第5章正弦波振蕩器

通信電子電路張鏖烽計算機(jī)與通信學(xué)院51269402@第5章正弦波振蕩器5.1概述5.2反饋振蕩器的工作原理5.3LC正弦振蕩器5.4LC正弦振蕩器的頻率穩(wěn)定度5.5晶體振蕩器（自學(xué)）5.6振蕩器中的幾種現(xiàn)象2正弦波振蕩器：能自動將直流電能轉(zhuǎn)換成（具有一定頻率和振幅的）正弦交流電能的電路。它與放大器的區(qū)別在于這種轉(zhuǎn)換不需外部信號的控制。振蕩器輸出的信號頻率、波形、幅度完全由電路自身的參數(shù)決定。應(yīng)用：通信電路中作載波，本振信號；信號源及無線電測量儀表中。

產(chǎn)生方式：反饋式振蕩器和負(fù)阻式振蕩器分類：頻率：低頻，高頻，微波振蕩器

輸出波形：正弦振蕩器和非正弦振蕩器要求：輸出功率大，效率高，波形失真小，頻率穩(wěn)定度高5.1概述3

開關(guān)K接在1端，Uo=AUi。這時將開關(guān)迅速地轉(zhuǎn)換到接于2端，去掉外部輸入，此時Uf=UoF=UiAF

若AF=1，則Uf=Ui，沒有輸入也能維持輸出，構(gòu)成了振蕩電路?；貧w比：T=AF為反饋放大器的環(huán)路增益。

T>1：增幅振蕩；T<1：減幅振蕩反饋式振蕩器：

利用正反饋產(chǎn)生自激振蕩5.2反饋振蕩器的工作原理反饋式振蕩器的方框圖A12UiFKU05.2.1基本組成反饋系數(shù)：開環(huán)增益：4

原始激勵：電源接通瞬間，相當(dāng)于接入脈沖跳變信號，此外，電路中還有噪聲，它們包含有豐富地頻率成分，但是幅度非常微弱。對于某一頻率ωg的信號若滿足：T(ωg)

>1，則每循環(huán)一次，幅度就增大一次，產(chǎn)生增幅振蕩，如圖所示。增幅振蕩等幅振蕩起振和穩(wěn)幅過程T>1T=1AUiUiA0U0QT<1減幅振蕩5.2.2振蕩的建立與振蕩條件一、振蕩的建立與穩(wěn)定1、基本原理

振蕩幅度增大，穩(wěn)幅電路使T(ωg)

降低，最終使T(ωg)=1，振蕩器進(jìn)入穩(wěn)幅振蕩狀態(tài)。ωg稱為振蕩頻率，或叫作振蕩器的工作頻率52、電路組成：

放大器—完成能量轉(zhuǎn)換選頻網(wǎng)絡(luò)—完成頻率選擇及濾波反饋網(wǎng)絡(luò)—完成正反饋

穩(wěn)幅電路—決定振蕩的穩(wěn)態(tài)振幅放大器選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)65.2.2振蕩的建立與振蕩條件2、平衡條件：T=1振幅平衡條件：｜T｜=｜A｜?｜F｜=1

相位平衡條件：T（）=φA+φF=2n(n=0,1,2,3…)相位平衡條件的含義----建立正反饋滿足振蕩平衡條件時，經(jīng)過穩(wěn)幅過程實現(xiàn)等幅輸出。1、

起振條件：T>1振幅起振條件：｜T｜=｜A｜?｜F｜>1相位起振條件：T（）=φA+φF=2n(n=0,1,2,3…)二、振蕩條件75.2.2振蕩的建立與振蕩條件3、振蕩穩(wěn)定條件

當(dāng)振蕩器受到外部因素的干擾失去平衡后，能自動恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，或能夠在原平衡狀態(tài)附近重建平衡的，稱為穩(wěn)定的平衡。穩(wěn)定條件分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件，振幅穩(wěn)定條件是指當(dāng)外界因素造成振蕩幅度變化后，振蕩器能夠自動恢復(fù)原來振蕩幅度所需滿足的條件。相位穩(wěn)定條件是指相位平衡條件被破壞時，電路能夠重新建立相位平衡的條件。相位穩(wěn)定條件同時也是頻率穩(wěn)定條件，因為相位的變化必然引起頻率的變化。85.2.2振蕩的建立與振蕩條件綜上所述振幅穩(wěn)定條件：

