第4章_正弦波振蕩器

1、第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路1第4章 正弦波振蕩器 引言4.1 反饋振蕩器的原理 4.2 LC 振 蕩 器4.3 振蕩器的頻率穩(wěn)定度4.4 LC振蕩器的設(shè)計(jì)方法4.5 石英晶體振蕩器 4.6 振蕩器中的幾種現(xiàn)象第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路 引言引言LCR電路的瞬變現(xiàn)象電路的瞬變現(xiàn)象當(dāng)開關(guān)當(dāng)開關(guān)S S合上時(shí)，可得回路電流方程：合上時(shí)，可得回路電流方程：求解微分方程得到電流為求解微分方程得到電流為其中其中 ，222dd10ddiRiitLtLC222200220()2tVieeeL 2RL 01LC 第第4 4章章 正弦波振蕩

2、器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路3 時(shí)電流振蕩波形：時(shí)電流振蕩波形：220 可見，要維持等幅振蕩，可見，要維持等幅振蕩，有兩種方法：有兩種方法：1. 使回路電阻為零；使回路電阻為零；2. 定時(shí)補(bǔ)充能量。定時(shí)補(bǔ)充能量。對(duì)應(yīng)兩類振蕩器：對(duì)應(yīng)兩類振蕩器：1. 負(fù)阻振蕩器；負(fù)阻振蕩器；2. 正反饋振蕩器。正反饋振蕩器。第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路44.1 反饋振蕩器的原理 一、反饋振蕩器的原理分析一、反饋振蕩器的原理分析 1、反饋振蕩器的組成、反饋振蕩器的組成：放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分。放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分。 反饋型振蕩器的原理框圖如圖反饋型振蕩器的原理框圖如

3、圖4-1所示。反饋型振蕩器所示。反饋型振蕩器是由是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路, 放大器通常是放大器通常是以某種選頻網(wǎng)絡(luò)以某種選頻網(wǎng)絡(luò)(如諧振回路如諧振回路)作負(fù)載作負(fù)載, 是一調(diào)諧放大器是一調(diào)諧放大器, 反反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路5第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路6( )( )( )isiU sUsU s( )( )( ) ( )( )iiU sT sK s F sU s (4-1) (4-2) (4

4、-3) (4-4) (4-5) (4-6)得 T(s)為環(huán)路增益為環(huán)路增益： 2、自激振蕩的條件分析、自激振蕩的條件分析 閉環(huán)電壓放大倍數(shù)閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Ku(s)： ( )( )ouSUsKUs( )( )( )ioU sF sUs( )( )( )oiUsK sU s電壓反饋系數(shù)為電壓反饋系數(shù)為F(s)，則開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)K(s)：由( )( )( )1( ) ( )1( )uK sK sKsK s F sT s第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路7自激振蕩的條件：就是環(huán)路增益為自激振蕩的條件：就是環(huán)路增益為1, 即即 1)()()(jFjKjT

5、(4-7) 通常又稱為振蕩器的平衡條件振蕩器的平衡條件。 由式(4-5)還可知,)()(,1)(,)()(,1)(sUsUjTsUsUjTiiii形成增幅振蕩增幅振蕩 形成減幅振蕩減幅振蕩(4-8)第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路8二、平衡條件二、平衡條件 根據(jù)前面分析，振蕩器的根據(jù)前面分析，振蕩器的平衡條件平衡條件為：為：()() ()1()120,1,2TKFT jK jF jT jKFnn 也可以表示為：(4-9a) (4-9b) 式(4-9a)和(4-9b)分別稱為振幅平衡條件振幅平衡條件和相位平衡條件相位平衡條件。 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振

6、蕩器高頻電子線路高頻電子線路9三、起振條件三、起振條件 為了起振為了起振, , 即從即從0 0到開始振蕩，應(yīng)使振蕩開始時(shí)反饋到開始振蕩，應(yīng)使振蕩開始時(shí)反饋回來的信號(hào)比輸入到放大器的信號(hào)大回來的信號(hào)比輸入到放大器的信號(hào)大, , 即應(yīng)為增幅振蕩即應(yīng)為增幅振蕩, , 因而由式因而由式(4-8)(4-8)可知可知1)(jT稱為自激振蕩的起振條件, 也可寫為 ()120,1,2,TKFT jKFnn (4-16a) (4-16b) 式(4-16a)和(4-16b)分別稱為起振的振幅條件起振的振幅條件和相位條件相位條件, 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路10四、穩(wěn)定條件 1

7、、振蕩器穩(wěn)定概念的提出振蕩器穩(wěn)定概念的提出： 2、振蕩器的穩(wěn)定條件振蕩器的穩(wěn)定條件 (1) 振幅穩(wěn)定條件振幅穩(wěn)定條件 要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力。具體來說，就是在平衡點(diǎn)附近，當(dāng)不穩(wěn)定因變化的能力。具體來說，就是在平衡點(diǎn)附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅增大時(shí)，環(huán)路增益將減小，從而使振幅減小。反素使振幅增大時(shí)，環(huán)路增益將減小，從而使振幅減小。反之振幅減小時(shí)，環(huán)路增益將增大，從而使振幅增大。即之振幅減小時(shí)，環(huán)路增益將增大，從而使振幅增大。即振振幅穩(wěn)定條件為：幅穩(wěn)定條件為： 0iiQUUiKU第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高

