第4章 正弦波振蕩器

第4章正弦波振蕩器

4.1概述

4.2反饋型LC振蕩原理

4.3反饋型LC振蕩電路

4.4振蕩器的頻率穩(wěn)定原理

4.5高穩(wěn)定度的LC振蕩器

4.6晶體振蕩器4.7負(fù)阻振蕩器4.8集成壓控振蕩器主要內(nèi)容

4.1概述一、振蕩電路的功能在沒(méi)有外加輸入信號(hào)的條件下，電路自動(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。二、振蕩電路的分類正弦波振蕩器非正弦波振蕩器：產(chǎn)生三角波、鋸齒波、矩形波等反饋型負(fù)阻型(100MHz以上)振蕩器RC振蕩器LC振蕩器晶體振蕩器按波形分按原理分按元件分負(fù)阻器件+振蕩回路

四、主要技術(shù)指標(biāo)

1、振蕩頻率；

2、頻率穩(wěn)定度；

3、振蕩幅度；

4、振蕩波形；首要指標(biāo)三、正弦波振蕩器的用途高頻加熱設(shè)備醫(yī)療儀器發(fā)射機(jī)(載波頻率fC)接收機(jī)(本地振蕩頻率fL)數(shù)字系統(tǒng)：時(shí)鐘信號(hào)通信系統(tǒng)：測(cè)量?jī)x器：信號(hào)源高頻能源：4.2反饋型LC振蕩原理一、組成反饋型LC振蕩器是由調(diào)諧放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成.調(diào)諧放大器正反饋網(wǎng)絡(luò)條件①放大器必須是調(diào)諧放大器,具有選頻濾波的功能②反饋網(wǎng)絡(luò)必須是正反饋，一般由無(wú)源器件組成定義：從放大器的輸出信號(hào)中取出一部分反饋到輸入端作為輸入信號(hào)，無(wú)需外部提供激勵(lì)信號(hào)，能產(chǎn)生等幅正弦波輸出稱為反饋型振蕩器。Pspice仿真振蕩器輸出波形

二、振蕩的建立與起振條件從無(wú)到有由弱到強(qiáng)由增到穩(wěn)起振條件平衡條件穩(wěn)定條件信號(hào)源來(lái)自何處？－＋－＋－＋調(diào)諧放大器反饋網(wǎng)絡(luò)環(huán)路增益－＋調(diào)諧放大器反饋網(wǎng)絡(luò)－＋－＋1、起振過(guò)程微小的擾動(dòng)電壓經(jīng)放大選頻反饋再放大再選頻再反饋‥‥如此循環(huán),振蕩電壓就會(huì)增長(zhǎng)起來(lái),建立了振蕩.起振條件

2、起振條件

A0F＞1

(n=0，1，2，…，n)

物理意義：振蕩為增幅振蕩物理意義：振蕩器閉環(huán)相位差為零，即為正反饋。振幅起振條件相位起振條件其中，A0為當(dāng)電源接通時(shí)的電壓增益。剛起振時(shí)，起始偏壓為正偏置IEUB+UE_+UBE_電路的偏置電壓為：－＋－＋三、振蕩的平衡與平衡條件U0OA振蕩特性反饋特性（n=0,1,2…）振幅平衡條件相位平衡條件1.平衡條件：輸出信號(hào)的振幅丙類乙類甲乙類甲類???

放大器進(jìn)入平衡的原因：（1）放大器固有的非線性特性（2）自給偏壓效應(yīng)

從起振到平衡，放大器工作狀態(tài)的變化:最后工作于什么狀態(tài)完全由A0F的值來(lái)決定。(A0F=2時(shí)，放大器工作于乙類；A0F>2時(shí)，放大器工作于丙類；1<A0F<2時(shí)，放大器工作于甲乙類。）輸出信號(hào)的頻率

晶體管

反饋網(wǎng)絡(luò)

LC選頻網(wǎng)絡(luò)2.平衡條件的另一種表示形式（用電路參數(shù)表示的平衡條件）振幅平衡條件:相位平衡條件:四、振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件1)穩(wěn)定平衡與不穩(wěn)定平衡2)振蕩器的穩(wěn)定平衡因某一外因的變化，振蕩的原平衡條件遭到破壞，振蕩器能在新的條件下建立新的平衡，當(dāng)外因去掉后，電路能自動(dòng)返回原平衡狀態(tài)。滿足這樣條件的平衡稱為穩(wěn)定平衡。3）振幅平衡的穩(wěn)定條件U0OAQ外因變化F1/FQ1AF>1（增幅振蕩）輸出增大Q1點(diǎn)達(dá)到新的平衡外因消失FAF<1（減幅振蕩）輸出減小回到原平衡狀態(tài)Q點(diǎn)1/F穩(wěn)定B點(diǎn)不穩(wěn)定：外因變化AF>1（增幅振蕩）輸出增大Q1點(diǎn)達(dá)到新的平衡F1/FQ1外因消失AF<1（減幅振蕩）輸出減小回到Q點(diǎn)達(dá)到平衡FQ點(diǎn)穩(wěn)定：軟激勵(lì)

