電子線路-非線性部分(第四版)謝嘉奎-第3章正弦波振蕩器課件

第3章

正弦波振蕩器概述3.1

反饋振蕩器的工作原理3.2

LC正弦波振蕩器3.3

LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度3.4

晶體振蕩器3.5

RC正弦波振蕩器3.6負阻正弦波振蕩器3.7

寄生振蕩、間歇振蕩和頻率占據第3章正弦波振蕩器概述3.1反饋振蕩器的工作原理3概述一、與功放比較(從能量角度)

1．功率放大器

將直流電源提供的直流能量轉換為按信號規(guī)律變化的交變能量。

特點：被動地，需輸入信號控制

2．正弦波振蕩器(SinewaveOscillator)

將直流能量轉換為頻率和振幅特定的正弦交變能量。

特點：自動地，無需輸入信號控制。概述一、與功放比較(從能量角度)1．功率放大器二、正弦波振蕩器的應用

1．作信號源(本章將討論)

載波信號：無線發(fā)射機；本振信號：超外差接收機；正弦波信號源：電子測量儀器；時鐘信號：數字系統(tǒng)。

要求：振蕩頻率和振幅的準確性和穩(wěn)定性。

2．正弦交變能源(本章不討論)用途：高頻加熱設備和醫(yī)用電療儀器中的正弦交變能源。要求：功率足夠大，高效。二、正弦波振蕩器的應用1．作信號源(本章將討論)載波

三、分類(按組成原理)

1．反饋振蕩器

利用正反饋原理構成，應用廣泛。

2．負阻振蕩器

利用負阻效應抵消回路中的損耗，以產生等幅自由振蕩。工作于微波段。三、分類(按組成原理)1．反饋振蕩器利用正反饋原3.1

反饋振蕩器的工作原理

1．組成主網絡與反饋網絡構成閉合環(huán)路。

圖3-1-1反饋振蕩器的組成方框及相應電路例：變壓器耦合反饋振蕩器(交流通路)。

(1)主網絡

負載為諧振回路的諧振放大器。3.1反饋振蕩器的工作原理1．組成主網絡與反饋網絡構圖3-1-1反饋振蕩器的組成方框及相應電路

(2)反饋網絡

與L

相耦合的線圈Lf。反饋振蕩器工作原理圖3-1-1反饋振蕩器的組成方框及相應電路(2)

2．等幅持續(xù)振蕩的條件①

剛通電時，須經歷一段振蕩電壓從無到有逐步增長的過程。②進入平衡狀態(tài)時，振蕩電壓的振幅和頻率要能維持在相應的平衡值上。③

當外界條件不穩(wěn)時，振幅和頻率仍應穩(wěn)定，而不會產生突變或停止振蕩。閉合環(huán)路成為反饋振蕩器的三個條件：①起振條件——接通電源后可從無到有建立起振蕩。②平衡條件——進入平衡狀態(tài)后可輸出等幅持續(xù)振蕩。③

穩(wěn)定條件——平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素的影響而受到破壞。

以下分別討論這三個條件。2．等幅持續(xù)振蕩的條件①剛通電時，須經歷一段振蕩電第3章

正弦波振蕩器3.1

反饋振蕩器的工作原理3.1.1

平衡和起振條件3.1.2

穩(wěn)定條件3.1.3

基本組成及其分析方法第3章正弦波振蕩器3.1反饋振蕩器的工作原理3.13.1.1

平衡和起振條件一、起振條件

1．分析

①

剛通電時，電路中存在電的擾動(電流突變或管子、電路中的固有噪聲)，具有很寬的頻譜。

②

諧振回路的選頻功能，只允許角頻率為osc

的分量(osc

0)在諧振回路兩端產生較大的電壓。

③

變壓器繞向正確，可保證反饋信號

與輸入信號

同相，經放大和反饋的循環(huán)，使振蕩電壓的振幅不斷增長。

2．起振條件

(1)振幅起振條件3.1.1平衡和起振條件一、起振條件1．分析，或環(huán)路增益(2)相位起振條件

T(osc)=A(osc)+f(osc)=2n

(n=0，1，2，···)

二、平衡條件

1．分析同相又等幅，即若在某一頻率

上，與當環(huán)路閉合后：

①主網絡將輸出正弦振蕩電壓

，角頻率為

。

②所需輸入電壓全部由反饋電壓提供，無需外加輸入電壓。

，或環(huán)路增益(2)相位起振條件T(osc)=A(

2．平衡條件由則：①

振幅平衡條件：環(huán)路增益的模

T(osc)=1

②

相位平衡條件：環(huán)路增益的相角T(osc)=2n

(n=0，1，2，···)

3．討論反饋振蕩器需同時滿足起振條件與平衡條件：

①

起振時，T(osc)>1，Vi迅速增長；

②隨后，T(osc)下降，Vi的增長速度變慢；

③

到T(osc)=1時，Vi停止增長，振蕩器進入平衡狀態(tài)，在相應的平衡振幅ViA上維持等幅振蕩。

環(huán)路增益

特性如圖3-1-2

所示。2．平衡條件由則：①振幅平衡條件：環(huán)路增益的模T(圖3-1-2

④

而環(huán)路增益的相角T(osc)則必須維持在2n上。

平衡條件多利用放大器的非線性實現。

例變壓器耦合反饋振蕩器：

剛通電時，Vi很小，放大器小信號工作，增益較大，相應的T(osc)

