高频电子线路第四章 正弦波振荡器

高频电子线路第四章正弦波振荡器第一页，共六十五页，2022年，8月28日振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的装置。从能量的观点看，放大器是一种在输入信号控制下，将直流电源提供的能量转变为按输入信号规律变化的交变能量的电路。而振荡器是不需要输入信号控制，就能自动地将直流电源的能量转变为特定频率和幅度的交变能量的电路。第二页，共六十五页，2022年，8月28日(1)振荡器构成振荡器正常工作，必须有以下四个部分：①放大器或有源器件：至少有一个起能量变换作用的换能机构。②正反馈通路或负阻：必须有一个能够补充元器件能量损耗的正反馈通路或负阻器件，保证稳定的振荡。③选频网络：振荡器具有单一频率。④稳幅：一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。实际的放大器都有非线性限幅作用，使得振荡幅度不会无限大。也可外加具有自动调节振荡强度的非线性元件，以保证获得需要的输出波形。第三页，共六十五页，2022年，8月28日按振荡波形分类：正弦波振荡器、非正弦波振荡器按工作机理分类：反馈振荡器、负阻振荡器按选频网络分类：LC振荡器、RC振荡器、晶体振荡器(2)振荡器分类第四页，共六十五页，2022年，8月28日通信系统中有广泛的应用混频器的本振信号；调制的载波信号，解调的本地振荡信号；时钟、定时电路，电子测量设备的基准信号。工业生产部门广泛应用的高频电加热设备微波炉，电疗设备。(3)振荡器应用第五页，共六十五页，2022年，8月28日正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件的闭环系统，它是一个非线性动态网络，可采用求解非线性微分方程或计算机辅助分析法。本章定性分析阐明振荡器的振荡特性，在进行电路分析时，仍采用电路参数的准线性分析法。在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因此，可以引用线性系统的分析方法，来确定这一时期振荡器的工作状态。振荡建立后，用准线性方法分析，获得重要的具有指导意义的结论。(4)对正弦波振荡器的分析第六页，共六十五页，2022年，8月28日LC谐振回路是LC振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是基于二阶RLC回路的自由振荡现象。考虑了回路损耗后，回路将产生振幅衰减的阻尼振荡。4.1反馈振荡器的原理4.1.1反馈振荡器的原理与分析(1/5)第七页，共六十五页，2022年，8月28日振幅衰减由于回路存在损耗,维持等幅振荡措施：适时地补充维持回路内部的能量平衡的交变能量。—反馈振荡器采用负阻器件，抵消回路存在损耗，如隧道二极管。—负阻振荡器4.1反馈振荡器的原理4.1.1反馈振荡器的原理与分析(2/5)第八页，共六十五页，2022年，8月28日反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的基本条件：起振条件：首先，要让振荡器发生自激振荡。平衡条件：其次，保证振荡器环路中的能量补充恰好抵消能量消耗，达到环路平衡。稳定条件：最后，还要保证振荡器是稳定的，如果外加干扰使得振荡器偏离了环路平衡状态，振荡器系统应能自动恢复到原来的平衡状态。4.1反馈振荡器的原理4.1.1反馈振荡器的原理与分析(3/5)第九页，共六十五页，2022年，8月28日闭环电压增益开环电压增益电压反馈系数反馈系统的环路增益：4.1反馈振荡器的原理4.1.1反馈振荡器的原理与分析(4/5)第十页，共六十五页，2022年，8月28日在某一频率上若，将趋于无穷大，表明即使没有外加信号，也可以维持振荡输出。自激振荡的条件就是环路增益为1，为振荡器的平衡条件。形成增幅振荡形成减幅振荡4.1反馈振荡器的原理4.1.1反馈振荡器的原理与分析(5/5)第十一页，共六十五页，2022年，8月28日振荡器的平衡条件即为也可以表示为：以上两式分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。以单调谐谐振放大器为例来看K(jω)与F(jω)的意义。若有

