高频电子线路（第4版）课件【ch05】正弦波振荡器

正弦波振荡器电子信息科学与电气信息类基础课程高频电子线路（第4版）第五章01概述振荡器是自动地将直流能量转换为具有一定波形参数的交流振荡信号的装置。和放大器一样，它也是一种能量转换器。它与放大器的区别是不需要外加信号的激励，其输出信号的频率、幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。根据波形的不同，可将振荡器分为正弦波振荡器(能产生具有正弦波形的振荡电压)及非正弦波振荡器或张驰振荡器(能产生具有矩形、三角形、锯齿形的振荡电压)。而正弦波振荡器又可按频率划分为低频振荡器、高频振荡器和微波振荡器，这里只讨论高频正弦波振荡器，以下简称振荡器。概述在许多用途中，都要求振荡器产生一定幅度和预定频率的正弦波信号。因此其技术指标是振荡频率或振荡频率范围，振荡频率准确度和频率稳定度，振荡幅度的大小及振幅稳定度，振荡波形的频谱纯度，其中主要的是振荡频率和频率稳定度。概述RC串并联网络振荡器移相式振荡器双丁型选频网络振荡器互感祸合振酱器RC振荡器电感反馈振荡器(哈特莱振荡器)三点式振菇器(LC振荡器)正弦波振荡器基本型振薪器《考贝强振荡器)克拉波振薪器西勒振荡器电容反馈振荡器串联型品体振荡器石英品体振荡器皮尔斯振荡器(电容三点式)密勒振荡器《电感三点式)并联型品体振荡器泛音振落器正弦波振荡器分类概述02反馈振荡器振荡器实际上也属于反馈控制电路，不妨先回顾一下负反馈放大器的原理。图5.2.1示出了负反馈放大器的方框图，由该图可知。反馈振荡器反馈振荡器原理于是式(5.2.1)是负反馈放大器闭环放大倍的一般表示式。反馈振荡器反馈振荡器原理

反馈振荡器反馈振荡器原理由物理学知识可知，任何平衡都要相应地考虑这种平衡是稳定平衡还是不稳定平衡。所谓稳定平衡是指当外因使状态稍微偏离原来的平衡状态，一旦外因消除后，系统能自动地恢复到原来的平衡状态;否则就是不稳定平衡。图5.2.3(a)为稳定平衡状态(b)为不稳定平衡状态。振荡器的平衡状态也是如此，电源电压的波动、噪声、振动、温度和湿度的变化等都会使振荡稍微偏离原来的平衡状态，如果是不稳定平衡则会离原来的平衡状态越来越远而停振。因此，振荡器的平衡条件只是必要条件，还应该考虑平衡状态的稳定条件。振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件要使振荡幅度稳定，必须有阻止幅度变化的能力。晶体管的非线性特性就具有这种能力。图5.2.4所示将A~U关系称为放大特性，而将1/F~U关系称为反馈特性A~U特性和Gn~U特性相似反馈系数与输人电压无关1/F为一条水平直线在振幅平衡时，放大特性和反馈特性交于Q点设某种不稳定因素使振荡幅度增加，则G下降，增益A减小止了幅度的进一步增加;反之亦然。可见，晶体管增益(或平均跨导)的变化趋势必须同U的变化趋势相反，即：振荡器平衡的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡的稳定条件这样，在起振时A0F>1处于增幅振荡状态，所以无须外加激励便可产生自激振荡。这种状态称为软激励状态。若晶体管的工作点选得太低，反馈系数又太小，放大特性A~U;可能出现如图5.2.5所示的情况。F较小，则1/F较高，可出现两个交点Q和Q'。显然Q点是稳定平衡点，而Q'则是不稳定平衡点，𝜕A/𝜕Ui|Q'〉B〜Q'之间振荡始终是衰减的。这种振荡器不能自行起振，要预先加上一定幅度的激励信号，使之冲过Q'点，才能稳定在Q点。这种需要预先外加一定幅度的信号才能起振的现象称之为硬激励。应该尽量避免这种状态。振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡的稳定条件不稳定因素也会破坏相位平衡条件。如电源电压的波动或者工作点的变化会使晶体管正向传输导纳的相角发生变化。相角的变化必然引起频率的变化，因为：设外因引起相角的变化

