4正弦波振荡器

第４章正弦波振荡器

4.1反馈正弦波振荡器的工作原理

4.2LC正弦波振荡器

4.3石英晶体振荡器

4.4RC正弦波振荡器

4.5负阻正弦波振荡器

本章小结作用：产生一定频率和幅度的信号利用负阻器件的负阻效应产生振荡利用正反馈原理构成本质上也是负阻振荡器振荡器的作用、分类与要求正弦波振荡器的要求：具有较高的振荡频率和幅度的准确性和稳定度。按振荡波形不同分正弦波振荡器非正弦波振荡器按组成原理不同分负阻振荡器反馈振荡器4.1反馈正弦波振荡器的工作原理主要要求：掌握反馈正弦波振荡器的组成和基本工作原理。掌握反馈正弦波振荡器的起振条件和平衡条件。掌握反馈正弦波振荡器能否振荡的判断方法。4.1.1反馈正弦波振荡器产生振荡的基本原理正弦波振荡器由放大器、反馈网络和选频网络组成。无外加输入信号开关在１位置时：开关转2位置时：

经放大器放大后输出，经过反馈网络后在反馈网络输出端得到反馈信号,

与大小相等相位相同。放大器和反馈网络构成闭合环路，此时在没有外加输入信号的情况下，输出端仍维持一定幅度的电压，产生自激振荡。起振时要满足起始信号来自电扰动输出信号大小满足要求时，要能自动稳定输出电压，实现使电路进入稳定状态，输出幅度和频率都稳定的信号。故要有稳幅环节。正弦波还要有选频网络。4.1.2振荡的平衡条件和起振条件一、振荡的平衡条件两者大小相等、相位相同。由可得n=0,1,2…振幅平衡条件相位平衡条件即正反馈振幅条件和相位条件必须同时满足。相位平衡条件确定振荡频率；振幅平衡条件确定振荡输出信号的幅值。二、振荡的起振条件n=0,1,2…振幅起振条件相位起振条件相位条件是构成振荡电路的关键,振荡闭合环路必须是正反馈。相位起振条件和相位平衡条件是一致的（正反馈）。放大环节必须具有非线性放大特性。为获得正弦波，振荡电路中要有选频环节。振荡频率通常就由选频环节确定。变压器反馈LC振荡器

例4.1.1分析下图振荡电路的工作原理放大部分选频部分正反馈部分振荡频率

放大器在小信号时工作于甲类，以保证起振时有较大的环路增益。

4.1.3振荡电路分析

一、电路分析举例工作原理LC+–+–CBE变压器反馈式振荡器交流通路N1N2M+–－

在回路谐振频率上构成正反馈，满足了振荡的相位条件。－表示瞬时极性

起振时放大器工作于甲类，

。随着振荡幅度的增大，放大器进入非线性工作区，且由于自给偏置效应进入乙类或丙类非线性工作状态，使减小，直至，进入平衡状态起始时小信号线性放大大信号工作，丙类作业：直到，进入平衡状态。1.先观察电路组成，是否含有放大器、反馈网络、选频网络等组成部分，并检查放大器能否正常工作（如静态工作点设置是否合适等）2.判断电路是否满足振荡的相位平衡条件，即振荡闭合环路是否构成正反馈。3.判断电路是否满足振幅起振条件。4.根据选频网络参数，估算振荡频率。

二、反馈正弦波振荡器的基本分析方法

分析步骤：4.2LC正弦波振荡器掌握三点式振荡器的组成原则、工作原理、典型电路。掌握LC振荡器实用电路的分析方法。了解频率稳定度的概念，了解影响频率稳定度的主要因数及提高频率稳定度的措施。主要要求：4.2.1三点式振荡器的基本工作原理

三个电抗元件X1、X2、X3组成LC谐振回路，回路三个引出端分别与晶体管三个电极相连，谐振回路既是晶体管的集电极负载，又是正反馈选频网络。X1、X2的电抗性质必须相同，X3与X1、X2的电抗性质必须相异。与E相连的为同性质电抗，不与E端相连的为异性质电抗。？

