高频电子线路（第2版）课件 第6章 正弦波振荡器

高频电子线路主要内容：

正弦波振荡器的基本工作原理，起振、平衡、稳定的条件，电路构成、特点和性能指标，以及电路的判别原则等；LC振荡器、石英晶体振荡器的实用电路，频率稳定度等。第6章正弦波振荡器

6.1概述什么叫振荡器？振荡器是指一种可以输出一定波形、一定频率和一定幅度的周期性交变信号的装置。振荡器的分类：

本章的重点是正弦波振荡器，是一种自激反馈型振荡器，即在没有外加激励信号作用下把直流电源提供的能量转换为输出的正弦波。应用：

无线电发射机载波信号超外差接收机（电视、广播等）用它产生本地振

荡信号各种电子测量设备（示波器、扫频仪、高低频信号

源等）和计时仪表（频率计等）产生频率（或时间）

的基准信号工业生产部门广泛应用的高频电加热设备

可见，振荡器的应用非常广泛，在电子电路中占有非常重要的地位。在正弦波振荡器中，根据选频网络所采用器件的不同可以分为：RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器。石英晶体振荡器的频率最高最稳定，

LC振荡器次之，RC振荡器最差。6.2反馈振荡器的基本工作原理

6.2.1反馈振荡器电路组成（1）放大电路：晶体管VT放大电路（2）正反馈网络：保证自激工作的

互感M（3）选频网络：LC谐振回路（4）稳幅环节：晶体管VT工作到截

止（或饱和）的非线性特性来

实现。6.2.2.正弦波振荡的平衡条件电路由主网络A(s)和反馈网络F(s)组成T(s)称为开环传递函数，也即复频域的环路增益6.2.3.正弦波振荡的起振条件

由上式可见，电路必须具有放大的功能才可以起振。在构成实际电路时，还必须要考虑馈电方式和信号耦合方式等问题。为了兼顾起振过程和振荡建立后的稳定平衡，振荡器一般都采用分压式偏置电路。由于在饱和区管子的输出阻抗低，电流噪声也较大，影响LC回路的选频效果，为了能够得到较好的振荡性能，一般总希望平衡时管子能工作在截止区。这样在选择电路参数时，就要求其静态工作点能尽量靠近截止区，也就是说，不能选得太大。6.2.4.振荡器的稳定条件

一个振荡器要能够在某个频率上振荡工作，除了满足平衡条件，还必须满足稳定条件。

稳定条件是指振荡器的工作状态在诸如电源变化、温度变化、噪声影响等某些外界干扰因素的作用下偏离平衡状态后，系统自动恢复原来平衡状态所应具备的条件。稳定性：是指振荡器受到干扰的情况下还能否正常工

作的特性。稳定度：是指在干扰条件下，偏离原状态的程度。如

电源电压波动下降1V，输出电压振幅下降0.01V，则稳定度为0.01/1=1%。（1）振幅稳定条件

振幅稳定条件是指当外界因素造成振荡幅度变化后，振荡器能够恢复原振荡幅度所需满足的条件。主网络放大特性A与反馈特性1/F

（2）相位稳定条件

相位稳定条件是指当外界因素造成振荡频率变化后，振荡器能够恢复原振荡频率所需满足的条件。稳定平衡点和不稳定平衡点

【例6-1】变压器反馈式振荡电路的典型电路，分析该电路能否产生正弦波振荡。起振过程可以分成三个阶段第一个阶段：晶体管工作在放大区，信号幅度不断增加，得出增幅输出第二阶段：管子的工作部分信号进入非线性区，信号输出幅度增加缓慢第三阶段：输出幅度处于平衡状态6.3LC振荡器

采用LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器称为LC振荡器，它是无线电技术领域内使用较多的振荡电路，其工作频率范围从几百千赫到几百兆赫。

就反馈形式的不同：互感耦合LC振荡器，三点式LC振荡器。前面分析的反馈型正弦波发生电路的工作原理就是以互感耦合LC振荡器为例的。一般有如下几种:（a）共发射极，集电极调谐(简称共射——调集）6.3.1互感耦合型LC振荡器

