高頻電路原理與分析(第六版)課件：正弦波振蕩器

正弦波振蕩器4.1反饋振蕩器的原理4.2LC振蕩器4.3頻率穩(wěn)定度4.4LC振蕩器的設(shè)計考慮4.5石英晶體振蕩器4.6振蕩器中的幾種現(xiàn)象4.7RC振蕩器4.8負阻振蕩器思考題與習題4.1反饋振蕩器的原理

在電子線路中，除了要有對各種電信號進行放大的電子線路外，還需要有能在沒有激勵信號的情況下產(chǎn)生周期性振蕩信號的電子電路，這種電子電路就稱為振蕩器。在電子技術(shù)領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用著各種各樣的振蕩器，在廣播、電視、通信設(shè)備、各種信號源和各種測量儀器中，振蕩器都是它們必不可少的核心組成部分之一。與放大器一樣，振蕩器也是一種能量轉(zhuǎn)換器，但不同的是振蕩器無需外部激勵就能自動地將直流電源供給的功率轉(zhuǎn)換為指定頻率和振幅的交流信號功率輸出。振蕩器一般由晶體管等有源器件和具有某種選頻能力的無源網(wǎng)絡(luò)組成。振蕩器的種類很多，根據(jù)工作原理可以分為反饋型振蕩器和負阻型振蕩器等;根據(jù)所產(chǎn)生的波形可以分為正弦波振蕩器和非正弦波(矩形脈沖、三角波、鋸齒波等)振蕩器;根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的器件可以分為LC振蕩器、晶體振蕩器、RC振蕩器等。在通信技術(shù)等領(lǐng)域正弦波振蕩器應(yīng)用非常廣泛，如發(fā)射機中正弦波振蕩器提供指定頻率的載波信號，在接收機中作為混頻所需的本地振蕩信號或作為解調(diào)所需的恢復載波信號等。另外，在自動控制及電子測量等其它領(lǐng)域，正弦波振蕩器也有廣泛的應(yīng)用。因此，本章主要介紹輸出為正弦波的高頻振蕩器。4.1反饋振蕩器的原理4.1.1反饋振蕩器的原理分析反饋型振蕩器的原理框圖如圖4-1所示。由圖可見，反饋型振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個閉合環(huán)路，放大器通常是以某種選頻網(wǎng)絡(luò)(如振蕩回路)作負載，是一調(diào)諧放大器，反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。為了能產(chǎn)生自激振蕩，必須有正反饋，即反饋到輸入端的信號和放大器輸入端的信號相位相同。圖4-1反饋型振蕩器原理框圖對于圖4-1，設(shè)放大器的電壓放大倍數(shù)為K(s)，反饋網(wǎng)絡(luò)的電壓反饋系數(shù)為F(s)，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為Ku(s)，則

(4-1)由

(4-2)(4-3)(4-4)得

(4-5)其中

(4-6)稱為反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益。用s=jω代入，就得到穩(wěn)態(tài)下的傳輸系數(shù)和環(huán)路增益。由式(4-5)可知，若在某一頻率ω=ω1上T(jω1)等于1，Ku(jω)將趨于無窮大，這表明即使沒有外加信號，也可以維持振蕩輸出。因此自激振蕩的條件就是環(huán)路增益為1，即T(jω)=K(jω)F(jω)=1(4-7)通常又稱為振蕩器的平衡條件。由式(4-6)還可知(4-8)

4.1.2平衡條件振蕩器的平衡條件即為T(jω)=K(jω)F(jω)=1也可以表示為T(jω)|=KF=1(4-9a)(4-9b)式(4-9a)和(4-9b)分別稱為振幅平衡條件和相位平衡條件。現(xiàn)以單調(diào)諧諧振放大器為例來看K(jω)與F(jω)的意義。若，，則由式(4-2)可得(4-10)式中，ZL為放大器的負載阻抗(4-11)Yf(jω)為晶體管的正向轉(zhuǎn)移導納。(4-12)ZL應(yīng)該考慮反饋網(wǎng)絡(luò)對回路的負載作用，它基本上是一線性元件。是電流的基波頻率分量，當晶體管在大信號工作時，它可對ic的諧波分析得到。與成非線性關(guān)系。因而一般來說Yf和K都是隨信號大小而變化的。由式(4-3)可知，F(xiàn)(jω)一般情況下是線性電路的電壓比值，但若考慮晶體管的輸入電阻影響，它也會隨信號大小稍有變化(主要考慮對