8、頻電子線路高頻電子線路11(2)、相位穩(wěn)定條件、相位穩(wěn)定條件 一個(gè)正弦信號(hào)的瞬時(shí)相位一個(gè)正弦信號(hào)的瞬時(shí)相位和它的瞬時(shí)頻率和它的瞬時(shí)頻率之間有關(guān)之間有關(guān)系：系：( )dtdt (4-19) 考慮簡諧振動(dòng)：考慮簡諧振動(dòng)：( )cos ( )mu tUt0100( )( )ttt dt 兩邊微分得兩邊微分得( )dtdt第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路12(2)、相位穩(wěn)定條件、相位穩(wěn)定條件正弦信號(hào)的相位正弦信號(hào)的相位和它的頻率和它的頻率之間的關(guān)系是之間的關(guān)系是ddt若外因引起相角變化若外因引起相角變化 ，則會(huì)有，則會(huì)有 ， 即振即振蕩頻率增加，因此相位變化引起頻率變化

9、的趨勢(shì)是：蕩頻率增加，因此相位變化引起頻率變化的趨勢(shì)是：00dd(4-20) 0 00dd因此，為了使振蕩器相位平衡，必須使頻率變化時(shí)產(chǎn)因此，為了使振蕩器相位平衡，必須使頻率變化時(shí)產(chǎn)生相反方向的相位變化，以補(bǔ)償外因引起的相位變化。生相反方向的相位變化，以補(bǔ)償外因引起的相位變化。因此相位穩(wěn)定條件是：因此相位穩(wěn)定條件是：第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路振蕩器的完整框圖為：振蕩器的完整框圖為：振蕩器的相移為：振蕩器的相移為：式中，式中， 為晶體管正向傳輸導(dǎo)納的相移；為晶體管正向傳輸導(dǎo)納的相移； 是負(fù)載回路是負(fù)載回路的相移；的相移； 為反饋網(wǎng)絡(luò)的相移。所以有：為反饋網(wǎng)絡(luò)

10、的相移。所以有：一般有一般有13KFYLF YZFYLFYLFL因此相位的穩(wěn)定條件是：因此相位的穩(wěn)定條件是：0L第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路14圖圖 4-4 諧振回路的相頻特性諧振回路的相頻特性穩(wěn)頻機(jī)構(gòu)：穩(wěn)頻機(jī)構(gòu)：負(fù)載諧振回路，其相頻曲線如圖。負(fù)載諧振回路，其相頻曲線如圖。穩(wěn)頻機(jī)理：穩(wěn)頻機(jī)理：1()0YLF 若振蕩器在若振蕩器在 時(shí)處于平衡態(tài)，時(shí)處于平衡態(tài)，則有：則有：1若干擾使頻率變化為若干擾使頻率變化為由圖可得由圖可得21 21()() 故有故有2()0YLF 由頻率與相位的關(guān)系知，頻率會(huì)降低，直至回到由頻率與相位的關(guān)系知，頻率會(huì)降低，直至回到 ，并且并

11、且Q值越高，相位穩(wěn)定性越高。值越高，相位穩(wěn)定性越高。1第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路154.2 LC 振 蕩 器 一、一、振蕩器的組成原則 1、振蕩基本電路、振蕩基本電路三端式的概念三端式的概念 基本電路就是通常所說的三端式基本電路就是通常所說的三端式(又稱三點(diǎn)式又稱三點(diǎn)式)的振蕩器的振蕩器, 即即LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而成的電回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而成的電路路, 如圖如圖4-5所示。所示。 Ic.VUb.Uc.X2X1X3I.圖 4-5三端式振蕩器的組成 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路

12、16 2、三端式振蕩電路的構(gòu)成原則、三端式振蕩電路的構(gòu)成原則 根據(jù)諧振回路的性質(zhì)根據(jù)諧振回路的性質(zhì), 諧振時(shí)回路應(yīng)呈純電阻性諧振時(shí)回路應(yīng)呈純電阻性, 因而因而有：有：0321XXX(4-21) 因此三個(gè)電抗元件不能是同性質(zhì)元件三個(gè)電抗元件不能是同性質(zhì)元件。一般情況下, 回路Q值很高, 因此回路電流遠(yuǎn)大于晶體管的基極電流 ?b 、集電極電流 ? c以及發(fā)射極電流 ?e, 故由圖4-5有21bcUjX IUjX I (4-22a) (4-22b) 因此X1、 X2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件。 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路17 綜上所述，從綜上所述，