為大于1

的水平線。當Vi增大到一定數值后，放大器進入大信號工作，由于放大特性非線性，放大器的增益將隨Vi增大而減小，相應地T(osc)也就隨著Vi的增大而下降。

符合起振與平衡條件對T(osc)的要求。圖3-1-2④而環(huán)路增益的相角T(3.1.2

穩(wěn)定條件一、問題的提出

1．振蕩電路中存在干擾

①

外部：電源電壓、溫度、濕度的變化，引起管子和回路參數的變化。

②

內部：存在固有噪聲(起振時的原始輸入電壓,進入平衡后與輸入電壓疊加引起波動)。

均造成T(osc)和T(osc)的變化，破壞平衡條件。

2．干擾對平衡狀態(tài)的影響(兩種)通過放大和反饋的反復循環(huán)：①

振蕩器離開原平衡狀態(tài)，導致停振或突變到新的平衡狀態(tài)。原平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的，應避免。3.1.2穩(wěn)定條件一、問題的提出1．振蕩電路中存在

②

振蕩器有回到平衡狀態(tài)的趨勢。當干擾消失后，能回到平衡狀態(tài)。原平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。必須討論穩(wěn)定條件，保證振蕩器所處平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。

二、振幅穩(wěn)定條件

圖3-1-2

所示環(huán)路增益特性，還滿足振幅穩(wěn)定條件。

1．穩(wěn)定過程

若，干擾使：

最后在新的上重新滿足平衡條件T(osc)=1最后達到新的平衡。

②振蕩器有回到平衡狀態(tài)的趨勢。當干擾消失后，能回到平衡

2．環(huán)路增益存在兩個平衡點的情況圖3-1-3

如圖3-1-3

所示，振蕩器存在著兩個平衡點A

和B，其中A

是穩(wěn)定的，B

點是否穩(wěn)定？

分析：若使Vi>

ViB，則T(osc)隨之增大，導致Vi進一步增大，從而更遠離平衡點B。最后到達平衡點A。反之，若，直到停止振蕩。

可見，這種振蕩器不滿足振幅起振條件，必須加大的電沖擊，產生大于ViB的起始擾動電壓，才能進入平衡點A，產生持續(xù)等幅振蕩。2．環(huán)路增益存在兩個平衡點的情況圖3-1-3如圖

硬激勵：靠外加沖擊而產生振蕩。

軟激勵：接通電源后自動進入穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

3．振幅穩(wěn)定條件

可見，要使平衡點穩(wěn)定，T(osc)必須在ViA

附近具有隨Vi增大而下降(負斜率變化)的特性，即

斜率越陡，則Vi

的變化而產生的T(osc)

變化越大，系統(tǒng)回到穩(wěn)態(tài)的時間越短，調節(jié)能力越強。硬激勵：靠外加沖擊而產生振蕩。軟激勵：接通電源后自動三、相位(頻率)穩(wěn)定條件1．T(osc)的偏移對振蕩頻率的影響①

由相位平衡條件

T(osc)=2n(n=0，1，2，···)，表明每次放大和反饋后的電壓與原輸入電壓同相。

②

若某種原因使T(osc)>0，則通過每次放大和反饋后的電壓相位都將超前于原輸入電壓相位。由

=/t(正弦電壓角頻率是瞬時相位對時間的導數)

，因此，這種相位的不斷超前表明振蕩器的角頻率>osc。

③

反之，若某種原因使T(osc)<0，則由于每次放大和反饋后的電壓相位都要滯后于原輸入電壓相位，因而振蕩頻率<osc。三、相位(頻率)穩(wěn)定條件1．T(osc)的偏移對振

2．相位(頻率)穩(wěn)定的討論

若T()

的特性如圖3-1-4

所示(在osc附近有負斜率變化)

①

若某種原因使T(osc)>0(即

>

osc)，由特性，T()

<0，Vi的超前勢必受到阻止。

②

若某種原因使T(osc)<0(即

<

osc)，由特性，T()

>0，Vi滯后必受阻。

兩種情況都通過不斷的放大和反饋，最后都在原振蕩頻率附近達到新的平衡，使

。3．相位穩(wěn)定條件

斜率越陡，則穩(wěn)定性越靈敏。圖3-1-42．相位(頻率)穩(wěn)定的討論若T()的特性如4．舉例說明變壓器耦合振蕩電路滿足相位平衡條件。

T()

由兩部分組成：

(1)放大器輸出電壓對輸入電壓的相移A()(2)反饋網絡反饋電壓對的相移f()即

T()=A()+f()4．舉例說明變壓器耦合振蕩電路滿足相位平衡條T()=A()+f()

①

A()放大管(可略)并聯諧振回路相移Z()②

f()，隨

的變化十分緩慢，可認為它與

無關。故Z()隨

變化的特性可代表

T()

