第7章正弦波振蕩器

1、7.1 概述概述 7.2 LCR回路中的瞬變現(xiàn)象回路中的瞬變現(xiàn)象 7.3 LC振蕩器的基本工作原理振蕩器的基本工作原理 7.4 由正反饋的觀點(diǎn)來(lái)決定振蕩的條件由正反饋的觀點(diǎn)來(lái)決定振蕩的條件 7.5 振蕩器的平衡與穩(wěn)定條件振蕩器的平衡與穩(wěn)定條件 7.6 反饋型反饋型LC振蕩器線路振蕩器線路 7.7 振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題 7.8 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 7.9 負(fù)阻負(fù)阻振蕩器振蕩器 7.10 幾種特殊振蕩現(xiàn)象幾種特殊振蕩現(xiàn)象 7.11 集成電路集成電路振蕩器振蕩器 7.12 RC振蕩器振蕩器 倍 頻 中間 放大 調(diào)制 器 話 筒 聲音 發(fā)射 天線 低頻電 壓放大 主 振

2、緩 沖 受調(diào)放 大器 功放功放 推動(dòng)推動(dòng) 低頻 功放功放 末級(jí)低末級(jí)低 頻功放頻功放 末級(jí)高頻末級(jí)高頻 功率放大功率放大 s f s f 0 f i f s0i fff i f f f 2.2.振蕩器的分類振蕩器的分類 正弦波振蕩器正弦波振蕩器 非正弦波振蕩器非正弦波振蕩器 振蕩器振蕩器 波形波形 產(chǎn)生機(jī)理產(chǎn)生機(jī)理 反饋式振蕩器反饋式振蕩器 負(fù)阻式振蕩器負(fù)阻式振蕩器 反饋型反饋型LC振蕩器振蕩器 反饋型反饋型RC振蕩器振蕩器 本章主要介紹反饋型本章主要介紹反饋型RC、LCLC振蕩器和石英晶體振蕩器振蕩器和石英晶體振蕩器 的工作原理。的工作原理。 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 所謂所謂“諧振諧振

3、”，就能量關(guān)系而，就能量關(guān)系而 言，是指：回路中儲(chǔ)存的能量是不言，是指：回路中儲(chǔ)存的能量是不 變的，只是在電感與電容之間相互變的，只是在電感與電容之間相互 轉(zhuǎn)換；外加電動(dòng)勢(shì)只提供回路電阻轉(zhuǎn)換；外加電動(dòng)勢(shì)只提供回路電阻 所消耗的能量，以維持回路的等幅所消耗的能量，以維持回路的等幅 振蕩。振蕩。 圖圖7.2.1，S先放于先放于1，C充電至充電至V，S轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換到2，則，則 0= + 1 dtiRiL Cdt di 上式微分，得上式微分，得 0=+2+ 2 0 2 2 iL dt di dt id （7.2.1） L R 2 = 稱為回路的衰減系數(shù)。稱為回路的衰減系數(shù)。 LC 1 0 =稱為回路的固

4、有角頻率。稱為回路的固有角頻率。 0=+2+ 2 0 2 2 iL dt di dt id L R 2 = 稱為回路的衰減系數(shù)。稱為回路的衰減系數(shù)。 如何維持回路產(chǎn)生等幅振蕩如何維持回路產(chǎn)生等幅振蕩 實(shí)際上，回路中總是有電阻存在的，因此為了維持實(shí)際上，回路中總是有電阻存在的，因此為了維持 回路產(chǎn)生等幅振蕩，就必須不斷地在正確的時(shí)間補(bǔ)充回路產(chǎn)生等幅振蕩，就必須不斷地在正確的時(shí)間補(bǔ)充 由于回路電阻所耗去的電能，這就需要采用有源器件由于回路電阻所耗去的電能，這就需要采用有源器件 與正反饋電路來(lái)完成這一任務(wù)。與正反饋電路來(lái)完成這一任務(wù)。 1）一套振蕩回路，包含兩個(gè)（或兩個(gè)以上）儲(chǔ)能元件）一套振蕩回路，

5、包含兩個(gè)（或兩個(gè)以上）儲(chǔ)能元件。在這。在這 兩個(gè)元件中，當(dāng)一個(gè)釋放能量時(shí)，另一個(gè)兩個(gè)元件中，當(dāng)一個(gè)釋放能量時(shí)，另一個(gè)就接收就接收能量。釋放與能量。釋放與 接收能量可以往返進(jìn)行，其接收能量可以往返進(jìn)行，其頻率決定頻率決定于元件的于元件的數(shù)值。數(shù)值。 2）一個(gè)能量來(lái)源，補(bǔ)充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的能量）一個(gè)能量來(lái)源，補(bǔ)充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的能量損失。損失。 在晶體管振蕩器中在晶體管振蕩器中，這個(gè)能源，這個(gè)能源就是就是直流電源。直流電源。 3）一個(gè)控制設(shè)備，可以使電源功率在正確的時(shí)刻補(bǔ)充電）一個(gè)控制設(shè)備，可以使電源功率在正確的時(shí)刻補(bǔ)充電路的路的 能量損失，以維持等幅振蕩。這是由能量損失，以維持等幅振

6、蕩。這是由有源器件有源器件和正反饋電路完和正反饋電路完 成的成的。 - + . 0 . . 0 . - . , . =-= A V A V iCf CO VVFV 由圖由圖7.4.1，得，得 在產(chǎn)生振蕩時(shí)，在產(chǎn)生振蕩時(shí)， . f V應(yīng)等于應(yīng)等于 . i V 。 因此振蕩條件為因此振蕩條件為 反饋系數(shù)反饋系數(shù) . 0 1 . = A F 或或 0=- 1 . 0 . FA （7.4.1） 放大器的閉環(huán)增益為放大器的閉環(huán)增益為 . 0 . 0 A- 1 . = F A f A （7.4.2） 當(dāng)當(dāng) 0=- 1 . 0 . FA 時(shí)，時(shí)， . f A 放大放大 器變成了振蕩器。器變成了振蕩器。 -

