高频电路第4章正弦波振荡器

高频电路第4章正弦波振荡器第一页，共65页。第一节概述一、振荡电路的功能在没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率,一定波形,一定振幅的交变振荡信号输出。二、振荡电路的分类正弦波振荡器非正弦波振荡器反馈型负阻型(100MHz以上)振荡器RC振荡器LC振荡器晶体振荡器按波形分按原理分按元件分第二页，共65页。三、主要技术指标

1、振荡频率；2、频率稳定度；3、振荡幅度；4、振荡波形；第三页，共65页。第二节反馈型LC振荡原理一、组成反馈型LC振荡器是由调谐放大器和正反馈网络构成.调谐放大器正反馈网络条件①放大器必须是调谐放大器,具有选频滤波的功能②反馈网络必须是正反馈第四页，共65页。二、振荡的建立与起振条件第五页，共65页。1、起振条件A0F＞1

(n=0，1，2，…，n)

物理意义是振荡为增幅振荡物理意义是振荡器闭环相位差为零，即为正反馈。微小的扰动电压经放大选频反馈再放大再选频再反馈‥‥如此循环,振荡电压就会增长起来,建立了振荡.振幅起振条件起振过程:相位起振条件其中，A0为当电源接通时的电压增益。第六页，共65页。Pspice仿真振荡器输出波形第七页，共65页。三、振荡的平衡与平衡条件1、振荡的平衡条件平衡过程：刚起振时A0F>1，增幅振荡，随着反馈回来的输入振幅的不断增大，谐振放大器进入非线性状态。非线性状态电压增益A随着振幅增大而降低,直到AF=1时,达到平衡.AF=1(n=0，1，2，…)物理意义:等幅振荡物理意义:正反馈振荡器刚起振时,工作于甲类,起振后由甲类逐渐向甲乙类、乙类或丙类过渡。最后工作于什么状态完全由A0F的值来决定。

总结:振幅平衡条件AF=1,可以确定振荡器的振幅，相位平衡条件可以确定振荡器的频率。第八页，共65页。振幅起振条件：相位起振条件： （n=0,1,2…）2、平衡条件的另一种表示形式

由于电路中有源器件、寄生参量及阻隔元件的确影响，，为了使电路工作在相位平衡状态，，因此振荡器的频率并不等于回路的谐振频率。回路处于微小失谐状态。为简化问题，通常都近似地认为振荡频率就等于回路的谐振频率第九页，共65页。稳定平衡:是指因某一外因的变化，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。平衡的稳定条件也包含振幅稳定条件和相位稳定条件。四、振荡平衡状态的稳定条件1、振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件:物理意义:A随放大器输出电压的变化为负斜率第十页，共65页。B点也满足振幅平衡的条件A=1/F，而此点的 ，不能满足稳定条件。Q点为稳定平衡点.消除这种情况的方法:①调节静态工作点②选择适当的反馈系数第十一页，共65页。2、相位平衡的稳定条件相位平衡条件 ，可得 相位平衡的稳定条件:并联回路的相频特性物理意义:平衡点并联谐振回路的相频特性为负斜率.第十二页，共65页。总结:起振条件平衡条件平衡的稳定条件第十三页，共65页。第三节反馈型LC振荡器反馈型LC振荡器是由调谐放大器和正反馈网络构成.按反馈耦合元件可以分为：互感耦合振荡器

