第七章正弦波振荡器2010

第七章正弦波振荡器2010第一页，共92页。本章要点1、负阻原理和正反馈原理2、振荡器的起振条件、平衡条件和稳定条件3、LC三端振荡器的组成法则和参数计算（反馈系数、振荡频率、起振条件）4、石英晶体振荡器的参数计算（反馈系数、振荡频率）第二页，共92页。7.1概述高频电路1.定义高功放不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能。第三页，共92页。振荡器功能：不需要输入信号控制就能自动的将直流电源的能量

转变为特定频率和振幅的交变能量的电路

振荡器的指标：频率——频率的准确度与稳定度振幅——振幅的大小与稳定性波形及波形的失真

输出功率——能带动一定阻抗的负载振荡器的分类按电路原理分按输出波形分——正弦波、方波、三角波等反馈型振荡器负阻型振荡器7.1概述2.指标与分类第四页，共92页。7.2LCR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。LCR自由振荡电路

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。由基尔霍夫定律可得回路方程：解上式可得：称为回路衰减系数；称为回路固有角频率第五页，共92页。δ2＜ω2时产生振荡电流的情形7.2LCR回路中的瞬变现象当时，回路电流做周期性变化，产生自由振荡。其振荡频率为：右图画出了三种不同的R所产生的电流变化曲线。可见，为了获得等幅振荡，必须设法使回路电阻为零。可以通过在电路中引入正反馈，或者利用有源器件本身的负阻特性来使回路电阻为零。第六页，共92页。7.3LC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。第七页，共92页。互感耦合调集振荡器7.3LC振荡器的基本工作原理-+LC回路即是振荡回路，又与L1、M等组成晶体管的正反馈回路，完成控制作用。Rb1，Rb2和Re分别为基极偏置和发射极偏置电阻。Cb和Ce为旁路与隔直电容。为了完成正反馈作用，L和L1的同名端必须分别接到c和e端。h参数等效电路分析可得到如下结论：振荡器的振荡频率主要取决于储能回路参数；振荡幅度主要取决于电路中的非线性器件，不论初始冲击强还是弱，最终会达到某一固定值。第八页，共92页。反馈振荡器方框图7.4由正反馈的观点来决定振荡的条件7.3节用瞬变的观点分析了振荡现象，本节我们从正反馈的观点来观察振荡现象。带反馈的放大电路反馈放大器的闭环增益:带反馈的放大电路当时，，放大器变成振荡器。其中，称为环路增益。第九页，共92页。7.4由正反馈的观点来决定振荡的条件负反馈不产生自激振荡。若环路增益则去掉仍有稳定的输出。又所以等幅振荡条件为振幅平衡条件相位平衡条件＋正反馈产生自激振荡。（注意与负反馈方框图的差别）第十页，共92页。7.5振荡器的平衡与稳定条件7.5.1振荡器的平衡条件7.5.2振荡器平衡状态和稳定条件第十一页，共92页。7.5.1振荡器的平衡条件负反馈不产生自激振荡。若环路增益则去掉仍有稳定的输出。又所以等幅振荡条件为振幅平衡条件相位平衡条件＋正反馈产生自激振荡。（注意与负反馈方框图的差别）那么振荡器输出信号是如何从无到有，并最终形成等幅振荡的呢？第十二页，共92页。

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？这就是起振条件要解决的问题。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）起振条件振荡器的起振条件第十三页，共92页。

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过渡到AF=1。（由增到稳）振荡器的起振条件振荡器起振过程示意图随着振幅的增大，放大器工作点左移，三极管趋于截止，增益下降，起到稳幅作用。第十四页，共92页。振荡器的起振条件第十五页，共92页。振荡器的起振条件第十六页，共92页。7.5.2振荡器平衡状态和稳定条件