>0，即反馈电压Ui比原来的输入电压Ui的相位超前了，相当于提前给回路补充能量，振荡频率就增加了。反之，

0，Ui的相位滞后于Ui，频率就下降。因此外因引起相角变化，相位变化又引起频率变化的趋势是：相位平衡的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件<为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须使得频率变化时产生相反方向的相位变化，以补偿外因引起的相位变化。因此，相位平衡的稳定条件是：相位平衡的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件03振荡器的分析方法分析振荡器有两种方法：1.瞬态分析法2.稳态分析法瞬态分析方法的基本步骤是：首先画出振荡器的交流等效电路，然后根据电路列出整个环路的微分方程。根据电路元件上的电流电压关系列出环路的微分方程，然后根据解出的振荡因子求振荡频率，根据解出的阻尼因子求振幅条件（增幅、等幅条件）。这种方法有范德堡方程、相平面法、数值解法等。振荡器的分析方法稳态分析方法考虑问题的基础是，振荡器在起振时是小信号，属于线性电路。因此，可按线性电路的分析方法来处理。而振荡器在平衡时虽属大信号非线性电路，但是对基本问题的分析得到简化。我们试图将振荡器与反馈放大器联系起来，如图5.3.1所示。振荡器的分析方法振荡器的分析方法04互感耦合振荡器单管互感耦合振荡器互感耦合振荡器(或变压器反馈振荡器)又称为调谐型振荡器，根据回路(选频网络)的三极管不同电极的连接点又可分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型，如图5.4.1所示。这里我们只讨论集电极调谐型。而集电极调谐型又分为共射和共基两种类型，均得到广泛应用。两者相比，共基电路的功率增益较小，输入阻抗较低，所以难于起振，但截止频率较高。互感耦合振荡器单管互感耦合振荡器互感耦合振荡器陶瓷滤波器如图5.4.3所示，两差分对管的集电极分别接有由L、CR和L、C、R组成并联谐振回路。声表面波滤波器互感耦合振荡器差分对管互感耦合振荡器05LC正弦振荡器构成三点式振荡器的原则LC正弦振荡器又叫三点式振荡器。所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言，由LC回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器。依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式振荡器，又称考毕兹振荡器。依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式振荡器，又称哈特莱振荡器。电容三点式振荡器——考毕兹振荡器电容三点式振荡器——考毕兹振荡器电感三点式振荡器——哈特莱振荡器电容三点式与电感三点式振荡器比较电容三点式振荡器的优点有：输出波形好，接近于正弦波;因晶体管的输入/输出电容与回路电容并联，可适当增加回路电容提高稳定性;工作频率可以做得较高(利用极间电容)。缺点是：调整频率困难，起振困难。电感三点式振荡器的优点有：起振容易、调整方便。缺点是：输出波形不好;在频率较高时，不易起振。改进型电容三点式振荡器前面研究的三种振荡器，其振荡频率ω不仅取决于LC回路参数，还与晶体管内部参数(G1、G2、Co、C1)有关，而晶体管的参数又随环境温度、电源电压的变化而变化，因此其频率稳定度不高。以电容三点式为例，如图5.5.10所示，C和C分别与回路电容并联.06振荡器的频率稳定度频率准确度和频率稳定度频率稳定度是振荡器非常重要的性能指标之一。例如，在军事电子设备中提高振荡器的频率稳定度是十分重要的问题。若通信双方的工作频率都十分准确和稳定，则在通信联络时就不用呼叫和寻找，只要按时开机就可立即收发。这样不但可以保证通信的及时和可靠，而且有利于防止敌人的侦察和干扰。若调频广播发射机的频率准确和稳定，则调频接收机在不需要调谐的情况下能够实现自动收听和转播。因此，振荡器的频率稳定度是一个受到广泛重视的技术问题。频率准确度和频率稳定度频率稳定度分析提高频率稳定度的措施影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动、环境温度的变化、湿度及大气压力的变化、电源电压的变化、周围磁场的影响、负载的不稳定等。1.机械振动：回路线圈和电容应具有较高的机械强度，底板和屏蔽罩必须坚实2.温度：为了保持温度恒定，可以将振荡器或其主要部件放在恒温槽中。3.湿度和大气压力：可将振荡器或其主要部件加以密封，还可采用吸潮性较小的介质和绝缘材料。4.电源电压：稳压，采用稳定系数好的偏置电路，振荡器单独供电。5.周围磁场的影响：采取屏蔽措施。6.负载变化：在振荡器与负载之间加缓冲器。7.老化：预先将所用的元器件老化处理，以减小它们在使用过程中由于老化而引起的参量。提高频率稳定度的措施07石英晶体振荡器石英谐振器的性能和等效电路石英谐振器的性能和等效电路石英晶体振荡器根据石英谐振器在振荡电路中的作用原理，石英晶体振荡器可分为两类，一类是石英