，则4.1反馈振荡器的原理4.1.2平衡条件(1/3)式中,ZL为负载阻抗。Yf(jω)为晶体管的正向转移导纳。第十二页，共六十五页，2022年，8月28日与F(jω)反号的反馈系数F′(jω)这样，振荡条件可写为振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为4.1反馈振荡器的原理4.1.2平衡条件(2/3)第十三页，共六十五页，2022年，8月28日平衡状态时，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时输出幅度不再变化，因此振幅平衡条件决定了振荡器输出振幅大小。由于环路只有在某一特定频率上才满足相位平衡条件，可以认为，相位平衡条件决定了振荡器输出信号频率大小，解φT=0得到的根即为振荡器的振荡频率，一般在回路的谐振频率附近。4.1反馈振荡器的原理4.1.2平衡条件(3/3)第十四页，共六十五页，2022年，8月28日起始信号：振荡器接通电源瞬间产生电流突变；电路内存在各种微弱噪声。特点：很微弱，占据频带很宽。电扰动通过振荡环路选频、放大、反馈而形成振荡。为了保证输出信号从无到有，幅度不断增长，在振荡建立过程中，反馈电压VF和原输入电压Vi(电扰动)必须同频同相，并且|VF|>|Vi|。4.1反馈振荡器的原理4.1.3振荡器的起振条件(1/3)第十五页，共六十五页，2022年，8月28日反馈振荡器的起振条件相位条件å==+=L2,1,02)(0nnFKpjjwj振幅条件>1)()(00FKww起振过程中的信号分析：起振初始，放大器工作于小信号状态，适当设置晶体管工作点，获得较高的增益K，可用晶体管小信号等效电路计算增益K。振荡建立过程中，环路增益T恒大于1，放大器的输入Vi不断增大，放大器从小信号进入大信号工作状态。4.1反馈振荡器的原理4.1.3振荡器的起振条件(2/3)第十六页，共六十五页，2022年，8月28日稳幅措施：起振条件为T=KF>1，输出信号幅度的不断增长，而后限制其增长，使其达到平衡，满足平衡条件T=KF=1。环路中必须有一非线性器件，其参数随信号的增大而变化，达到限幅的目的。晶体管本身的非线性使得放大器的放大倍数K随输入信号的增大而减小。4.1反馈振荡器的原理4.1.3振荡器的起振条件(3/3)第十七页，共六十五页，2022年，8月28日振荡器进入平衡状态后，假设受到外界的扰动，将会破坏其原来的平衡状态。干扰消失后，振荡器若能自动恢复到原来的平衡状态，则称之为是稳定的平衡状态。否则，是不稳定的平衡状态。4.1反馈振荡器的原理4.1.4稳定条件(1/2)1)振幅稳定条件振荡器平衡时，环路增益为1，反馈电压VF等于放大器输入电压Vi。平衡点增益具有负斜率第十八页，共六十五页，2022年，8月28日某个平衡点上，若外界扰动使得振荡器的输入幅度增大，环路增益减小，反馈电压减小；若外界扰动使得振荡器的输入幅度减小，环路增益增大，反馈电压增大，为稳定的平衡状态，反之为不稳定的平衡状态。有自偏置效应的振荡器，振幅稳定性更好。自给偏置4.1反馈振荡器的原理4.1.4稳定条件(1/5)第十九页，共六十五页，2022年，8月28日若振荡幅度加大，放大器增益以及环路增益自动降低；若振荡幅度减小，放大器增益增大，保证T=KF=1。如果反馈F不随输入变化而变化，则：并非所有的平衡点都是稳定的。4.1反馈振荡器的原理4.1.4稳定条件(2/5)2)振幅稳定条件的讨论第二十页，共六十五页，2022年，8月28日正弦振荡的角频率是相位随时间的变化率，相位瞬时变化必然引起频率变化，相位稳定条件即是频率稳定条件。在频率OSC处(平衡点)，经过一个循环，反馈电压与输入电压相位差2(2n)。外界扰动使得振荡器的频率上升，经过环路后，反馈电压的相位应该滞后才能使外界干扰消除；同理，若振荡器的频率下降，经过环路后，反馈电压的相位应该超前，达到相位稳定。4.1反馈振荡器的原理4.1.4稳定条件(3/5)3)相位稳定条件第二十一页，共六十五页，2022年，8月28日LC并联谐振环路恰好具有负斜率相频特性，因而以LC并联谐振回路作为振荡器的选频回路，一定是相位稳定的(频率稳定的)。振荡器相位稳定(即频率稳定)，环路中应含有一负斜率变化的相频特性，即相位稳定是靠φT随w增加而降低来实现的，从而有：4.1反馈振荡器的原理4.1.4稳定条件(4/5)3)相位稳定条件的讨论第二十二页，共六十五页，2022年，8月28日