（b）共发射极，基极调谐(简称共射——调基）（c）共基极，发射极调谐(简称共基——调发）（d）共基极，集电极调谐(简称共基——调集）

互感耦合型振荡器容易起振，设计时需注意：1.它是依靠线圈互感耦合实现正反馈，同名端接法要正确，

耦合量M要选择合适；2.由于电路有一部分时间工作于非线性区，为得到较

好的振荡性能，希望静态工作点能尽量靠近截止区。分析方法：（1）看组成（2）先静态后动态（3）动态------看相位条件是否满足6.3.2三点式振荡器及其构成原则LC三点式振荡器电路结构简单，工作频率较高，工作性能也比较稳定，在无线电和通信设备中得到了广泛的应用。三点式振荡器，就是把选频LC谐振回路中的C或L变成两个，则选频网络由三个基本电抗元件构成，LC回路可引出三个端点。在电路中晶体管或运放的三个电极分别与LC谐振回路的这三个端点相连接，就构成了LC三点式振荡电路。根据是把C变成两个还是把L变成两个，LC三点式正弦波发生电路又常分为电容三点式和电感三点式两类。（a）电容三点式，也称为考毕兹（Colpitts）振荡器。（b）电感三点式，也称为哈特莱（Hartley）振荡器。考毕兹电路哈特莱电路1.电路形式三点式振荡器电路一般形式的二种画法2.三点式电路构成原则要满足相位平衡条件，必须，也即X1与X2必为同性电抗才可能满足。

另一方面，回路谐振时X1+X2+X3=0，因此X3必为与X1、X2相反性质的电抗。因此，三点式振荡器电路构成原则为：1）X1、X2电抗性质相同，X3

与之相反；2）对于f0，满足X1+X2+X3=0的

关系。

凡是与发射极相连的回路元件，为同性电抗，不与发射极相连的回路元件为反性质电抗。简称射同它异。

若有源器件是场效应管时，则为源同它异。电感三点式振荡电路

（a）电感三点式振荡电路（b）电感三点式振荡电路的交流通路

电路特点：

电感的中心抽头接晶体管的发射极【例6-3】：如图所示电路是由共基极放大电路构成的电感反馈式正弦波振荡电路，因为共基极电路的高频特性较好，所以这种电路形式的振荡频率可以做得更高。试用瞬时极性法判断该电路是否满足相位起振条件。

【解】：虽然图中的电路为共基组态，但从电路的任何地方开始标注瞬时极性都可以得到正确的结论。所以从比较习惯的基极输入开始标注，如图中所示。由瞬时极性可知，该电路满足相位条件，因此该电路可以起振。输出振荡频率为+VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123电容三点式振荡电路——考毕兹振荡器(Colpitts)电路特点：二个电容的中间接晶体管的发射极优点：缺点：易起振(L

间有互感，耦合紧)；易调节振荡频率(因为调节C的值基本不影响反馈系数)。输出取自电感，对高次谐波阻抗大，输出波形差；相对于电容三点式工作频率不高，且结电容分别与上下电感并联，容易产生局部谐振，使波形发生畸变，甚至停振。用途：常用在对波形要求不高的设备中。如高频加热器，接收机的本机振荡器等。电感三点式和电容三点式的比较电感三点式振荡器：缺点：调节频率时改变电容值会改变反馈系数，易

停振；用途：多用于甚高频段固定频率的振荡器。优点：振荡波形好；

工作频率高，结电容可以作回路电容的一部

分，甚至可以直接用结电容充当回路电容，

所以，可工作在频率较高的波段上。电感三点式和电容三点式的比较电容三点式振荡器：6.3.3三点式振荡器的电路分析以电容三点式电路为例来进行分析Re0为L的等效损耗，并联于c、b两端，阻抗变换到c、e两端成为p2Re0第一项与LC回路有关，第二项与Ro、Ri引入的附加相移有关。通常在电路中都能满足：由起振幅度条件可得可见，C1、C2的比值必须适当才能起振。事实上，若C2选得太大，则反馈电压太小，不容易起振。然而减小C2尽管提高了反馈电压与输出电压的比值，但由于Ri通过C2接入回路，增大了管子的负载，减小了放大器的增益，同样会使T减小，也不利于起振。因此，在设计电路时应综合各方面因素，选取合适的值，以满足起振条件，一般取2～8。