隨

變化的特性。T()=A()+f()①A((a)并聯諧振回路圖3-1-5諧振回路的相頻特性曲線

并聯諧振回路，其相頻特性0——諧振頻率

Qe——有載品質因數

可見在實際振蕩電路中，是依靠具有負斜率相頻特性的諧振回路來滿足相位穩(wěn)定條件的，且Qe越高，Z()隨

的變化斜率越大，頻率穩(wěn)定度越高。(a)并聯諧振回路并聯諧振回路，其相頻特性0——諧振3.1.3

基本組成及其分析方法要產生穩(wěn)定的正弦振蕩，振蕩器必須滿足起振、平衡、穩(wěn)定三項條件。

1．組成

①

可變增益放大器——提供足夠的增益，且其增益隨輸入電壓增大而減小。

②

相移網絡——具有負斜率變化的相頻特性，為環(huán)路提供合適的相移，保證在諧振頻率上的相移為2n?；颍核膫€環(huán)節(jié)3.1.3基本組成及其分析方法要產生穩(wěn)定的正弦振蕩，2．種類

根據可變增益放大器和相移網絡的不同：

(1)可變增益放大器①按放大管晶體管放大器場效應管放大器差分對管放大器集成運算放大器等②按實現可變增益的方法內穩(wěn)幅(SelfLimiting)：利用放大管固有的非線性

外穩(wěn)幅(ExternalLimiting)：放大器線性工作，另外插入非線性環(huán)節(jié)，共同組成。(2)相移網絡——具有負斜率變化的相移①LC

諧振回路②RC

相移和選頻網絡③石英晶體諧振器2．種類根據可變增益放大器和相移網絡的不同：

3．分析方法反饋振蕩器為包含電抗元件的非線性閉環(huán)系統(tǒng)，用計算機可對其進行近似數值分析。但工程上廣泛采用：

①

首先，檢查環(huán)路是否包含可變增益放大器和相頻特性具有負斜率變化的相移網絡；閉合環(huán)路是否是正反饋。

②

其次，分析起振條件。起振時，放大器小信號工作，可用小信號等效電路分析方法導出T(j)，并由此求出起振條件及由起振條件決定的電路參數和相應的振蕩頻率。若振蕩電路合理，又滿足起振條件，就能進入穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，相應的電壓振幅通過實驗確定。

③

最后，分析振蕩器的頻率穩(wěn)定度，并提出改進措施。3．分析方法反饋振蕩器為包含電抗元件的非線性閉環(huán)系統(tǒng)第3章正弦波振蕩器3.2

LC正弦波振蕩器3.2.1三點式振蕩電路3.2.2差分對管振蕩電路

3.2.3舉例第3章正弦波振蕩器3.2LC正弦波振蕩器3.2.13.2

LC正弦波振蕩器

LC正弦波振蕩器：采用LC諧振回路作為相移網絡的振蕩器。

種類：變壓器耦合振蕩電路三點式振蕩電路和差分對管振蕩電路。3.2LC正弦波振蕩器LC正弦波振蕩器：采用LC3.2.1

三點式振蕩電路一、電路組成法則圖3-2-1

三點式振蕩的原理電路

1．電路

兩種基本類型三點式振蕩器的原理電路(交流通路)。

2．組成法則

交流通路中，晶體管的三個極與諧振回路的三個引出端相連接。其中，與發(fā)射極相接的為兩個同性質電抗，接在集-基間的為異性電抗。

可證，此法連接必滿足相位平衡條件，實現正反饋。三點式振蕩電路組成法則3.2.1三點式振蕩電路一、電路組成法則圖3-2-1三二、三點式振蕩器電路

(1)電路圖3-2-2電容三點式振器電路

RB1、RB2和RE：分壓式偏置電阻；CC、CB、CE：旁路和隔直流電容；RC：集電極直流負載電阻；RL：輸出負載電阻；

L、C1、C2

：并聯諧振回路。二、三點式振蕩器電路(1)電路圖3-2-2電容三點圖3-2-2電容三點式振器電路

(2)組成

可變增益器件：晶體管T；相移網絡：并諧；發(fā)射極：為兩同性質容性電抗；集-基：感性電抗。圖3-2-2電容三點式振器電路(2)組成可變增益(3)討論——

起振與平衡

T為可變增益器件，偏置電路設置合適Q點同時，隨vi的增大產生自給偏置效應，加速放大器增益的下降。圖3-2-4其直流偏置電路如圖

3-2-4所示。剛起振時，發(fā)射結直流偏置為靜態(tài)偏置電壓，VBE0=

VBEQ=VBB

-IBQRB-IEQRE。自給偏置效應反饋→vi↑→vi一部分進入截止區(qū)→iC為失真的脈沖波，其平均值IC0

>ICQ→VBE0↓→增益↓→平衡

所以，振蕩振幅增大時，加在發(fā)射結上的偏置電壓將自靜態(tài)值向截止方向移動，導致環(huán)路增益進一步下降，從而提高了振蕩振幅的穩(wěn)定性。(3)討論——起振與平衡T為可變增益器件，偏置電2．電感三點式振蕩器電路(1)電路與元件作用(2)組成法則判斷