w

j

1Q

2Q

0w

L由图可知，当谐振回路的Q值越高，越接近于谐振回路的谐振频率，振荡器的频率稳定度也就越高。4.1反馈振荡器的原理4.1.4稳定条件(5/5)ww12第二十三页，共六十五页，2022年，8月28日变压器反馈LC振荡器放大部分选频部分正反馈部分振荡频率放大器在小信号时工作于甲类，以保证起振时有较大的环路增益。4.1反馈振荡器的原理4.1.5振荡电路举例-电感耦合振荡器(1/3)第二十四页，共六十五页，2022年，8月28日4.1反馈振荡器的原理LC+–+–CBE变压器反馈式振荡器交流通路N1N2M+–－在回路谐振频率上构成正反馈，满足了振荡的相位条件。－表示瞬时极性起振时放大器工作于甲类，。随着振荡幅度的增大，放大器进入非线性工作区，且由于自给偏置效应进入乙类或丙类非线性工作状态，使减小，直至，进入平衡状态。4.1.5振荡电路举例-电感耦合振荡器(2/3)第二十五页，共六十五页，2022年，8月28日起始时小信号线性放大大信号工作，丙类直到，进入平衡状态。4.1反馈振荡器的原理4.1.5振荡电路举例-互感耦合振荡器(3/3)第二十六页，共六十五页，2022年，8月28日谐振时回路应呈纯电阻性,因而

回路Q值一般很高，回路电流远大于晶体管的基极电流İb、集电极电流İc以及发射极电流İe,故有X1、X2应为同性质的电抗元件。4.2LC振荡器4.2.1LC振荡器的组成原则(1/5)⑴X1与X2的电抗性质相同；⑵X3与X1、X2的电抗性质相反。第二十七页，共六十五页，2022年，8月28日具体化：与晶体管发射极相连的两个电抗是同性质的；不与发射极相连的另一电抗与它们的电抗性质相反。对晶体管:射同余异对场效应管:源同余异三端式振荡器的两种基本型：(1)电容反馈振荡器(考必兹(Colpitts)振荡器);(2)电感反馈振荡器(哈特莱(Hartley)振荡器).4.2LC振荡器4.2.1LC振荡器的组成原则(2/5)第二十八页，共六十五页，2022年，8月28日如图所示，X1和X2为容性，X3为感性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电容元件完成的，称为电容反馈振荡器，也称为考必兹(Colpitts)振荡器。4.2LC振荡器4.2.1LC振荡器的组成原则(3/5)第二十九页，共六十五页，2022年，8月28日

4.2LC振荡器4.2.1LC振荡器的组成原则(4/5)如图所示，X1和X2为感性，X3为容性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电感元件完成的，称为电感反馈振荡器，也称为哈莱特(Hartley)振荡器。第三十页，共六十五页，2022年，8月28日()113322

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X

例4-1：4.2LC振荡器4.2.1LC振荡器的组成原则(5/5)第三十一页，共六十五页，2022年，8月28日(a)(b)4.2LC振荡器4.2.2电容反馈振荡器(1/6)图(a)是一电容反馈振荡器的实际电路，图(b)是其交流等效电路。第三十二页，共六十五页，2022年，8月28日(1)忽略晶体管内部反馈影响(Yre=0);(2)忽略晶体管的输入、输出电容，或将其包含在回路电容C1、C2中;(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。g’L表示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。将gie折算到放大器输出端，有1.电路的起振分析4.2LC振荡器4.2.2电容反馈振荡器(2/6)第三十三页，共六十五页，2022年，8月28日因此，放大器总的负载电导gL为由振荡器的振幅起振条件，可得4.2LC振荡器4.2.2电容反馈振荡器(3/6)第三十四页，共六十五页，2022年，8月28日只要晶体管的跨导满足上式，振荡器就可以振荡。上式右边第一项表示输出电导和负载电导对振荡的影响，F越大越易振荡；第二项表示输入电阻对振荡的影响，gie、F越大越不易振荡。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。gm、gie、goe一定时，可调整F、来保证起振。反馈系数F一般取0.1~0.5。为保证振荡器有一定的稳定振幅，起振时环路增益一般取3~5。4.2LC振荡器4.2.2电容反馈振荡器(4/6)第三十五页，共六十五页，2022年，8月28日2.电路的振荡频率考必兹振荡器的振荡频率稍高于回路的振荡频率。考虑晶体管输入、输出电阻时，回路有载Q会下降，振荡频率会升高。4.2LC振荡器4.2.2电容反馈振荡器(5/6)第三十六页，共六十五页，2022年，8月28日考毕兹电路的优点：1)振荡波形好。2)频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响。3)电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振荡管的输出、输入电容作为回路振荡电容。工作频率可做到几十MHz到几百MHz。缺点：调整C1或C2改变振荡频率时，反馈系数改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，令C1与C2为固定电容，则调整频率时基本上不影响反馈系数。4.2LC振荡器4.2.2电容反馈振荡器(6/6)第三十七页，共六十五页，2022年，8月28日4.2LC振荡器4.2.3电感反馈振荡器(1/4)下图是一电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路。第三十八页，共六十五页，2022年，8月28日下图高频小信号等效电路：同电容反馈振荡器的分析一样,振荡器的振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示,即式中，的L为回路的总电感,由上图有：4.2LC振荡器4.2.3电感反馈振荡器(2/4)第三十九页，共六十五页，2022年，8月28日由相位平衡条件分析,振荡器的振荡频率表达式为在计算反馈系数时不考虑gie的影响，反馈系数的大小为由起振条件分析，同样可得起振时的gm应满足4.2LC振荡器4.2.3电感反馈振荡器(3/4)第四十页，共六十五页，2022年，8月28日哈特莱电路的优点：1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；2、只要调整电容C，即可方便调节振荡频率；3、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。缺点：1、振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，而电感对高次谐波呈高阻抗，对高次谐波的反馈较强，使波形失真大；2、电感反馈三端电路的振荡频率不能太高，因为频率太高，L太小且分布参数的影响太大。4.2LC振荡器4.2.3电感反馈振荡器(4/4)第四十一页，共六十五页，2022年，8月28日C3

