Chapter 4 正弦波振蕩器111019

Chapter4

正弦波振蕩器§4.1概述§4.2反饋型LC振蕩器工作原理§4.3反饋型LC振蕩器線路§4.4振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題§4.5高穩(wěn)定度LC振蕩器§4.6石英晶體振蕩器§4.7其他形式的振蕩器習(xí)題還可用于：信號(hào)發(fā)生器數(shù)字時(shí)鐘儀器中的振蕩源┄┄§4.1概述

注：本章討論的是自激式振蕩器，它是在無(wú)需外加激勵(lì)信號(hào)的情況下，能將直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定波形、一定頻率和一定幅度的交變能量電路。二、振蕩器的分類(lèi)：按波形分：正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器按工作方式：負(fù)阻型振蕩器和反饋型振蕩器按起振方式：自激式振蕩器和它激式振蕩器按選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的元件分：

LC振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類(lèi)型

一、振蕩器的功能：

振蕩電路的功能：在沒(méi)有外加信號(hào)的條件下，自動(dòng)將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交變振蕩信號(hào)輸出。三、振蕩器的主要性能指標(biāo)：振蕩頻率、頻率穩(wěn)定度、振蕩幅度和振蕩波形等?！?.2反饋型振蕩器基本工作原理--------------------正反饋放大器（如圖）一、反饋型振蕩器電路組成反饋型

正弦

振蕩器的電路構(gòu)成：

1)放大電路

2)反饋回路

3)選頻回路反饋型正弦

振蕩器原理電路+

–

uf

uc

L

C

+

–

+

ui

K

1

2

Rb2

Re

Ce

+VCCM

+

–

–

us

uf反饋型正弦

振蕩器原理電路+

–

uf

uc

L

C

+

–

+

ui

K

1

2

Rb2

Re

Ce

+VCCM

+

–

–

us

uf要讓起振信號(hào)由小到大不斷增長(zhǎng)，即：起振條件

二、工作過(guò)程分析

1.振蕩的建立與起振條件

①

起振：·在電源開(kāi)關(guān)閉合的瞬間，產(chǎn)生沖擊電流ic；·ic流經(jīng)LC回路，在諧振點(diǎn)ω0

產(chǎn)生正弦波電壓uo·uo經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)形成反饋電壓uf作為信號(hào)源送往基級(jí)·電壓uf饋入晶體管基極，晶體管放大形成ic；反饋型正弦

振蕩器原理電路+

–

uf

uc

L

C

+

–

+

ui

K

1

2

Rb2

Re

Ce

+VCCM

+

–

–

us

uf②增長(zhǎng)：起振信號(hào)十分微弱，若經(jīng)(放大—選頻—反饋)多次循環(huán)，∴一個(gè)與諧振回路固有頻率相同的自激振蕩便由小到大地增長(zhǎng)起來(lái)。

③

振蕩建立條件起振時(shí)振蕩信號(hào)很小,放大器工作于線性狀態(tài)。

2、振蕩的平衡與平衡條件且∵A0>1/F，∴信號(hào)幅度由小到大不斷地增長(zhǎng)起來(lái)。信號(hào)振幅↑到一定幅度后,晶體管進(jìn)入非線性狀態(tài)，θc

隨振幅增大而↓；此時(shí)放大器增益A：1)放大器工作狀態(tài)：A

表達(dá)式討論：①2)反饋網(wǎng)絡(luò)通常是線性網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)不變③

∴

A幅度隨θc↓而減?、诳梢?jiàn)：隨著振蕩幅度增加，電壓增益A隨之減小。3）振蕩平衡建立：（1）振幅平衡過(guò)程：\幅度平衡條件為：放大與反饋增益

隨振蕩幅度變化圖

起振A>1/F→U0m↑→進(jìn)入非線性放大→

A↓→

A=1/F

→振蕩平衡。(2）相位平衡條件討論：∴相位平衡條件可寫(xiě)成：∴正反饋必須滿(mǎn)足∴振蕩平衡條件為：

2、振蕩的平衡與平衡條件

（3）相位平衡時(shí)諧振回路工作特性討論：相位平衡時(shí)：在實(shí)際高頻電路中，∴要保證相位平衡條件，必須滿(mǎn)足:根據(jù)諧振回路相頻特性可見(jiàn)，實(shí)際振蕩頻率為ωc