交流通路圖3-2-62．電感三點式振蕩器電路(1)電路與元件作用(2)組成法則三、電容三點式振蕩電路的起振條件(相位與振幅)1．等效電路[以圖

3-2-2(b)為例]

推導環(huán)路增益T(j)

時，應將閉合環(huán)路斷開。(1)改畫電路

圖3-2-3

對應圖3-2-2電路的交流通路斷點左面加環(huán)路的輸入電壓Vi(j)斷點右邊(與C2

并聯)接入自斷點向左看進去的阻抗Zi

Re0：

L、C1、C2

并聯諧振回路的固有諧振電阻。Q0：固有品質因數。三、電容三點式振蕩電路的起振條件(相位與振幅)1．等效電路[(2)用混合

型等效電路表示設fosc<<fT

(管子的特性頻率)，忽略rbb

、ree和Cbc，得簡化的等效電路：(2)用混合型等效電路表示設fosc<<fT

(a)

(b)圖3-2-3

對應圖3-2-2電路的交流通路由圖3-2-3可見，在

×

處呈現的輸入阻抗。其中Zi=RE//re//(1/jCbe)，re=26mV/IEQ(a)(b)令且設則反饋電壓Vf(j)

為：(Z1、Z2

串與Z3并)Z1Z2Z3令且設則反饋電壓Vf(j)為：(Z1、Z2串與所以(3-2-1)將Z1、Z2、Z3

表達式代入，整理得(3-2-2a)

其中式中，

諧振時滿足虛部為0，即B=0，T(osc)=0

起振時滿足T(osc)>1

(gm>A)可求得三點式振蕩器的相位起振條件為所以(3-2-1)將Z1、Z2、Z3表達式代入，整理得

(3-2-3)振幅起振條件為

(3-2-4)討論：1．振蕩角頻率osc

振蕩頻率osc

由相位起振條件決定，解(3-2-3)求得(3-2-5)式中，

：LC回路總電容，

：固有諧振角頻率。

osc

與0(LC)有關，還與gi(Ri)、gL

(

Re0、RL)有關，且osc>0

。在實際電路中，一般滿足

(3-2-3)振幅起振條件為(3-2-4)討論：1．振蕩工程估算時，osc

0=

(3-2-6)2．振幅起振條件

工程估算時，令

=osc

0

，代入(3-2-4)式，即

(3-2-4)振幅起振條件可簡化為設(3-2-7)n為電容分壓比(p127)，上式改寫為gm>(3-2-8a)或

(3-2-8b)工程估算時，osc0=(3

若gi>>

，則由圖3-2-7可見，n2gi便是gi經電容分壓器折算到集電極上的電導值。

因而回路諧振時集電極上的總電導為(

+n2gi)，gm

除以這個總電導就是回路諧振時放大器的電壓增益Av(0)*，而n則是反饋網絡(C1、組成)的反饋系數kfv

。這樣，式(3-2-8b)又可表示為Av(0)kfv

>1圖3-2-7推導T(j)的等效電路若gi>>，則由圖3-2-7可見，n2圖3-2-7推導T(j)的等效電路

討論：為滿足振幅起振條件，應增大Av(0)

和kfv

。

①增大kfv(=n)

，n2gi

增大，Av(0)

減?。粶p小kfv

，雖提高

Av(0)，但回路增益T(0)受限。故n取值應適中。

②提高ICQ，可以增大gm，從而提高Av(0)

，但不宜過大，否則，gi(1/re=gm/)會過大，造成回路有載品質因數下降，影響頻率穩(wěn)定性。ICQ一般取

15mA。圖3-2-7推導T(j)的等效電路討論：為滿

(a)

(b)圖3-2-3

對應圖3-2-2電路的交流通路

結論：若振蕩管fT

>5fosc，RL又不太小(>1k)，且n(兩電容)取值適中，一般都滿足起振條件。

分析表明，閉合環(huán)路不論何處斷開，它們的振幅起振條件都是一樣的。但斷開點不同，主網絡和反饋網絡的組成就不同，相應的放大器增益和反饋系數也就不同。(a)(b)

(a)

(b)圖3-2-3

對應圖3-2-2電路的交流通路

若圖3-2-3(b)所示閉合環(huán)路在基極處開斷，三極管接成共發(fā)組態(tài)。圖中用工程估算法將gib和折算到集射極間，分別為gib

折算到集射極間的計算。(a)(b)圖3-2-8在基極處開斷的等效電路圖3-2-8在基極處開斷的等效電路折算到集射極間的計算折算到集射極間的計算

四、用工程估算法求起振條件

①將閉合環(huán)路斷開，畫出開環(huán)等效電路。②求出固有諧振頻率0，并令osc

0。

③將諧振回路的電導折算到集電極上，求放大器回路諧振時的增益和反饋系數，便可確定振幅起振條件。四、用工程估算法求起振條件①將閉合環(huán)路斷開，畫出3.2.2差分對管振蕩電路

一、工作原理

T2的集電極上外接LC諧振回路，調諧在諧振頻率上。其輸出電壓直接加到T1管的基極上，形成正反饋。T2管的基極和集電極直流同電位，必須限制LC兩端的振蕩電壓(200mV左右)，防止T2管飽和。