硬激勵(lì)振幅的穩(wěn)定條件：（應(yīng)避免）tui4）相位平衡的穩(wěn)定條件頻率隨相位變化的關(guān)系：頻率與相位的關(guān)系：（頻率的穩(wěn)定條件）信號(hào)周期信號(hào)頻率信號(hào)頻率信號(hào)周期Oωωo0)(<??@?++?\wjwjjjZFZY

相位平衡的穩(wěn)定條件：

即要求選頻網(wǎng)絡(luò)的相頻特性曲線在工作頻率附近應(yīng)具有負(fù)斜率。實(shí)際中的并聯(lián)LC諧振回路正好具有這種相頻特性。

總結(jié):起振條件平衡條件平衡的穩(wěn)定條件

4.3反饋型LC振蕩電路反饋型LC振蕩器是由調(diào)諧放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成.按反饋網(wǎng)絡(luò)形式可以分為：互感耦合振蕩器

通過(guò)電感線圈L1與L2

的互感M實(shí)現(xiàn)反饋。三端（點(diǎn)）式LC振蕩器電感三端式，又稱哈特萊振蕩器(Hartley)；電容三端式，又稱考畢茲振蕩器(Coplitts)；串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱克拉潑振蕩器(Clapp)；并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱西勒振蕩器(Selier)。

一、互感耦合振蕩電路②通過(guò)與的互感M實(shí)現(xiàn)反饋。①放大器為共基調(diào)諧放大。③正反饋由耦合線圈的同名端決定。1、電路形式判斷相位平衡條件是否滿足，通?？梢圆捎盟矔r(shí)極性法判斷是否是正反饋。2、判斷振蕩的方法++++⊕①共基調(diào)集型

②共射調(diào)基型“共射”電路輸入阻抗較低，晶體管與回路采用部分接入+++-⊕

③共基調(diào)射型+++--+⊕

3、電路的振蕩頻率4、互感耦合振蕩電路的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：互感耦合振蕩電路在調(diào)整反饋（改變M）時(shí)，基本不影響振蕩頻率缺點(diǎn)：工作頻率不易過(guò)高，應(yīng)用于中短波段

二、三端（點(diǎn)）式LC振蕩器1、電路形式三端式LC振蕩電路是經(jīng)常被采用的，其工作頻率約在幾MHz到幾百M(fèi)Hz的范圍，頻率穩(wěn)定度也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)。分析前提：①回路元件的電阻很小，可以忽略其影響；②忽略三極管的輸入阻抗與輸出阻抗的影響。則電路要振蕩必須滿足條件：Xbe和Xce應(yīng)為同性質(zhì)電抗Xcb應(yīng)和Xbe、Xce電抗性質(zhì)相反

2、三端式電路組成原則1、Xce與Xbe的電抗性質(zhì)相同；2、Xcb與Xce、Xbe的電抗性質(zhì)相反；3、對(duì)于振蕩頻率，滿足Xce+Xbe+Xcb=0。射同余異源同余異

三、電容反饋振蕩電路1、電路形式晶體管的三個(gè)極（c.e.b）分別連接于回路電容的三端，稱為電容三點(diǎn)式振蕩器，也稱為考比茲振蕩器。ceb

2、相位平衡條件（正反饋）振蕩器的等效電路電壓向量圖

3、起振條件a、振蕩要建立必須滿足 。由于外部反饋?zhàn)饔眠h(yuǎn)大于內(nèi)部反饋，忽略的作用，

ceb

電路的反饋系數(shù)F（忽略各個(gè)g的影響）b、起振條件得即:電壓增益其中:

c、結(jié)論（1）滿足起振條件是選取晶體管的

（2）晶體管一旦選定(參數(shù)一定)可以改變F和來(lái)保證起振。F一般選取0.1-0.5。即適當(dāng)選擇C1和C2的值4、振蕩頻率的估算其中：

四、電感反饋振蕩電路它是利用并聯(lián)諧振回路中的電感分壓實(shí)現(xiàn)正反饋的。由于晶體管的三個(gè)極分別連接于回路電感的三端，稱為電感三點(diǎn)式振蕩器，也稱為哈特萊（Hartley）振蕩器。1、電路形式