13、從相位平衡條件判斷圖相位平衡條件判斷圖4-5電路能否振蕩的原電路能否振蕩的原則為：則為： (1) X1、 X2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件。 即與晶體管發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件性質(zhì)相同，要么均為感性元件，要么均為容性元件。 (2) X3與與X1、 X2的電抗性質(zhì)相反。的電抗性質(zhì)相反。即與晶體管基極相連的兩個(gè)電抗元件性質(zhì)相反。 可以簡稱為：可以簡稱為：“射同余異射同余異”或或“射同基反射同基反”。第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路18 三端式振蕩器有兩種基本電路三端式振蕩器有兩種基本電路, 如圖如圖4-6所示。所示。 圖圖4-6 (a)中中X1和和X2為

14、容性為容性, X3為感性為感性, 滿足三端式振蕩器滿足三端式振蕩器的組成原則的組成原則, 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)是由是由電容元件完成電容元件完成的的, 稱為稱為電容電容反饋振蕩器反饋振蕩器, 也稱為也稱為考必茲考必茲(Colpitts)振蕩器。振蕩器。 LC2C1V(a)CL2L1V(b)X2X1X3X3X1X2 圖 4-6兩種基本的三端式振蕩器(a) 電容反饋振蕩器; (b) 電感反饋振蕩器 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路19 圖圖4-6 (b)中中X1和和X2為感性為感性, X3為容性為容性, 滿足三端式振蕩滿足三端式振蕩器的組成原則器的組成原則, 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋

15、網(wǎng)絡(luò)是由是由電感元件完成電感元件完成的的, 稱為稱為電感電感反饋振蕩器反饋振蕩器, 也稱為也稱為哈特萊哈特萊(Hartley)振蕩器。振蕩器。 LC2C1V(a)CL2L1V(b)X2X1X3X3X1X2 圖 4-6兩種基本的三端式振蕩器(a) 電容反饋振蕩器; (b) 電感反饋振蕩器 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路20例例4-14-1： 下圖是一個(gè)三回路振蕩器的等效電路，試分析下述四種情況是否都能振蕩，振蕩頻率f1與回路諧振頻率有何關(guān)系？屬于何種類型的振蕩器？解：解：根據(jù)“射同余異”原則，回路1,2的電抗性質(zhì)應(yīng)該相同，并與3相反。于是諧振頻率必須滿足：或11

16、2233112233112233112233(1) (2) (3) (4) LCL CL CLCL CL CLCL CL CLCL CL C030102max(,)fff030102min(,)fff第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路21二、二、電容三點(diǎn)式振蕩器考畢茲振蕩器 圖圖 4-8(a)是一是一電容反饋振蕩器的實(shí)際電路電容反饋振蕩器的實(shí)際電路, 圖圖(b)是是其其交流等效電路交流等效電路。 1、元器件作用分析、元器件作用分析 CbR1R2CeReC1C2EcLLc(a)VLC2C1V(b)第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路22

17、圖 4-9電容反饋振蕩器電路(a) 實(shí)際電路; (b) 交流等效電路; (c) 高頻等效電路2、電路的振蕩頻率及起振條件、電路的振蕩頻率及起振條件 電路的高頻小信號(hào)等效電路如圖電路的高頻小信號(hào)等效電路如圖4-9(c)所示。其中做了如所示。其中做了如下簡化：下簡化： 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路23 A、忽略了晶體管內(nèi)部反饋的影響，即、忽略了晶體管內(nèi)部反饋的影響，即Yre=0 B、忽略了晶體管的輸入輸出電容的影響、忽略了晶體管的輸入輸出電容的影響 C、忽略了晶體管集電極電流對(duì)輸入信號(hào)的的相移，將、忽略了晶體管集電極電流對(duì)輸入信號(hào)的的相移，將Yfe用跨導(dǎo)用跨導(dǎo)g

18、m表示。表示。（1）振蕩頻率）振蕩頻率 由由4-9可得：可得：消去上式中的消去上式中的 ，令多項(xiàng)式虛部為零可得振蕩頻率：令多項(xiàng)式虛部為零可得振蕩頻率：2221bCiemboCoeIUUj CgIg UUUj LIgj C ,bUI第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路241212C CCCC(4-23) (4-24) 其中其中：C為諧振回路的總電容 21211()1bcUCCKF jUCC（2）起振條件）起振條件 由圖4-8(c)可知, 當(dāng)不考慮不考慮gie的影響的影響時(shí), 反饋系數(shù)反饋系數(shù)F(j)的大小為(4-25) (4-26) 101LC112()1ieoeLg

19、ggLCC C第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路252112moeieCCgggCC令前述多項(xiàng)式的實(shí)部為令前述多項(xiàng)式的實(shí)部為0，可以求得振蕩平衡條件：，可以求得振蕩平衡條件：由于反饋系數(shù)K為 (4-27) (4-28) 1moeieggKgK故有起振條件為：故有起振條件為：12CKC第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路26三、三、電感反饋振蕩器哈特萊振蕩器 下圖是電感反饋振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。下圖是電感反饋振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。 1、元器件作用分析、元器件作用分析 CbR1R2CeReL1CEc(a)VL2Ucb.U