6.4振荡器的频率稳定度及频率稳定原理振荡器的频率稳定度是振荡器的一个关键指标。就是在外界条件发生变化时，要求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。振荡器在许多应用系统中也间接地作为时间基准来使用，振荡器的频率稳定度就决定了时间测量的准确程度，显得尤为重要。频率又常作为其它物理量，比如长度、速度等的参考标准，频率的准确和稳定决定了对这些物理量的测量精度。6.4.1频率稳定度的定义

频率的稳定度更重要的是在通信中实现频率对准。频率准确度：在数量上通常用频率偏差表示。频率偏差是指振荡器的实际频率和标称频率之间的偏差，通常分为绝对偏差和相对偏差。绝对偏差

相对偏差频率稳定度：是指频率随时间变化而产生的偏差，其通常定义为在一定时间间隔内，振荡器的频率相对于标称频率的变化程度。评价振荡器的频率的主要指标：准确度与稳定度。一般所说的频率稳定度主要是指短期稳定度，对频率稳定度的要求因用途而异。

各种通信系统和设备对频率稳定度的要求

由表可见，一种通信系统，发射机的频率稳定度一般比接收机的高1~2个数量级3）晶体管参数不稳定1）外界环境因素的变化（比如温度电源等变化，影响短期稳定度）2）LC回路参数不稳定（取决于老化特性，影响长期稳定度）6.4.2造成频率不稳定度的因素3）减小晶体管对振荡频率的影响；2）提高振荡回路的标准性，采用高质量的集总参数电

感和电容，提高谐振回路的Q值；6.4.3改善频率稳定度的措施

1）减小外界因素的变化；4）为了减小寄生电容及其对回路的影响，器件和回

路之间采用部分接入方式。6.3.4改进型电容三点式振荡电路克拉泼振荡器提高频率稳定度，可以减小晶体管和回路的耦合程度，则减小了晶体管结电容变化对振荡频率造成的影响。可采取晶体管部分接入回路。如图所示电路。西勒振荡器在西勒振荡器中，调节C4可改变西勒振荡器的振荡频率，此时反馈系数不变，从而可以保证振荡的稳定。

西勒振荡器是在克拉泼振荡器的基础上经过改进获得的。这里将C3固定，另加一个可变电容C4与L并联，通过改变C4，可以在一定范围内对振荡频率进行调节。该电路虽可调节频率，但振荡频率调整范围也不大。适用于频率微调的场合。西勒振荡器中，晶体管输出端到回路的接入系数与克拉泼振荡器的相同。因此略微调节C4，不影响振荡条件。6.5晶体振荡器

LC振荡电路中的LC并联回路的Q值越大，频率的稳定度就越高。但回路的Q值是有限的，即使改进后的克拉泼振荡器与西勒振荡器频率稳定度一般只能达到10-5/日。而采用石英晶体作选频网络的振荡器的频率稳定度一般可达10-9-10-11/日。压电效应：在石英晶体切片上外加压力或张力时，切片两侧出现电量与形变程度成正比的异性电荷，随着压力或张力电荷极性改变；若外加交变电压，晶体会产生与电场强度成正比的机械形变同时机械形变又会产生交变电场，机械能与电能相互转换。压电谐振：当外加交变电压的频率与晶体的固有频率相等时，振幅会急剧增大，这种现象称为压电谐振。石英晶体的固有频率：决定于晶片的外形、尺寸和切割方向等。晶体体积越小，振荡频率越高。也称作晶体的基频。6.5.1石英谐振器的基本特性（1）石英晶体的外形、结构和电路符号