通过电感线圈L1与L2的互感M实现反馈。电容反馈式振荡器

依靠电容产生反馈电压构成的振荡器称为电容三点式振荡器又称考毕兹振荡器。电感反馈式振荡器依靠电感产生反馈电压构成的振荡器，称为电感三点式振荡器，又称哈特莱振荡器。第十四页，共65页。一、互感耦合振荡电路②通过与的互感M实现反馈。①放大器为共基调谐放大。③正反馈由耦合线圈的同名端决定。1、电路形式判断相位平衡条件是否满足，通常可以采用瞬时极性法判断是否是正反馈。2、判断振荡的方法++++⊕①共基调集型第十五页，共65页。②共射调基型“共射”电路输入阻抗较低，晶体管与回路采用部分接入+++-⊕第十六页，共65页。③共基调射型+++--+⊕第十七页，共65页。3、电路的振荡频率4、互感耦合振荡电路的特点优点：互感耦合振荡电路在调整反馈（改变M）时，基本不影响振荡频率缺点：工作频率不易过高，应用于中短波段第十八页，共65页。二、电容反馈振荡电路1、电路形式晶体管的三个极（c.e.b）分别连接于回路电容的三端，称为电容三点式振荡器，也称为考比兹振荡器。ceb第十九页，共65页。2、相位平衡条件（正反馈）振荡器的等效电路电压向量图第二十页，共65页。3、起振条件a、振荡要建立必须满足 。由于外部反馈作用远大于内部反馈，忽略的作用，第二十一页，共65页。ceb第二十二页，共65页。电路的反馈系数F（忽略各个g的影响）b、起振条件得即:电压增益其中:第二十三页，共65页。c、结论（1）满足起振条件是选取晶体管的

（2）晶体管一旦选定(参数一定)可以改变F和来保证起振。F一般选取0.1-0.5。即适当选择C1和C2的值4、振荡频率的估算其中：第二十四页，共65页。三、电感反馈振荡电路它是利用并联谐振回路中的电感分压实现正反馈的。由于晶体管的三个极分别连接于回路电感的三端，称为电感三点式振荡器，也称为哈特莱（Hartley）振荡器。1、电路形式第二十五页，共65页。2、相位平衡条件（正反馈）第二十六页，共65页。①振荡的建立必须满足 。②反馈系数在不考虑晶体管参数的影响时可得：当线圈绕在磁环上时，线圈两部分为紧耦合，则：③由 ，忽略、的影响，可得3、起振条件4、振荡频率的估算其中：第二十七页，共65页。四、电感三点式与电容三点式振荡电路的比较电容三点式电感三点式波形较好较差频率较高较低频率稳定度较好较差起振、调节较难较易第二十八页，共65页。五、LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则1、Xce与Xbe的电抗性质相同；2、Xcb与Xce、Xbe的电抗性质相反；3、对于振荡频率，满足Xce+Xbe+Xcb=0。这是用来判断三点式振荡器有没有可能振荡的基本原则第二十九页，共65页。

试分析上述四种情况是否可能振荡?振荡频率f0与回路谐振频率有何关系?例题:图示为三回路振荡器的等效电路，设有以下四种情况：第三十页，共65页。第四节振荡器的频率稳定原理一、频率稳定度的定义

3、频率稳定度的定义:在一定时间间隔内，振荡器相对频率偏差的最大值，用表示。频率稳定度在数量上通常用频率偏差来表示。频率偏差是指振荡器的实际工作频率和标称频率之间的偏差。它可分为绝对偏差和相对偏差。设f为实际振荡频率，fc为指定标称频率，则

1、绝对频率偏差：2、相对频率偏差绝对频率准确度相对频率准确度第三十一页，共65页。4、三种常用的频率稳定度

长期频率稳定度：一般指一天以上甚至数月的时间间隔内的相对频率变化的最大值。这种变化通常是由振荡器中元器件老化而引起的。短期频率稳定度：一般指一天以内，以小时、分或秒计算的时间间隔内的频率相对变化。产生这种频率不稳的因素有温度、电源电压等。瞬时频率稳定度：一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变化。引起这类频率不稳定的主要因素是振荡器内部噪声。第三十二页，共65页。二、振荡器频率稳定度的表示式1、振荡频率的表示式