20、b.CL2L1V(b)第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路27 圖圖4-10 電感反饋振蕩器高頻等效電路電感反饋振蕩器高頻等效電路1mbieoegUIg g第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路28由基爾霍夫定律列寫網(wǎng)孔方程：由基爾霍夫定律列寫網(wǎng)孔方程：MLLL221(4-30) (4-31) 令上式系數(shù)行列式的虛部為零，即可解得振蕩頻率為令上式系數(shù)行列式的虛部為零，即可解得振蕩頻率為 12121()ieoeLCg gL LM 211211()()01()()()()20bbcieccboebcbcIj L IIj M IIgIj L II

21、j M IIUgIj L IIj L IIj MIj MIjMIj C 其中其中L是回路總電感：是回路總電感：第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路292、起振條件、起振條件令上式系數(shù)行列式的實(shí)部為零，即可解得平衡條件：21fFoULMKULM(4-33) 于是起振條件為：1moeieFFggg KK (4-34) 通常情況下有：212()ieoeLCg gL LM所以有101LC 1221moeieLMLMgggLMLM反饋系數(shù)為：(4-32) 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路30 3 3、電容三點(diǎn)式與電感三點(diǎn)式振蕩器比較、電容三點(diǎn)式

22、與電感三點(diǎn)式振蕩器比較 電容三點(diǎn)振蕩器電容三點(diǎn)振蕩器 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：輸出波形好，工作頻率可以做得較高；輸出波形好，工作頻率可以做得較高； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：調(diào)整頻率困難，不易起振。調(diào)整頻率困難，不易起振。 電感三點(diǎn)振蕩器電感三點(diǎn)振蕩器 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：起振容易，調(diào)整頻率方便。起振容易，調(diào)整頻率方便。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：輸出波形不好，頻率較高時(shí)不易起振。輸出波形不好，頻率較高時(shí)不易起振。 應(yīng)用：實(shí)用中較多應(yīng)用應(yīng)用：實(shí)用中較多應(yīng)用電容三點(diǎn)式振蕩器。電容三點(diǎn)式振蕩器。第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路31四、四、兩種改進(jìn)型電容反饋振蕩器u無論是電容反饋振蕩器還是電感反饋振蕩器，晶體管的極

23、間電容均會(huì)對(duì)振蕩頻率有影響，而極間電容受環(huán)境溫度、電源電壓等因素的影響較大，故他們的頻率穩(wěn)定度不高。如圖，振蕩頻率為：112121()()/()oeieoeieL CCCCCCCC 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路32 1. 克拉潑振蕩器克拉潑振蕩器 圖圖4-11是克拉潑振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路是克拉潑振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路 。它在。它在 電感支路上串聯(lián)一個(gè)很小的可變電容電感支路上串聯(lián)一個(gè)很小的可變電容C3（C3C1、C2）。）。R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C3(b)LRoC1C2C3V 圖 4-11 克拉潑振蕩器電路(a) 實(shí)際電路;

24、 (b) 交流等效電路 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路諧振回路的總電容諧振回路的總電容為：為： 33332111111213CCCCCCCC因此振蕩器的因此振蕩器的振蕩頻率為：振蕩頻率為：12311LCLC 特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1）由于電容）由于電容C3遠(yuǎn)小于電容遠(yuǎn)小于電容C1、C2，所以電容，所以電容C1、C2對(duì)對(duì) 振蕩器的振蕩頻率影響不大，因此振蕩器的振蕩頻率影響不大，因此可以通過調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)C3 調(diào)節(jié)振蕩頻率調(diào)節(jié)振蕩頻率； （2）由于反饋回路的反饋系數(shù)僅由）由于反饋回路的反饋系數(shù)僅由C1與與C2的比值決定，的比值決定， 所以所以調(diào)節(jié)振蕩頻率不會(huì)影響反饋系

25、數(shù)調(diào)節(jié)振蕩頻率不會(huì)影響反饋系數(shù)； （3）由于晶體管的極間電容與）由于晶體管的極間電容與C1、C2并聯(lián)，因此并聯(lián)，因此極間電極間電 容的變化對(duì)振蕩頻率的影響很小容的變化對(duì)振蕩頻率的影響很小。 (4-35) 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路343111CCpCC (4-36) (4-37) 負(fù)載特性負(fù)載特性 接入系數(shù)接入系數(shù)（指晶體管（指晶體管c-e接入諧振回路）：接入諧振回路）：223001()LCRp RRC 設(shè)并聯(lián)諧振回路設(shè)并聯(lián)諧振回路(電感兩端）的諧振阻抗為電感兩端）的諧振阻抗為R0，則等，則等 效到晶體管效到晶體管ce兩端的兩端的負(fù)載電阻負(fù)載電阻為：為：因

