第六章正弦波振荡器

第六章正弦波振荡器第一页，共六十七页，2022年，8月28日6.1概述所谓产生振荡是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。第二页，共六十七页，2022年，8月28日6.1概述2.振荡器的分类正弦波振荡器非正弦波振荡器振荡器波形产生机理反馈式振荡器负阻式振荡器反馈型LC振荡器反馈型RC振荡器本章主要介绍反馈型RC、LC振荡器和石英晶体振荡器的工作原理。石英晶体振荡器第三页，共六十七页，2022年，8月28日6.2LCR回路中的瞬变现象 由于大多数振荡器都是利用LC回路来产生振荡的，因此应首先研究LC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。所谓“谐振”，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。第四页，共六十七页，2022年，8月28日6.2LCR回路中的瞬变现象假设开关S先放于1的位置，使电容C最初充电到电压V，然后将S转换到2的位置，C上的电荷即经过L、R放电。由于回路R的存在，振荡的幅度越来越小。为了获得等幅振荡，就必须设法使LC回路中的电阻等于零。由于实际的LC回路本身总是有正电阻的，因此必须认为地引入一个负电阻，将回路本身的正电阻完全抵消，以获得等幅振荡。第五页，共六十七页，2022年，8月28日由基尔霍夫定律可得：取微分得：即回路的衰减系数：回路的固有角频率：第六页，共六十七页，2022年，8月28日6.2LCR回路中的瞬变现象图7.2.4δ2＜ω2时产生振荡电流的情形第七页，共六十七页，2022年，8月28日6.2LCR回路中的瞬变现象当R为负值时，振荡振幅将随时间而增长，得到增幅振荡波形。如果R的负值不变，则振幅将继续无限制地增长，但这在实际上是不可能的。因为一个振荡器开始振荡时，回路的等效串联电阻为负值（由有源器件供给负阻），随着振荡振幅的增长，有源器件的工作状态逐渐改变，负电阻的绝对值逐渐减小。最后负电阻与回路本身的正电阻正好互相抵消时，整个串联等效电阻变为零，振荡器产生等幅振荡，振荡频率取决于电路参数L、C、R。第八页，共六十七页，2022年，8月28日6.3LC振荡器的基本工作原理

1）一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。2）一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。3）一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。 由于大多数振荡器都是利用LC回路来产生振荡的，因此应首先研究LC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。第九页，共六十七页，2022年，8月28日6.3LC振荡器的基本工作原理图7.2.4互感耦合调集振荡器-+第十页，共六十七页，2022年，8月28日第十一页，共六十七页，2022年，8月28日设电路工作在线性区，且工作频率不高。将电流源hfbie和内阻1/hob并联等效为电压源（hfbie)/(1/hob)和内阻1/hob串联。可得下列方程组第十二页，共六十七页，2022年，8月28日由上述等式消去i,iC,vC,可得与比较等式6.2.1可得等幅振荡的条件为：即振荡角频率为（当r很小时）第十三页，共六十七页，2022年，8月28日6.4由正反馈的观点来决定振荡的条件振荡条件所以等幅振荡条件为振幅平衡条件相位平衡条件第十四页，共六十七页，2022年，8月28日6.5振荡器的平衡与稳定条件6.5.1振荡器的平衡条件6.5.2振荡器平衡状态和稳定条件第十五页，共六十七页，2022年，8月28日6.5振荡器的平衡与稳定条件当振荡器接通电源后，即开始有瞬变电流产生。这瞬变电流所包含的频带极宽，但由于谐振回路的选择性，它只选出了本身谐振频率的信号。由于正反馈作用，谐振频率信号越来越强，即形成稳定的振荡。至于瞬变电流中所包含的其他频率则被振荡电路滤掉，不被放大，而逐渐消失。振荡器起振之后，振荡振幅便由小到大地增长起来。但它不可能无限制地增长，而是在达到一定数值后，便自动稳定下来。第十六页，共六十七页，2022年，8月28日6.5.1振荡器的平衡条件

#振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率0的信号应该被保留，成为等幅振荡输出信号。（从无到有）然而，一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求（由弱到强）起振条件第十七页，共六十七页，2022年，8月28日6.5.1振荡器的平衡条件当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从AF>1到AF=1。（由增到稳）第十八页，共六十七页，2022年，8月28日6.5.1振荡器的平衡条件第十九页，共六十七页，2022年，8月28日6.5.1振荡器的平衡条件第二十页，共六十七页，2022年，8月28日6.5.1振荡器的平衡条件第二十一页，共六十七页，2022年，8月28日6.5.2振荡器平衡状态的稳定条件以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的起振条件；保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡的平衡条件。实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到破坏的稳定条件。稳定条件也分为振幅稳定与相位稳定两种。以下分别讨论之。第二十二页，共六十七页，2022年，8月28日6.5.2振荡器平衡状态的稳定条件1）振幅平衡的稳定条件要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变化时，AF的大小朝反方向变化。第二十三页，共六十七页，2022年，8月28日6.5.2振荡器平衡状态的稳定条件1）振幅平衡的稳定条件定义：在外因的作用下，振荡器在平衡点附近可重新建立新的平衡状态，外因消失之后又能自动的恢复到原来的平衡状态。第二十四页，共六十七页，2022年，8月28日6.5.2振荡器平衡状态的稳定条件平衡点B不是稳定的平衡点。第二十五页，共六十七页，2022年，8月28日6.5.2振荡器平衡状态的稳定条件图7.5.2软自激的振荡特性图7.5.3硬自激的振荡特性图7.5.2属于软自激，无需外加激励，振荡便可自激。开始起振时，AF>1，振荡处于增幅振荡状态，振幅由小到大，直到达到Q点为止。图7.5.2属于硬自激，需要预先加上一个一定幅度的信号才能起振。第二十六页，共六十七页，2022年，8月28日6.5.2振荡器平衡状态的稳定条件2）相位平衡的稳定条件相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。外部扰动