7、7.5.1 振蕩器的平衡條件振蕩器的平衡條件 7.5.2 振蕩器平衡狀態(tài)和穩(wěn)定條件振蕩器平衡狀態(tài)和穩(wěn)定條件 1、問(wèn)題：振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò)，無(wú)須輸入信號(hào)就能起振，、問(wèn)題：振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò)，無(wú)須輸入信號(hào)就能起振， 起振的信號(hào)源來(lái)自何處？起振的信號(hào)源來(lái)自何處？ 來(lái)自振蕩器接通電源后產(chǎn)生的瞬變電流。來(lái)自振蕩器接通電源后產(chǎn)生的瞬變電流。 瞬變電流所包含的頻帶極寬，但由于諧振回路瞬變電流所包含的頻帶極寬，但由于諧振回路 的選擇性，它只選出了本身諧振頻率的信號(hào)。由于的選擇性，它只選出了本身諧振頻率的信號(hào)。由于 正反饋?zhàn)饔茫C振頻率信號(hào)越來(lái)越強(qiáng)，即形成穩(wěn)定正反饋?zhàn)饔?，諧振頻率信號(hào)越來(lái)越強(qiáng)，即形成穩(wěn)定 的振蕩

8、。瞬變電流中所包含的其他頻率被振蕩電路濾的振蕩。瞬變電流中所包含的其他頻率被振蕩電路濾 掉，不被放大，并逐漸消失。掉，不被放大，并逐漸消失。 振蕩器起振后，振蕩振幅便有小到大增長(zhǎng)起來(lái)，當(dāng)振蕩器起振后，振蕩振幅便有小到大增長(zhǎng)起來(lái)，當(dāng) 它不可能無(wú)限制地增長(zhǎng)，而是在達(dá)到一定數(shù)值后，自動(dòng)它不可能無(wú)限制地增長(zhǎng)，而是在達(dá)到一定數(shù)值后，自動(dòng) 穩(wěn)定下來(lái)。穩(wěn)定下來(lái)。 由上節(jié)可知，正反饋放大器產(chǎn)生振蕩的條件：由上節(jié)可知，正反饋放大器產(chǎn)生振蕩的條件： 0=- 1 . 0 . FA 或或 1= . 0 . FA （7.5.1） 式（式（7.5.1）沒(méi)考慮電子器件的非線性。即假定）沒(méi)考慮電子器件的非線性。即假定 晶體管

9、放大器是工作于小信號(hào)線性放大狀態(tài)，放大器晶體管放大器是工作于小信號(hào)線性放大狀態(tài)，放大器 的增益的增益A0為常數(shù)。為常數(shù)。 事實(shí)上，放大器的增益事實(shí)上，放大器的增益A0是振幅的函數(shù)。因?yàn)橛墒钦穹暮瘮?shù)。因?yàn)橛?于自給偏壓的作用，振蕩器起振后，隨著振蕩幅度的于自給偏壓的作用，振蕩器起振后，隨著振蕩幅度的 不斷增大，放大器便由線性工作的甲類狀態(tài)迅速過(guò)渡不斷增大，放大器便由線性工作的甲類狀態(tài)迅速過(guò)渡 到非線性的甲乙類以至丙類工作狀態(tài)。這時(shí)晶體管到非線性的甲乙類以至丙類工作狀態(tài)。這時(shí)晶體管 就是非線性器件。就是非線性器件。 2、振蕩器的起振條件和平衡條件、振蕩器的起振條件和平衡條件 2、振蕩器的起振條件

10、和平衡條件、振蕩器的起振條件和平衡條件 起振后晶體管作為非線性器件的工作特點(diǎn)：起振后晶體管作為非線性器件的工作特點(diǎn)： 需引入準(zhǔn)直線性理論的平均放大倍數(shù)（或折合放需引入準(zhǔn)直線性理論的平均放大倍數(shù)（或折合放 大倍數(shù)）大倍數(shù)）A 的概念。的概念。 平均電壓放大倍數(shù)：平均電壓放大倍數(shù)： 負(fù)載諧振阻抗上的基波電壓負(fù)載諧振阻抗上的基波電壓 1c V 與基極輸入電壓與基極輸入電壓 b V 之比。之比。 b Pc b c V RI V V A 11 = （7.5.2） )cos-1)(=)(= 11max1ccbccCc VgiI （7.5.3） 2、振蕩器的起振條件和平衡條件、振蕩器的起振條件和平衡條件 b

11、 Pc b c V RI V V A 11 = （7.5.2） )cos-1)(=)(= 11max1ccbccCc VgiI （7.5.3） 式（式（7.5.3）代入）代入 （ 7.5.2），得），得 )(=)cos-1)(= 101cccPc ARgA （7.5.4） 式中式中 Pc RgA= 0 為小信號(hào)線性放大倍數(shù)；為小信號(hào)線性放大倍數(shù)； )cos-1)(=)( 11ccc 為余弦脈沖分解系數(shù)。為余弦脈沖分解系數(shù)。 2、振蕩器的起振條件和平衡條件、振蕩器的起振條件和平衡條件 )(=)cos-1)(= 101cccPc ARgA （7.5.4） )cos-1)(=)( 11ccc 為余弦