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。第十七页，共92页。7.5.2振荡器平衡状态和稳定条件由上节的分析我们已经得到振荡器平衡条件：振幅平衡条件相位平衡条件相位平衡条件说明振荡器在平衡状态下，闭环总相移为0或2nπ，反馈信号相位和原输入信号相位相同，可以利用相位平衡条件确定振荡器振荡频率。振荡器平衡条件也可以用电路参数来表示：振幅平衡条件说明振荡器在平衡状态下，反馈信号振幅和原输入信号振幅相等，我们可以利用振幅平衡条件确定振荡器振幅。放大器跨导相移放大器负载相移反馈网络相移第十八页，共92页。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：放大器的放大倍数随振荡幅度的增大（减小）而减小（增大），工作于非线性状态的有源器件正好具有这一性能，并且平衡点处斜率越大稳定性越好。软自激的振荡特性硬自激的振荡特性7.5.2振荡器平衡状态和稳定条件第十九页，共92页。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ω7.5.2振荡器平衡状态和稳定条件第二十页，共92页。并联谐振回路的相频特性2）相位平衡的稳定条件7.5.2振荡器平衡状态和稳定条件第二十一页，共92页。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7.5.2振荡器平衡状态和稳定条件第二十二页，共92页。小结分析反馈型振荡器时，首先要抓住以下几个要点：（1）包含一个合适偏置的可变增益放大器。（2）闭合环路是正反馈（3）有选频回路（4）环路增益Af的相频特性为负斜率保证了：振荡电路的合理性进一步计算：（1）环路增益是否大于1？（起振条件）（2）按照相位平衡条件计算振荡频率。第二十三页，共92页。7.6反馈型LC振荡器线路7.6.1互感耦合振荡器7.6.2电感反馈式三端振荡器 (哈特莱振荡器)7.6.3电容反馈式三端振荡器

(考毕兹振荡器)7.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件 的判断准则第二十四页，共92页。7.6.1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。第二十五页，共92页。7.6.1互感耦合振荡器为什么不用共集组态电路呢？第二十六页，共92页。7.6.1互感耦合振荡器第二十七页，共92页。互感耦合调基、调发振荡器电路由于三极管结电容和其它分布电容的存在，在频率较高而LC回路电容较小时，它们将影响振荡器的稳定性。7.6.1互感耦合振荡器第二十八页，共92页。7.6.2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。电感反馈式三端振荡器(+)(-)(+)(+)第二十九页，共92页。7.6.2电感反馈式三端振荡器(哈特莱振荡器)振荡频率：反馈系数：起振条件：L1L2C这是在忽略晶体管集间电容的影响下得出的。其中，gm为晶体管跨导，RL为总负载。L1L2C第三十页，共92页。电路的特点:容易起振调整频率方便，改变电容调整频率时，不影响反馈系数。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。7.6.2电感反馈式三端振荡器(哈特莱振荡器)第三十一页，共92页。7.6.3电容反馈式三端振荡器(考毕兹振荡器)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。第三十二页，共92页。7.6.3电容反馈式三端振荡器(考毕兹振荡器)振荡频率：反馈系数：起振条件：其中，gm为晶体管跨导，RL为总负载。C1C2LC1C2L第三十三页，共92页。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。7.6.3电容反馈式三端振荡器(考毕兹振荡器)第三十四页，共92页。7.6.4LC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第三十五页，共92页。

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:Xbe与Xce同性质，它们与Xcb相异；射同基反。成立7.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则由反馈系数的定义可得：可见：只有Xbe与Xce同性质，才能使Vf与Vi同相。第三十六页，共92页。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7.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则第三十七页，共92页。三点式振荡器的性能分析第三十八页，共92页。三点式振荡器的性能分析第三十九页，共92页。三点式振荡器的性能分析第四十页，共92页。三点式振荡器的性能分析第四十一页，共92页。7.7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。第四十二页，共92页。