为什么只有这样，才能构成正反馈！

为便于说明，忽略电抗元件的损耗及管子输入、输出阻

抗的影响。反馈系数时，当X1+X2+X3=0回路等效为纯电阻，因此必须与反相，才能构成正反馈。回路谐振，得到与反相。因此：与E相连的必须为同性质电抗，不与E端相连的为异性质电抗。电感三点式电容三点式与E相连是电感与E相连是电容4.2.2电感三点式振荡器（哈脱莱Hartley）原理电路交流通路振荡频率反馈系数优点：易起振，频率易调（调C）。缺点：高次谐波成分较大，输出波形差。4.2.3电容三点式振荡器（考毕兹Colpitts）原理电路交流通路振荡频率反馈系数优点：高次谐波成分小，输出波形好。缺点：

频率不易调（调L，调节范围小）

增大C1/C2

，可增大反馈系数，提高输出幅值，但会使三极管输入阻抗的影响增大，使Q值下降，不利于起振，且波形变差，故C1/C2不宜过大，一般取0.1~0.5

。4.2.3电容三点式振荡器（考毕兹Colpitts）原理电路交流通路解：该电路由共基极小信号谐振放大电路和电容分压式反馈电路构成，符合电容三点式构成原则，且具有较大的起振环路增益，因此可能产生振荡。其振荡频率为分析下图电路是否可能产生振荡。若可能产生振荡，试求其振荡频率。放大器采用共基组态，可产生更高频率的振荡。例4.2.4改进型电容三点式振荡器（克拉泼Clapp）考毕兹电路中，晶体管极间电容与回路电容并联，会使振荡频率偏移，且极间电容随晶体管工作状态而变，会使振荡频率不稳定。改进:

在谐振回路电感支路中串接一个电容

一、克拉泼（Clapp）振荡器原理电路交流通路C3

<<C1

，C3

<<C2

极间电容影响很小，且调节反馈系数时基本不影响频率实际振荡频率必定略高于f0，因为要使L、C3支路呈感性。接入C3使三极管输出端（C、E）与回路的耦合减弱，三极管等效负载阻抗减小，放大器放大倍数下降，振荡器输出幅度减小。C3越小，放大倍数越小，如C3过小则振荡器不满足振幅起振条件而停振。原理电路交流通路C3

<<C1

，C3

<<C2

调频率时，不调C3

，调C4。故调频率时谐振回路反映到晶体管C、E间的等效阻抗变化很小，对放大器增益影响不大，从而保持振荡幅度的稳定。西勒（Seiler）振荡器

一般C4与C3相同数量级，且都远大于C1

、C2

，故

二、西勒（Seiler）振荡器克拉泼电路的改进例4.2.1解：分析下图电路，并求其振荡频率。该电路采用负电源供电，C2、LC1、C3构成电源滤波器。

R1、R2、R4构成晶体管偏置电路，使放大器起振时工作于甲类。

R3、LC2构成放大器直流负载电路，C1为基极旁路电容。LC2为高频扼流圈。例4.2.1电路的交流通路C4~C9与L组成谐振回路，作放大器交流负载，C9组成的电容分压器取出。输出从C8、C4、C5组成正反馈网络。

因此电路构成改进型电容三点式振荡器。==66MHz4.2.5振荡器的频率稳定和振幅稳定一、频率稳定1.频率稳定度

指在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频率的相对变化量。频率的绝对偏差，又称绝对频率准确度为频率稳定度表示为f指实际频率，f0指标称频率测量时，∆f要取多次测量结果的最大值。按照所规定时间的不同，频率稳定度分为长期频率稳定度短期频率稳定度瞬时频率稳定度一天以上乃至几个月内振荡频率相对变化量。主要取决于器件老化。一天之内振荡频率的相对变化量。主要取决于温度、电源电压等外界因素变化。秒或毫秒内振荡频率的相对变化量。由电路内部噪声或突发性干扰引起。中波广播电台发射机的频率稳定度为电视发射机的频率稳定度为普通信号发生器的频率稳定度为~