12、脈沖分解系數(shù)。為余弦脈沖分解系數(shù)。 乙類工作狀態(tài)乙類工作狀態(tài) ),90 ( 0 c ; 5 . 0=)( 1c 丙類工作狀態(tài)丙類工作狀態(tài) ),0807=( 00 c ；0.43 .0=)( 1c 即振蕩器在起振之后，隨著振幅的不斷增長(zhǎng)，使即振蕩器在起振之后，隨著振幅的不斷增長(zhǎng)，使 振蕩管的工作狀態(tài)逐漸向乙類以至丙類過(guò)渡，因而振蕩管的工作狀態(tài)逐漸向乙類以至丙類過(guò)渡，因而 A值也不斷下降。值也不斷下降。 反饋系數(shù)反饋系數(shù)F，完全是由無(wú)源線性網(wǎng)絡(luò)所決定的，完全是由無(wú)源線性網(wǎng)絡(luò)所決定的 比例系數(shù)，與振蕩幅度的大小無(wú)關(guān)。比例系數(shù)，與振蕩幅度的大小無(wú)關(guān)。 2、振蕩器的起振條件和平衡條件、振蕩器的起振條件和

13、平衡條件 0=- 1 . 0 . FA 或或 1= . 0 . FA （7.5.1） 要維持一定振幅的振蕩，要維持一定振幅的振蕩，F(xiàn)應(yīng)設(shè)計(jì)的比式（應(yīng)設(shè)計(jì)的比式（7.5.1） 中的中的F大一些。一般取大一些。一般取F=1/21/8，這樣，就可以在，這樣，就可以在 A0F1的情況下起振，而后隨著振幅的增強(qiáng)的情況下起振，而后隨著振幅的增強(qiáng)A0就向就向A 過(guò)渡。直到振幅增大到某一程度，出現(xiàn)過(guò)渡。直到振幅增大到某一程度，出現(xiàn)AF=1時(shí)，振時(shí)，振 蕩就達(dá)到平衡狀態(tài)。蕩就達(dá)到平衡狀態(tài)。 振蕩器的起振條件為：振蕩器的起振條件為：1 . 0 . FA 1= . FA 振蕩器的平衡條件為：振蕩器的平衡條件為： （

14、7.5.5） （7.5.6） 式（式（7.5.6）中，）中， 0 A . = A 其中，其中，稱為工作強(qiáng)度稱為工作強(qiáng)度 系數(shù)。一般取系數(shù)。一般取。42= 2、振蕩器的起振條件和平衡條件、振蕩器的起振條件和平衡條件 1= . FA 振蕩器的平衡條件為：振蕩器的平衡條件為： （7.5.6） 將振蕩器平衡條件分別用模和相角來(lái)表示，即將振蕩器平衡條件分別用模和相角來(lái)表示，即 1= FA jj FeAe 將模和相角分開(kāi)，有將模和相角分開(kāi)，有 1=AF（7.5. 7） ,.)3 , 2 , 1 , 0=( 2=+nn FA （7.5. 8） 振幅平衡條件：振幅平衡條件： 相位平衡條件：相位平衡條件： 2、

15、振蕩器的起振條件和平衡條件、振蕩器的起振條件和平衡條件 振蕩器的起振條件和平衡條件的另一種形式振蕩器的起振條件和平衡條件的另一種形式： 1= 1 FZy pfe 振幅平衡條件：振幅平衡條件：（7.5. 13） 相位平衡條件：相位平衡條件： ,.)3 , 2 , 1 , 0=( 2=+nn FZY （7.5. 14） ,= 1 i c V I fe y Y fe y 為其模。為其模。 為其相角。為其相角。 1 = 1 C c I V p Z 為諧振回路的基波諧振阻抗。為諧振回路的基波諧振阻抗。 實(shí)際上，實(shí)際上， ,0 Y , 0 FF 或 則則,0+ FY 從而從而, 0 Z 一般振蕩器的振蕩回

16、路總是處于微小失諧一般振蕩器的振蕩回路總是處于微小失諧 狀態(tài)。狀態(tài)。 以上分析了保證振蕩器由弱到強(qiáng)地建立起振蕩的以上分析了保證振蕩器由弱到強(qiáng)地建立起振蕩的 起振條件，產(chǎn)生等幅振蕩的平衡條件。起振條件，產(chǎn)生等幅振蕩的平衡條件。 實(shí)際上，平衡狀態(tài)下的振蕩器仍然受到外界因素實(shí)際上，平衡狀態(tài)下的振蕩器仍然受到外界因素 變化的影響而可能引起幅度和頻率不穩(wěn)。因此，還應(yīng)變化的影響而可能引起幅度和頻率不穩(wěn)。因此，還應(yīng) 該分析保證振蕩器的平衡狀態(tài)不因外界因素變化而受該分析保證振蕩器的平衡狀態(tài)不因外界因素變化而受 到破壞的穩(wěn)定條件。到破壞的穩(wěn)定條件。 穩(wěn)定條件也分為穩(wěn)定條件也分為振幅穩(wěn)定振幅穩(wěn)定與與相位穩(wěn)定相位穩(wěn)

17、定兩種。以兩種。以 下分別討論之。下分別討論之。 1 1）振幅平衡的穩(wěn)定條件）振幅平衡的穩(wěn)定條件 要保證外界因素變化時(shí)振幅相對(duì)穩(wěn)定，就是要：當(dāng)振幅變要保證外界因素變化時(shí)振幅相對(duì)穩(wěn)定，就是要：當(dāng)振幅變 化時(shí)，化時(shí)，AF的大小朝反方向變化。的大小朝反方向變化。 0: omQom om VV V A 振幅穩(wěn)定條件（7.5. 16） 2 2）相位平衡的穩(wěn)定條件）相位平衡的穩(wěn)定條件 相位穩(wěn)定條件是指相位平衡條件遭到破壞時(shí)，相位平衡能重相位穩(wěn)定條件是指相位平衡條件遭到破壞時(shí)，相位平衡能重 新建立，且仍能保持相對(duì)穩(wěn)定的振蕩頻率。新建立，且仍能保持相對(duì)穩(wěn)定的振蕩頻率。 外部外部 擾動(dòng)擾動(dòng) 穩(wěn)定原理：穩(wěn)定原理：