振荡器的相位平衡条件

2、频率稳定度的表示式总结：谐振频率的变化、相角的变化和有载品质因数Q的变化都会引起频率稳定度的变化。第三十三页，共65页。3、、、对振荡频率影响的定性描述变化

变化Q变化第三十四页，共65页。1、温度变化会引起L、C和晶体管y参数变化。2、湿度变化会引起L、Q变化。3、电源电压变化会引起晶体管参数变化。4、机械振动会引起L的变化。三、引起频率不稳的原因结论：引起振荡器频率不稳定的外部因素是温度、湿度、电源电压波动和机械振动。这些外因变化会引起、、的变化。因此产生频率不稳定。第三十五页，共65页。四、提高频率稳定度的措施1、减小外因的变化

温度变化可以采用恒温措施；

湿度变化采用将电感线圈密封或固化；

电源电压变化采用稳压电源；

机械振动采用减震措施；

负载变化采用射随器隔离。2、提高电路参数抗外因变化的能力①选用正温度系数的电感和负温度系数的电容组成谐振回路进行温度补偿。②减小晶体管极间电容不稳定量、对回路总电容的影响，可采用部分接入方式的克拉泼电路、西勒电路和晶体振荡器。③选用高Q的元件。选用小的电容三点式振荡电路形式。第三十六页，共65页。一、一般电容三点式振荡电路频率稳定性的分析第五节高稳定度的LC振荡器当、没变化时，回路总电容对应振荡频率为:第三十七页，共65页。而、与晶体管工作状态和外界条件有关。当变化ΔCo，变化ΔCi时，总电容的增量:

结论：一般电容三点式振荡电路p1、p2不可能同时减小，故频率稳定度不可能做得较高。第三十八页，共65页。二、克拉泼（Clapp）振荡电路①在电感支路串接小电容C3②满足C3＜＜C1，C3＜＜C2

③回路总电容为：1、电路特点第三十九页，共65页。2、相位平衡条件（正反馈）为容抗，为容抗同性质。可等效为感抗，与、反性质。满足电容三点式振荡器相位平衡条件判断准则，为电容三点式振荡电路。

3、振荡频率因为所以克拉泼（Clapp）振荡器的振荡频率为：第四十页，共65页。4、稳频原理总的电容增量为：其中①p1、p2可以同时减小，可很小，故频率稳定度比一般电容三点式要高。结论：②p1、p2

的减小受到电路起振条件的限制，频率稳定度不可能很高。③克拉泼电路主要用作固定频率振荡器。第四十一页，共65页。三、西勒（Siler）振荡电路

第四十二页，共65页。2、相位平衡条件（正反馈）为容抗，为容抗同性质。可等效为感抗，与、反性质。满足电容三点式振荡器的相位平衡条件判断准则，为电容三点式振荡电路。3、振荡频率1、电路特点：西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感L两端并联一个电容。电路条件仍是C3＜＜C1，C3＜＜C2，与同数量级回路总电容为：4、总结

这种电路保持了克拉泼电路中晶体管与回路耦合弱的特点，频率稳定度高。调频时，输出振荡电压幅度基本平稳，可作为变频振荡器。1、电路特点：西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感L两端并联一个电容。电路条件仍是C3＜＜C1，C3＜＜C2，与同数量级回路总电容为：第四十三页，共65页。第六节晶体振荡电路一、石英晶体介绍1、压电效应石英晶体的特点是具有压电效应。不同型号的晶体具有不同的机械自然谐振频率。当外加电信号频率等于晶体固有的机械谐振频率时，晶体的振动幅度最强，感应的电压也最大，表现出电谐振。晶体-----石英谐振器的简称.利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振元件第四十四页，共65页。2.石英晶体的等效电路动态电感:很大，几十毫亨到几十亨动态电容:很小，一般为PF量级；动态电阻:很小，一般为几欧~几百欧静态电容Co

