第五章正弦波振荡器讲课文档

第五章正弦波振荡器第1页，共87页。正弦波振荡器在无线发射、接收机中的位置通信系统：发射机(载波频率fC)接收机(本地振荡频率fL)第2页，共87页。正弦波振荡器构成振荡器正常工作，必须有以下四个部分放大器：至少有一个起能量变换（放大）作用的有源器件正反馈通路或负阻：必须有一个能够补充元器件能量损耗的正反馈通路或负阻器件，以保证有稳定的振荡选频网络：振荡器具有单一频率稳幅：一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。第3页，共87页。5.2反馈振荡器的工作原理S12考虑了回路损耗后，回路将产生振幅按指数规律衰减的阻尼振荡1、并联谐振回路中的自由振荡现象一、振荡的产生第4页，共87页。2、产生无阻尼振荡的方法RLC并联谐振回路中自由振荡衰减（产生阻尼振荡）的原因在于损耗电阻的存在。若回路无损耗,即→0，则衰减系数→０，回路中电流为（等幅正弦振荡）所以产生无阻尼振荡的方法是：正反馈的方法：利用正反馈不断地适时给回路补充能量，使之刚好与R上损耗的能量相等，那么就可以获得等幅的正弦振荡了；3.1.1第5页，共87页。反馈振荡器的组成框图如右图所示。其主网络一般由放大器件和选频网络组成的放大器,反馈网络一般由无源器件组成。二、反馈振荡器的原理分析反馈振荡器组成框图互感耦合LC振荡器电路结构：M-+vivf+--+主网络反馈网络M原理电路交流通路vo+-+vi+-vf-+vo第6页，共87页。

根据反馈振荡器的组成框图，各信号电压具有如下关系3.1.2

回归比（环路增益）主网络电压增益为：正反馈网络反馈系数为●●●第7页，共87页。振荡的建立过程

电路中的初始扰动将产生微弱的电信号，利用如此周而复始下去，其过程可以用下列循环表示反馈，产生的反送到放大器的输入端作为新的，3.1.2放大后，主网络输出，再经过反馈网络放大器第8页，共87页。3.1.2当增加到一定值时，放大器的放大倍数降低，从而出现下面的循环过程晶体管将出现饱和截止，使最终将使保持恒定不变，从而形成等幅持续振荡。第9页，共87页。

反馈振荡器振荡必须满足三大条件：起振条件：振荡电压从无到有逐步增长的条件。平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上的条件稳定条件：受外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状态破坏，能使振荡器恢复平衡状态的条件。三、反馈振荡的条件第10页，共87页。振幅起振条件：相位起振条件：Vf、Vi同相反馈型振荡器构成自激振荡的条件是放大器加反馈网络必须构成正反馈系统，而且合上电源瞬间必须满足增幅振荡的条件，这样振荡才能建立起来。（1）起振条件由振荡建立过程的起振循环得出，使振幅不断增长的条件（起振条件）是第11页，共87页。(2)平衡条件

振幅平衡条件(确定振荡幅度)：环路增益的模为1相位平衡条件（确定振荡频率）：VF与Vi同相，满足正反馈注：振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率第12页，共87页。则必须维持在上，即保证为正反馈。满足起振条件和平衡条件的环路增益特性3.1.3根据振幅起振条件和平衡条件，环路增益的模值应该具有随振幅增大而下降的特性,如下图所示。由于一般放大器的增益特性曲线均具有如图所示的形状，所以这一条件很容易得到满足，只要保证起振时环路增益幅值大于１即可。而环路增益的相位第13页，共87页。结论：振荡器起振时，迅速增长，而后

3.1.3下降，的增长速度变慢，直到时，停止增长，振荡器进入平衡状态。在相应的振幅在上维持等幅振荡。如下图所示。第14页，共87页。（三）稳定条件平衡状态的稳定是指当平衡条件遭到破坏后，电路能够在原平衡点附近重新建立起新的平衡。1.振幅稳定条件：在平衡点A处，由A点知当外界因素的影响，使时，由图知，造成下降，从而降低，3.1.3满足起振条件和平衡条件的环路增益特性降低而回到点。最终第15页，共87页。所以，得到振荡器振幅稳定的条件是：

