《通信电子线路》(程知群)课件及动画章完整版

第3章正弦波振荡器

概述1、用途：(1)发射机中产生载波；(2)接收机中产生本地振荡信号；(3)电子测试设备中产生测试信号；(4)电脑和石英钟中产生时钟信号。2、特点：(1)也是一种能量转换器，将直流电源提供的能量转换为一定频率、幅度和波形的交变能量；(2)与放大器的区别：无需外加激励信号，自动实现能量转换。

概述3、组成原理：(1)利用正反馈放大器或负阻器件补充能量；(2)选频网络：LC谐振回路、石英晶体、RC串并联网络4、分类：

(1)按波形分：正弦波振荡器和非正弦振荡器；(2)按工作方式分：反馈振荡器和负阻振荡器；(3)按选频网络分：LC振荡器、晶体振荡器和RC振荡器。5、性能指标：主要是频率稳定度，指振荡频率随外界因素变化的相对变化量。

从调谐放大器到反馈振荡器

反馈振荡器是由反馈放大器演变而来。如图所示，当开关K拨向“1”时，电路为调谐放大器。调整互感M及同名端以及回路参数，可以使uf=ui。

此时，若将开关K快速拨向“2”点，

则集电极电路和基极电路都维持开关K接到“1”点时的状态。这时，调谐放大器就变为反馈振荡器。

反馈振荡器的组成框图若uf=ui，则放大器依靠来自于输出端的反馈电压工作。此时即使没有输入信号，放大器仍然有电压输出，放大器变为振荡器。

因为，所以。

振荡的建立过程

在电源开关闭合的瞬间，存在各种电的扰动。突变的电流包含着许多谐波成分，它们通过LC谐振回路，在它两端产生电压，并通过互感耦合变压器反馈到基极回路，这就是激励信号。起始振荡信号十分微弱，但是由于不断对它进行放大—选频—反馈—再放大等多次循环，于是一个与振荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地建立起来。

振荡的起振波形

由于晶体管特性的非线性，振荡信号的振幅不会无限地增大，会自动稳定到一定的幅度。

起振条件起振时，uf>ui，因此振荡器的起振条件为：

平衡条件

平衡状态时，uf＝ui，所以振荡器的平衡条件为

稳定条件1.稳定平衡和不稳定平衡（a）不稳定平衡（b）稳定平衡2.振幅稳定条件在平衡点附近，放大倍数A随振幅的变化特性为负斜率，即：

放大器增益A随输入电压的变化曲线

(a)(b)

相位稳定条件

由于相位的变化势必会带来频率的变化，故相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，电路本身能重新稳定在原有频率上的条件，即相频特性曲线在工作频率附近的斜率是负的：

振荡条件的进一步分析1.六个条件都必须满足，缺一不可。在实际振荡电路中，必须满足起振和平衡条件，而稳定条件则是隐含在电路结构中。

2.如果电路结构合理，只要满足起振条件，就能自动进入平衡状态，产生持续振荡。3.6个振荡条件可归纳为3个判据：

（1）正反馈；

（2）AF>1；

（3）选频网络具有负斜率相频特性。

振荡条件的进一步分析4.振荡器的分析可分为定性和定量两个方面。

定性分析判断电路结构是否合理，包括电路中是否有选频网络，选频网络的相频特性是否为负斜率，电路中是否具有正反馈。

定量分析仅需分析电路是否满足振幅起振条件AF>1，由于起振时，振荡管处于线性放大状态，且输入信号很微弱，可以采用微变等效电路的方法进行分析。

LC反馈型振荡器的组成原理LC回路引出三个端点，分别同晶体管的三个电极相连，分为电容反馈型和电感反馈型两种。射同集（基）反——与发射极相连的元件电抗性质相同，与集电极、基极相连的元件的电抗性质相反。