18、 頻率頻率 相位相位 頻率頻率 tttd)()( 12 QQ 2 2）相位平衡的穩(wěn)定條件）相位平衡的穩(wěn)定條件 0 0 1 1 L 0 jQ AA vv 0 0 arctanQ （7.5. 21） 4放大電路 放大電路 3） 基本組成部分基本組成部分 4正反饋網(wǎng)絡(luò) 正反饋網(wǎng)絡(luò) 4選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的一個(gè)頻率。經(jīng)常與反饋 選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的一個(gè)頻率。經(jīng)常與反饋 網(wǎng)絡(luò)合二為一。）網(wǎng)絡(luò)合二為一。） 4穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 4穩(wěn)定環(huán)節(jié) 穩(wěn)定環(huán)節(jié) 從上面的討論可知，要使反饋振蕩器能夠產(chǎn)生持續(xù)的等幅從上面的討論可知，要使反饋振蕩器能夠產(chǎn)生持續(xù)的等幅 振蕩，必須滿足振蕩的起振條件、平衡

19、條件和穩(wěn)定條件，它們振蕩，必須滿足振蕩的起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件，它們 是缺一不可的。因此，反饋型正弦波振蕩器應(yīng)該包括：是缺一不可的。因此，反饋型正弦波振蕩器應(yīng)該包括： 從從 回到回到1 AF1AF 幅度穩(wěn)定幅度穩(wěn)定 相位穩(wěn)定相位穩(wěn)定 7.6.1 互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器 7.6.2 電感反饋式三端振蕩器電感反饋式三端振蕩器 ( (哈特萊振蕩器哈特萊振蕩器) ) 7.6.3 電容反饋式三端振蕩器電容反饋式三端振蕩器 ( (考畢茲振蕩器考畢茲振蕩器) ) 7.6.4 LC三端式振蕩器相位平衡條件三端式振蕩器相位平衡條件 的判斷準(zhǔn)則的判斷準(zhǔn)則 放大器與振蕩器本質(zhì)上都是將直流電能轉(zhuǎn)化為交放大

20、器與振蕩器本質(zhì)上都是將直流電能轉(zhuǎn)化為交 流電能，不同之處在于：放大器需要外加控制信號(hào)而流電能，不同之處在于：放大器需要外加控制信號(hào)而 振蕩器不需要。因此，如果將放大器的輸出正反饋回振蕩器不需要。因此，如果將放大器的輸出正反饋回 輸入端，以提供控制能量轉(zhuǎn)換的信號(hào)，就可能形成振輸入端，以提供控制能量轉(zhuǎn)換的信號(hào)，就可能形成振 蕩器。蕩器。 如果由如果由LC諧振回路通過(guò)互感耦合將輸出信號(hào)送諧振回路通過(guò)互感耦合將輸出信號(hào)送 回輸入回路，所形成的是互感耦合振蕩器。回輸入回路，所形成的是互感耦合振蕩器。 由互感耦合同名端定義可判知，反饋網(wǎng)絡(luò)形成由互感耦合同名端定義可判知，反饋網(wǎng)絡(luò)形成 正反饋，滿足相位平衡條

21、件。如果再滿足起振條件，正反饋，滿足相位平衡條件。如果再滿足起振條件， 就符合基本原理。就符合基本原理。 判斷電路是否滿足產(chǎn)生振蕩相位條件的方法：切判斷電路是否滿足產(chǎn)生振蕩相位條件的方法：切 環(huán)注入法環(huán)注入法 1）在電路中某一個(gè)合適的位置（往往是放大器的輸入）在電路中某一個(gè)合適的位置（往往是放大器的輸入 2）在斷開(kāi)處的一側(cè)（往往是放大器的輸入端）對(duì)地）在斷開(kāi)處的一側(cè)（往往是放大器的輸入端）對(duì)地 端）把電路斷開(kāi)（用端）把電路斷開(kāi)（用號(hào)表示）。號(hào)表示）。 引入一個(gè)外加電壓源引入一個(gè)外加電壓源, i V 該電壓源的頻率從低到高該電壓源的頻率從低到高 覆蓋回路的諧振頻率。覆蓋回路的諧振頻率。 3）看經(jīng)

22、過(guò)放大器反饋網(wǎng)絡(luò)之后轉(zhuǎn)回到斷開(kāi)處的另一側(cè)）看經(jīng)過(guò)放大器反饋網(wǎng)絡(luò)之后轉(zhuǎn)回到斷開(kāi)處的另一側(cè) 對(duì)地的電壓對(duì)地的電壓, f V 是否與是否與 i V 同相，若同相則其中必有同相，若同相則其中必有 某一頻率滿足自激振蕩的相位條件（注意這里是某一頻率滿足自激振蕩的相位條件（注意這里是 實(shí)際方向），電路有振蕩的可能。實(shí)際方向），電路有振蕩的可能。 )( ebegcgeb VVVV 00 為正反饋為正反饋 由于三極管結(jié)電容和其它分布電容的存在，在頻率較高由于三極管結(jié)電容和其它分布電容的存在，在頻率較高 而而LC回路電容較小時(shí)，將影響穩(wěn)定性回路電容較小時(shí)，將影響穩(wěn)定性,一般用于中短波波段。一般用于中短波波段。

23、如果正反饋網(wǎng)絡(luò)由如果正反饋網(wǎng)絡(luò)由LC諧振回路中的電感分壓電路將輸出信諧振回路中的電感分壓電路將輸出信 號(hào)送回輸入回路，所形成的是電感反饋式三端振蕩器。號(hào)送回輸入回路，所形成的是電感反饋式三端振蕩器。L1兩端兩端 電壓大約是電壓大約是L2的的25倍。倍。 ML ML F 1 2 ffoi VVIVV - 2 - 2 L1L2 C ML ML F 1 2 1 2 L L 電路的特點(diǎn)電路的特點(diǎn): : 4 容易起振容易起振 F A 1 變電容而不影響變電容而不影響F。 4調(diào)整頻率方便 調(diào)整頻率方便 4振蕩波形不夠好 振蕩波形不夠好 高次諧波反饋較強(qiáng)，高次諧波反饋較強(qiáng)， 波形失真較大。波形失真較大。 4