(如圖)反饋型正弦

振蕩器原理電路+

–

uf

uc

L

C

+

–

+

ui

K

1

2

Rb2

Re

Ce

+VCCM

+

–

–

us

uf1）振蕩器幅度穩(wěn)定平衡條件討論：①分析振蕩平衡穩(wěn)定條件：振蕩電路有：當(dāng)Ucm因某原因變化時(shí)，要使其重新恢復(fù)到平衡點(diǎn)，須AF反方向變化?！逨不變，則A須反方向變化，②驗(yàn)證Q

點(diǎn)的穩(wěn)定性3、振蕩平衡狀態(tài)穩(wěn)定的條件穩(wěn)定平衡:振蕩平衡遭破壞時(shí)，線路本身能重新恢復(fù)到平衡狀態(tài)的稱(chēng)之。2）相位平衡穩(wěn)定條件：振蕩電路相位:在較窄頻率范圍內(nèi)，§4.3反饋型LC正弦振蕩器線路LC振蕩器按其反饋網(wǎng)絡(luò)的不同分為:三點(diǎn)式振蕩器作為重點(diǎn)?；ジ旭詈险袷幤麟姼蟹答伿秸袷幤麟娙莘答伿秸袷幤饕弧⒒ジ旭詈险袷幤?）組成：互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)正反饋的，耦合線圈同名端的正確選擇，是正反饋的的保證。2）分類(lèi)：

根據(jù)振蕩回路所在位置分：有三種形式：調(diào)基電路、調(diào)集電路和調(diào)發(fā)電路；根據(jù)其中放大器電路形式分：有三種形式：共基電路、共集電路和共射電路；3）特點(diǎn)：互感耦合振蕩器在調(diào)整反饋(改變M)時(shí)，基本上不影響振蕩頻率。但由于分布電容的存在，在頻率較高時(shí)，難于做出穩(wěn)定性高的變壓器。因此，它們的工作頻率不宜過(guò)高，一般應(yīng)用于中、短波波段。4）“瞬時(shí)極性法”判別振蕩的相位條件：│AF│>1判別振幅條件

5）振蕩頻率：(a)

共射調(diào)基電路（b）共射調(diào)集電路（c）共基調(diào)射電路二、電容反饋式振蕩器（考畢茲電路、也稱(chēng)電容三端式振蕩器）三點(diǎn)式LC振蕩電路工作頻率約在幾MHz到幾百M(fèi)Hz的范圍，頻率穩(wěn)定度比變壓器耦合振蕩電路高一些，約為10–3~10–4量級(jí)，采取一些穩(wěn)頻措施后，還可以再提高一點(diǎn)。1.基本電路2.振蕩的相位條件判斷

(“瞬時(shí)極性法”判別)3.交流等效電路基本電容三點(diǎn)式振蕩器(考畢茲電路)3.起振振幅條件分析①等效電路(如下圖)起振時(shí)：②分析：放大器增益：③討論*輸出總電導(dǎo)越小，Au0越大，越容易起振。*F

越大，越小，但Fgo越大，越不易起振，∴并非越大越好。*振蕩頻率為：反饋系數(shù)：

Lp2gie1

goe

+–UcCRLΣ4.考畢茲電路的特點(diǎn)：1）電容反饋三端電路的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好。2）電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電容量，就可以減小不穩(wěn)定因素對(duì)振蕩頻率的影響。3）電容三端電路的工作頻率可以做得較高，可直接利用振蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工作頻率可做到幾十MHz到幾百M(fèi)Hz的甚高頻波段范圍。電路的缺點(diǎn)：調(diào)C1或C2來(lái)改變振蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。但只要在L兩端并上一個(gè)可變電容器，并令C1與C2為固定電容，則在調(diào)整頻率時(shí)，基本上不會(huì)影響反饋系數(shù)。電路的優(yōu)點(diǎn)：③振蕩頻率為三、電感反饋三端式振蕩器(哈特萊電路)

