，共七十三页。三、并联改进型电容三点式振荡器（西勒振荡器Seiler）C3<<C1，C3<<C2振荡频率：bce49第四十九页，共七十三页。改进：克拉波电路中是改变C3来调节频率，而C3的改变会影响接入系数P，从而可能导致停振。但西勒电路中，改变C4来调节频率，而C4的改变不会影响接入系数P。相对克拉泼振荡器的改进之处：

故西勒电路的优点：振荡频率可以很高，且在波段内振幅比较稳定，调谐范围比较宽，实际中常用于波段振荡器。50第五十页，共七十三页。例：-+-+分析：本题是一个西勒电路。51第五十一页，共七十三页。52第五十二页，共七十三页。4.6晶体振荡电路以石英谐振器作选频网络的反馈振荡器称为石英晶体振荡器其频率稳定度可达~，而LC回路的一般不超过因为石英谐振器具有极高的Q值和良好的稳定性53第五十三页，共七十三页。一、石英晶体及其特性从一块晶体上按一定的方位角切割成的薄片称为晶片化学成分：SiO21.石英晶体的结构和基本特性基本特性：压电效应极板间加电场晶体产生机械变形反压电效应：正压电效应：极板间加机械力晶体产生电场交变电压机械振动交变电压当交变电压频率=固有频率时，振幅最大。压电谐振当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一固定的机械振动频率。54第五十四页，共七十三页。2.石英晶体的等效电路

Lq:动态电感,表征质量几十mH

～几百Hrq:动态电阻,表征摩擦损耗几～几百欧JT符号等效电路

C0:静态电容,约2～5PF故晶体Q值很高，一般为几万至几百万

Cq:动态电容,表征弹性55第五十五页，共七十三页。JT符号等效电路串联谐振频率:并联谐振频率：通常所以56第五十六页，共七十三页。3.石英晶体的电抗特性fXfPfq容性容性感性忽略时，总阻抗为呈感性呈容性相当于短路X=0相当于开路X<0X>057第五十七页，共七十三页。4、石英晶体的使用注意事项标称频率fNJTCL负载电容:外接一定的负载电容CL时所对应的频率58第五十八页，共七十三页。二、晶体振荡器并联型晶体振荡器串联型晶体振荡器

fq<f<

fp，晶体作电感元件使用f=fq，晶体作短路元件使用59第五十九页，共七十三页。1、并联型晶体振荡器皮尔斯密勒两种基本类型电路60第六十页，共七十三页。典型皮尔斯电路负载电容CL回路总电容调节C3可使其工作在标称频率上61第六十一页，共七十三页。2、串联型晶体振荡器JT62第六十二页，共七十三页。举例：63第六十三页，共七十三页。机械振动的谐波称为泛音。利用基频振动称为基频晶体，利于泛音振动称为泛音晶体。石英晶体基频越高，晶片越薄，加工难并易碎，故要求频率高时使用泛音频率。多用三次和五次的。奇次3、泛音晶体振荡器晶体完整的等效电路64第六十四页，共七十三页。L1C1回路电抗曲线CL3、泛音晶体振荡器（1）对基频和三次泛音，回路呈感性，使电路不满足振荡的相位条件，不能产生振荡。要构成5MHz五次泛音晶体振荡器，则f01（2）对五次泛音频率呈容性，使电路构成电容三点式振荡器。（3）对七次及以上泛音，电路虽也构成电容三点式，但L1C1