标准信号发生器的频率稳定度为~

通常，频率稳定度一般指短期频率稳定度，根据用途不同，对振荡器的要求不同：2.导致振荡频率不稳定的原因温度、电源电压和负载等外界因素的影响。外因：内因：影响回路电感线圈的电感量和电容器的电容量；改变晶体管结电容、结电阻；影响晶体管工作点和工作状态，使晶体管等效参数发生变化。影响晶体管工作点和工作状态，使晶体管等效参数发生变化。影响回路Q值和振荡频率2.导致振荡频率不稳定的原因温度、电源电压和负载等外界因素的影响。外因：内因：振荡电路的稳频能力。主要利用谐振回路的相频特性实现。振荡频率处相频特性曲线越陡，稳频效果越好。(1).提高回路Q值；(2).使振荡频率接近回路谐振频率。3.提高频率稳定度的主要措施（1）减小外界因素的变化将决定振荡频率的主要元件或整个振荡器置于恒温槽中，减小温度的变化。采用高稳定度直流稳压电源来减小电源电压的变化。采用金属屏蔽罩减小外界电磁场的影响。采用减震器。

采用密封工艺减小大气压力和湿度的影响。在振荡器和负载之间加缓冲器。（2）提高谐振回路的标准性采用参数稳定的电感器和电容器。改进安装工艺缩短引线，加强引线机械强度。采用温度补偿法，在谐振回路中选用合适的具有不同温度系数的电感和电容，使由于温度变化引起电感和电容值的变化相互抵消，减小谐振回路频率的变化。增加回路总电容值，减小晶体管与谐振回路之间的耦合，能有效减小晶体管极间电容在总电容中的比重，有效减小管子输入和输出电阻及其变化量对谐振回路的影响。

谐振回路在外界因素变化时，保持其谐振频率不变的能力称为谐振回路的标准性。二、振幅稳定指在规定条件下，输出信号幅度的相对变化量。振幅稳定度表示为

Uo

为输出电压的标称值，∆U为实际输出电压与标称值之差。稳幅措施内稳幅外稳幅采用高稳定的直流稳压电源减小负载与振荡器的耦合4.3石英晶体振荡器主要要求：了解石英谐振器的结构和特性掌握典型石英晶体振荡器的组成、工作原理和性能特点。4.3.1石英谐振器及其特性

石英是一种各向异性的结晶体，其化学成分是SiO2

。从一块晶体上按一定的方位角切割成的薄片称为晶片。在晶片的两面涂上银层作为电极，电极上焊出两根引线固定在管脚上，就构成了石英晶体谐振器。

晶体的特性与其切割的方位角有关。电极间加电场电极间加机械力晶体机械变形晶体产生电场压电效应交变电压机械振动交变电流当交变电压频率=固有频率时，共振，振幅最大，产生的交变电流最大。类似串联谐振。压电谐振C0是晶片的静态电容，相当于平板电容，即由晶片作介质，镀银电极和支架引线作极板构成。几～十几皮法。Lq、Cq、rq为晶片振动时的等效动态电感、电容和摩擦损耗。Lq很大，几十～几百mH；Cq很小，百分之几pF；rq

为几～几百欧。石英谐振器Q值很高，且性能很稳定，因此有很高的回路标准性。基频等效电路含泛音频率的等效电路fs串联谐振频率fp并联谐振频率串联谐振频率并联谐振频率通常所以

石英谐振器只在之间的很窄频率范围内呈感性，且感抗曲线很陡，故当工作于该区域时，具有很强的稳频作用。一般不用电容区。石英谐振器的使用注意事项:（2）要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、振坏晶片；过小会使噪声影响大，输出减小，甚至停振。（1）要接一定的负载电容CL(微调)，以达标称频率。

高频晶体通常CL为30pF或标为∞。4.3.2石英晶体振荡器并联型晶体振荡器串联型晶体振荡器fs<f<

fp，晶体呈感性。晶体作为高Q电感元件与其它元件并联构成振荡所需的并联谐振回路。

f=fs，晶体工作在串联谐振状态，在振荡器中用作高选择性短路元件。一、并联型晶体振荡器皮尔斯（Pirece）晶体振荡器交流通路

C1～C3串联组成CL。调节C3可微调振荡频率。晶体在电路中起电感作用，与电容C1～C3构成并联谐振回路，构成改进型电容三点式LC振荡器二、串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器