稳定原理：

频率ω相位φ频率ω第二十七页，共六十七页，2022年，8月28日6.5.2振荡器平衡状态的稳定条件图7.5.4并联谐振回路的相频特性2）相位平衡的稳定条件LC并联谐振回路不但是决定振荡频率的主要角色，而且是稳定振荡频率的机构第二十八页，共六十七页，2022年，8月28日6.5.2振荡器平衡状态的稳定条件放大电路3）基本组成部分正反馈网络选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈网络合二为一。）稳幅环节稳定环节从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：从回到幅度稳定相位稳定第二十九页，共六十七页，2022年，8月28日6.6反馈型LC振荡器线路6.6.1互感耦合振荡器6.6.2电感反馈式三端振荡器 (哈特莱振荡器)6.6.3电容反馈式三端振荡器

(考毕兹振荡器)6.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件 的判断准则第三十页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.1互感耦合振荡器

放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交流电能，不同之处在于：放大器需要外加控制信号而振荡器不需要。因此，如果将放大器的输出正反回输入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡器。如果由LC谐振回路通过互感耦合将输出信号送回输入回路，所形成的是互感耦合振荡器。由互感耦合同名端定义可判知，反馈网络形成正反馈，满足相位平衡条件。如果再满足起振条件，就符合基本原理。第三十一页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.1互感耦合振荡器互感耦合振荡器有三种：调集电路调基电路调发电路他们是根据振荡器回路在集电极、基极、发射极来区分的。第三十二页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.1互感耦合振荡器1、调集电路优点：振荡幅度较大，谐波成分较少；调整M基本不影响振荡频率。缺点：工作频率不能太高。第三十三页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.1互感耦合振荡器2、调基电路优点：振荡频率在较宽的范围内改变，振幅变化不大；调整M基本不影响振荡频率。缺点：工作频率不能太高。第三十四页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.1互感耦合振荡器3、调发电路优点：波形较好，失真小；调整M基本不影响振荡频率。缺点：工作频率不能太高。第三十五页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.2电感反馈式三端振荡器（哈特莱振荡器） 如果正反馈网络由LC谐振回路中的电感分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡器。(+)(-)(+)(+)第三十六页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.2电感反馈式三端振荡器（哈特莱振荡器）哈特莱振荡器特点：集电极与基极接于LC回路两端，发射极则接于线圈中某一点。利用瞬时极性法可判定电路可以起振。第三十七页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.2电感反馈式三端振荡器（哈特莱振荡器）优点：1.容易起振；2.改变回路电容来调整频率时，基本上不影响电路的反馈系数。缺点：1.振荡器波形较差（谐波成分多）；2.反馈系数F随频率变化而变化。第三十八页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.2电感反馈式三端振荡器（哈特莱振荡器）1.反馈回路为感性支路，对高次谐波呈现高阻抗，故对于LC回路中的高次谐波反馈较强，波形失真较大。2.当工作频率较高时，由于L1和L2上的分布电容和晶体管的极间电容均并联于L1和L2两端，这样，反馈系数F随频率变化而改变。第三十九页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.2电感反馈式三端振荡器（哈特莱振荡器）L1L2C电路的特点:容易起振变电容而不影响F。调整频率方便振荡波形不够好 高次谐波反馈较强，波形失真较大。不适于很高频率工作分布电容和极间电容并联于L1与L2两端，F随频率变化而改变。L1L2C第四十页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.3电容反馈式三端振荡器（考毕兹振荡器）图7.6.3电容反馈式三端振荡器(+)(-)(+)(+) 如果正反馈网络由LC谐振回路中的电容分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。第四十一页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.3电容反馈式三端振荡器（考毕兹振荡器）第四十二页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.3电容反馈式三端振荡器（考毕兹振荡器）优点：1.输出波形好；（对高次谐波呈较低阻抗，反射减弱）2.频率稳定度高；（电路中的不稳定电容与该电路并联，适当加大回路电容量，可削弱影响。）3.适合较高工作频率。缺点：通过C1,C2来改变频率，反馈系数F会随着变化，调整频率不方便。（可通过在L两端并上一个可变电容解决。）第四十三页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.3电容反馈式三端振荡器（考毕兹振荡器）C1C2LC1C2L电路的特点:变电容影响F，变电感不便。调整频率不太方便输出波形较好 高次谐波反馈较弱，波形接近正弦波。频率稳定度较好分布电容和极间电容并联于C1与C2两端，被较大C1与C2吸收。适用于较高的工作频率甚至可只利用器件的输入电容和输出电容。第四十四页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则