24、不適于很高頻率工作 不適于很高頻率工作 分布電容和極間電容并聯(lián)于分布電容和極間電容并聯(lián)于L1與與L2兩兩 端，端，F(xiàn)隨頻率變化而改變，嚴(yán)重時(shí)可隨頻率變化而改變，嚴(yán)重時(shí)可 使使F減小到滿足不了起振條件。其工減小到滿足不了起振條件。其工 作頻率雖然可達(dá)到甚高頻波段，但在作頻率雖然可達(dá)到甚高頻波段，但在 甚高頻波段里，優(yōu)先選用的還是電容甚高頻波段里，優(yōu)先選用的還是電容 反饋振蕩器。反饋振蕩器。 ie C oe C L1L2 C o V f V )(HPF 高通 I 2 1 C C F 如果正反饋網(wǎng)絡(luò)由如果正反饋網(wǎng)絡(luò)由LC諧振回路中的電容分壓電路將輸出諧振回路中的電容分壓電路將輸出 信號(hào)送回輸入回路，

25、所形成的是電容反饋式三端振蕩器。信號(hào)送回輸入回路，所形成的是電容反饋式三端振蕩器。 C2/C1取取1/21/8較為適宜。較為適宜。 ffcebe VVIVV - 2 2 - C1C2 L C1C2 L 電路的特點(diǎn)電路的特點(diǎn): : ie C oe C o V f V 變電容影響變電容影響F，變電感不便。，變電感不便。 4調(diào)整頻率不太方便 調(diào)整頻率不太方便 4輸出波形較好 輸出波形較好 高次諧波反饋較弱，高次諧波反饋較弱， 波形接近正弦波。波形接近正弦波。 4頻率穩(wěn)定度較好 頻率穩(wěn)定度較好 分布電容和極間電容并聯(lián)于分布電容和極間電容并聯(lián)于C1與與 C2兩端，被較大兩端，被較大C1與與C2 吸收。吸

26、收。 4 適用于較高的工作頻率適用于較高的工作頻率 甚至可只利用器件的輸入電容甚至可只利用器件的輸入電容 和輸出電容。和輸出電容。)(LPF 低通 回顧回顧LC三端式振蕩器的基本電路，發(fā)現(xiàn)其電路結(jié)構(gòu)存三端式振蕩器的基本電路，發(fā)現(xiàn)其電路結(jié)構(gòu)存 在一個(gè)規(guī)律：晶體管的集電極在一個(gè)規(guī)律：晶體管的集電極發(fā)射極（發(fā)射極（ce）之間和基）之間和基 極極發(fā)射極（發(fā)射極（be）之間回路元件的電抗性質(zhì)相同）之間回路元件的電抗性質(zhì)相同; 它們與集它們與集 電極電極基極之間基極之間(bc)回路元件的電抗性質(zhì)相反。它具有普回路元件的電抗性質(zhì)相反。它具有普 遍意義嗎？下面就此證明。遍意義嗎？下面就此證明。 L1L2 C

27、C1C2 L 為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我們假定諧振回為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我們假定諧振回 路三個(gè)元件都是純電抗，即路三個(gè)元件都是純電抗，即 振蕩器的振蕩頻率等于回路的固有振蕩器的振蕩頻率等于回路的固有 諧振頻率，即諧振頻率，即 0=+=+ 321cbbece XXXXXX 結(jié)論結(jié)論: : 1ce1 =j=jXXZ 2be2 =j=jXXZ 3cb3 =j=jXXZ 三端式振蕩器的構(gòu)成法則：三端式振蕩器的構(gòu)成法則： )( 1 X ce X與與 be X )( 2 X符號(hào)相同，符號(hào)相同， cb X)( 3 X的符號(hào)相的符號(hào)相 反。反。 例例7.6.1:7.6.1: 振蕩器電路如圖振蕩器電路如圖7.6.5所示，圖中所示，

28、圖中C1=100pF, 圖圖7.6.5 C2=0.0132F，L1=100H,L2=300H。 1）試畫(huà)出交流等效電路；）試畫(huà)出交流等效電路； 2）求振蕩頻率；）求振蕩頻率； 3）用矢量圖判斷是否滿足）用矢量圖判斷是否滿足 相位平衡條件；相位平衡條件； 4）求電壓反饋系數(shù)）求電壓反饋系數(shù)F； 5）當(dāng)放大器的電壓放大系數(shù)）當(dāng)放大器的電壓放大系數(shù) A=(hfe/hie)R/p，hie=3k，回路，回路 有載品質(zhì)因數(shù)有載品質(zhì)因數(shù)QL=20時(shí)，求滿足時(shí)，求滿足 振蕩條件所需振蕩條件所需hfe的最小值。的最小值。 圖圖7.6.5圖圖7.6.6 例例7.6.1:7.6.1: 解：解：1）交流等效電路如圖）

29、交流等效電路如圖7.6.6所示。所示。 2）振蕩角頻率為）振蕩角頻率為 2 + 1 21 21 )+( 11 0 = CC CC LL LC 例例7.6.1:7.6.1: 2 + 1 21 21 )+( 11 0 = CC CC LL LC srad /= 12- 13200+100 13200100 6- 1010)100+300( 1 srad/105= 6 Z kHf796= 20 0 11 LC 支路的諧振角頻率為支路的諧振角頻率為 1 1 1 = LC 圖圖7.6.6 srad/= 12-6- 1010010100 1 srad/1010= 6 例例7.6.1:7.6.1: 圖圖7.