“射同集（基）反”原则的证明

忽略三极管的输入和输出阻抗，且回路品质因数足够高，则当回路谐振即Xbe+Xce+Xcb=0时，回路呈纯阻。

为了满足相位平衡条件：（1）Xbe和Xce必须为同性质电抗；（2）Xcb为异性质电抗。

电容反馈型LC振荡器（考必兹电路）

1.电路:（1）反馈信号从哪儿来？

来自C2两端，并送回放大器输入端。（2）是否满足振荡的相位平衡条件？

是的，满足“射同集基反”原则。

电容反馈型LC振荡器（考必兹电路）2.反馈系数:3.振荡频率:其中

电容反馈型LC振荡器（考必兹电路）4.优点（1）振荡波形好，因为反馈电压是在电容上获得；（2）电路的频率稳定度较高（10-3），且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）振荡频率高，可直接利用晶体管的输入、输出电容作为回路的振荡电容，所以振荡频率可达到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。5.缺点

调整C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。虽然可以通过在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数，但是这将限制振荡频率的提高。

电感反馈型LC振荡器（哈特莱电路）

1.电路:

（1）反馈信号从哪儿取得？

取自L2两端，并送回放大器输入端。（2）是否满足振荡的相位平衡条件？是的，满足“射同集基反”原则。

电感反馈型LC振荡器（哈特莱电路）2.反馈系数:3.振荡频率:

其中:

电感反馈型LC振荡器（哈特莱电路）4.优点①L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；②振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小；③C的改变基本上不影响电路的反馈系数。

5.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，因此对高次谐波的反馈较强，使波形失真大；②振荡频率不能做得太高，这是因为当频率太高，极间电容影响加大，可能使支路电抗性质改变，从而不能满足相位平衡条件。

例题3.1如图所示的振荡器交流通路中，已知三个LC并联回路的谐振频率分别为：，

，试问f1、f2和f3满足什么条件时，该振荡器能正常工作？

例题3.1的解答解：该电路要能振荡，有以下两种可能性：若构成电容反馈型LC振荡器，则在振荡频率fosc处，L1C1回路和L2C2回路要呈现为容性，即fosc应大于f1和f2，而L3C3回路要呈现为感性，即fosc应小于f3。所以，振荡条件是f1≤f2<fosc<f3或者f2<f1<fosc<f3。若构成电感反馈型LC振荡器，则在振荡频率fosc处，L1C1回路和L2C2回路要呈现为感性，即fosc应小于f1和f2，而L3C3回路要呈现为容性，即fosc应大于f3。所以，振荡条件是f1≥f2>fosc>f3或者f2>f1>fosc>f3。

改进型电容反馈式振荡器1.电容反馈型LC振荡器的不足之处：

影响反馈系数F和振荡频率的因素都是和。

改进型电容反馈式振荡器

2.改进办法:1）把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系数F的

主要元件分开；

2）使振荡频率不受晶体管输入和输出电容的影响。

改进型电容反馈式振荡器

3.如何减小Co

、Ci

的影响以提高频率稳定度？表面看来，加大回路电容C1与C2的电容量，可以减弱由于Co、Ci的变化对振荡频率的影响。但是这只适用于频率不太高，C1

和C2较大的情况。当频率较高时，过分增加C1和C2，必然减小L的值（维持振荡频率不变），这就导致回路的Q值下降，振荡幅度下降，甚至会使振荡器停振。这就有待于在电路上做进一步改进。

串联改进型电容反馈式振荡器（克拉泼电路）

1.电路特点:把考必兹电路中的电感串接一个小电容C3。

2.振荡频率:

令，，即，

频率几乎与C1和C2无关，稳定度可提高到10-4或10-5。

串联改进型电容反馈式振荡器（克拉泼电路）

3.电容C3对振荡电路的影响

，其中：

可见，降低C3的值以提高频率稳定度是以牺牲环路增益为代价的（等效负载R'减小）。

串联改进型电容反馈式振荡器（克拉泼电路）4.不足之处：

1）C1

、C2

如过大，则振荡幅度就太低。

2）当减小C3来提高f0

时，振荡幅度显著下降；当C3减到一定程度时，可能停振，因此限制了f0

的提高。

3）波段范围不宽，频率覆盖系数小，一般约为1.2～1.3。另外波段内输出幅度不均匀，不易起

振。

并联改进型电容反馈式振荡器（西勒电路）1.电路特点：把克拉泼电路中的电感再并接一个小电容C4。2.振荡频率：，其中

并联改进型电容反馈式振荡器（西勒电路）

3.C4对振荡电路的影响

可见，西勒电路的n与克拉泼电路的n相同，与C4无关。因此，可以调整C4来改变振荡频率，但是n和R'不会改变，所以放大器的电压增益和振荡信号的幅度也不会改变。

并联改进型电容反馈式振荡器（西勒电路）4.优点：（1）波段内振幅比较稳定；

（2）调谐范围比较宽，频率覆盖系数较大，一般约为1.6～1.8，实际中常用于宽波段工作系统中。

振荡器的频率稳定度

一、频率稳定度的定性分析

1.绝对频率稳定度

它是在一定条件下实际振荡频率f与标称频率f0的偏差值。

2.相对频率稳定度

它是在一定条件下绝对频率稳定度与标称频率f0的比值。

振荡器的频率稳定度二、分类：

1.短期频率稳定度：一小时内的相对频率稳定度，一般用于评估测量仪器和通信设备中主振荡器的频率稳定性;

2.中期频率稳定度：一天内的相对频率稳定度；

3.长期频率稳定度：数月或一年内的相对频率稳定度。三、导致频率不稳定的因素

1.LC回路参数的不稳定

2.晶体管参数的不稳定

稳定频率的措施1.减少外部因素的干扰

（1）减少温度变化的影响

（2）稳定的电源电压

（3）减少负载的影响

（4）屏蔽并远离热源2.提高振荡回路的标准性

（1）使用高稳定性的电感和电容

（2）晶体管和回路之间的松耦合连接

（3）提高振荡回路的Q值

石英晶体的电特性

石英晶体是硅石的一种，其化学成分是二氧化硅。在石英晶体上按一定方位角切割成薄片，然后在晶片的两个对应表面上装上一对金属极板，就构成了石英晶体振荡元件。

（1）石英晶体是压电器件；

（2）压电效应产生机械振动或振荡；

（3）利用晶体的共振可以取代LC回路选频；

（4）晶体固有的谐振频率非常稳定，其大小取决于石英晶片的物理尺寸和厚度。

石英晶体的电路符号及等效电路

(a)电路符号(b)基频等效电路(c)完整的等效电路

石英晶体具有非常大的Lq（几十mH）、很小的Cq（低于10-2pF）和非常小的rq，因此它具有非常高的Q值，可以达到104~106，因此，石英晶体谐振器的频率稳定度很高。

石英晶体的两个谐振频率

1.串联谐振频率fs:

2.并联谐振频率fp:

石英晶体的阻抗特性

设rq=0，则

石英晶体频率稳定度高的原因（1）温度系数非常小：低于10-6（2）Q值很高：高达104~106（3）外电路的影响非常小：由于Cq<<C0，振荡频率基本上由Lq和Cq决定，而n=Cq/（C0+Cq）也很小：

①如果分布电容Cn与C0并联，则振荡频率为：

石英晶体频率稳定度高的原因②如果外接电阻R与C0并联，则折合到Lq两端的电阻R'为

由于C0>>Cq，所以R'>>R。因此，外接电阻对电感Lq的分路作用很小，石英晶体谐振器仍然可以保持很高的Q值。

石英晶体振荡电路

并联型晶振电路——晶体工作于略高于串联谐振频率fs呈感性的频段（fs<f<fp）内，晶体等效为一个电感，工作于三点式电路中；串联型晶振电路——晶体工作在串联谐振频率fs上，作为高选择性的短路元件，工作于正反馈支路上。

注意：晶体只能工作在上述两种方式。否则，无法保证频率稳定。

皮尔斯振荡电路晶体工作在其感性区间，等效为电感，取代考必兹振荡器中的电感。

(a)原理电路(b)实际电路(c)等效电路

皮尔斯振荡器的振荡频率

选择

,则

皮尔斯振荡器的振荡频率

如果C非常大，则如果C非常小，则

例题3.2数字频率计中晶体振荡器的交流通路如下图所示，已知晶振的工作频率为5MHz，试分析其工作原理以及晶体的作用。

例题3.2的解答从图中可以看出，晶体管V1的集电极和发射极之间有一个LC并联谐振回路，其谐振频率为：在工作频率5MHz处，此LC并联谐振回路等效为一个电容，故该电路是一个皮尔斯振荡器，晶体等效为电感。可变电容器5~35pF起微调作用，使振荡器工作在晶体的标称频率5MHz上。