：

很小，约2～5PF。品质因数：很高，达～量级特点：①晶体的参数值十分稳定，因此它的等效谐振回路有很高的标准性②具有极高的Q值③Cq<<C0,因此晶体的接入系数很小，外电路对它的影响很小。第四十五页，共65页。3、晶体管等效电路有两个谐振频率①串联谐振频率②并联谐振频率两个频率之差很小：二、石英晶体的阻抗特性1、忽略时，总阻抗为第四十六页，共65页。2、阻抗频率特性①当和时，

，晶体等效为电容；②当时，，晶体等效为短路；③当时，，晶体等效为电感；④当时，，晶体为并联谐振。总结：晶体使用的两种模式：时，晶体短路线时，晶体电感第四十七页，共65页。三、晶体振荡电路根据晶体在振荡器中的作用原理可分为两类：并联型晶体振荡器：晶体作为高品质的电感工作频率：串联型晶体振荡器：晶体作为高选择性的短路元件工作频率：并联泛音振荡器Miller振荡器Pierce振荡器第四十八页，共65页。1、并联型晶体振荡器——晶体在电路中等效为高Q电感①两种基本类型电路图（a）电容三点式振荡电路图（b）电感三点式振荡电路皮尔斯振荡器密勒振荡器第四十九页，共65页。②并联型晶体振荡器（以皮尔斯振荡器为例）第五十页，共65页。A、相位平衡条件由于容抗，容抗，晶体等效为感抗，满足三点式振荡器相位平衡条件的判断准则。电路为正反馈。B、振荡频率令称为负载电容。由等效电路可得故总结：①振荡频率与和负载电容有关。②振荡频率一定在与之间，晶体等效为电感。

③因串、并联频率相差很小，因此振荡器频率稳定度高。

第五十一页，共65页。C、稳频原理由等效电路可知其中，和很小，不稳定电容、的影响非常小。关键很小，的Q很高。晶体的参量具有高稳定性，晶体回路的标准性很高。振荡回路与晶体管之间的耦合很弱，晶体管极间电容的不稳定性对它的影响很小。晶体具有极其灵敏的电抗补偿能力。总结：由于以上三个因素，晶体振荡器具有很高的频率稳定度第五十二页，共65页。2、串联型晶体振荡器串联型晶体振荡电路①电路特点:晶体在电路中等效为短路元件回路谐振在上,即振荡频率为:第五十三页，共65页。②稳频原理当时,晶体在电路中相当于短路元件,满足相位平衡条件当时,晶体在电路中相当于电感,馈支路中引入一个附加相移，使，从而将偏离频率调整联谐振频率上。当时,晶体在电路中相当于电容,馈支路中引入一个附加相移，使，从而将偏离频率调整联谐振频率上。总结：串联型晶体振荡器的振荡频率及频率稳定度是由晶体的串联谐振频率所决定，而不取决于振荡回路，但振荡回路的谐振频率应与晶体的串联频率相一致。当时,晶体在电路中相当于电感,馈支路中引入一个附加相移，使，从而将偏离频率调整联谐振频率上。第五十四页，共65页。3、泛音晶体振荡器①在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体谐振器②组成泛音晶体振荡器的原则；确保振荡器的谐振回路准确地调谐在所需的奇次泛音频率上抑制基音和低次泛音频率第五十五页，共65页。第七节负阻振荡器一、负阻的概念

1、负阻器件是指它的增量电阻为负值的器件。

隧道二极管特性第五十六页，共65页。2、上图所示是隧道二极管的伏安特性若将静态工作点设置在负阻区（AB段）的Q点，并加上微弱正弦信号电压 管子两端电压为则流过管子的电流为 （式中的负号表明，由于负阻特性，使交流电流与交流电压呈现反相）3、器件消耗的平均功率为表示器件消耗的功率由两部分组成。一是器件在工作点Q点时所消耗的功率，是由直流电源提供的。二是交流功率，负号表示器件消耗的是负交流功率，即器件向外输出交流功率。这说明负阻器件的负阻区具有将直流功率的一部分转换为交流