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。7.7振荡器的频率稳定问题第四十三页，共92页。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、输出电阻的接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7.7振荡器的频率稳定问题由于一般C1,C2取值较大，即C1,C2>>C3,所以有C≈C3。谐振频率由C3决定。各级之间接入系数越小，晶体管寄生参量的影响越小，振荡器稳定性越高。第四十四页，共92页。电容三点式振荡器的改进型——克拉泼电路第四十五页，共92页。电容三点式振荡器的改进型——克拉泼电路注意电路组态！这是一个三极管部分接入的共基电路第四十六页，共92页。电容三点式振荡器的改进型——席勒电路第四十七页，共92页。小结第四十八页，共92页。7.8石英晶体振荡器7.8.1并联谐振型晶体振荡器7.8.2串联谐振型晶体振荡器7.8.3泛音晶体振荡器第四十九页，共92页。

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。7.8石英晶体振荡器第五十页，共92页。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。7.8石英晶体振荡器第五十一页，共92页。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

7.8石英晶体振荡器第五十二页，共92页。7.8石英晶体振荡器石英晶体振荡器中常用的三种频率：串联谐振频率：并联谐振频率：标称频率：其值位于fq和fp之间，是指石英晶体两端并接某一规定负载电容CL时石英晶体的振荡频率。由石英晶体构成的振荡电路的振荡频率一般都约等于石英晶体的标称频率。第五十三页，共92页。7.8.1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。常用的有两种，如下图所示。并联谐振型晶体振荡器的两种基本形式第五十四页，共92页。并联谐振型晶体ｃ－ｂ型振荡器电路（皮尔斯电路）7.8.1并联谐振型晶体振荡器第五十五页，共92页。并联谐振型晶体b－e型振荡器电路（密勒电路）7.8.1并联谐振型晶体振荡器第五十六页，共92页。7.8.2串联谐振型晶体振荡器串联谐振型正弦波晶体振荡器电路将石英晶体用于正反馈支路中，利用其在串联谐振时等效为短路元件，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，是振荡器在晶体串联谐振频率上起振。第五十七页，共92页。7.8.3泛音晶体振荡器

石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器。另一个办法就是令晶体工作于它的泛音频率上，构成泛音晶体振荡器。所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。它与电气谐波的主要区别是：电气谐波与基波是整数倍关系，且谐波与基波同时并存；泛音则与基频不成整数倍关系，只是在基频奇数倍附近，且两者不能同时存在。由于晶体片实际上是一个具有分布参数的三维系统，它的固有频率从理论上来说有无限多个。第五十八页，共92页。泛音晶体振荡器交流等效电路若泛音晶体的标称泛音次数为5，相应的标称频率为5MHz，则LC谐振回路应调谐在3～5次泛音频率之间，如3.5MHz。在5MHz,LC谐振回路呈容性，满足相位平衡条件。而对于基频和3次泛音频率来说，回路呈感性，振荡器不满足相位平衡条件，不能产生振荡。而对于7次及其以上的泛音频率，回路呈容性，但其电容量过大，负载阻抗过小，以致电压增益下降太多，不能起振。7.8.3泛音晶体振荡器第五十九页，共92页。7.9负阻振荡器

负阻振荡器是把一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振回路相接，以产生等幅振荡。正、负电阻的概念