26、此，負(fù)載電阻因此，負(fù)載電阻RL隨隨C3變化，由變化，由C3調(diào)節(jié)頻率時(shí)可能調(diào)節(jié)頻率時(shí)可能發(fā)生發(fā)生（1）振蕩器停振，（振蕩器停振，（2）輸出波形振幅變化大。）輸出波形振幅變化大。因此因此克拉潑振蕩器克拉潑振蕩器主要用于固定頻率或窄帶的場合。主要用于固定頻率或窄帶的場合。第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路35 2. 西勒振蕩器西勒振蕩器 西勒振蕩器是在克拉潑振蕩器基礎(chǔ)上改進(jìn)的。西勒振蕩器是在克拉潑振蕩器基礎(chǔ)上改進(jìn)的。 它的主要特點(diǎn)它的主要特點(diǎn) 就是在電感就是在電感L上再并聯(lián)一可變電容上再并聯(lián)一可變電容C4，同樣有同樣有C3C1、C2 。 R2R1ReCbEcRc(a)L

27、C1C2C4(b)LC1C2C3VC3C4V 圖 4-12 西勒振蕩器電路(a) 實(shí)際電路; (b) 交流等效電路 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路36 由圖由圖4-11可知可知, 回路的總電容為回路的總電容為 )(1111114321434321CCLLCCCCCCCC(4-40) (4-41) 振蕩器的振蕩頻率振蕩器的振蕩頻率為 特點(diǎn)特點(diǎn)： (1) 通過調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)C4實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)節(jié)振蕩頻率的調(diào)節(jié)； (2) C4的改變不會(huì)影響接入系數(shù)和反饋系數(shù)的改變不會(huì)影響接入系數(shù)和反饋系數(shù)； (3) 振蕩頻率可調(diào)范圍寬（最高振蕩頻率振蕩頻率可調(diào)范圍寬（最高振蕩頻率

28、/最低振最低振 蕩頻率比可達(dá)蕩頻率比可達(dá)1.61.8)。 (4) 其他特點(diǎn)同克拉潑電路其他特點(diǎn)同克拉潑電路。 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路374.3 振蕩器的頻率穩(wěn)定度 一、振蕩器評(píng)價(jià)指標(biāo)：準(zhǔn)確度，穩(wěn)定度一、振蕩器評(píng)價(jià)指標(biāo)：準(zhǔn)確度，穩(wěn)定度 1、頻率準(zhǔn)確度、頻率準(zhǔn)確度：振蕩器實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率的偏差振蕩器實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率的偏差。 絕對(duì)偏差絕對(duì)偏差： 相對(duì)偏差相對(duì)偏差：001001ffffffff(4-44) (4-43) 2、頻率穩(wěn)定度、頻率穩(wěn)定度：指一定時(shí)間間隔內(nèi)，頻率準(zhǔn)確度的變化。指一定時(shí)間間隔內(nèi)，頻率準(zhǔn)確度的變化。3、穩(wěn)定度重要性：、穩(wěn)定度重要

29、性：設(shè)頻率相對(duì)誤差用設(shè)頻率相對(duì)誤差用r表示，有表示，有 GPS定位：定位： 火星通信：火星通信： ，金星定位：，金星定位：1110r1210r1210r第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路383、頻率穩(wěn)定度的分類、頻率穩(wěn)定度的分類 長期穩(wěn)定度長期穩(wěn)定度：一般是指一天以上甚至幾個(gè)月的時(shí)間間隔：一般是指一天以上甚至幾個(gè)月的時(shí)間間隔內(nèi)頻率的相對(duì)變化。用于評(píng)價(jià)高精度頻率和時(shí)間的穩(wěn)定性。內(nèi)頻率的相對(duì)變化。用于評(píng)價(jià)高精度頻率和時(shí)間的穩(wěn)定性。 短期穩(wěn)定度短期穩(wěn)定度：一般是指一天以內(nèi)，秒以上的時(shí)間間隔內(nèi)：一般是指一天以內(nèi)，秒以上的時(shí)間間隔內(nèi)頻率的相對(duì)變化。又稱頻率漂移，用于評(píng)價(jià)測(cè)量

30、儀器或通頻率的相對(duì)變化。又稱頻率漂移，用于評(píng)價(jià)測(cè)量儀器或通信設(shè)備中的主振器的頻率穩(wěn)定性。信設(shè)備中的主振器的頻率穩(wěn)定性。 瞬時(shí)穩(wěn)定度瞬時(shí)穩(wěn)定度：一般是指秒或毫秒的時(shí)間間隔內(nèi)頻率的相：一般是指秒或毫秒的時(shí)間間隔內(nèi)頻率的相對(duì)變化。此時(shí)頻率是無規(guī)則變化的，又稱相位抖動(dòng)。對(duì)變化。此時(shí)頻率是無規(guī)則變化的，又稱相位抖動(dòng)。一般短波、超短波發(fā)射機(jī)的的頻率穩(wěn)定度為一般短波、超短波發(fā)射機(jī)的的頻率穩(wěn)定度為10-410-5 ,電電視發(fā)射臺(tái)的頻率穩(wěn)定度為視發(fā)射臺(tái)的頻率穩(wěn)定度為5*10-7左右。當(dāng)前世界上最精密左右。當(dāng)前世界上最精密的原子鐘的穩(wěn)定度達(dá)到的原子鐘的穩(wěn)定度達(dá)到1*10-18。第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振