振蕩管進入截至區(qū)實現內穩(wěn)幅，使得回路有較高的有載品質因數，有利于提高頻率穩(wěn)定性。

3.2.2差分對管振蕩電路一、工作原理T2的集電極二、求

T(j)

1．交流通路

2．共集-共基等效電路二、求T(j)1．交流通路2

T1管的基極電流Ib1在T2管的輸入端產生的電壓為：

其中，

T2管輸入端的等效阻抗

共集-共基級聯電路的輸入阻抗為T1管的基極電流Ib1在T2管的輸入端產生的電

電路簡化如圖3-2-10(d)所示。

三、確定振蕩角頻率式中，C

=C+Cbe/2

電路簡化如圖3-2-10(d)所示。三、確定振蕩角頻四、確定振幅起振條件所以，四、確定振幅起振條件所以，3.2.3

舉例圖3-2-12(a)

例

1：判斷如圖

3-2-12所示交流通路能否滿足相位平衡條件？

解：若L、C3串聯支路呈感性，則符合相位平衡條件條件：當

osc>

時，

L、C3

串聯支路呈感性。例2：自己看。3.2.3舉例圖3-2-12(a)例1：判斷如圖(a)

(b)

(c)圖3-2-13例3電路(a)及串聯和并聯諧振回路的電抗特性曲線

(b)(c)

例3：圖3-2-13為三回路振蕩器交流通路，f01，f02，

f03

分別為三個回路的固有諧振頻率，寫出它們之間能滿足相位平衡條件的兩種關系式，并指出兩種情況下振蕩頻率處在什么范圍內。解：已知串、并聯諧振回路電抗特性曲線如圖

3-2-13(b)、(c)所示。(a)(b)(c)(a)

(b)

(c)圖3-2-13例3電路(a)及串聯和并聯諧振回路的電抗特性曲線

(b)(c)串聯回路中，>0，X>0，呈感性；<0，X<0，呈容性。并聯回路中，

>0，X<0，呈容性；<0，X>0，呈感性。(a)(b)(c)串(a)

(b)

(c)1．若構成電容三點式電路

L1C1、L2C2回路呈容性失諧，L3C3

回路呈感性失諧。容性失諧：fosc<

f01,

fosc>

f02；感性失諧：fosc<

f03。2．若構成電感三點式電路

L1C1、L2C2回路呈感性失諧，L3C3

回路呈容性失諧。感性失諧：fosc>

f01，

fosc<

f02；容性失諧：fosc>

f03。(a)(b)(c)1第

3章正弦波振蕩器3.3

LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度3.3.1

提高頻率穩(wěn)度的基本措施3.3.2

克拉潑振蕩電路第3章正弦波振蕩器3.3LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度3.3.3

LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度(1)定義：

頻率穩(wěn)定度又稱為頻穩(wěn)度，為振蕩器最重要的指標，指在規(guī)定時間內，規(guī)定的溫度、濕度、電源電壓等變化范圍內，振蕩頻率的相對變化量。(2)種類

按規(guī)定時間的長短不同，頻穩(wěn)度可分為：

長期頻穩(wěn)度：一天以上乃至幾個月內因元器件老化而引起的頻率相對變化量。

短期頻穩(wěn)度：一天內因溫度、電源電壓等外界因素變化而引起的頻率相對變化量。

瞬時(秒級)頻穩(wěn)度：電路內部噪聲引起頻率相對變化量。

通常指短期頻穩(wěn)度。

(3)表達式

3.3LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度(1)定義：頻率穩(wěn)定度絕對準確度：fosc

=f

-

fosc

fosc：標稱頻率

相對準確度：f：實測的振蕩頻率將規(guī)定時間劃分為

n個等間隔，各間隔內實測的振蕩頻率為

fi，短期頻穩(wěn)度的定義：式中，(fosc)i=fi

-

fosc

，第

i個間隔內實測的絕對準確度；

為絕對準確度的平均值，越小，頻率準確度就越高。

(4)對頻穩(wěn)度的不同要求

高精度信號發(fā)生器用途中波電臺電視發(fā)射機信號發(fā)生器頻穩(wěn)度10-510-4~10-510-710-7~10-9絕對準確度：fosc=f-foscfosc3.3.1

提高頻率穩(wěn)度的基本措施首先分析外界因素對振蕩頻率變化的影響。一、頻穩(wěn)度的定性分析

1．振蕩頻率的圖解由相位平衡條件

T(osc)=0即說明：

①

A()

主要取決于并聯諧振回路的相移z()

，它在諧振頻率附近隨

的變化十分劇烈；

②

f()