(a)共發(fā)電感反饋三端式振蕩器電路(b)電感三端式等效電路1.基本電路①相位條件判斷(“瞬時(shí)極性法”判別)2.起振條件:②振幅條件電路的優(yōu)點(diǎn)：1）L1、L2之間有互感，反饋較強(qiáng)，容易起振；2）振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容C的大小即可。

而且C的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。電路的缺點(diǎn)：

1）振蕩波形不好，因?yàn)榉答侂妷菏窃陔姼猩汐@得，而電感對(duì)高次諧波呈高阻抗，因此對(duì)高次諧波的反饋較強(qiáng)，使波形失真大；2）電感反饋三端電路的振蕩頻率不能做得太高，這是因?yàn)轭l率太高，L太小且分布參數(shù)的影響太大。3、哈特萊電路的優(yōu)點(diǎn)：四、LC三端式振蕩器組成法則(相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則)三端式LC振蕩器是一種反饋式LC振蕩器,如圖;總結(jié)電路規(guī)律，得出其振蕩的相位條件：

3、在振蕩頻率點(diǎn)，電路必須滿(mǎn)足：

xbe+xce+xcb=0(c)三端式振蕩器的原理電路

1、為保證uf=-uo、Xce與Xbe要為同性質(zhì)電抗。電容/電感三端式振蕩器皆滿(mǎn)足。

2、為滿(mǎn)足振蕩條件：

Xbc要與Xbe、Xce為異性質(zhì)電抗。(a)(b)§4.4振蕩器頻率穩(wěn)定原理一、基本概念：頻率穩(wěn)定度：一段時(shí)間內(nèi)，振蕩器的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱(chēng)頻率間相對(duì)偏差的最大值。長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度：時(shí)間在一天以上的穩(wěn)定度。主要檢測(cè)元器件老化特性引起的頻率穩(wěn)定度。短期頻率穩(wěn)定度：時(shí)間在一天以?xún)?nèi)的穩(wěn)定度。主要檢測(cè)溫度、電源電壓和電路參數(shù)不穩(wěn)定性等引起的頻率穩(wěn)定度。瞬間頻率穩(wěn)定度：時(shí)間在一秒以?xún)?nèi)的穩(wěn)定度。主要檢測(cè)由于頻率源內(nèi)部噪聲而引起的頻率起伏，，二、頻率穩(wěn)定度分析1)

求ωC：由于φYZ

的存在,引起振蕩器的工作頻率ωc偏離諧振頻率ω0

。設(shè)：ωc偏離諧振回路的ω0

有Δωc。先求Δωc：二、頻率穩(wěn)定度分析上式表明，振蕩器的工作頻率ωc

是ω0、φYF、Q、的函數(shù)。這三者的變化都將會(huì)引起振蕩器的工作頻率不穩(wěn)定?！嗲笃淙⒎郑?/p>

→02)引起ωC不穩(wěn)定因素上式表明，要工作頻率ωc

穩(wěn)定，應(yīng)使φYF盡量小、Q盡可能大；且Δω0

、ΔφYF、ΔQ、盡量小，三、穩(wěn)頻措施：(一)減小外因的變化

影響Δω0、ΔφYZ、ΔQ

的外部因素包括溫度變化、電源電壓變化、振蕩器負(fù)載變動(dòng)、機(jī)械震動(dòng)、濕度和氣壓變化及外界電磁場(chǎng)影響等。它們作用于回路元件LC及晶體管工作點(diǎn)等，引起頻率不穩(wěn)。措施：恒溫---使溫度變化盡可能??；采用穩(wěn)壓電源提高電壓穩(wěn)定度；采用射隨器以減小負(fù)載變化對(duì)振蕩器的影響；將電感線圈密封或者固化以減小濕度變化；采用減震措施減小機(jī)械震動(dòng)；可用屏蔽措施等減小電磁場(chǎng)影響等等。(二)提高電路參數(shù)抗外因變化的能力