密勒振荡电路

电路特点：1.石英晶体等效为电感元件；2.LC并联回路在振荡频率上等效为电感；3.极间电容Cgd作为构成电感反馈式电路中的电容元件；

4.由于Cgd又称密勒电容，故此电路又称密勒振荡电路；5.通常不采用晶体管，原因是正向偏置时晶体管发射结电阻太小，会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性，所以采用输入阻抗高的场效应管。

泛音晶体振荡电路

所谓泛音，是指石英晶片振动的机械谐波。它与电气谐波的主要区别是电气谐波与基频是整数倍的关系，且谐波和基波同时并存；而泛音是在基频奇数倍附近，且两者不能同时并存。石英谐振器的频率越高，则要求晶片越薄，机械强度越差，用在电路中越容易振碎。一般晶体频率不超过30MHz。为了提高晶振电路的工作频率,可使电路振荡频率工作在晶体的谐波（一般在三次到七次谐波）频率上，这是一种特制的晶体，叫做泛音晶体。

泛音晶体振荡电路

假如要求晶体工作在5次泛音，则调谐好的L1C1回路对基频和3次泛音应呈感性，不满足反馈型振荡电路的相位条件。(a)电路图(b)L1C1的电抗特性

泛音晶体振荡电路

对5次泛音L1C1回路相当于一电容，满足了起振的相位条件，若同时满足振幅起振条件，电路就可以振荡。

(a)电路图(b)L1C1的电抗特性

泛音晶体振荡电路对于7次及以上的泛音，L1C1回路虽呈容性，但其等效电容过大，使得电容分压比太小而不能满足振幅起振条件，因而也不能在这些频率上振荡。(a)电路图(b)L1C1的电抗特性

串联型晶体振荡电路

在串联型晶体振荡器中，晶体工作在其串联谐振频率附近，等效为短路元件，形成最强的正反馈以产生振荡。

串联型晶体振荡电路该振荡器类似于电容反馈型LC振荡器，唯一的区别是在正反馈支路上增加了一个石英晶体。

负阻器件的基本特性

1.负电阻的特性是其两端的电压随着流过它上面电流的增加而减小。

ΔU=-R∙ΔI,P=ΔU∙ΔI

2.正功率表示能量的损耗，负功率表示能量的产生。从能量平衡的角度来看，利用负阻器件提供的能量，抵消振荡回路中的损耗，就可以产生并维持自激振荡。

负阻器件的两种典型伏安特性曲线

由图可见，在它们各自的AB段，电流电压呈负斜率的关系。具有图（a）特性的器件通常称为N型负阻器件或电压控制器件，其电流为电压的单值函数，如隧道二极管就具有这种特性。具有图（b）特性的器件称为S型负阻器件或电流控制器件，其电压为电流的单值函数。(a)(b)

隧道二极管的电路符号及其等效电路rd是动态负阻，Cd是极间电容。引线电感Ls和损耗电阻rs都很小，一般可以忽略不计。（a）电路符号（b）等效电路

负阻振荡器原理电路

(a)(b)

在图（a）中，ED、RT构成稳定的偏置电路，L、C构成并联谐振回路，R0是谐振电阻，RL是负载电阻。如果RT很小可以忽略，可以画出如图（b）所示的等效电路。

负阻振荡器的振荡条件

假设U是振荡电压的有效值，RL'=RL//R0，则在RL'上所消耗的功率为而负阻rd提供的交流功率为：

在起振时，负阻提供的功率必须大于正阻所消耗的功率，故要求：

或

这就是电路的起振条件，rd与振荡强弱有关。由于负阻特性的非线性，rd随着振幅增强而加大，直到满足时达到平衡状态。

该电路的振荡频率近似等于LC并联回路的谐振频率：

负阻振荡器实际电路及其交流等效电路

（a）实际电路（b）交流等效电路R1、R2是偏置电阻，经分压后给隧道二极管提供工作点偏置电压。为了减小隧道二极管极间电容Cd的不稳定性对电路的影响，在其两端并接一个电容C1。

压控振荡器件——变容二极管