圖中A、B均為平衡點，其中A點為穩(wěn)定平衡點，當(dāng)某中擾動使電路離開A點（T≠1）時，電路會自動回到A點；B點是非穩(wěn)定平衡點，受到擾動時電路會停振（左移）或過渡到A點（右移）。

上圖的電路中起始擾動電壓必須大于UiB，稱為硬激勵；下圖的電路開機(jī)即可振蕩，稱為軟激勵。振蕩電路應(yīng)避免硬激勵狀態(tài)。ABUiTUiBUiA1硬激勵T1AUiUiA軟激勵（1）振幅穩(wěn)定條件95.2.2振蕩的建立與振蕩條件相位穩(wěn)定條件：負(fù)載回路相頻特性：增大，T

減小

相位條件的穩(wěn)定是靠增大，T降低來實現(xiàn)的回路Q值越高穩(wěn)定性越好AφT(ω)0A'Bω0φT(ω)（2）相位穩(wěn)定條件

圖中A點為穩(wěn)定平衡點，B點為非穩(wěn)定平衡點。105.2.2振蕩的建立與振蕩條件互感耦合反饋式振蕩電路

利用互感耦合實現(xiàn)反饋振蕩5.3LC正弦波振蕩器改變同名端的位置，則反饋極性改變5.3.1互感耦合振蕩器11發(fā)射極調(diào)諧R1R2ReCeCbCLUCCM集電極調(diào)諧MCbR2R1CLCcReUCCMR2UCCCLReCeR1基極調(diào)諧Cb

根據(jù)LC回路與三極管不同電極的連接方式分為集電極調(diào)諧型、發(fā)射極調(diào)諧型和基極調(diào)諧型電路，如圖所示

三種電路相比較，集電極調(diào)諧型電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，而且輸出幅度大，諧波成分小。而基極調(diào)諧型電路的振蕩頻率可以在較寬的范圍內(nèi)變化，仍能保持振蕩幅度平穩(wěn)。

互感耦合振蕩器一般工作于工作頻率不太高的中、短波波段。125.3.1互感耦合振蕩器5.3.2三端式振蕩器若為場效應(yīng)管，則管腳對應(yīng)關(guān)系為：becgsdX1、X2、X3組成諧振回路諧振時：X1+X2+X3=0回路電流處處相同＝I∴構(gòu)成正反饋：X1、X2為同性質(zhì)電抗X1X2X3ufu0Iui13構(gòu)成原則:射同它反,即與發(fā)射極相連的兩電抗X1、X2性質(zhì)相同；X3與X1、X2的電抗性質(zhì)相反。一、三端式振蕩器構(gòu)成原則：兩種典型的三端式振蕩器的簡化電路：左圖：電容三端式電路，又稱為考畢茲電路，它的反饋電壓取自C1和C2組成的分壓器；右圖：電感三端式電路，又稱為哈特萊電路，它的反饋電壓取自L1和L2組成的分壓器。X1X2X3ufu0IuiX1X2X3ufu0Iui145.3.2三端式振蕩器二、電容三端式振蕩器R1、R2、Re

