高频电子线路第六章(new)课件

高频与射频线路第六章正弦波振荡器学习内容掌握反馈型振荡器的工作原理；掌握振荡器的平衡与稳定条件；掌握LC振荡器三端电路的组成法则；掌握石英振荡器电路，了解其优点；了解其他类型振荡器工作原理。

6.1概述定义：系统“心脏”振荡器：不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能的装置。接收、发射系统框图振荡器的分类振荡原理反馈型振荡器

负阻型振荡器高频振荡器振荡频率低频振荡器非正弦波振荡器：三角形波、锯齿波振荡波形

正弦波振荡器RC振荡器

选频回路元件

LC振荡器晶体振荡器6.2LCR回路中的瞬变现象

从振荡器定义上看，振荡器在工作时问题？？？LCR自由振荡电路是无需外接输入信号的，它是如何在没有输入信号的情况下产生输出信号的，其原理可用LC谐振回路的自由振荡现象解释。第一步：先将开关打向1，使电容充满电；第二步：将开关打向2，电容就会经电感L和电阻R放电，则电容中存储的电能和电感中存储的磁能就会自由交替转换而形成振荡。

解：

（6.2.1）（6.2.2）

由基尔霍夫定律得：微分讨论：

（6.2.7）

结论：LCR振荡回路中振荡频率主要由电容C和电感L决定。由于电阻R的存在，振荡的幅度会逐渐减小,如果我们能及时地为电路补充能量，在这里是将开关及时地打向1则可以维持等幅振荡。对振荡器而言，为获得等幅振荡，引入负阻或正反馈以抵消回路本身的正电阻。6.3LC振荡器的基本工作原理振荡器的电路三个工作条件：振荡回路：包含两个（或两个以上）储能元件。释放和接收能量在元件间往返进行，其频率决定了振荡器输出信号的频率；能量来源：用来补充由振荡回路电阻损耗的能量。此来源为直流电源；控制设备：使能量在正确的时间适当的补充到电路中，以维持等幅恒频的振荡。由有源器件和正反馈电路来完成。互感耦合调集振荡器概略说，振荡器的振荡回路主要取决于储能回路参数；振荡幅度则主要取决于电路中的非线性器件（如晶体管、电子管等)。振荡条件：

（6.3.7）振荡回路能量来源控制设备振荡角频率：

（6.3.8）反馈振荡器方框图

（6.4.1）

则有：

或

6.4由正反馈的观点来决定振荡的条件从无到有：振荡器接通电源瞬间引起瞬变电流产生，这种瞬变电流所包含的频带很宽。由于谐振回路的选择性，选出本身谐振频率的信号形成振荡信号，其他频率信号则被滤除；

6.5.1振荡器的平衡条件

即要求反馈电压幅度要一次比一次大要求环路保持正反馈6.5振荡器的平衡与稳定条件平衡条件的复数形式表示：

振幅平衡条件：

（6.5.7）相位平衡条件：

（6.5.8）物理意义：振幅平衡条件说明在平衡状态下反馈信号与原输入信号振幅相等；相位平衡条件说明在平衡状态下反馈信号与原输入信号相位相同。平均电压放大倍数

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,分为振幅稳定与相位稳定两种条件。6.5.2振荡器平衡状态的稳定条件

首先要明确稳定平衡的概念：即指在外因作用下，平衡条件被破坏后，振荡器能在平衡点附近建立新的平衡状态，一旦外因消失，又能自动恢复原来的平衡状态。(a)不稳定平衡(b)稳定平衡1）振幅平衡的稳定条件形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率，即:振幅稳定条件：

（6.5.16）

工作于非线性状态的晶体管正好具有这一性能，因此具有稳定振幅的功能。

软自激的振荡特性

硬自激的振荡特性外加激励使增益冲过最高点2)相位平衡的稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件,仍能保持其稳定的振荡。相位稳定条件:

（6.5.18）并联谐振回路的相频特性

并联谐振回路正好具有负斜率的相频特性。故谐振回路不但决定了振荡频率，还是稳定频率的机构；并且Q值越大，曲线越陡峭，振荡器稳定性越好。

相位变化必然引起频率变化放大电路正反馈网络选频网络：选择满足相位平衡条件的一个频率，常与反馈网络合二为一（选频网络具有负斜率的相频特性）

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：幅度稳定相位稳定（一般晶体管工作在甲类，便于起振）（环路增益相位在振荡频率点应为2π的整数倍）（随着振幅的增大,进入饱和区或截止区,工作于甲乙类状态,其增益逐渐下降到１，

达到平衡,进入等幅振荡状态）6.6反馈型LC振荡器线路

按照反馈网络的不同分为：互感耦合振荡器三端式振荡器6.6.1互感耦合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。根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射极电路分为：调集电路、调基电路和调射电路。以单个晶体管作为放大电路，以LC分立元件作为选频网络的反馈型振荡器，可以用来产生几十K到几百M的正弦信号。调集电路调基电路调射电路

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M越大越容易起振）。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（300K～30MHz）。调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成分较小。6.6.2三端式振荡器

三个电抗元件构成了决定振荡频率的并联振荡回路，同时也构成了正反馈所需的反馈网络。

这三个元件必须具有的性质和关系：三端式振荡器的原理电路

要产生振荡，就必须满足：

（6.6.3）即：

注：为了便于记忆，可以将此原则具体化，即凡是与晶体管发射极相联的电抗必须是同性质的电抗，而不与发射极相联的另一电抗的性质必须与其相反。

三端式振荡器构成的法则归纳为：“ce，be同抗件，cb反抗件”。此法则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。简单记忆“射同余异”于是可以得到两种基本电路形式：电感反馈振荡器电容反馈振荡器场效应管“源同余异”

典型例题：从相位条件出发，判断下图电路是否可能振荡。

解：高频等效高频等效

高频等效

三端式振荡器有多种形式，主要有：电感三端式，又称哈特莱振荡器(Hartley)；电容三端式，又称考毕兹振荡器(Coplitts)；串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器(Clapp)；并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器(Selier)。电感反馈式三端振荡电路

1、电感反馈式三端振荡电路（哈特莱振荡器）（a）原理电路（b）等效电路注：F不可太大，也不可太小，通常1/3～1/8若是理想耦合，则:

电感反馈三端振荡电路的振荡频率为：

（6.6.2）其中M为两个电感线圈间互感。在工程上一般采用估算反馈系数的大小，即不考虑晶体管的影响，电感反馈三端振荡电路的反馈系数为：

哈特莱电路的优点：

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，因此对高次谐波的反馈较强，使波形失真大；电感反馈三点电路的振荡频率不能做得太高，这是因为频率太高，L太小且分布参数的影响太大；调整电容C的大小来改变频率时，反馈系数不会受到影响。哈特莱电路的缺点：分布参数影响反馈系数，频率越高，影响越严重，可能无法起振。2、电容反馈式三端振荡电路（考毕兹振荡器）（a）原理电路（b）等效电路电容反馈式三端振荡电路

电容反馈三端振荡电路的振荡频率为：在工程上一般采用估算反馈系数的大小，即不考虑晶体管的影响，电容反馈三端振荡电路的反馈系数为：注：F不可太大，也不可太小，通常1/3～1/8

考毕兹电路的优点：高次谐波容易通过低阻抗的电容支路回到发射极，谐波反馈减弱，输出谐波分量减少，振荡波形好;

工作频率可以做得较高，可直接利用振荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。考毕兹电路的缺点：

解：振荡频率为：

平衡条件：

∴

并联振荡回路电纳与频率关系

讨论：分析：只要满足三点式组成法则“射同余异”,该振荡器就可能正常工作。并联振荡电路阻抗随工作频率不同呈现不同性质：

振荡频率的表达式为:

其中:3、串联型改进电容三端振荡器(克拉泼电路)

（a）原理电路（b）等效电路串联型改进电容三端振荡电路

振荡频率为：

克拉泼电路的优点：

克拉泼电路的缺点：

窄带或固定频带应用4、并联型改进电容三端振荡器(西勒电路)

（a）原理电路（b）等效电路并联型改进电容三端振荡电路

波段覆盖率宽，其波段覆盖系数为1.6～1.8；工作波段内输出波形随频率变化平缓（输出稳定）。其回路等效电容:振荡频率:

西勒电路在实际中用得较多。如：电视机的高频头，集成高频谐振电路。

分析：本题是一西勒振荡器。在分析振荡器的工作频率时，采用工程处理方法，用回路的谐振频率代替工作频率，由于谐振回路与晶体管之间耦合很小（接入系数小），所以近似计算工作频率的误差很小。解：

因此：

6.7振荡器的频率稳定问题

评价振荡器的主要两个指标，即：准确度与稳定度。

绝对频率准确度：

（6.7.1）相对频率准确度：

（6.7.2）

物理意义：在外界条件发生变化的情况下，振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差的变化最小。

根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为：长期稳定度：指以几天或几个月计。取决于电路元件的老化特性；短期稳定度：指一天以内以小时、分、秒计。主要与温度变化，电源电压变化和电路参数的不稳定性有关；瞬时稳定度：指以秒或毫秒计。由频率源内部噪声而引起的频率起伏。有源器件的参数：外界因素的影响使得有源器件的工作状态有所改变，引起振荡频率的变化。影响振荡频率的有如下三种因素：振荡回路参数L与C：由于外界因素的影响使LC产生微小的变量，引起振荡频率的变化。

（6.7.5）回路电阻r：r越小，回路Q值越高，因而频率稳定度也越高；反之，频率稳定度越低。提高振荡器稳定频率的措施：减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；采用温度补偿方法，即采用正、负温度系数不同的L、C，抵消L、C；使用优质材料的LC元件。减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采取单独供电。减小湿度和大气压力的影响以及减小电磁场对频率的影响，通常将振荡器密封起来进行屏蔽。消除机械振动的影响通常可加橡皮垫圈作减振器。减小负载的影响，在振荡器和下级电路之间加缓冲器；采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路之间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小；提高振荡回路标准性和品质因数等。6.8石英晶体振荡器

从上节振荡器的频率稳定度分析可知，振荡器的频率稳定度主要取决于振荡回路的标准性和品质因数。

1、石英晶体特性：石英晶体具有正、反压电效应：当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固有的机械振动频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面电荷量最多，外电路中的交流电流最强，于是产生了谐振；

石英晶体的振动具有基频振动和奇次谐波泛音振动。前者称为基频晶体，后者称为泛音晶体；晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求晶片越薄。机械强度越差，加工越困难，使用中也易损坏。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。石英晶体振荡器的优点：石英晶体的物理和化学性能都十分稳定；晶体的Ｑ值可高达数百万数量级；频率稳定度大大提高石英晶体振荡器的缺点：单一稳定振荡频率工作，不能直接应用于波段振荡器；受限于晶体厚度，工作振荡频率不高，在几十MHz以下。工作频率范围受限2、石英晶体振荡器的应用：符号基频等效电路完整等效电路上图(b)可以看到，石英晶振可以等效为一个串联谐振回路和一个并联谐振回路。

石英晶体谐振器的电抗曲线如图，石英晶体振荡器工作于串、并联谐振频率之间很狭窄的感性区间。因此，振荡电路可分为两类：

并联型晶体振荡器：振荡器工作在晶体谐振器的并联谐振频率附近，晶体作为等效电感使用。串联型晶体振荡器：振荡器工作在晶体谐振器的串联谐振频率，晶体作为短路元件来使用。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