30、6.6 由于由于, 01 因此因此L1C1在在 0 時(shí)呈電容性，可用一等效電容時(shí)呈電容性，可用一等效電容 / 1 C表示。圖表示。圖7.6.6所示電路即成為所示電路即成為 電容三端式振蕩器。電容三端式振蕩器。 i V c V f V L I 3）矢量圖如圖）矢量圖如圖7.6.7所示，畫(huà)所示，畫(huà) 出的次序是：以輸入電壓出的次序是：以輸入電壓 i V 為準(zhǔn)， 為準(zhǔn)， 圖圖7.6.7 回路電壓回路電壓 c V 與與 i V 倒相倒相 。 0 180 由于由于 L1C1為容性支路，因此為容性支路，因此L2C2支路支路 必為電感性，由必為電感性，由 c V 在在L2C2支路內(nèi)所產(chǎn)支路內(nèi)所產(chǎn) 生的電流生的

31、電流 L I 應(yīng)滯后電壓應(yīng)滯后電壓 c V 。 0 90 例例7.6.1:7.6.1: 圖圖7.6.6 i V c V f V L I 圖圖7.6.7 L I 在電容在電容C2上所產(chǎn)生的反饋上所產(chǎn)生的反饋 電壓電壓 f V 應(yīng)滯后于應(yīng)滯后于 L I 。 0 90 由圖由圖 可見(jiàn)，可見(jiàn)， i V 與與 f V 同相，滿足了同相，滿足了 相位平衡條件，可以產(chǎn)生振蕩。相位平衡條件，可以產(chǎn)生振蕩。 4）電壓反饋系數(shù)為）電壓反饋系數(shù)為 )-10100105 (= -= 12- 6 10 10100105 16-6 1 101C LX 1500-=2000)-500(= 1 2 = X X V V C c

32、 f F 例例7.6.1:7.6.1: 圖圖7.6.6 i V c V f V L I 圖圖7.6.7 20 2 1- = CC X 12-6 1013200105 1- = 15-= 所以所以 01. 0= 1500- 15- F 5）回路波阻抗為）回路波阻抗為 )+(= 210 LL C L CC CC = 2 + 1 2 1 0 1 )( + 2 + 1 21 21 = CC CC LL 2010= 12- 10)13200+100( 24- 1013200)(100 -6 10)300+100( 例例7.6.1:7.6.1: 圖圖7.6.6 i V c V f V L I 圖圖7.6.

33、7 接入系數(shù)接入系數(shù)74. 0= 2010 15001 X p 與振蕩管輸出端耦合的回路等與振蕩管輸出端耦合的回路等 效諧振阻抗為效諧振阻抗為 201020)74. 0(= = 2 2/ LP QpR k22= 振蕩條件為振蕩條件為100= 1, 01. 0 11 F AAF 由于由于 100= / Ph h RA ie fe 因而求得因而求得 7 .13=3 3 / 1022 103100 P ie R Ah fe h 所以滿足起振條件所需的所以滿足起振條件所需的 fe h最小為最小為13.7。 評(píng)價(jià)振蕩器頻率的主要指標(biāo)有兩個(gè)，即：準(zhǔn)確度與穩(wěn)定評(píng)價(jià)振蕩器頻率的主要指標(biāo)有兩個(gè)，即：準(zhǔn)確度與穩(wěn)定

34、 度。振蕩器實(shí)際工作頻率度。振蕩器實(shí)際工作頻率f與標(biāo)稱頻率與標(biāo)稱頻率 f 0之間的偏差，稱為之間的偏差，稱為 振蕩頻率準(zhǔn)確度。振蕩頻率準(zhǔn)確度。 通常分為絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度與相對(duì)頻率準(zhǔn)確度兩種，其表通常分為絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度與相對(duì)頻率準(zhǔn)確度兩種，其表 達(dá)式為達(dá)式為 振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，頻率準(zhǔn)確振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，頻率準(zhǔn)確 度的變化。度的變化。 根據(jù)所指定的時(shí)間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為長(zhǎng)期根據(jù)所指定的時(shí)間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為長(zhǎng)期 頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬間頻率穩(wěn)定度三種。頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬間頻率穩(wěn)定度三種。 影響振蕩頻率的有如下三種因素：影

35、響振蕩頻率的有如下三種因素： ）振蕩回路參數(shù)）振蕩回路參數(shù)與與; ）回路電阻）回路電阻； ）有源器件的參數(shù)。）有源器件的參數(shù)。 盡管電容盡管電容三端式振蕩器較三端式振蕩器較電感電感三端式振蕩器的穩(wěn)定性好，三端式振蕩器的穩(wěn)定性好， 但是它是以較大的電容但是它是以較大的電容C1和和C2，即以下降最高工作頻率上限，即以下降最高工作頻率上限 為代價(jià)。為代價(jià)。此外，輸入、輸出電阻的界入也會(huì)降低諧振回路的此外，輸入、輸出電阻的界入也會(huì)降低諧振回路的 Q Q值，降低選頻特性，造成輸出波形偏離正弦波。值，降低選頻特性，造成輸出波形偏離正弦波。 1. 1. 克拉潑電路克拉潑電路 321 111 1 CCC C

36、1 3 1 ce C C C C p 3 11 LCLC ie C oe C 2 1 + + 2 1 C C F ie oe CC CC 1b R 2b R c R e C e R 1 C 2 C 3 C L CC V b C 1. 1. 克拉潑電路克拉潑電路 1. 1. 克拉潑電路克拉潑電路 克拉潑電路的優(yōu)缺點(diǎn)：克拉潑電路的優(yōu)缺點(diǎn)： 3 11 LCLC 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 適當(dāng)解決了頻率穩(wěn)定性的問(wèn)題。適當(dāng)解決了頻率穩(wěn)定性的問(wèn)題。 不穩(wěn)定電容與不穩(wěn)定電容與C1，C2并并 聯(lián)，不影響諧振頻率。聯(lián)，不影響諧振頻率。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 1 3 1 ce = C C C C p 31 CC 即電極即電極發(fā)射極兩