电路符号：(2)等效电路rqC0CqLqLq

—

晶体的动态电感，约10-3~102H(大)Cq

—晶体的动态电容，约10-4~10-1pF(小)rq

—

晶体动态电阻，约几~几十欧姆(小)Co

—晶体静态电容，是银层、电极、支架、引线等效电容的总和。约几~几十pF。大小小因此有大的Q值：电路特点：a.Lq很大，Cq和rq很小b.Q很高，达104~106

c.频率稳定度（）很高三种振荡电路的频率稳定度比较：RC振荡器10-2LC振荡器10-3~10-4

石英晶体振荡器10-9~10-11

rqC0CqLq(3)等效阻抗的频率特性当忽略rq时，阻抗讨论：a.当时，X=0，电路发生串联谐振。串联谐振频率：当时，Z<0，电路总电抗呈容性。当时，Z>0，串联支路电路呈感性。fXfPfS容性容性感性b.当时，Z=∞，电路发生并联谐振。并联谐振频率：当时，电路总电抗呈容性。当时，电路总电抗呈感性。fXfPfS容性容性感性

由于，故，且。6.5.2晶体振荡电路晶体振荡器有并联型晶振电路和串联型晶振电路。

并联型电路中，晶体作为三点式振荡电路中的高Q电感；

串联型电路中，晶体作为反馈环路中的高Q短路元件。（1）并联型电路（2）串联型电路（1）并联型晶体振荡电路

并联型晶体振荡电路可分为皮尔斯振荡器、密勒振荡器、并联泛音晶体振荡器。晶体作电感。皮尔斯电路为电容三点式振荡器，晶体在电路中呈感性，电路结构与克拉泼电路相似。工作频率在fs～fp

之间。皮尔斯振荡器密勒振荡器密勒电路属于电感三点式振荡器，晶体在电路中充当电感。在密勒振荡器中，石英晶体与晶体管输入阻抗并联，由于双极型晶体管的输入阻抗比较小，会使有载品质因数Q下降，从而降低频率稳定度，因此常采用场效应管。

右图电路中漏源之间接的LC回路也实为一个感抗。

（1）并联型晶体振荡电路

泛音晶体振荡器（1）并联型晶体振荡电路

泛音振荡现象：晶体不仅可能振荡在基频上，还可以在基频的奇数倍的频率上谐振，这是石英晶体本身所具有的一种特性。泛音与基频不能同时存在，若谐振在泛音频率上，就不可能在基频上谐振了。要实现泛音振荡，电路上必须采取一定的措施。比如，工作在三次泛音频率上的并联型晶体振荡器，设计L1C1回路中心频率时应等于晶体的二倍基频，使得电路仅在三次泛音频率上满足正反馈条件，在基频上不满足正反馈条件。这样振荡器工作于三次泛音频率上，L1C1回路相当于电容，构成电容三点式电路。皮尔斯型泛音振荡器实际工作于满足正反馈条件的最低次泛音频率上。（2）串联型晶体振荡电路

串联型晶体振荡电路中，石英晶体作为串联谐振的高Q短路器，可分为基音串联晶体振荡器、串联泛音晶体振荡器。图为电容三点式振荡器，在谐振回路与晶体管之间的反馈支路中接入了一个具有选频能力的晶振

在晶体的串联谐振频率fs上反馈最强，电路只能在该频率上形成振荡。在其它频率上，晶体可视为开路，电路不能形成正反馈，也就不可能产生振荡。右图为两级放大器构成的串联晶体振荡电路。振荡将只能在晶体的串联谐振频率fs上发生，CT起频率微调作用。（2）串联型晶体振荡电路

（3）集成晶体振荡器用E1648组成的100MHz的晶体振荡器，晶体标称频率为100MHz，LC回路宜调谐于晶体标称频率（LC回路谐振频率偏差10%时仍能工作，但频率稳定度稍受影响），回路的Q值宜高一些。6.6负阻振荡器负阻振荡器，工作原理不同于反馈振荡器，它是以具有负阻效应的器件（例如隧道二极管的某一段伏安条件下的阻值）来抵消谐振回路中的损耗电阻，从而使回路能维持等幅的正弦振荡，获得所需要的振荡信号输出。

这种振荡器的工作频率可高达几千兆赫兹，在微波波段使用较多。带有负电阻的并联谐振回路负阻振荡器的起振条件负阻器件是指在一定条件下其增量电阻可呈负值的器件。负阻器件有电压控制型负阻器件和电流控制型负阻器件（a）电压