即在平衡点附近，环路增益的幅频特性具有负斜率变化的规律。3.1.3同理，当外界因素的影响，使时，由图知，造成增加，从而升高，最终增加而回到点。满足起振条件和平衡条件的环路增益特性第16页，共87页。相位（频率）稳定条件是指当相位平衡条件遭到破坏时，电路本身能重建新的平衡的条件。（1）设在处（2）由于外界因素的影响，使A、当>0时，说明超前一个相角，使每次经过放大和反馈后，一次比一次超前，振荡周期缩短振荡频率升高。3.1.32、相位（频率）稳定条件第17页，共87页。B、当<0时，说明一个相角，滞后使每次经过放大和反馈后一次比一次滞后，使振荡周期增长，频率降低。所以振荡频率随的变化关系为：又知：

本身是频率的函数，当变化时，变化，若使随的变化具有

则可抵消外界因素的影响。负斜率变化的特性，即特性满足相位稳定条件的第18页，共87页。3.1.3在振荡器的平衡条件的分析中，已知由两部分组成：放大器输出电压对输入电压的相移放大管产生的相移，并联谐振回路的相移）反馈网络的反馈电压对的相移，即第19页，共87页。其中和几乎不随频率而变，所以有因此，随的变化特性可代表随或者说，只要选频网络具有负斜率变化的相频特性，即的变化特性。振荡电路就可满足相位稳定条件。3.1.3由第三章的分析知：LC并联回路阻抗的相频特性具有负斜率变化的规律。

第20页，共87页。总结正弦波振荡器工作条件包括起振条件：平衡条件：稳定条件：保证振荡器从无到有建立起振荡保证振荡器进入平衡状态，产生持续的等幅振荡保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏振幅稳定条件相位稳定条件第21页，共87页。以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器统称LC振荡器5.3LC正弦波振荡器LC振荡器可用来产生几十千赫到几百兆赫的正弦波信号。LC正弦波振荡器有两种实现电路:

第22页，共87页。5.3.1互感耦合LC振荡器互感耦合振荡器利用互感耦合实现反馈振荡。

根据LC谐振回路与三极管不同电极的连接方式分为集电极调谐型（用的最多）、发射极调谐型和基极调谐型。发射极调谐R1R2ReCeCbCLUCCM集电极调谐MCbR2R1CLCcReUCCMR2UCCCLReCeR1基极调谐Cb第23页，共87页。补充：画高频（交流）等效电路的原则：1、高频扼流圈开路，滤波电容短路2、电源交流接地3、旁路电容、耦合电容一般情况下短路4、大电阻开路第24页，共87页。VCC=0（1）滤波电容短路旁路电容短路旁路电容短路耦合电容短路第25页，共87页。VCC=0滤波电容短路旁路电容短路耦合电容短路（2）第26页，共87页。耦合电容短路滤波电容短路旁路电容短路（3）第27页，共87页。高频等效电路发射极调谐R1R2ReCeCbCLUCCM集电极调谐MCbR2R1CLCcReUCCMR2UCCCLReCeR1基极调谐Cb集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型电路其高频等效电路如图所示。第28页，共87页。振荡起振和平衡的相位条件

判断互感耦合振荡器是否可能振荡，通常是以能否满足相位平衡条件，即是否构成正反馈为判断准则。判断方法采用“瞬时极性法”。

采用瞬时极性法判断振荡电路是否满足相位条件的基本步骤：首先判断放大器的组态；在电路中某一适当位置（往往是放大器的输入端）把电路断开；在断开处的一侧（往往是放大器输入端）对地引入一个外加电压；该外加信号经过放大器反馈网络之后回送到输入端时的，其瞬时极性与输入信号相同，则电路满足相位条件，有可能起振。第29页，共87页。举例：下图所示互感耦合振荡电路，用瞬时极性法分析判断电路有否可能振荡？可能振荡第30页，共87页。互感耦合振荡器总结优点：容易起振，输出电压较大，结构简单，调节频率方便，在调整反馈时基本不影响振荡频率，一般在广播收音机中用作本地振荡。缺点：在高频时输出波形不好，频率稳定性也差，通常工作频率不宜过高，一般在几十千赫至几十兆赫范围内，很少用在短波以上的更高频段。第31页，共87页。5.3.2LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则LC三点式振荡器指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的振荡器，其电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合。其工作频率可达到几百兆赫。