37、端的接入發(fā)射極兩端的接入 系數(shù)系數(shù) ce p 下降，使等效負(fù)載下降，使等效負(fù)載 阻抗減小，振蕩幅度降低。阻抗減小，振蕩幅度降低。 ie C oe C 幅度不平穩(wěn)。幅度不平穩(wěn)。 )( 11 43 CCLLC 2.2.西勒電路西勒電路 2 1 + + 2 1 C C F ie oe CC CC 3 321 / 1 + 1 + 1 1 =C CCC C 43 +CCC )+( )+)(+( +1 1 = ce 23 2301 ie iee CCC CCCCC p L C1 C2 C3 C4 A ie C oe C B 2.2.西勒電路西勒電路 西勒電路的優(yōu)缺點(diǎn)：西勒電路的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）適

38、當(dāng)解決了頻率穩(wěn)）適當(dāng)解決了頻率穩(wěn) 定性的問(wèn)題。定性的問(wèn)題。 )( 11 43 CCLLC 不穩(wěn)定電容與不穩(wěn)定電容與C1，C2并并 聯(lián)，不影響諧振頻率。聯(lián)，不影響諧振頻率。 2）振蕩幅度比較平穩(wěn)，克服了克）振蕩幅度比較平穩(wěn)，克服了克 拉拉 潑電路使振蕩幅度減小的缺陷。潑電路使振蕩幅度減小的缺陷。 )+( )+)(+( +1 1 = ce 23 2301 ie iee CCC CCCCC p L C1 C2 C3 C4 A ie C oe C B ce p 與與 4 C無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 4 C 改變振蕩頻率時(shí)，改變振蕩頻率時(shí)，ce p 不變。不變。 7.8.1 并聯(lián)諧振型晶體振蕩器并聯(lián)諧振型

39、晶體振蕩器 7.8.2 串聯(lián)諧振型晶體振蕩器串聯(lián)諧振型晶體振蕩器 7.8.3 泛音晶體振蕩器泛音晶體振蕩器 一般一般LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度f(wàn) /f0只能達(dá)到只能達(dá)到10-3 10-5。若。若 要求頻率穩(wěn)定度超過(guò)要求頻率穩(wěn)定度超過(guò)10-5，需用石英晶體振蕩器。，需用石英晶體振蕩器。 ）石英晶體的物理和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定；）石英晶體的物理和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定； ）晶體的）晶體的值可高達(dá)數(shù)百萬(wàn)數(shù)量級(jí)；值可高達(dá)數(shù)百萬(wàn)數(shù)量級(jí)； ）在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi)，）在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi)， 具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對(duì)頻率變化具有極具有極陡峭的電抗特性曲線

40、，因而對(duì)頻率變化具有極 靈敏的補(bǔ)償能力。靈敏的補(bǔ)償能力。 1. 石英晶體濾波器的特點(diǎn)石英晶體濾波器的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：用石英晶體作為振蕩回路元件，就能使振蕩器的頻優(yōu)點(diǎn)：用石英晶體作為振蕩回路元件，就能使振蕩器的頻 率穩(wěn)定度大大提高。率穩(wěn)定度大大提高。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：?jiǎn)晤l性，即每塊晶體只能提供一個(gè)穩(wěn)定的振蕩頻率， 單頻性，即每塊晶體只能提供一個(gè)穩(wěn)定的振蕩頻率， 不能直接用于波段振蕩器。不能直接用于波段振蕩器。 2. 石英晶體濾波器的應(yīng)用石英晶體濾波器的應(yīng)用 O X 容性容性 容性容性 感感 性 性 q f p f 4 作電感用作電感用 4 工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)工作于串聯(lián)諧振狀態(tài) 因此，振蕩電路可分為兩類：

41、一類是作為等效電感元件，稱因此，振蕩電路可分為兩類：一類是作為等效電感元件，稱 為并聯(lián)諧振型晶體振蕩器；另一類是作為串聯(lián)諧振元件，稱為為并聯(lián)諧振型晶體振蕩器；另一類是作為串聯(lián)諧振元件，稱為 串聯(lián)諧振型晶體振蕩器。串聯(lián)諧振型晶體振蕩器。 2. 石英晶體濾波器的應(yīng)用石英晶體濾波器的應(yīng)用 C0 (a) (b) Cq Lq rq C0 Cq1 Lq1 rq1 Cq3 Lq3 rq3 Cq5 Lq5 rq5 Cqk Lqk rqk (c) 石英晶體諧振器 (a) 符號(hào) (b) 基頻等效電路 (c) 完整等效電路 除了以上基頻振動(dòng)模式外，石英片的振動(dòng)還會(huì)產(chǎn)生奇次除了以上基頻振動(dòng)模式外，石英片的振動(dòng)還會(huì)產(chǎn)生

42、奇次 （2n-1）諧波的泛音振動(dòng)。）諧波的泛音振動(dòng)?；l振動(dòng)模式時(shí)，產(chǎn)生奇次諧波諧基頻振動(dòng)模式時(shí)，產(chǎn)生奇次諧波諧 振的支路因阻抗較高可忽略。振的支路因阻抗較高可忽略。 4 奇次諧波的泛音振動(dòng)奇次諧波的泛音振動(dòng) 這類晶體振蕩器的振蕩原理和一般反饋式這類晶體振蕩器的振蕩原理和一般反饋式LC振蕩器相振蕩器相 同，只是把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為一個(gè)感同，只是把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為一個(gè)感 性元件，并與其他回路元件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組性元件，并與其他回路元件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組 成三端振蕩器。根據(jù)這種原理，在理論上可以構(gòu)成三種類型成三端振蕩器。根據(jù)這種原理，在理