回顾LC三端式振荡器的基本电路，发现其电路结构存在一个规律：晶体管的集电极—发射极（ce）之间和基极—发射极（be）之间回路元件的电抗性质相同;它们与集电极—基极之间(bc)回路元件的电抗性质相反。它具有普遍意义吗？下面就此证明。L1L2CC1C2L第四十五页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则为简便起见，我们假定谐振回路三个元件都是纯电抗，即振荡器的振荡频率等于回路的固有谐振频率，即结论:Xeb与Xce同性质，它们与Xcb相异；成立即：射同，基反！第四十六页，共六十七页，2022年，8月28日6.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则举例:振荡器的振荡频率应低于L1和C1支路的串联谐振频率，此时，该支路呈容性，整个回路满足电容三端的相位条件。振荡器的振荡频率第四十七页，共六十七页，2022年，8月28日6.7振荡器的频率稳定问题评价振荡器频率的主要指标有两个，即：准确度与稳定度。振荡器实际工作频率f与标称频率f

0之间的偏差，称为振荡频率准确度。通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表达式为振荡器的频率稳定度是指在一定时间间隔内，频率准确度的变化。第四十八页，共六十七页，2022年，8月28日6.7振荡器的频率稳定问题

根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。

影响振荡频率的有如下三种因素：１）振荡回路参数Ｌ与Ｃ;２）回路电阻ｒ；３）有源器件的参数。第四十九页，共六十七页，2022年，8月28日6.7振荡器的频率稳定问题影响频率稳定度的因素及解决办法：1.元件的机械变形（温度、气压、湿度等）1）选用不易发生机械变形的元件；2）振荡器置于恒温箱中；3）采用温度补偿措施。2.回路电阻r的影响3.有源器件参数变化的影响：有源器件工作状态的改变也会对频率产生影响。第五十页，共六十七页，2022年，8月28日6.7振荡器的频率稳定问题图7.7.1克拉泼电路的交流等效电路

尽管电容三端式振荡器较电感三端式振荡器的稳定性好，但是它是以较大的电容C1和C2，即以下降最高工作频率上限为代价。此外，输入、输出电阻的界入也会降低谐振回路的Q值，降低选频特性，造成输出波形偏离正弦波。

1.克拉泼电路调频不太方便第五十一页，共六十七页，2022年，8月28日6.7振荡器的频率稳定问题图7.7.1克拉泼电路的交流等效电路高稳定度的LC振荡器电路—改进型的电容三点式振荡器（克拉泼振荡器）第五十二页，共六十七页，2022年，8月28日6.7振荡器的频率稳定问题图7.7.1克拉泼电路的交流等效电路第五十三页，共六十七页，2022年，8月28日6.7振荡器的频率稳定问题2.西勒电路LC1C2C3C4AB第五十四页，共六十七页，2022年，8月28日6.8石英晶体振荡器6.8.1并联谐振型晶体振荡器6.8.2串联谐振型晶体振荡器6.8.3泛音晶体振荡器第五十五页，共六十七页，2022年，8月28日6.8石英晶体振荡器

一般LC振荡器的频率稳定度Δf/f0只能达到10-3～10-5。若要求频率稳定度超过10-5，需用石英晶体振荡器。１）石英晶体的物理和化学性能都十分稳定；２）晶体的Ｑ值可高达数百万数量级；３）在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。1.石英晶体滤波器的特点因此，用石英晶体作为振荡回路元件，就能使振荡器的频率稳定度大大提高。第五十六页，共六十七页，2022年，8月28日6.8石英晶体振荡器2.石英晶体滤波器的应用

O

容性

容性

感性

作电感用工作于串联谐振状态 因此，振荡电路可分为两类：一类是作为等效电感元件，称为并联谐振型晶体振荡器；另一类是作为串联谐振元件，称为串联谐振型晶体振荡器。第五十七页，共六十七页，2022年，8月28日6.8石英晶体振荡器2.石英晶体滤波器的应用石英晶体谐振器

(a)符号(b)基频等效电路(c)完整等效电路除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会产生奇次（2n-1）谐波的泛音振动。基频振动模式时，产生奇次谐波谐振的支路因阻抗较高可忽略。奇次谐波的泛音振动第五十八页，共六十七页，2022年，8月28日6.8.1并联谐振型晶体振荡器

这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据这种原理，在理论上可以构成三种类型基本电路。图7.8.1并联谐振型晶体振荡器的两种基本形式第五十九页，共六十七页，2022年，8月28日6.8.1并联谐振型晶体振荡器图7.8.2并联谐振型晶体ｃ－ｂ型振荡器