31、蕩器高頻電子線路高頻電子線路39二、二、振蕩器的穩(wěn)頻原理 由相位平衡條件：式由相位平衡條件：式(4-9b)有有 ()LYF 設(shè)回路回路Q值較高值較高, 根據(jù)第2章并聯(lián)諧振回路的討論(2-12)式可知, 振蕩回路在振蕩回路在0附近的幅角附近的幅角L可以近似表示可以近似表示為：00)(2tanLLQ因此相位平衡條件相位平衡條件可以表示為：1002()tan ()LYFQ (4-45) 010tan()2YFLQ (4-46)即：第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路40111100()()LYFLYFQQ(4-47)對(duì)式(4-46)兩端對(duì) 0求偏導(dǎo)數(shù)，求偏導(dǎo)數(shù)，考慮到QL

32、值較高,可得：0010122()tan()2cos ()2YFYFLYFLQQQ (4-48)由上式可得，振蕩頻率是振蕩頻率是 0、QL和和 Y+ F的函數(shù)，即它們的的函數(shù)，即它們的變化將導(dǎo)致振蕩頻率的變化變化將導(dǎo)致振蕩頻率的變化。因而有：由式(4-46)和(4-47),有1011tan()12YFLQ 上式反映了振蕩器頻率的不穩(wěn)定因素上式反映了振蕩器頻率的不穩(wěn)定因素，如圖如圖4-20所示所示。第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路41圖4-20 從相位平衡條件看振蕩頻率的變化 (a)相位平衡條件;(b)0的變化;(c) fFLQ、(a)01(fF ) L(b)01(

33、fF )LL1001L(c)高QL低QL1(fF )第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路42 1. 回路諧振頻率回路諧振頻率0的影響的影響 0由構(gòu)成回路的電感由構(gòu)成回路的電感L和電容和電容C決定決定,它不但要考慮回路它不但要考慮回路的線圈電感、調(diào)諧電容和反饋電路元件外的線圈電感、調(diào)諧電容和反饋電路元件外,還應(yīng)考慮并在回路還應(yīng)考慮并在回路上的其它電抗上的其它電抗,如晶體管的極間電容如晶體管的極間電容,后級(jí)負(fù)載電容后級(jí)負(fù)載電容(或電感或電感)等。等。設(shè)回路電感和電容的總變化量分別為設(shè)回路電感和電容的總變化量分別為L、C。 則由則由01/LC001()2LCLC (4-4

34、9) 000LCLC 330000221111(),()2222LCCLCLLLCC 而而因而有：因而有：由此可見：回路元件由此可見：回路元件L、C的穩(wěn)定度將影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度的穩(wěn)定度將影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度?？傻茫嚎傻茫旱诘? 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路43三、提高頻率穩(wěn)定度的措施 1. 提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性 振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性：振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性：是指回路元件和電容的標(biāo)準(zhǔn)性。是指回路元件和電容的標(biāo)準(zhǔn)性。溫度是影響的主要因素溫度是影響的主要因素:溫度的改變溫度的改變,導(dǎo)致電感線圈和電容導(dǎo)致電感線圈和電容器極板的幾何尺寸將發(fā)生變化器極板的幾何尺

35、寸將發(fā)生變化,而且電容器介質(zhì)材料的介而且電容器介質(zhì)材料的介電系數(shù)及磁性材料的導(dǎo)磁率也將變化電系數(shù)及磁性材料的導(dǎo)磁率也將變化,從而使電感、電容從而使電感、電容值改變。值改變。 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路44 2. 減少晶體管的影響減少晶體管的影響 在上節(jié)分析反饋型振蕩器原理時(shí)已提到在上節(jié)分析反饋型振蕩器原理時(shí)已提到,極間電容將極間電容將影響頻率穩(wěn)定度影響頻率穩(wěn)定度,在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)盡可能減少晶體管和回路在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)盡可能減少晶體管和回路之間的耦合之間的耦合。另外。另外,應(yīng)選擇應(yīng)選擇fT較高的晶體管較高的晶體管,fT越高越高,高頻性能高頻性能越好越好,可以保證

36、在工作頻率范圍內(nèi)均有較高的跨導(dǎo)可以保證在工作頻率范圍內(nèi)均有較高的跨導(dǎo),電路易于電路易于起振起振;而且而且fT越高越高,晶體管內(nèi)部相移越小。晶體管內(nèi)部相移越小。 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路45 3. 提高回路的品質(zhì)因數(shù)提高回路的品質(zhì)因數(shù) 我們先回顧一下相位穩(wěn)定條件我們先回顧一下相位穩(wěn)定條件,要使相位穩(wěn)定要使相位穩(wěn)定,回路回路的相頻特性應(yīng)具有負(fù)的斜率的相頻特性應(yīng)具有負(fù)的斜率,斜率越大斜率越大,相位越穩(wěn)定。相位越穩(wěn)定。根據(jù)根據(jù)LC回路的特性回路的特性,回路的回路的Q值越大值越大,回路的相頻特性斜率就越回路的相頻特性斜率就越大大,即回路的即回路的Q值越大值越大,相