隨

的變化相對要緩慢得多，可近似認為它是與頻率無關的常數，用f

表示。得：

Z(osc)=-

f故：

Z()曲線與高度為-f

水平線相交點上所對應的角頻率——振蕩角頻率

osc

。

3.3.1提高頻率穩(wěn)度的基本措施首先分析外界因素對振蕩頻率2．影響振蕩頻率osc的參數

圖

3-3-1(a)由

可知：影響振蕩頻率osc

的參數是0、Qe

和f

。故討論頻穩(wěn)度就是分析外界因素通過這三個參數對振蕩頻率變化的影響。

(1)諧振頻率

0

變化若

L、C

變化，0

產生0

的變化，則

z()曲線沿橫坐標平移

0，曲線形狀不變。參看圖

3-3-1(a)。2．影響振蕩頻率osc的參數圖3-3-1(a)由圖

3-3-1(b)(2)Qe變化若負載和管子參數變化，使諧振回路

Qe增加

Qe，則

z()曲線變陡。Qe引起振蕩頻率的變化量與f大小有關。參看圖

3-3-1(b)。

(3)若

f

產生

f，則

z()曲線形狀不變，而交點移動。

f

引起振蕩頻率的變化與

f(同條曲線)、Qe的大小有關。3．討論提高LC振蕩器頻穩(wěn)度的基本措施：圖3-3-1(b)(2)Qe變化若負載和管子參數圖3-3-1(c)

①減小0、Qe和f，故應減小外界因素變化引起0、Qe和f的變化。

②減小f和增大Qe，以減小由Qe、f

引起的振蕩頻率變化量。二、提高頻穩(wěn)度的基本措施1．減小外界因素的變化

外界因素：溫度、濕度、大氣壓、電源電壓、周圍磁場、機械振動及負載變化等，其中以溫度的影響最嚴重。

措施：減振、恒溫、密封(濕度、大氣壓)、高穩(wěn)定度電源、屏蔽罩、振蕩器與負載間插入跟隨器。

圖3-3-1(c)①減小0、Qe和2．提高振蕩回路標準性(1)標準性振蕩回路在外界因素變化時保持固有諧振頻率不變的能力。標準性越高，0

就越小。(2)0

與

L、C的關系將此式展開，忽略高階小量，化簡為

2．提高振蕩回路標準性(1)標準性振蕩回路在外界因素變化(3)分析

可見，為提高回路標準性，必須減小

L、C的相對變化量。措施：①

溫度補償。電感和部分寄生參量有正值的溫度系數，選用有負溫度系數的陶瓷電容器，且數值合適，正負可補償。②縮短引線，采用貼片元器件，減小分布參數。③

使用穩(wěn)定度高的外接集總電容、電感，減小不穩(wěn)定的寄生量及其在

L、C

中的比重。

(4)討論

fosc=(LC)-1/2穩(wěn)定，C↑→L↓→

Q0↓→Qe↓→頻穩(wěn)度↓所以，增加總電容是有限度的。因此一般都串聯電容，減小管子與回路間耦合的方法。例如：clapp電路(3)分析可見，為提高回路標準性，必須減小L、C的3.3.2

克拉潑振蕩電路1．電路

圖3-3-2(b)2．特點

為電容三點式振蕩器的改進型電路，其差別：與

C1、C2串聯的電容

C3。且C3取值較小。滿足

C3<<C1，C3<<C2，回路總電容取決于

C3。3．原理回路總電容取決于

C3，減小了極間電容

Cce、Cbe、Ccb(并聯在

C1、C2上)對頻率的影響。

C3越小，影響越小，回路標準性越高。比電容三點式高一個數量級。

3.3.2克拉潑振蕩電路1．電路圖3-3-2(b)2．4．討論接入

C3后，雖反饋系數不變(上節(jié)例

2)，但接在

A、B兩端的電阻折算到集電極間的數值減小，

C1，2

是

C1、C2極間電容的總和，因而環(huán)路增益減小。C3越小，環(huán)路增益越小?？梢?，在這種振蕩電路中，減小

C3提高標準性是以犧牲環(huán)路增益為代價的。C3過小，就不會滿足振幅起振條件，而停振。

下節(jié)，討論晶體振蕩器。4．討論接入C3后，雖反饋系數不變(上節(jié)例2)，但第

3章正弦波振蕩器3.4.1

石英諧振器的電特性3.4.2

晶體振蕩電路3.4

晶體振蕩器第3章正弦波振蕩器3.4.1石英諧振器的電特性3.43.4

晶體振蕩器

頻穩(wěn)度晶體振蕩器：超過

10-5LC振蕩器：10-3~10-5

晶體振蕩器：采用石英諧振器控制和穩(wěn)定振蕩頻率的振蕩器。

3.4.1

石英諧振器的電特性1．石英晶體的性能與等效電路

(1)結構

利用石英晶體(Quartz-Crystal)的壓電效應制成的一種諧振器件。(a)

(b)

(c)圖3-4-1石英諧振器的內部結構3.4晶體振蕩器頻穩(wěn)度晶體振蕩器：超過10-5LC(2)性能①

晶片有一固有振動頻率，與切割方位、形狀、大小有關，且十分穩(wěn)定。將其接到振蕩器的閉合環(huán)路中，利用其固有頻率，能有效地控制和穩(wěn)定振蕩頻率。