為直流偏置電阻；振蕩產(chǎn)生后作為自偏壓電阻，穩(wěn)幅作用。Lc高頻扼流圈，防止電源旁路Ce旁路電容、Cb

隔直流電容L、C1、C2

構(gòu)成諧振回路，決定振蕩頻率：CbR2R1R2ReCeC1C2LLCUCC155.3.2三端式振蕩器電容三端式振蕩器的特點：優(yōu)點：輸出波形較好，工作頻率較高，主要是由于其反饋支路采用了電容元件，高頻時電抗小，能較好的濾除高次諧波。若直接采用極間電容代替回路電容，工作頻率可以提高很多。缺點：頻率不易調(diào)整，因為改變回路電容會同時改變反饋系數(shù)，甚至可能造成回路停振。165.3.2三端式振蕩器5.3.3兩種改進(jìn)型電容反饋式振蕩器引入：晶體管各個電極與電抗元件并聯(lián)，極間電容對振蕩器的影響很大為提高頻率穩(wěn)定性，要盡量減小晶體管與回路的耦合。一、克拉潑振蕩器晶體管以部分接入方式與回路連接C3小，C主要由C3決定，C3小，頻率可調(diào)范圍小。C1C2C3LR1R2ReLRCUCCC1C2C3Cb17CbR1R2ReLRCUCCC1C2C4C3二、西勒振蕩器振蕩頻率主要C4由決定，可調(diào)范圍大。C4的變化對三極管對回路接入系數(shù)n1和F都不改變，展寬了工作頻帶，常用于頻率可調(diào)的振蕩器。接入系數(shù)與克拉潑電路相同185.3.3兩種改進(jìn)型電容反饋式振蕩器5.4LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度設(shè)實際工作頻率為f1，標(biāo)稱頻率為f0絕對頻率偏差：相對頻率偏差：頻率穩(wěn)定度：在一定時間間隔內(nèi)振蕩頻率的相對變化量，即

頻率穩(wěn)定度是振蕩器最重要的性能指標(biāo)之一。頻率穩(wěn)定，頻率穩(wěn)定是指當(dāng)外界條件發(fā)生變化時，振蕩器的實際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差盡可能小。5.4.1頻率穩(wěn)定度的概念19

對頻率穩(wěn)定度的要求視用途而異，一般的短波、超短波發(fā)射機(jī)的相對頻穩(wěn)度為10-4~10-5數(shù)量級；電視發(fā)射機(jī)為10-7數(shù)量級；衛(wèi)星通信發(fā)射機(jī)為10-9~10-11數(shù)量級。普通信號發(fā)生器為10-4~10-5數(shù)量級，高精度信號發(fā)生器為10-7~10-9數(shù)量級。用于國家時間標(biāo)準(zhǔn)的頻率源，要求在10-12數(shù)量級。205.4.1頻率穩(wěn)定度的概念5.4.2LC振蕩器的頻率穩(wěn)定分析其中，φfe是BJT正向傳輸導(dǎo)納Yfe(ω)的相移，φF是反饋系數(shù)F(ω)的相移C1C2LRbRieU0Uf電容三端式振蕩器交流通路Ui振蕩器的振蕩頻率由相位平衡條件以圖所示電容三端式振蕩電路為例來分析頻率穩(wěn)定程度與元件參數(shù)的關(guān)系。

由電路可得到：凡能引起φz、φfe和φF變化的因素都會引起振蕩頻率的變化

因為在諧振頻率附近，φfe

和φF隨ω的變化遠(yuǎn)小于Φz

(ω)的變化，在分析時將φF+φfe近似為一個常數(shù)，這樣相位條件就變?yōu)椋?1－f

Z()0g已知LC并聯(lián)諧振回路的等效阻抗的幅角φz(ω）為：代入相位平衡條件式，得φz(ω）與－φf的交點就是相位平衡點，交點處對應(yīng)的頻率就是振蕩頻率ωg。

225.4.2LC振蕩器的頻率穩(wěn)定分析

外界因素通過改變ω0、Qe和φf來影響ωg。其變化用全微分表示：

從公式可以看出，增大Qe和減小φf，可以減弱Δω0、ΔQe和Δφf造成的頻率偏移。235.4.2LC振蕩器的頻率穩(wěn)定分析-φf

Z()ω(a)

0變化的影響00+0gg+gZ()－φf0gg+gQeQe+Q(b)Qe變化的影響ω－φf

Z()0gg+g(c)

f變化的影響－φf+?φfω右圖形象的表示了ω0、Qe和φf分別變化時ωg相應(yīng)的變化過程。245.4.2LC振蕩器的頻率穩(wěn)定分析5.4.3提高頻率穩(wěn)定度的措施二、提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性一、減小外界因素的變化

采用恒溫槽減小溫度變化的影響；采用屏蔽措施減小磁場變化的影響；加入減振裝置減小機(jī)械振動的影響；采用隔離電路減小負(fù)載變化的影響等。

選用參數(shù)高度穩(wěn)定的L、C元件，如用石英晶體替代諧振回路的L，或者采用溫度補(bǔ)償來減小溫度變化對元件帶來的影響。已知：

與諧振回路元件參數(shù)L、C的關(guān)系為：，則25三、減小晶體管對振蕩頻率的影響

采用加大回路總電容的方法可以減小極間電容的相對影響，但是大電容會使頻率調(diào)諧范圍變窄，使振蕩變?nèi)酰粶p弱三極管與回路之間的耦合，也就是將三極管以部分接入方式接入回路，也可以減小極間電容對諧振回路的影響；通過穩(wěn)定晶體管的工作點可以減小gm的變化，從而減小φf的變化，也能夠穩(wěn)定振蕩頻率等方法。265.4.3提高頻率穩(wěn)定度的措施5.6振蕩器中的幾種現(xiàn)象