37、位越穩(wěn)定相位越穩(wěn)定。從相位與頻率的關(guān)系。從相位與頻率的關(guān)系可得可得,此時(shí)的頻率也越穩(wěn)定。此時(shí)的頻率也越穩(wěn)定。 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路46 4. 減少電源、負(fù)載等的影響減少電源、負(fù)載等的影響 電源電壓的波動(dòng)電源電壓的波動(dòng),會(huì)使晶體管的工作點(diǎn)、電流發(fā)生變會(huì)使晶體管的工作點(diǎn)、電流發(fā)生變化化,從而改變晶體管的參數(shù)從而改變晶體管的參數(shù),降低頻率穩(wěn)定度降低頻率穩(wěn)定度。為了減小其。為了減小其影響影響,振蕩器電源應(yīng)采取必要的穩(wěn)壓措施。負(fù)載電阻并聯(lián)振蕩器電源應(yīng)采取必要的穩(wěn)壓措施。負(fù)載電阻并聯(lián)在回路的兩端在回路的兩端,這會(huì)降低回路的品質(zhì)因數(shù)這會(huì)降低回路的品質(zhì)因數(shù),從而使振

38、蕩器的從而使振蕩器的頻率穩(wěn)定度下降。為了減小其影響，應(yīng)該減小負(fù)載對(duì)回頻率穩(wěn)定度下降。為了減小其影響，應(yīng)該減小負(fù)載對(duì)回路的耦合?？梢栽谪?fù)載與回路間加射集跟隨器。路的耦合?？梢栽谪?fù)載與回路間加射集跟隨器。 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路47振蕩器電路選擇振蕩器電路選擇 LC振蕩器振蕩器一般工作在一般工作在幾百千赫茲至幾百兆赫茲范圍幾百千赫茲至幾百兆赫茲范圍。振蕩器線路主要根據(jù)工作的頻率范圍及波段寬度來選擇。振蕩器線路主要根據(jù)工作的頻率范圍及波段寬度來選擇。 在短波范圍在短波范圍：電感反饋振蕩器、電容反饋振蕩器都可以：電感反饋振蕩器、電容反饋振蕩器都可以采用。采用。

39、 若要求輸出頻率調(diào)節(jié)范圍較寬若要求輸出頻率調(diào)節(jié)范圍較寬：選擇電感反饋振蕩器；：選擇電感反饋振蕩器； 若要求頻率較高若要求頻率較高：常采用克拉潑、西勒電路。：常采用克拉潑、西勒電路。 在在中、短波收音機(jī)中中、短波收音機(jī)中,為簡化電路常用變壓器反饋振蕩為簡化電路常用變壓器反饋振蕩器做本地振蕩器。器做本地振蕩器。 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路484.5 石英晶體振蕩器 一、石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定一、石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度度 石英晶體振蕩器之所以能獲得石英晶體振蕩器之所以能獲得很高的頻率穩(wěn)定度很高的頻率穩(wěn)定度,由第由第2章可知章可知,是由于石英晶體諧振器與一般的諧

40、振回路相比具有是由于石英晶體諧振器與一般的諧振回路相比具有優(yōu)良的特性優(yōu)良的特性,具體表現(xiàn)為具體表現(xiàn)為: (1) 石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。 (2) 石英晶體諧振器與有源器件的接入系數(shù)石英晶體諧振器與有源器件的接入系數(shù)p很小很小,一般一般 為為10-310-4。 (3) 石英晶體諧振器具有非常高的石英晶體諧振器具有非常高的Q值。值。第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路49 二、二、 晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路 根據(jù)晶體在電路中的作用根據(jù)晶體在電路中的作用,可以將晶體振蕩器歸為兩可以將晶體振蕩器歸為兩 大類大類:并聯(lián)型晶體振蕩器并

41、聯(lián)型晶體振蕩器和和串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器。 1并聯(lián)型晶體振蕩器并聯(lián)型晶體振蕩器 （1）皮爾斯電路）皮爾斯電路電容反饋式并聯(lián)晶體振蕩器電容反饋式并聯(lián)晶體振蕩器 當(dāng)振蕩器的振蕩頻率當(dāng)振蕩器的振蕩頻率在晶體的串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻在晶體的串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻 率之間率之間時(shí)晶體呈感性，該電路滿足三端式振蕩的時(shí)晶體呈感性，該電路滿足三端式振蕩的 組成原則，而且該電路與電容反饋的振蕩器對(duì)應(yīng)，組成原則，而且該電路與電容反饋的振蕩器對(duì)應(yīng)， 通常稱為通常稱為皮爾斯皮爾斯(Pierce)振蕩器。振蕩器。 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路50 圖4-21 皮爾斯振蕩器(電容反饋式)