相位平衡条件的判断准则在三点式电路中，ＬＣ回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质，另外一个电抗元件必须为异性质。同时满足三点式振荡器的原理图

“射同余异”第32页，共87页。假定LC回路由纯电抗元件组成，其电抗值分别为同时不考虑晶体管的电抗效应，则当回路谐振时，回路呈纯阻性，有即由于是在支路分配在上的电压，即因为这是一个由反相放大器组成的正反馈电路，与同相，与反相，所以必有成立。即必须是同性质电抗，因而必须是异性质的电抗。3.2.2证明：第33页，共87页。与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路,称为电容三点式电路,也称为考毕兹电路。与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路,称为电感三点式电路,也称为哈特莱电路。第34页，共87页。5.3.3电容三点式振荡器电路：即考毕茨（Colpitts）振荡器（1）分析电路的相位平衡条件：第35页，共87页。（2）分析电路的起振条件第36页，共87页。

根据(振幅)起振条件，AF>1得出：第37页，共87页。讨论电路参数对起振条件的影响：当回路损耗可忽略，，得出：当一定时，的选取应考虑：越大，晶体管的输入电阻反映到回路两端的电阻越小，减小，Q下降，放大倍数下降，不容易起振。要使回路易于起振，应选用gm大，Ro高的晶体管，此外回路Q值高也有利于起振。F一般取值在0.1-0.5之间第38页，共87页。（3）振荡频率(约等于谐振回路的谐振频率)注：若考虑管子的输入、输出电容Co,Ci，则第39页，共87页。如下图所示振荡电路中，已知：C1=36pF，C2=680pF，L=2.5µH。忽略晶体管结电容和输入输出组抗

，试求：1．画出它的高频交流等效电路图，并指出振荡电路的类型2．计算反馈系数F3．求振荡频率fo1.

2.3.MHz

例1：电容三点式振荡器

第40页，共87页。下图为共基组态电容三点式振荡器的交流等效电路，现测得振荡频率fOSC=45MHz，L=0.2μH,电容分压接入系数

若忽略三极管结电容和输入输出组抗的影响,试求C1和C2数值。例2：解：

，

第41页，共87页。5.3.4克拉泼和西勒振荡器当工作环境改变或更换管子时，振荡频率及其稳定性就要受到影响频率调整不方便电容反馈型三点式振荡器(复习)第42页，共87页。（1）串联改进型电容三点式振荡器（克拉泼clapp电路）

与电容三点式电路比较，克拉泼电路的特点是在回路中增加了一个与Ｌ串联的小电容C3第43页，共87页。共射接法L（1）串联改进型电容三点式振荡器（克拉泼clapp电路）第44页，共87页。选择：频率可调，调节C3可改变f0优点：克拉泼(clapp)电路f0与Ci、CO无关，故比较稳定C3可改变F不受影响第45页，共87页。并联谐振回路的谐振电阻Rp等效到晶体管的C-E两端为：减小C3，振荡频率提高了，但是振荡幅度显著下降甚至停振，这就使最高振荡频率受到限制。

电路的主要缺点：频率不能太高，波段范围不宽，波段内输出幅度不平稳，实际中常用于固定频率振荡器。缺点：第46页，共87页。（2）并联改进型电容三点式振荡器（西勒shelle电路）L共射极接法选择:L西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感Ｌ两端并联了一个小电容c4，c3为固定值的电容器第47页，共87页。分析：因为：第48页，共87页。

振荡频率可以很高，且在波段内振幅比较稳定，调谐范围比较宽，实际中常用于波段振荡器。西勒电路的优点：第49页，共87页。画出图三振荡器的高频等效电路，说明它们属于哪种类型的振荡器。例1该振荡器属于克拉泼振荡器。