由上式知：Δω0

,ΔQ

越小,Q

越大，頻率穩(wěn)定度越高。Δω0取決于ΔL和ΔC，ΔQ決于LC的穩(wěn)定。措施如下：

1）可選高穩(wěn)定性LC,并用正溫度系數(shù)電感和負(fù)溫度系數(shù)回路電容進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2）減少晶體管的影響：

①采用部分接人方式減小Cie不穩(wěn)定量對(duì)C2影響。這是提高頻率穩(wěn)定度的主要方式

②選擇fT較高的晶體管。fT越高,高頻性能越好,可以保證在工作頻率范圍內(nèi)均有較高的跨導(dǎo),而且fT越高,晶體管內(nèi)部相移φY越小。通常選擇fT

>(3～10)fCmax。同時(shí)希望電流放大系數(shù)β大些,這既容易振蕩,也便于減小晶體管和回路之間的耦合。

3)選用高品質(zhì)因數(shù)Q的電感和參數(shù)穩(wěn)定的電容，以減小外因變化而引起的ΔQ。(三)選用φYF小的電路形式電容三點(diǎn)式的反饋支路是電容，其φYF比采用電感反饋的電感三點(diǎn)式要小，∴高穩(wěn)定度振蕩器選用電容三點(diǎn)式電路?！?.5高穩(wěn)定度LC振蕩器一、基本電容三點(diǎn)式振蕩電路穩(wěn)定性的分析：在電容三點(diǎn)式電路中：晶體管的輸出電容Coe和輸人電容Cie分別與回路電容C1、C2相并聯(lián)。這些電容變化直接影響振蕩頻率?！逤oe、Cie與工作狀態(tài)和外界條件有關(guān)，當(dāng)外因引起Coe、Cie變化時(shí)，將會(huì)引起回路總電容發(fā)生變化。從而引起振蕩頻率的變化。當(dāng)Coe變化ΔCo

,Cie

變化ΔCi

時(shí)，總電容的最大變化：電容三點(diǎn)式電路穩(wěn)定度較高，∴高頻時(shí)多選用電容三點(diǎn)式電路上式討論：由上式知：要提高頻率穩(wěn)定度可選擇高fT晶體管、減小接入系p1、p2

和增大總電容量。但基本電容三點(diǎn)式振蕩器的p1、p2不可能同時(shí)減??；而在振蕩頻率一定時(shí)增大總電容量就要減小回路L，這將會(huì)使諧振阻抗RP下降,可能使振蕩器不滿(mǎn)足振幅起振條件而停振(A0=gcRp)。∴基本電容三點(diǎn)式振蕩器頻率穩(wěn)定度不可能太高。要提高頻率穩(wěn)定度可從電路形式上改進(jìn)。二、克拉潑電路1?？偟刃щ娙荩骸嗫死瓭婋娐返恼袷庮l率幾乎與C1、C2無(wú)關(guān)。（a）克拉潑電路的實(shí)用用電路（b）高頻等效電路2。因?yàn)樾3接入，使接入系數(shù)p1、p2減小，穩(wěn)定性提高。同時(shí)，C1或C2可以增大，使Coe、Cie的影響進(jìn)一步減小。但p1、p2減小,電感損耗電導(dǎo)g0及負(fù)載RL折合到ce兩端的RΣ’增大，不利于起振。分析：改進(jìn)電路：交流等效電路：通常C3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C1或C2，三、西勒(Seiler)電路振蕩頻率:(a)實(shí)際電路(b)高頻等效電路電路特點(diǎn)：電路：1.電感L并聯(lián)可變電容C4,其回路等效電容:2.C4改變振蕩頻率不影響p1、p2，∴能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率?？梢?jiàn)：保持了晶體管輸入輸出電容與回路弱耦合，頻率穩(wěn)定度高。交流等效電路：一、石英晶振性能復(fù)習(xí)§4.6晶體振蕩器1)