2、相位平衡條件（正反饋）

①振蕩的建立必須滿足 。②反饋系數(shù)在不考慮晶體管參數(shù)的影響時(shí)可得：當(dāng)線圈繞在磁環(huán)上時(shí)，線圈兩部分為緊耦合，則：③由 ，忽略、的影響，可得3、起振條件4、振蕩頻率的估算其中：

五、電感三點(diǎn)式與電容三點(diǎn)式振蕩電路的比較電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式波形較好較差頻率較高較低頻率穩(wěn)定度較好較差起振、調(diào)節(jié)較難較易

試分析上述四種情況是否可能振蕩?振蕩頻率f0與回路諧振頻率有何關(guān)系?例題:圖示為三回路振蕩器的等效電路，設(shè)有以下四種情況：

4.4振蕩器的頻率穩(wěn)定原理一、頻率穩(wěn)定度的定義

3、頻率穩(wěn)定度的定義:

在一定時(shí)間間隔內(nèi)，振蕩器相對(duì)頻率偏差的最大值，用表示。頻率穩(wěn)定度在數(shù)量上通常用頻率偏差來(lái)表示。頻率偏差是指振蕩器的實(shí)際工作頻率和標(biāo)稱頻率之間的偏差。它可分為絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差。設(shè)f為實(shí)際振蕩頻率，fc為指定標(biāo)稱頻率，則

1、絕對(duì)頻率偏差：2、相對(duì)頻率偏差絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度相對(duì)頻率準(zhǔn)確度

4、三種常用的頻率穩(wěn)定度

長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以上甚至數(shù)月的時(shí)間間隔內(nèi)的相對(duì)頻率變化的最大值。這種變化通常是由振蕩器中元器件老化而引起的。短期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以內(nèi)，以小時(shí)、分或秒計(jì)算的時(shí)間間隔內(nèi)的頻率相對(duì)變化。產(chǎn)生這種頻率不穩(wěn)的因素有溫度、電源電壓等。瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度：一般指秒或毫秒時(shí)間間隔內(nèi)的頻率相對(duì)變化。引起這類頻率不穩(wěn)定的主要因素是振蕩器內(nèi)部噪聲。

二、振蕩器頻率穩(wěn)定度的表示式1、振蕩頻率的表示式

（由相位平衡條件決定）

振蕩器的相位平衡條件

2、頻率穩(wěn)定度的表示式總結(jié)：諧振頻率的變化、相角的變化和有載品質(zhì)因數(shù)Q的變化都會(huì)引起頻率穩(wěn)定度的變化。

1、溫度變化會(huì)引起L、C和晶體管y參數(shù)變化。2、濕度變化會(huì)引起L、Q變化。3、電源電壓變化會(huì)引起晶體管參數(shù)變化。4、機(jī)械振動(dòng)會(huì)引起L的變化。三、引起頻率不穩(wěn)的原因結(jié)論：引起振蕩器頻率不穩(wěn)定的外部因素是溫度、濕度、電源電壓波動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)。這些外因變化會(huì)引起、、的變化。因此產(chǎn)生頻率不穩(wěn)定。

四、提高頻率穩(wěn)定度的措施1、減小外因的變化

溫度變化可以采用恒溫措施；

濕度變化采用將電感線圈密封或固化；

電源電壓變化采用穩(wěn)壓電源；

機(jī)械振動(dòng)采用減震措施；

負(fù)載變化采用射隨器隔離。2、提高電路參數(shù)抗外因變化的能力①選用正溫度系數(shù)的電感和負(fù)溫度系數(shù)的電容組成諧振回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。②減小晶體管極間電容不穩(wěn)定量、對(duì)回路總電容的影響，可采用部分接入方式的克拉潑電路、西勒電路和晶體振蕩器。③選用高Q的元件。選用小的電容三點(diǎn)式振蕩電路形式。

一、一般電容三點(diǎn)式振蕩電路頻率穩(wěn)定性的分析4.5高穩(wěn)定度的LC振蕩器當(dāng)、沒(méi)變化時(shí)，回路總電容對(duì)應(yīng)振蕩頻率為:當(dāng)變化ΔCoe，變化ΔCi時(shí)，總電容的增量:

而、與晶體管工作狀態(tài)和外界條件有關(guān)。結(jié)論：一般電容三點(diǎn)式振蕩電路p1

、p2

不可能同時(shí)減小，故頻率穩(wěn)定度不可能做得較高。

二、克拉潑（Clapp）振蕩電路①在電感支路串接小電容C3②滿足C3＜＜C1，C3＜＜C2

③回路總電容為：1、電路特點(diǎn)