Ｒ上的电位降方向与电流方向相同，呈正电阻性,故此电阻相于电动机作用，它从外界电源吸收功率。若Ｒ上的电位升方向与电流方向相同，呈负电阻性，故此负电阻相当于发电机作用，它不但不消耗功率，反而向外界输出功率。注意，以上针对交流电阻。第六十页，共92页。 具有负阻的器件有两大类：电压控制型负阻和电流控制型负阻。负阻特性曲线的类型7.9负阻振荡器第六十一页，共92页。 负阻振荡电路也有两种基本类型，即串联型负阻振荡器线路和并联型负阻振荡器线路。负阻振荡器原理电路7.9负阻振荡器第六十二页，共92页。隧道二极管负阻振荡器举例：7.9负阻振荡器第六十三页，共92页。特点：适用于较高的工作频段（可在100MHz至10GHz波段内）。优点：噪声低，对温度变化、核辐射均不敏感，电路简单，体积小和成本低等。缺点：输出功率和电压都较低；在电路中使用起来不如反馈式振荡器方便；频率稳定和幅度稳定都不及反馈式振荡器。7.9负阻振荡器第六十四页，共92页。7.10几种特殊振荡现象7.10.1寄生振荡现象7.10.2自偏压建立过程与间歇振荡现象第六十五页，共92页。7.10.1寄生振荡现象放大器工作不稳定被传输的信号产生失真引起晶体管的PN结被击穿或瞬时损坏1.寄生振荡的危害放大器中，即使没有输入信号，也有交流输出。这叫做产生了寄生振荡。第六十六页，共92页。１）反馈型寄生振荡2.寄生振荡的类型及产生原因由放大器的输出与输入间各种寄生反馈引起的。 A.外部反馈:主要是通过多级放大器的公共电源内阻、馈线或元件的寄生耦合以及输入端与输出端的空间电磁场的耦合引起的。 B.内部反馈:晶体管的极间电容产生的。7.10.1寄生振荡现象第六十七页，共92页。晶体管高频功率放大器由内反馈产生寄生振荡的等效电路7.10.1寄生振荡现象第六十八页，共92页。 2）负阻型寄生振荡2.寄生振荡的类型及产生原因 直接由器件的负阻现象产生的寄生振荡，主要有雪崩负阻振荡和过压负阻振荡两种。 A.雪崩负阻振荡：晶体管工作进入雪崩击穿区，这种寄生振荡一般只在信号的负半周才出现。 B.过压负阻振荡:晶体管工作于过压状态，它一般在信号的正半周出现。7.10.1寄生振荡现象第六十九页，共92页。3.寄生振荡的排除和防止措施晶体管高频功率放大器的各种稳定措施7.10.1寄生振荡现象第七十页，共92页。7.10.2自偏压建立过程与间歇振荡现象1.间歇振荡指振荡器工作时，时而振荡，时而停振的一种现象。这一现象产生的原因来自振荡器的自偏压电路参数选择不当。间歇振荡时的振荡电压波形第七十一页，共92页。2.自偏压的建立过程电容三端振荡器的自偏置电路 由于Re上的直流压降是由发射极电流IE建立的，而且随IE变化而变化，故称为自偏压。7.10.2自偏压建立过程与间歇振荡现象第七十二页，共92页。2.自偏压的建立过程电容三端振荡器的自偏置电路 1)反馈电压正半周 2)反馈电压负半周起振过程中，输出信号越来越大，反馈信号也随之增强。 射极电流对射极电容充电 射极电容对射极电阻放电

充、放电节奏合适，实现增幅到稳幅。7.10.2自偏压建立过程与间歇振荡现象第七十三页，共92页。自偏振荡器起振时激励电压和直流偏压的建立过程7.10.2自偏压建立过程与间歇振荡现象第七十四页，共92页。3.频率占据（或牵引） 指外加电动势频率与振荡器自激频率接近到一定程度时，可以使振荡频率随外电动势频率的改变而改变。4.频率拖曳现象 发生于振荡器电路采用耦合回路时，如耦合系数过大，次级又是谐振回路，则调节次级回路时，振荡回路频率也随之改变，甚至产生频率跳变。7.10.2自偏压建立过程与间歇振荡现象第七十五页，共92页。7.11集成电路振荡器互感耦合差分对振荡器(+)(+)(+)第七十六页，共92页。Ｅ1648内部电路(+)(-)(-)(-)偏置电路差分放大差分放大CE-CB放大7.11集成电路振荡器第七十七页，共92页。Ｅ1648构成的高频振荡电路7.11集成电路振荡器第七十八页，共92页。7.12RC振荡器7.12.1RC相移振荡器7.12.2文氏电桥振荡器第七十九页，共92页。负反馈不产生自激振荡。等幅振荡条件为正反馈产生自激振荡。（注意与负反馈方框图的差别）7.12RC振荡器＋较低的振荡频率一般都采用构造较简单，经济方便的RC振荡器来产生。RC振荡器的工作原理和LC振荡器一样，也是由放大器和正反馈网络两部分所构成，区别仅在于用RC选频网络电路代替LC回路。第八十页，共92页。7.12.1RC相移振荡器超前相移RC振荡器