②

壓電效應：機械與電的相互轉換效應。

正壓電效應：外加力，產生電荷現象

逆壓電效應：外加電壓，產生機械振動現象。

③

振動特性：具有多諧性，除基頻(FundamentalFrequency)振動外還有奇次諧波的泛音(Overtones)振動。

(2)性能①晶片有一固有振動頻率，與切割方位、形狀、大(3)等效電路

C0：靜態(tài)電容和支架引線分布電容之和；Lq1、Cq1、rq1：晶體基頻等效電路；Lq3、Cq3、rq3：晶體三次泛音等效電路

(Lq很大、Qq很大、Cq很小且數值極其穩(wěn)定)當外加交變電壓與石英晶片的機械振動發(fā)生共振時，石英晶片兩極上的交變電荷量即通過的交變電流量最大，因而具有串聯諧振特性。(3)等效電路C0：靜態(tài)電容和支架引線分布電容之和；Lq12．電抗特性可證：忽略rq時，晶體兩端呈現純電抗，其值近似為2．電抗特性可證：忽略rq時，晶體兩端呈現純電抗，其值近圖3-4-3晶體的阻抗曲線討論：

①

在

s

~

p

之間為正值，呈感性；其他頻段內為負值，呈容性。

②在s上Xcr=0，為串聯諧振；在p

上Xcr

，為并聯諧振。又應用

則或圖3-4-3晶體的阻抗曲線討論：①在s~因為C0>>Cq，所以

p很靠近

s，例如

5MHz的晶振體fp–fs

6.5kHz小結：

晶振體兩個諧振頻率：fs、fp；且fs

<fp①

工作于

fs

~fp之間為高

Q電感，并聯諧振。②

工作于

fs附近為串聯諧振，對

fs，相當于短路。

晶振體只能工作于上述兩種方式，否則頻穩(wěn)度下降。因為C0>>Cq，所以p很靠近s，例如3.4.2

晶體振蕩電路一、并聯型晶體振蕩電路晶體振蕩器1．電路[皮爾斯(Pirece)晶體振蕩電路](a)實際電路(b)交流通路圖3-4-5皮爾斯振蕩電路RB1、RB2和RE

：分壓偏置電路，LC：高頻扼流圈，CB：

旁路電容，CC：耦合電容。2．原理由等效電路，它與

Clapp電路十分相似(Cq類似于C3)。3.4.2晶體振蕩電路一、并聯型晶體振蕩電路晶體振蕩器1．3．頻率準確度微調實際頻率與標稱頻率往往有偏差，若要求準確度高，必須設頻率微調。4．提高頻穩(wěn)度的措施圖3-4-6采用微調電容的晶體振蕩電路(1)恒溫槽將晶體或振蕩器置于恒溫槽內，槽內溫度控制在晶體拐點溫度(在該溫度范圍內，晶振溫度系數為

0)附近。頻穩(wěn)度可達

10-10數量級。

3．頻率準確度微調實際頻率與標稱頻率往往有偏差，若要求準(2)變容管的溫度補償電路①

電路

T1——Pirece晶體振蕩電路(2)變容管的溫度補償電路①電路T1——Pire②

原理

溫度控制電路中，熱敏元件使

Vi反映了溫度的變化，作用到變容二極管，使其電容改變，補償因溫度引起振蕩頻率的變化。

T↑→Rt1↓→vCj↑→Cj↓→

fs↑fs↓②原理溫度控制電路中，熱敏元件使Vi反映了溫度的變5．泛音振動——

基波和低次泛音的抑制(1)電路將

Pirece電路中

C1用

LC1諧振回路取代。(2)原理

假設取五次泛音晶體，標稱頻率

5MHz，為了抑制基波和三次泛音的寄生振蕩，LC1應調諧在三次和五次泛音之間，例如

3.5MHz。圖3-4-8

在

5MHz頻率上，LC1呈容性，滿足電容三點式；對基頻、三次泛音，LC1呈感性，組成法則不滿足；

對高于七次以上泛音，雖

LC1呈容性，但分壓比

n過小，不滿足起振條件。5．泛音振動——基波和低次泛音的抑制(1)電路將Pir二、串聯型晶體振蕩電路1．電路

1

當f=fs

時，晶體串聯諧振，等效為短路元件，T1、T2管和外接晶體構成正反饋放大器，滿足相位平衡條件，且反饋最強，滿足起振條件。圖3-4-9

XK76集成晶體振蕩的內部電路二、串聯型晶體振蕩電路1．電路1當f=fs時諧振頻率

——fs

f

fs時，晶體呈高阻抗，反饋顯著減弱，不能滿足振幅和相位起振條件，所以這種振蕩器的振蕩頻率受晶體串聯諧振頻率的控制，具有很高的頻穩(wěn)度。2．電路

2

晶體串聯諧振頻率，等效為短路元件，電路符合三點式組成法則，為電容三點式電路。偏離串聯諧振頻率，晶體阻抗迅速增大，電路不能振蕩。振蕩頻率取決于晶體的串聯諧振頻率。為提高頻穩(wěn)度，可將

L、C1、C2、C3回路調諧在串諧頻率附近。諧振頻率——fsffs時，晶體呈高阻抗，反第3章正弦波振蕩器3.5

RC正弦波振蕩器3.5.1

概念3.5.2

移相網絡3.5.3

RC相移振蕩電路3.5.4

串、并聯

RC振蕩電路

第3章正弦波振蕩器3.5RC正弦波振蕩器3.5.13.5

RC正弦波振蕩器1．概念采用

RC電路作為移相網絡的振蕩器振蕩頻率：低頻段，幾赫茲至1MHz之間。

移相網絡

RC

導前移相電路

RC

滯后移相網絡

RC

串、并聯選頻網絡

2．移相網絡

(1)導前移相電路

①電路②表達式③幅頻特性④相頻特性3.5RC正弦波振蕩器1．概念采用RC電路作為移相

(2)滯后移相電路(3)串、并聯選頻電路

(1)