石英晶體振諧器的等效電路和頻率特性2)石英晶體的特點(diǎn)：∴石英晶體的Q值很大，一般為幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)。這是普通LC電路無(wú)法比擬的。②等效電感Lq很大，約20mH～5H。Cq很小，石英晶體的Q值為：①等效電路中很小，∴外電路的影響很小。

（C0約2～5PF，但動(dòng)態(tài)電容Cq特別小，約10-3~10-4

PF）

1．并聯(lián)型晶體振蕩器（皮爾斯振蕩電路）

1）電路：典型電路如圖,晶體工作在fq和fp之間，呈感性。該電路滿(mǎn)足三端式振蕩器的組成原則,并采用電容反饋。二、晶體振蕩器電路

晶體振蕩器的電路類(lèi)型很多,但根據(jù)晶體在電路中的作用,可以將晶體振蕩器歸為兩大類(lèi):并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器。②由等效電路可見(jiàn)：③由于晶振的Q

值和特性阻抗

都很高，所以晶振的諧振電阻也很高，一般可達(dá)1010以上。這樣即使外電路接入系數(shù)很小，此諧振電阻等效到晶體管輸出端的阻抗仍很大，使晶體管的電壓增益能滿(mǎn)足振幅起振條件的要求。2）特點(diǎn)

由于高接入系數(shù)，外電路對(duì)振蕩頻率的影響很小。振蕩頻率基本由石英晶振參數(shù)決定，而石英晶振本身的參數(shù)具有高度的穩(wěn)定性。①頻率并聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)用線路3)實(shí)際電路200W12VC1V168kW3/15pF20pF15kW33kW750W3DG6C300pF4700pF30W1kWC2f1(MHz)1515C1(pF)600350120C2(pF)750510320C1C1RL

2．串聯(lián)型晶體振蕩器

1）電路：該電路滿(mǎn)足三端式振蕩器的組成原則,并采用電容反饋。石英晶體串接在反饋支路上，且工作在fq頻率。VCCVLC2C1（a）C1C2LVJT（b）2）穩(wěn)頻原理：當(dāng)振蕩頻率等于串聯(lián)諧振頻率時(shí)，晶體等效為短路。當(dāng)振蕩頻率偏離串聯(lián)諧振頻率時(shí)，晶體不再等效為短路：頻率偏低時(shí)等效為電容；頻率偏高時(shí)等效為電感。這樣在反饋支路中就要引入一個(gè)附加相移，從而將偏離頻率調(diào)整到串聯(lián)諧振頻率上，確保有較高的頻率穩(wěn)定度。

3．泛音晶體振蕩器泛音晶體皮爾斯振蕩器VLC13/15pF430pF220pF20pF5.6mH電路實(shí)例（泛音晶體皮爾斯振蕩器）CoLqC1C2rqbceCqaL如圖電路振蕩頻率為5M（五次泛音），則采用一并聯(lián)諧振回路LC1取代電容三點(diǎn)式振蕩器的反饋支路中的C1，其諧振頻率選在低于五次、高于三次泛音頻率上?！嘣谖宕畏阂纛l率上，其等效為電容，滿(mǎn)足相位平衡條件。而對(duì)于三次泛音頻率和基頻等效為電感，不滿(mǎn)足相位平衡條件，不能振蕩。要求：1.要確保振蕩器準(zhǔn)確地調(diào)諧在所需的奇次泛音頻率上；