2、相位平衡條件（正反饋）為容抗，為容抗同性質(zhì)?？傻刃楦锌梗c、反性質(zhì)。滿足電容三點(diǎn)式振蕩器相位平衡條件判斷準(zhǔn)則，為電容三點(diǎn)式振蕩電路。

3、振蕩頻率因?yàn)樗钥死瓭姡–lapp）振蕩器的振蕩頻率為：

4、穩(wěn)頻原理總的電容增量為：其中①p1

、p2可以同時(shí)減小，可很小，故頻率穩(wěn)定度比一般電容三點(diǎn)式要高。結(jié)論：②p1

、p2

的減小受到電路起振條件的限制，頻率穩(wěn)定度不可能很高。③克拉潑電路主要用作固定頻率振蕩器。

三、西勒（Siler）振蕩電路

2、相位平衡條件（正反饋）為容抗，為容抗同性質(zhì)。可等效為感抗，與、反性質(zhì)。滿足電容三點(diǎn)式振蕩器的相位平衡條件判斷準(zhǔn)則，為電容三點(diǎn)式振蕩電路。3、振蕩頻率1、電路特點(diǎn)：西勒電路是在克拉潑電路基礎(chǔ)上，在電感L兩端并聯(lián)一個(gè)電容。電路條件仍是C3＜＜C1，C3＜＜C2，與同數(shù)量級(jí)回路總電容為：4、總結(jié)

這種電路保持了克拉潑電路中晶體管與回路耦合弱的特點(diǎn)，頻率穩(wěn)定度高。調(diào)頻時(shí)，輸出振蕩電壓幅度基本平穩(wěn)，可作為變頻振蕩器。1、電路特點(diǎn)：西勒電路是在克拉潑電路基礎(chǔ)上，在電感L兩端并聯(lián)一個(gè)電容。電路條件仍是C3＜＜C1，C3＜＜C2，與同數(shù)量級(jí)回路總電容為：

4.6晶體振蕩電路一、石英晶體介紹石英晶體是SiO2的結(jié)晶體，具有壓電和反（逆）壓電效應(yīng)。一般LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度只能達(dá)到10-3

～10-5。若要求頻率穩(wěn)定度超過(guò)10-5，需用石英晶體振蕩器。1、壓電效應(yīng)和反壓電效應(yīng)所謂壓電效應(yīng)是指當(dāng)晶體受外力（壓力或張力）作用而變形時(shí)，會(huì)在對(duì)應(yīng)表面上產(chǎn)生正、負(fù)電荷，呈現(xiàn)出電場(chǎng)。所謂反壓電效應(yīng)是指當(dāng)晶體表面加上電壓時(shí)，晶體會(huì)出現(xiàn)彈性變形。若在晶體兩端加上周期交變電壓，由于反壓電效應(yīng)，晶體就會(huì)出現(xiàn)周期的機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)的幅度基本正比于外加電壓的幅值。同時(shí)，由于壓電效應(yīng)，晶體的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)使晶體表面的電荷周期變化，相當(dāng)于有交流電流流過(guò)晶體，感應(yīng)出周期的交變電壓。

石英晶體和其它彈性體（如彈簧）一樣，有固有的機(jī)械諧振頻率（自然頻率），此頻率與晶體的材料、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。當(dāng)加上交變電壓頻率與晶體的自然頻率相等時(shí)，晶體就會(huì)發(fā)生機(jī)械諧振，此時(shí)，機(jī)械振動(dòng)幅度最大。故由壓電效應(yīng)感應(yīng)出的電流幅值最大，表現(xiàn)出電諧振。利用晶體的這一特性，就可以做成諧振回路，稱為石英晶體諧振器（晶振）。2.石英晶體諧振器的制作方法

從石英晶體上按一定角度切下一片正方形、長(zhǎng)方形或圓形的薄片（稱為晶片），在晶片的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上圖上銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線作為管腳，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器。品質(zhì)因數(shù)：很高，達(dá)～量級(jí)

3.石英晶體的等效電路動(dòng)態(tài)電感

:很大，幾十毫亨到幾十亨動(dòng)態(tài)電容

:很小，一般為PF量級(jí)；動(dòng)態(tài)電阻

:很小，一般為幾歐~幾百歐靜態(tài)電容Co

：

很小，約2～5PF。特點(diǎn)：①晶體的參數(shù)值十分穩(wěn)定，因此它的等效諧振回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性②具有極高的Q值③Cq<<C0,因此晶體的接入系數(shù)很小，外電路對(duì)它的影響很小。