高频等效电路第50页，共87页。一振荡电路如下图所示。

1、画出其交流等效电路；

2、说明属于哪种类型的振荡器；

3、计算其振荡频率值。例22

、属于西勒振荡器3、等效电路第51页，共87页。5.3.5电感三点式振荡器电路：（2）电路的振荡频率：（1）分析电路的相位条件：与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路，称为电感三点式电路，也称为哈特莱电路。第52页，共87页。电容三点式（考毕兹）电感三点式（哈特莱）反馈电压取自反馈元件对高次谐波呈现的阻抗特性输出波形振荡频率优点第53页，共87页。并联谐振回路的阻抗特性例：试问哪几种情况可能振荡？等效为那种类型的振荡电路？其振荡频率与各回路的固有频率之间有什么关系？无论在什么频率，这三个电路都是等效相同性质。所以不可能振荡第54页，共87页。并联回路的阻抗特性

LC并联谐振回路的阻抗特性第55页，共87页。LC振荡器小结LC振荡器是以LC并联谐振回路作为选频回路的振荡器即要保证从输出端引入到输入端的是正反馈，又要求输入端电路对输出端LC回路的影响尽量地小，于是采用了不同的接入方式，从而LC振荡器可以分为互感耦合、三点式几种类型三点式振荡器是将LC选频回路的三个电抗元件分别接在晶体管的e,b,c三个极之间与发射极e相联的两个电抗元件必须是同性质的，而另一个必须是反性质的LC振荡器起振分析和小信号放大器分析完全相同LC振荡器的振荡频率近似为LC回路的谐振频率第56页，共87页。5.4振荡器的频率稳定度通常用频率准确度和频率稳定度来衡量振荡器的频率性能频率稳定性是振荡器保持频率不变的能力，这在通信系统中是很重要的这种振荡频率的变化是由于振荡器的电源电压不恒定、环境条件（温度，湿度…）变化、器件内部噪声、机械振动、电磁干扰和器件老化等因素LC振荡器，其频率稳定性是不够的，主要原因在于品质因数Q值相对较低第57页，共87页。5.4.1频率准确度和频率稳定度频率准确度又称频率精度，它表示实际振荡频率f偏离标称频率f0的程度绝对频率准确度

相对频率准确度1、频率准确度第58页，共87页。2、频率稳定度在一定观测时间内（），由于各种因素变化，所引起的振荡频率最大变化量对于标称频率变化的程度第59页，共87页。根据观测时间的长短，频稳度分为：长期频率稳定度观察时间为一天以上高精度的频率基准、时间基准（天文观测台、国家计时台等）均采用长期频率稳定度来计量频率源的频率稳定性这种变化通常是由振荡器中元件老化而引起的。短期频率稳定度观察时间为一天以内，以小时计量大多数电子设备和仪器均采用短期频率稳定度来衡量频率源的频率稳定性这种变化通常是由温度、电源电压等因素造成。瞬时频率稳定度衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化高速通信设备、雷达设备以及以相位信息为传输对象的电子设备的重要指标这种变化主要由设备内部噪声或各种突发性干扰引起通常所讲的频稳度一般指短期频稳度。第60页，共87页。频率稳定度要求LC振荡器10-3–10-4普通信号发生器10-3–10-4中波广播台210-5短波通信机10-4–10-5电视发射台510-7标准信号发生器10-7–10-9原子钟（频率标准）10-11–10-13第61页，共87页。造成频率不稳定的因素1.客观原因：外界温度变化，使LC参数、晶体管参数不稳定；电源不稳定，引起振荡器工作点变化、晶体管参数变化。2.主观原因：电路结构本身的不稳定（如：哈特莱振荡器的频率稳定性不如考毕兹振荡器）第62页，共87页。1.振荡器置于恒温箱内；或屏蔽振荡器；或使之远离干扰源。2.采用良好的稳压电源供电3.提高振荡回路的品质因数4.减小负载（或下一级电路）对振荡器的影响方法：振荡器后加缓冲级5.采用稳定性好的振荡电路5.4.2提高频率稳定度的措施第63页，共87页。缓冲级1.作用：隔离（或减弱）其后一级电路对其前一级电路的影响。2.构成电路：一般为射级跟随器（即共集电极放大器）。因为该电路输入电阻高，可减小放大器从前级所取的信号电流；而它的输出电阻低，可减小负载变动对前级的影响。第64页，共87页。5.5石英晶体振荡器利用石英晶体的压电效应和反压电效应对正弦波振荡器进行控制的振荡器称为晶体振荡器晶体振荡器也是反馈振荡器，决定频率的元件是晶体而不是LC谐振回路