和(2)構成的振蕩器稱為RC(PhaseShift)

相移振蕩器。

(3)構成的振蕩器稱為串、并聯

RC振蕩器。(2)滯后移相電路(3)串、并聯選頻電路(1)和(3．RC相移振蕩電路圖

3-5-2(a)為導前相移電路構成的

RC相移振蕩器電路。(a)

(b)圖3-5-2

RC相移振蕩電路

集成運放：反相放大，相移

180，當RC導前相移電路提供

180

相移時，環(huán)路滿足相位平衡條件。一節(jié)

RC電路提供最大相移小于

90(相位趨近

90

時，增益已趨于

0)，故需三節(jié)

RC電路才能提供

180

相移。

3．RC相移振蕩電路圖3-5-2(a)為導前相移電路構成(a)

(b)圖3-5-2

RC相移振蕩電路

將其在×處斷開，斷開點的右端加，左端接運放的輸入電阻(其值等于

R)，得圖

3-5-2(b)?？傻贸霏h(huán)路增益

由此可以得到振蕩頻率和振幅起振條件分別為(a)(b)將其在×處斷開由于

RC相移電路的選頻特性不理想，因而它的輸出波形失真大，頻穩(wěn)度低，只能用在要求不高的設備中。4．串、并聯

RC振蕩電路

(1)電路

圖3-5-3(a)集成運放構成的電路運放為同相輸入，相移

A=0。(2)原理

相位條件：當

osc=0

時，RCF=0，環(huán)路滿足相位平衡條件。

起振條件：諧振時，環(huán)路增益為

取

值使

Rt>2R1，即

T(0)

>

1，就可滿足起振條件。由于RC相移電路的選頻特性不理想，因而它的輸出波形失圖3-5-3(b)改畫成電橋形式的電路

平衡條件：Rt為具有負溫度系數的熱敏電阻。RC串并、聯正弦波振蕩器剛起振時，Rt的溫度最低，相應的電阻最大，因而運放增益最大，使

T(0)

>1。振幅過大，Rt上消耗的功率增加，致使溫度上升，阻值減小，直到

T(0)=1，進入平衡狀態(tài)。圖3-5-3(b)改畫成電橋形式的電路平衡條件：Rt第

3章

正弦波振蕩器3.6負阻正弦波振蕩器3.6.1負阻器件3.6.2負阻振蕩原理及其電路3.6.3用負阻觀點討論

LC反饋振蕩器

第3章正弦波振蕩器3.6負阻正弦波振蕩器3.6.1負阻振蕩器是采用負阻器件與LC諧振回路共同構成的一種正弦波振蕩器，主要工作在100MHz以上的超高頻段。3.6.1負阻器件

負阻器件是指它的增量電阻為負的器件。

隧道二極管的伏安特性如圖3-6-1所示。

負阻振蕩器是采用負阻器件與LC諧振回路共同構成的一種圖中vD=VQ+v=VQ+Vmsin

t

忽略失真的情況下iD=IQ+i=IQ+Imsin

t

增量電流i=(-gn)v=(-gn)Vmsin

t=-

Imsin

t

加到器件上的平均功率圖中vD=VQ+v=VQ+VmsinvD=VQ+v=VQ+Vmsin

t

iD=IQ+i=IQ+Imsin

t

i=-

Imsin

t

器件給出交流功率因為Vm<VQ，Im<IQ

所以P>0

器件是將一部分直流功率轉換為交流功率。

當器件工作在大信號時，定義器件的平均負增量電導為

-gn(av)。vD=VQ+v=VQ+VmsintiD圖3-6-2給出了隧道二極管工作在大信號時的特性，圖中電導式中：I1m—基波電流振幅。

圖3-6-2給出了隧道二極管工作在大信號時的特性，圖3.6.2負阻振蕩原理及其電路圖3-6-3給出了電壓控制型負阻振蕩器。

器件并接在諧振回路上。

電路方程為

式中：ge=ge0-gn(av)

ge0—諧振回路固有諧振電導。3.6.2負阻振蕩原理及其電路圖3-6-3給出了當時上式中，當時，受到擾動時起振，振蕩角頻率為。

gn>ge0

振幅增長

gn(av)下降。當gn(av)=ge0，產生穩(wěn)定振蕩，其角頻率為0。

起振條件：gn>ge0

。當時上式中，當時，受到擾動時起振

平衡條件：或ge0=gn(av)，

振幅穩(wěn)定條件：

相位穩(wěn)定條件。

諧振回路的相頻特性予以保證。平衡條件：或ge0=gn(av)，電流控制型負阻器件如圖3-6-4所示。

負阻器件串接在諧振回路中。

采用同樣的分析方法得到。

起振條件：rn>re0

平衡條