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（2n-1）諧波的泛音振動(dòng)?；l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。

石英晶體諧振器完整等效電路

4、晶體管等效電路有兩個(gè)諧振頻率①串聯(lián)諧振頻率②并聯(lián)諧振頻率兩個(gè)頻率之差很?。憾?、石英晶體的阻抗特性1、忽略時(shí)，總阻抗為

2、阻抗頻率特性①當(dāng)和時(shí)，

，晶體等效為電容；②當(dāng)時(shí)，，晶體等效為短路；③當(dāng)時(shí)，，晶體等效為電感；④當(dāng)時(shí)，，晶體為并聯(lián)諧振?？偨Y(jié)：晶體使用的兩種模式：時(shí)，晶體短路線時(shí)，晶體電感

三、晶體振蕩電路根據(jù)晶體在振蕩器中的作用原理可分為兩類：并聯(lián)型晶體振蕩器：晶體作為高品質(zhì)的電感工作頻率：串聯(lián)型晶體振蕩器：晶體作為高選擇性的短路元件工作頻率：并聯(lián)泛音振蕩器米勒（Miller）振蕩器：晶體接在e、b之間皮爾斯（Pierce）振蕩器:晶體接在c、b之間

1、并聯(lián)型晶體振蕩器——晶體在電路中等效為高Q電感①兩種基本類型電路圖（a）電容三點(diǎn)式振蕩電路圖（b）電感三點(diǎn)式振蕩電路皮爾斯振蕩器密勒振蕩器

②并聯(lián)型晶體振蕩器（以皮爾斯振蕩器為例）

A、相位平衡條件由于容抗，容抗，晶體等效為感抗，滿足三點(diǎn)式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則。電路為正反饋。B、振蕩頻率令稱為負(fù)載電容。由等效電路可得故總結(jié)：①振蕩頻率與和負(fù)載電容有關(guān)。②振蕩頻率一定在與之間，晶體等效為電感。

③因串、并聯(lián)頻率相差很小，因此振蕩器頻率穩(wěn)定度高。

C、穩(wěn)頻原理由等效電路可知其中，和很小，不穩(wěn)定電容、的影響非常小。關(guān)鍵很小，的Q很高。晶體的參量具有高穩(wěn)定性，晶體回路的標(biāo)準(zhǔn)性很高。振蕩回路與晶體管之間的耦合很弱，晶體管極間電容的不穩(wěn)定性對(duì)它的影響很小。晶體具有極其靈敏的電抗補(bǔ)償能力。總結(jié)：由于以上三個(gè)因素，晶體振蕩器具有很高的頻率穩(wěn)定度

2、串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩電路①電路特點(diǎn):晶體在電路中等效為短路元件

回路諧振在上,即振蕩頻率為:

②穩(wěn)頻原理當(dāng)時(shí),晶體在電路中相當(dāng)于短路元件,滿足相位平衡條件當(dāng)時(shí),晶體在電路中相當(dāng)于電感,饋支路中引入一個(gè)附加相移，使，從而將偏離頻率調(diào)整聯(lián)諧振頻率上。當(dāng)時(shí),晶體在電路中相當(dāng)于電容,饋支路中引入一個(gè)附加相移，使，從而將偏離頻率調(diào)整聯(lián)諧振頻率上。總結(jié)：串聯(lián)型晶體振蕩器的振蕩頻率及頻率穩(wěn)定度是由晶體的串聯(lián)諧振頻率所決定，而不取決于振蕩回路，但振蕩回路的諧振頻率應(yīng)與晶體的串聯(lián)頻率相一致。當(dāng)時(shí),晶體在電路中相當(dāng)于電感,饋支路中引入一個(gè)附加相移，使，從而將偏離頻率調(diào)整聯(lián)諧振頻率上。

3、泛音晶體振蕩器①在工作頻率較高的晶體振蕩器中，多采用泛音晶體諧振器②組成泛音晶體振蕩器的原則；確保振蕩器的諧振回路準(zhǔn)確地調(diào)諧在所需的奇次泛音頻率上抑制基音和低次泛音頻率

4.7負(fù)阻振蕩器一、負(fù)阻的概念

1、負(fù)阻器件是指它的增量電阻為負(fù)值的器件。

隧道二極管特性

2、上圖所示是隧道二極管的伏安特性若將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在負(fù)阻區(qū)（AB段）的Q點(diǎn)，并加上微弱正弦信號(hào)電壓