2.必須有效地抑制可能在基頻或低次泛音上產(chǎn)生的振蕩。為達(dá)此目的，常用并聯(lián)諧振回路來(lái)代替反饋支路中的某一元件，以保證只在要求的奇次泛音上滿(mǎn)足相位平衡條件，在基頻和低次泛音上則不滿(mǎn)足相位平衡條件。f01f3pf5pfp§4.7負(fù)阻振蕩器一、負(fù)阻的概念負(fù)阻器件是指它的增量電阻為負(fù)值的器件。例隧道二極管：它的伏安特性如圖所示。若將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在負(fù)阻區(qū)(AB)，并加上微弱正弦電壓u＝Umsinωt，則：形成的電流為：交流電流與所加交流電壓反相.平均功率為：管子兩端電壓為：這說(shuō)明負(fù)阻器件的負(fù)阻區(qū)具有將直流功率的一部分轉(zhuǎn)換為交流功率輸出的作用。因此，可以利用負(fù)阻區(qū)的這一作用構(gòu)成負(fù)阻振蕩器。*負(fù)阻器件分電壓控制型負(fù)阻器件和電流控制型負(fù)阻器件。二、負(fù)阻電路----電壓控制型負(fù)阻振蕩器（如圖）：1）建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，并使rs=R1//R2遠(yuǎn)小于rd；2）隧道二極管與LC諧振回路以并聯(lián)方式聯(lián)接(∵電壓控制型負(fù)阻)。3）從隧道二極管的特性曲線可見(jiàn)：在Q處，器件伏安特性負(fù)斜率較大，即有較小的負(fù)電阻值，可提供較大能量，補(bǔ)償LC諧振回路RP消耗還有余；∴振蕩幅度越來(lái)越大。隨著信號(hào)幅度的加大，負(fù)電阻的絕對(duì)值也在加大，特別是在負(fù)阻區(qū)兩端的彎曲部分，負(fù)阻增加得很快。負(fù)電阻的絕對(duì)值增大到rd=RP時(shí)，電路達(dá)到等幅振蕩。4）1．負(fù)阻振蕩器一般由負(fù)阻器件和LC選頻網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。2．建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使負(fù)阻器件工作于負(fù)阻特性區(qū)域內(nèi)。對(duì)于電壓控制型負(fù)阻器件應(yīng)該用低內(nèi)阻的直流電壓源(恒壓源)來(lái)供電，而電源的內(nèi)阻應(yīng)遠(yuǎn)小于負(fù)阻器件的直流等效電阻。對(duì)于電流控制型負(fù)阻器件應(yīng)該用高內(nèi)阻的直流電流源(恒流源)來(lái)供電，而且電源內(nèi)阻應(yīng)比負(fù)阻器件的等效直流電阻要大。

3．負(fù)阻器件應(yīng)和LC振蕩回路正確聯(lián)接。電壓控制型負(fù)阻器件應(yīng)與并聯(lián)諧振回路相聯(lián)接，電流控制型負(fù)阻器件應(yīng)與串聯(lián)諧振回路相聯(lián)接。4．起振振幅條件：

電壓控制型負(fù)阻振蕩器：負(fù)阻器件與諧振回路以并聯(lián)方式聯(lián)接。設(shè)回路諧振電阻為Rp，負(fù)阻器件的負(fù)阻為-rd

。顯然，│rd│＜RP時(shí)為增幅振蕩。rd＝RP時(shí)為等幅振蕩。│rd│＞RP時(shí)為衰減振蕩。

∴其起振條件是│rd│＜RP，平衡條件是rd＝RP。

電流控制型負(fù)阻振蕩器：負(fù)阻器件與諧振回路串聯(lián)形式聯(lián)接。設(shè)串聯(lián)諧振回路總損耗電阻為r，負(fù)阻器件的負(fù)阻為-rd。顯然，rd＞r時(shí)為增幅振蕩，rd＝r時(shí)為等幅振蕩，鞠＜r時(shí)為衰減振蕩。其起振rd＞r為衰減振蕩。

∴其起振條件是│rd│>r，平衡條件是rd＝r。三、負(fù)阻電路組成原則本章小結(jié)：

1．反饋式正弦振蕩器的工作原理。----組成

；自激、平衡、穩(wěn)定平衡條件；放大器在自激/平衡時(shí)的工作狀態(tài)等。

2.反饋式正弦振蕩器的基本分類(lèi)3.互感耦合式振蕩器、三點(diǎn)式振蕩器的相位條件判斷法。4.晶體振蕩器工作特點(diǎn)

5.典型電路形式（交、直）思考題1：

1．反饋式正弦振蕩器由

、

、