在實際振蕩電路中，由于各種原因，還可能產(chǎn)生一些特殊的振蕩現(xiàn)象。如寄生振蕩，間歇振蕩，頻率占據(jù)，頻率拖曳等。這些振蕩現(xiàn)象一般應(yīng)盡量避免，但有時也可以利用間歇振蕩和頻率占據(jù)現(xiàn)象來實現(xiàn)某些功能。5.6.1寄生振蕩

寄生振蕩是指某些特定頻率上，由電路中某些集總參數(shù)和分布參數(shù)構(gòu)成的閉合環(huán)路，滿足振蕩條件而產(chǎn)生的自激振蕩，一般是疊加在正常振蕩的波形上，引起振蕩波形的畸變。低頻寄生振蕩——由電路中的電感量較大的高頻扼流圈、電容量較大的隔直流電容或旁路電容所引起。超高頻寄生振蕩——分布參數(shù)（如引線電感、管子極間電容）所引起。27RbCbCeReLCUBBUCCUfUbU0(a)t1t2UBBubtt(b)5.6.2間歇振蕩

如果振蕩電路中某些元件參數(shù)選擇不當(dāng)，就會產(chǎn)生間歇振蕩，這時輸出電壓的波形如下圖(b)所示。電源接通后，振蕩建立速度快，振蕩電壓迅速增加，管子進(jìn)入非線性區(qū)域，實現(xiàn)穩(wěn)幅，振蕩很容易趨于穩(wěn)定（圖b的t1~t2時間段內(nèi)）。如果在t2時刻，UBB繼續(xù)變負(fù)，振蕩幅度會有所減小，A也隨之下降，造成環(huán)路增益小于1，若在此期間偏壓不能迅速建立，則振蕩迅速衰減到零，停振，直到偏壓又增加到起振時的電壓，開始新一輪振蕩。

為防止間歇振蕩的產(chǎn)生，偏置電壓的變化速度必須跟上振蕩振幅的變化速度。為此，可以通過增大回路的值來減小振蕩振幅的變化速度，同時要減小偏置電路中Cb、Ce取值來加快偏壓建立的瞬態(tài)過程。

28R1R2CbCeReLCUCCUsf1f2f3f4f’1=f1|fs–f’1|f|fs–f1|455.6.3頻率占據(jù)

若從外部引入一個頻率為的信號，當(dāng)接近振蕩器的振蕩頻率時，振蕩器受外加信號的影響，會向fs附近變化，甚至就等于fs

，產(chǎn)生強(qiáng)迫同步。

發(fā)生頻率占據(jù)的fs范圍稱為占據(jù)頻帶，用Δf表示：

Δf=Δf3-Δf2

實際中，外來信號往往來自周圍的干擾或鄰近的其它信號，當(dāng)發(fā)生頻率占據(jù)時，整個系統(tǒng)的工作都受到影響，可以采取措施切斷或減弱振蕩器與外來信號之間的耦合，以防止產(chǎn)生頻率占據(jù)。但在某些情況下，可以利用頻率占據(jù)現(xiàn)象實現(xiàn)注入同步，對振蕩器進(jìn)行強(qiáng)制的頻率和相位的同步，或者實現(xiàn)同步分頻，即對振蕩頻率的某次諧波進(jìn)行強(qiáng)制同步。29R1R2CbCeReL1C1UCCL2C21020101MNⅠⅡ5.6.4頻率拖曳

在以耦合振蕩回路作選頻網(wǎng)絡(luò)時，在一定條件下會產(chǎn)生所謂的頻率拖曳現(xiàn)象：當(dāng)變化一個回路（如次級回路）的諧振頻率時，振蕩頻率會產(chǎn)生非單值的變化，即有頻率突