晶体振荡器突出的优点是可以产生频率稳定度和准确度很高的正弦波。晶体振荡器可以比较容易地实现10-4～10-6的频率稳定度对晶体施加恒温控制，还可提高到10-7～10-8数量级目前晶体振荡器频率稳定度的极限是10-12～10-13第65页，共87页。压电效应和反压电效应当机械力作用于晶片时，晶片两面将产生电荷；反之当在晶片两面加不同极性的电压时，晶片的几何尺寸将压缩或伸张。当高频交流电压加于晶片两端时，晶片将随交变信号的变化而产生机械振动。晶片几何尺寸和结构一定时，它本身具有一个固有的机械振动频率。当外加高频信号频率与晶片固有振动频率相等时，机械振动最强，电路里高频电流最大，产生谐振现象。第66页，共87页。石英谐振器(晶体）：利用石英晶体压电效应制成的谐振器件。在石英片两侧形成两个与外电路连接的电极，并把电极固定在支架上，再加以合适的封装。石英谐振器有一固有振动频率，该频率与石英片形状、尺寸和切型有关。石英谐振器内部结构图5.5.1石英谐振器的基本特性第67页，共87页。石英晶体的固有振荡频率石英晶体的固有振荡频率和薄片厚度有关系，而振荡频率的稳定性与石英片材料和切割方式有关振荡频率越高，晶片就越薄传统切割工艺晶体的谐振频率很难达到30MHz，晶片太薄，易损坏。可采用化学蚀刻方法得到薄晶片，使谐振频率达到350MHz晶片越薄越易损坏，实用性不强。可采用让晶体工作于泛音方式泛音方式采用基频的谐波振荡，频率为基频的3倍、5倍、7倍到9倍采用泛音状态，普通晶体振荡器的工作频率可达200MHz第68页，共87页。1.石英谐振器的等效电路其中：：等效电感，大体反映石英片的质量；几十~几百亨；：等效电容，反映其材料的刚性；；:等效石英片产生机械形变时材料的能耗；几百欧；:称为石英谐振器的并联电容，它相当于以石英片为介质、以两电极为极板的平板电容器的电容量和支架电容、引线电容的总和。几~几十pF。大小小第69页，共87页。2、晶体谐振器的基本特性（1）很高的等效品质因数:104-106石英谐振器最大的特点是具有很大的等效电感量和很小的损耗电阻（2）很小的接入系数:10-3-10-4

当外界电抗元件与之相连接时，对石英谐振器的固有谐振特性的影响是十分微弱的综合以上两点可以看出石英晶体的稳定度非常高。第70页，共87页。3、晶体的谐振频率接入系数两个谐振频率十分接近例：5MHz的晶体，接入系数为2.6×10-3，两频率差为6.5KHz第71页，共87页。4、晶体的等效电抗和阻抗相频特性晶体在附近晶体具有陡峭的相频特性（Q大）感性容性容性晶体呈容性电抗x=0,晶体等效为短路等效为电感电抗x=∞，等效开路第72页，共87页。石英谐振器的两种工作方式晶体工作在串联和并联谐振频率之间，晶体等效于高Q电感的情况，fq<f<fp，称为：并联型晶体振荡器晶体工作在串联谐振频率附近f=fq，晶体近于高Q短路线的情况，称为：串联型晶体振荡器5.5.2晶体振荡电路第73页，共87页。1、并联型晶体振荡器考毕兹哈特莱皮尔斯密勒皮尔斯电路无需外接电感线圈，频率稳定，应用广泛密勒电路中，石英晶体被晶体管输入阻抗所并联，降低了有载品质因数，也就降低了频率稳定度，故密勒电路使用不多（晶体等效L，fq<f<fp）第74页，共87页。(a)皮尔斯振荡器①皮尔斯电路(b)等效交流通路(c)等效谐振回路令，是和（+）的串联。第75页，共87页。由于，（）

石英晶体参数具有高度稳定性，很稳定，也很稳定。

由于，石英谐振器是等效为电感L用。

振荡回路的振荡频率近似等于。讨论：

由于，振荡管与石英谐振器之间耦合很松。第76页，共87页。

串入小电容C3，