为减小L、C1、C2回路对频率稳定性的影响，应将该回路调谐在晶体的串联谐振频率上。作业：4.4RC正弦波振荡器主要要求：了解RC正弦波振荡电路的组成和工作原理。4.4.1RC串并联选频网络电路低频等效电路高频等效电路输入信号频率低，选频网络可以看作RC高通电路，频率越低，输出电压越小。输入信号频率高，选频网络可以看作RC低通电路，频率越高，输出电压越小。RC串并联网络的电压传输系数其中：令：幅频特性相频特性

在ω=ω0时，F达最大值，等于1/3。即输出电压是输入电压的1/3。

在ω=ω0时，相位角Φf=0o。即输出电压与输入电压同相位。RC串并联网络具有选频作用。用瞬时极性法判断可知，电路满足相位条件。当时，若则满足振幅起振条件利用内稳幅满足振幅平衡条件4.4.2RC桥式振荡器采用非线性元件作放大电路的负反馈元件，以实现外稳幅。例如R2

采用负温度系数的热敏元件起振时，使由于热敏电阻的作用稳幅集成运放桥式振荡器实用电路R3与所并联的V1、V2组成非线性电阻。它们与R1、RP一起构成负反馈电路。当振荡幅度较小时，流过二极管的电流较小，二极管的等效电阻较大，负反馈较弱，放大器增益较高，利于起振。当振荡幅度增大时，流过二极管的电流增加，其等效电阻逐渐减小，负反馈加强，放大器的增益自动减小，达到自动稳幅的目的。电位器RP用来调节放大器的闭环增益，调节RP使(R2+R3)略大于2R1，则起振后振荡幅度较小，但输出波形较好；调节RP使R2+R3>>2R1时，振荡幅度增加，但输出波形失真度增大。思考讨论题右图的RC桥式振荡器中，已知R1=10kΩ。若发生下列情况，试说明输出电压的变化。（1）R1与R2位置互换解：图中的R2是负温度系数的热敏电阻，R1是固定电阻。为了满足起振条件，R2的冷态电阻取值必须大于2R1

，即大于20kΩ，现两者位置互换后，即R1变为负温度系数的热敏性，且冷态电阻大于20kΩ，而R2变为固定电阻10kΩ，这样起振时放大器的放大倍数小于3，振荡器不能振荡，故输出电压为零。思考讨论题右图的RC桥式振荡器中，已知R1=10kΩ。若发生下列情况，试说明输出电压的变化。（2）R2改为33kΩ固定电阻解：当R2改用33kΩ固定电阻后，放大器的放大倍数A=1+R2/R1=1+33/10=4.3>3，因此振荡振幅不断增大，最终使放大器进入非线性限幅区，输出电压变成一方波信号。思考讨论题右图的RC桥式振荡器中，已知R1=10kΩ。若发生下列情况，试说明输出电压的变化。（3）R2改为15kΩ固定电阻解：当R2改用15kΩ固定电阻，此时放大器的放大倍数A=1+R2/R1=1+15/10=2.5<3，振荡器不能振荡，所以输出电压为零。主要要求：了解负阻器件的伏安特性了解负阻正弦波振荡器的组成与工作原理4.5负阻正弦波振荡器由负阻器件和LC谐振回路构成多用于100MHz以上，可用至几十GHz。4.5负阻正弦波振荡器4.5.1负阻器件的伏安特性电压控制型电流控制型具有负增量电阻特性的电子器件用–rn

表示增量电阻，–gn

表示增量电导，则UQ上叠加一个幅度很小的正弦电压流过负阻器件的交流电流，与电压相位相反。

说明负阻器件能在交流电压作用下，把从直流电源获得直流能量的一部分转换为交流功率，传送给外电路。4.5.2负阻振荡电路具有电压控制型负阻特性的隧道二极管直流偏置电路高频旁路电容电路交流通路当Ge=gn

时，负阻器件提供的能量正好补偿回路的能量损耗，因而能产生正弦波振荡。起振条件平衡条件内稳幅：大信号时，电流为非正弦波，其基波