<<C1

，C3

<<C2

原理电路交流通路极间电容影响很小，且调节反馈系数时基本不影响频率。4.2LC振荡器4.2.4两种改进型电容反馈振荡器(1/5)1.克拉泼(Clapp)振荡器第四十二页，共六十五页，2022年，8月28日接入系数等效到CE两端的电阻反馈系数由以上讨论，可知：(1)由于Cce、Cbe的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合；(2)调整C1、C2的值可以改变反馈系数,但对谐振频率的影响很小；(3)调整C3值可以改变系统的谐振频率,对反馈系数无影响；(4)C1、C2不能过大，否时可能使振荡器停振；(5)克拉泼振荡器主要用于固定频率或波段范围较窄的场合。4.2.4两种改进型电容反馈振荡器(2/5)4.2LC振荡器第四十三页，共六十五页，2022年，8月28日2.西勒(Siler)振荡器*显然:4.2.4两种改进型电容反馈振荡器(3/5)4.2LC振荡器第四十四页，共六十五页，2022年，8月28日①晶体管的输出输入电容影响较小。②C4与

L并联的，调节C4可调节振荡频率，对振荡幅度影响较小。③C3

不能太大也不能太小(振荡频率由C4

调节)，太小了，接入系数小了，振荡幅度就小。一般取20pF至200pF。西勒电路的特点：4.2.4两种改进型电容反馈振荡器(4/5)4.2LC振荡器第四十五页，共六十五页，2022年，8月28日几种三端式振荡器的比较哈特莱电路考毕兹电路克拉泼电路西勒电路决定频率元件L=L1+L2,CL,C=C1||C2L,CC3L,CC3+C4波形差好好好共发反馈系数L2/L1C1/C2C1/C2C1/C2频率可调可以不方便方便，幅度不稳方便，幅度稳定频率稳定度差差好好最高振荡频率十兆百～千兆，频率提高，稳定度下降百兆，频率提高，幅度下降百～千兆4.2.4两种改进型电容反馈振荡器(5/5)4.2LC振荡器第四十六页，共六十五页，2022年，8月28日振荡器的频率稳定度是指由外界条件的变化，引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度，是振荡器的一个很重要的指标。它又指在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频率的相对变化量。频率稳定度分为绝对偏差和相对偏差。设f1为实际工作频率，f0为标称频率，则绝对偏差：相对偏差：4.3振荡器的频率稳定度4.3.1频率稳定度的意义和表征(1/2)第四十七页，共六十五页，2022年，8月28日频率稳定度可以分为温度稳定度和时间稳定度。按照所规定时间的不同，频率稳定度分为:(1)长期频率稳定度,一天以上乃至几个月内振荡频率相对变化量。主要取决于器件老化。(2)短期频率稳定度,一天之内振荡频率的相对变化量。主要取决于温度、电源电压等外界因素变化。(3)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。4.3振荡器的频率稳定度4.3.1频率稳定度的意义和表征(2/2)第四十八页，共六十五页，2022年，8月28日由振荡器的相位平衡条件，有设回路高Q值,振荡回路在ω0附近的幅角φL可表示为因此相位平衡条件可以表示为则(令n=0):4.3振荡器的频率稳定度4.3.2振荡器的稳频原理(1/3)教材P26，式2-12第四十九页，共六十五页，2022年，8月28日从相位平衡条件看振荡频率的变化(b)ω0的变化和的变化(a)相位平衡条件(c)4.3振荡器的频率稳定度考虑到QL值较高,即Δω1/Δω0≈1,有4.3.2振荡器的稳频原理(2/3)第五十页，共六十五页，2022年，8月28日1.回路谐振频率ω0的影响ω0由构成回路的电感L和电容C决定，要考虑回路的线圈电感、调谐电容和反馈电路元件，以及并在回路上的其它电抗，如极间电容，后级负载等。设回路电感和电容的总变化量分别为ΔL、ΔC,则由，得：4.3振荡器的频率稳定度4.3.2振荡器的稳频原理(3/3)2.和对频率的影响的绝对值越小，频率稳定度就越高。的值越大，频率稳定度就越高。第五十一页，共六十五页，2022年，8月28日1.提高振荡回路的标准性振荡回路的标准性是指回路元件和电容的标准性。温度是影响的主要因素：温度的改变，导致电感线圈和电容器极板的几何尺寸将发生变化，而且电容器介质材料的介电系数及磁性材料的导磁率也将变化，从而使电感、电容值改变。(1)提高回路标准性的主要措施是选用高稳定性和低温度系数、低吸水性的电容器与电感器；(2)温度的补偿和隔离。4.3振荡器的频率稳定度4.3.3提高频率稳定度的措施(1/3)第五十二页，共六十五页，2022年，8月28日