42、 CeEc(a)C1C2C3(b)C1VCEBC2Ub.gmUb.C3CqLqrqC0第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路51 A、 振蕩頻率振蕩頻率 皮爾斯振蕩器的工作頻率應(yīng)由皮爾斯振蕩器的工作頻率應(yīng)由C1、C2、C3及晶體構(gòu)成的及晶體構(gòu)成的回路決定回路決定,即由即由晶體電抗晶體電抗Xe與外部電容相等與外部電容相等的條件決定的條件決定,設(shè)外部設(shè)外部電容為電容為CL,則則1123101111eLLXCCCCC(4-52) (4-53) 由圖有 1(1)2qqLoqLoqCCpCCCCCpff (4-55) (4-54) 實(shí)際上，CL與晶體的靜電容C0并聯(lián)，引入接入系

43、數(shù)p： 所以有 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路52圖4-22 并聯(lián)型晶體振蕩器穩(wěn)頻原理Xq110Xe1CL1CL第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路53 B、 反饋系數(shù)反饋系數(shù) 反饋系數(shù)反饋系數(shù)F的大小為的大小為 由于由于晶體的品質(zhì)因數(shù)晶體的品質(zhì)因數(shù)Qq很高很高,故其并聯(lián)諧振電阻故其并聯(lián)諧振電阻Ro也很高也很高,雖然接入系數(shù)雖然接入系數(shù)p較小較小,但等效到晶體管但等效到晶體管CE兩端的阻兩端的阻抗抗RL仍較高仍較高,所以放大器的增益較高所以放大器的增益較高,電路很容易滿足振電路很容易滿足振幅起振條件。幅起振條件。 圖圖4-23為一實(shí)

44、際的并聯(lián)晶體振蕩電路。為一實(shí)際的并聯(lián)晶體振蕩電路。 12CFC(4-56) 第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路54圖4-23 并聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)用線路(C1、C2與石英晶體構(gòu)成諧振） 20012 VC1V68 k3/15 pF20 pF15 k33 k7503DG6C300 pF4700 pF301 kC2f1(MHz)1515C1(pF)600350120C2(pF)750510320第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路55圖4-24 密勒振蕩器（電感反饋式） EcVC2LCeC1（2）密勒電路）密勒電路電感反饋式并聯(lián)晶體振蕩器電感

45、反饋式并聯(lián)晶體振蕩器第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路56圖4-25 泛音晶體皮爾斯振蕩器 VLC13/15 pF430 pF220 pF20 pF5.6 H（3）泛音晶體振蕩器）泛音晶體振蕩器第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路57 2串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器 在串聯(lián)型晶體振蕩器中在串聯(lián)型晶體振蕩器中,晶體接在振蕩器要求低阻晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點(diǎn)之間抗的兩點(diǎn)之間,通常接在反饋電路通常接在反饋電路中。圖中。圖4-23示出了一串示出了一串聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)際線路和等效電路。聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)際線路和等效電路。 第第4 4章

46、章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路58 圖4-27一種串聯(lián)型晶體振蕩器 (a)實(shí)際線路;(b)等效電路 EcVLC2C1(a)C1C2LVJT(b)第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路59 3使用注意事項(xiàng)使用注意事項(xiàng) 使用石英晶體諧振器時(shí)使用石英晶體諧振器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)應(yīng)注意以下幾點(diǎn): (1) 石英晶體諧振器的標(biāo)稱頻率都是在出廠前石英晶體諧振器的標(biāo)稱頻率都是在出廠前,在石英在石英晶體諧振器上并接一定負(fù)載電容條件下測(cè)定的晶體諧振器上并接一定負(fù)載電容條件下測(cè)定的,實(shí)際使用時(shí)實(shí)際使用時(shí)也必須外加負(fù)載電容也必須外加負(fù)載電容,并經(jīng)微調(diào)后才能獲得標(biāo)稱頻率并經(jīng)微調(diào)后才能獲得標(biāo)稱頻率。 (2) 石英晶體諧振器的激勵(lì)電平應(yīng)在規(guī)定范圍石英晶體諧振器的激勵(lì)電平應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。內(nèi)。 (3) 在在并聯(lián)型晶體振蕩器并聯(lián)型晶體振蕩器中中,石英晶體起等效電感的作石英晶體起等效電感的作用用,若作為容抗若作為容抗,則在石英晶片失效時(shí)則在石英晶片失效時(shí),石英諧振器的支架電石英諧振器的支架電容還存在容還存在,線路仍可能滿足振蕩條件而振蕩線路仍可能滿足振蕩條件而振蕩,石英晶體諧振石英晶體諧振器失去了穩(wěn)頻作用。器失去了穩(wěn)頻作用。第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器高頻電子線路高頻電子線路60 (4)晶體振蕩器