43、論上可以構(gòu)成三種類型 基本電路。但實(shí)際常用的只是圖基本電路。但實(shí)際常用的只是圖7.8.1所示的兩種基本類型。所示的兩種基本類型。 皮爾斯皮爾斯 電路電路 密勒密勒 電路電路 b-c型和型和b-e型振蕩電路比較：型振蕩電路比較： b-e型電路的輸出信號(hào)較大，型電路的輸出信號(hào)較大，L1C1回路還可以回路還可以 抑制其他諧波，但頻率穩(wěn)定度不如抑制其他諧波，但頻率穩(wěn)定度不如b-c型電路。在型電路。在 頻率穩(wěn)定度要求較高的電路中，幾乎都采用頻率穩(wěn)定度要求較高的電路中，幾乎都采用b-c型型 電路。電路。 石英晶體與石英晶體與LC三端電路穩(wěn)頻方面比較：三端電路穩(wěn)頻方面比較： 石英晶體在穩(wěn)頻方面有一顯著特點(diǎn)，

44、即一旦因外界石英晶體在穩(wěn)頻方面有一顯著特點(diǎn)，即一旦因外界 因素變化而影響到晶體的回路固有頻率時(shí)，還具有力圖因素變化而影響到晶體的回路固有頻率時(shí)，還具有力圖 使頻率保持不變的電抗補(bǔ)償能力。使頻率保持不變的電抗補(bǔ)償能力。 石英晶體的基頻越高，晶片的厚度越薄。頻率太高時(shí)，晶石英晶體的基頻越高，晶片的厚度越薄。頻率太高時(shí)，晶 片的厚度太薄，加工困難，且易振碎。因此在要求更高頻率工片的厚度太薄，加工困難，且易振碎。因此在要求更高頻率工 作時(shí)，可以在晶體振蕩器后面加作時(shí)，可以在晶體振蕩器后面加倍頻器倍頻器。另一個(gè)辦法就是令晶。另一個(gè)辦法就是令晶 體工作于它的泛音頻率上，構(gòu)成體工作于它的泛音頻率上，構(gòu)成泛音

45、晶體振蕩器泛音晶體振蕩器。 所謂所謂泛音泛音，是指石英片振動(dòng)的機(jī)械諧波。它與電氣諧波，是指石英片振動(dòng)的機(jī)械諧波。它與電氣諧波 的主要區(qū)別是：電氣諧波與基波是整數(shù)倍關(guān)系，且諧波與基波的主要區(qū)別是：電氣諧波與基波是整數(shù)倍關(guān)系，且諧波與基波 同時(shí)并存；泛音則與基頻不成整數(shù)倍關(guān)系，只是在基頻奇數(shù)倍同時(shí)并存；泛音則與基頻不成整數(shù)倍關(guān)系，只是在基頻奇數(shù)倍 附近，且兩者不能同時(shí)存在。由于晶體片實(shí)際上是一個(gè)具有分附近，且兩者不能同時(shí)存在。由于晶體片實(shí)際上是一個(gè)具有分 布參數(shù)的三維系統(tǒng)，它的固有頻率從理論上來(lái)說(shuō)有無(wú)限多個(gè)。布參數(shù)的三維系統(tǒng)，它的固有頻率從理論上來(lái)說(shuō)有無(wú)限多個(gè)。 泛音晶體諧振器在應(yīng)用時(shí)需設(shè)計(jì)一種具

46、有抑制非工作諧波的泛泛音晶體諧振器在應(yīng)用時(shí)需設(shè)計(jì)一種具有抑制非工作諧波的泛 音振蕩電路使其工作在指定的泛音頻率上。音振蕩電路使其工作在指定的泛音頻率上。 若泛音晶體的標(biāo)稱泛音次數(shù)為若泛音晶體的標(biāo)稱泛音次數(shù)為5，相應(yīng)的標(biāo)稱頻率為，相應(yīng)的標(biāo)稱頻率為 5MHz，則，則L1C1諧振回路應(yīng)調(diào)諧在諧振回路應(yīng)調(diào)諧在35次泛音頻率之間，如次泛音頻率之間，如 3.5MHz。在。在5MHz, L1C1諧振回路呈容性，滿足相位平衡條件。諧振回路呈容性，滿足相位平衡條件。 而對(duì)于基頻和而對(duì)于基頻和3次泛音頻率來(lái)次泛音頻率來(lái) 說(shuō)，說(shuō)， L1C1回路呈感性，振蕩器不滿回路呈感性，振蕩器不滿 足相位平衡條件，不能產(chǎn)生振蕩。

47、足相位平衡條件，不能產(chǎn)生振蕩。 而對(duì)于而對(duì)于7次及其以上的泛音頻率，次及其以上的泛音頻率， L1C1回路呈容性，但其電容量過(guò)大，回路呈容性，但其電容量過(guò)大， 負(fù)載阻抗過(guò)小，不能滿足振幅平負(fù)載阻抗過(guò)小，不能滿足振幅平 衡條件，也不能起振。衡條件，也不能起振。 B O 電納電納 C B=C 1 L 1 L 感性感性 容性容性 P sn Rr pn Gg 7.10.1 寄生振蕩現(xiàn)象寄生振蕩現(xiàn)象 7.10.2 自偏壓建立過(guò)程與間歇振蕩現(xiàn)象自偏壓建立過(guò)程與間歇振蕩現(xiàn)象 v 放大器工作不穩(wěn)定放大器工作不穩(wěn)定 v 被傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生失真被傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生失真 v 引起晶體管的引起晶體管的PN結(jié)被擊穿或瞬時(shí)損壞結(jié)被擊穿或瞬時(shí)損壞