2.减少晶体管的影响：电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。应选择fT较高的晶体管，fT越高，高频性能越好，可以保证在工作频率范围内均有较高的跨导，电路易于起振；且fT越高，晶体管内部相移越小。

3.提高回路的品质因数：要使相位稳定，回路的相频特性应具有负的斜率，斜率越大，相位越稳定。根据LC回路的特性，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。从相位与频率的关系可得，此时的频率也越稳定。4.3振荡器的频率稳定度4.3.3提高频率稳定度的措施(2/3)第五十三页，共六十五页，2022年，8月28日4.减少电源、负载等的影响电源电压的波动，会使晶体管的工作点、电流发生变化，从而改变晶体管的参数，降低频率稳定度。为了减小其影响，振荡器电源应采取必要的稳压措施。负载电阻并联在回路的两端，这会降低回路的品质因数，从而使振荡器的频率稳定度下降。4.3振荡器的频率稳定度4.3.3提高频率稳定度的措施(3/3)第五十四页，共六十五页，2022年，8月28日§4.4

LC振荡器的设计方法

1．振荡器电路选择

LC振荡器一般工作在几百千赫兹至几百兆赫兹范围。振荡器线路主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择。在短波范围,电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以采用。在中、短波收音机中,为简化电路常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。4.4LC振荡器的设计考虑2．晶体管选择从稳频的角度出发,应选择fT较高的晶体管,这样晶体管内部相移较小。通常选择fT>(3～10)f1max。同时希望电流放大系数β大些,这既容易振荡,也便于减小晶体管和回路之间的耦合。第五十五页，共六十五页，2022年，8月28日§4.4

LC振荡器的设计方法

3．直流馈电线路的选择为保证振荡器起振的振幅条件,起始工作点应设置在线性放大区;从稳频出发,稳定状态应在截止区,而不应在饱和区,否则回路的有载品质因数QL将降低。所以,通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区,电路应采用自偏压。4．振荡回路元件选择从稳频出发,振荡回路中电容C应尽可能大,但C过大,不利于波段工作;电感L也应尽可能大,但L大后,体积大,分布电容大,L过小,回路的品质因数过小,因此应合理地选择回路的C、L。在短波范围,C一般取几十至几百皮法,L一般取0.1至几十微亨。第五十六页，共六十五页，2022年，8月28日§4.5石英晶体振荡器

4.5晶体振荡器

利用石英晶体的压电效应和反压电效应对正弦波振荡器进行控制的振荡器称为晶体振荡器。晶体振荡器也是反馈振荡器，决定频率的元件是晶体而不是LC谐振回路。

晶体振荡器突出的优点是可以产生频率稳定度和准确度很高的正弦波。晶体振荡器可以比较容易地实现10-4～10-6的频率稳定度。对晶体施加恒温控制，还可提高到10-7～10-8数量级。目前晶体振荡器频率稳定度的极限是10-12～10-13第五十七页，共六十五页，2022年，8月28日§4.5石英晶体振荡器

下图是一种典型的晶体振荡器电路,当振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时晶体呈感性,该电路满足三端式振荡器的组成原则