的影響)。為分析方便，引入一個與F(jω)反號的反饋系數(shù)

(4-13)這樣，振蕩條件可寫為(4-14)即振幅平衡條件和相位平衡條件分別可寫為(4-15a)(4-15b)在平衡狀態(tài)中，電源供給的能量正好抵消整個環(huán)路損耗的能量，平衡時輸出幅度將不再變化，因此振幅平衡條件決定了振蕩器輸出振幅的大小。必須指出，環(huán)路只有在某一特定的頻率上才能滿足相位平衡條件，也就是說相位平衡條件決定了振蕩器輸出信號的頻率大小，解

得到的根即為振蕩器的振蕩頻率，一般在回路的諧振頻率附近。4.1.3起振條件振蕩器在實際應(yīng)用時，不應(yīng)有圖4-1所示的外加信號Us(s)，應(yīng)當是振蕩器一加上電后即產(chǎn)生輸出，那么初始的激勵是從哪里來的呢？

振蕩的最初來源是振蕩器在接通電源時不可避免地存在的電沖擊及各種熱噪聲等，例如:在加電時晶體管電流由零突然增加，突變的電流包含有很寬的頻譜分量，在它們通過負載回路時，由諧振回路的性質(zhì)即只有頻率等于回路諧振頻率的分量可以產(chǎn)生較大的輸出電壓，而其它頻率成分不會產(chǎn)生壓降，因此負載回路上只有頻率為回路諧振頻率的成分產(chǎn)生壓降，該壓降通過反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生出較大的正反饋電壓，反饋電壓又加到放大器的輸入端，進行放大、反饋，不斷地循環(huán)下去，諧振負載上將得到頻率等于回路諧振頻率的輸出信號。在振蕩開始時由于激勵信號較弱，輸出電壓的振幅Uo較小，經(jīng)過不斷放大、反饋循環(huán)，輸出幅度Uo逐漸增大，否則輸出信號幅度過小，沒有任何價值。為了使振蕩過程中輸出幅度不斷增加，應(yīng)使反饋回來的信號比輸入到放大器的信號大，即振蕩開始時應(yīng)為增幅振蕩，因而由式(4-8)可知T(jω)>1稱為自激振蕩的起振條件，也可寫為

(4-16a)(4-16b)式(4-16a)和(4-16b)分別稱為起振的振幅條件和相位條件，其中起振的相位條件即為正反饋條件。振蕩器工作時怎樣由|T(jω)|>1過渡到|T(jω)|=1的呢？我們知道放大器進行小信號放大時必須工作在晶體管的線性放大區(qū)，即起振時放大器工作在線性區(qū)，此時放大器的輸出隨輸入信號的增加而線性增加；隨著輸入信號振幅的增加，放大器逐漸由放大區(qū)進入截止區(qū)或飽和區(qū)，進入非線性狀態(tài)，此時的輸出信號幅度增加有限，即增益將隨輸入信號的增加而下降，如圖4-2所示。所以，振蕩器工作到一定階段，環(huán)路增益將下降。當|T(jω)|=1即工作到圖4-2(b)中A點時，振幅的增長過程將停止，振蕩器到達平衡狀態(tài)，進行等幅振蕩。因此，振蕩器由增幅振蕩過渡到穩(wěn)幅振蕩，是由放大器的非線性完成的。需要說明的是，電路的起振過程是非常短暫的，可以認為只要電路設(shè)計合理，滿足起振條件，振蕩器一通上電，輸出端就有穩(wěn)定幅度的輸出信號。圖4-2振幅條件的圖解表示4.1.4穩(wěn)定條件處于平衡狀態(tài)的振蕩器應(yīng)考慮其工作的穩(wěn)定性，這是因為振蕩器在工作的過程中不可避免地要受到外界各種因素的影響，如溫度改變、電源電壓的波動等等，這些變化將使放大器放大倍數(shù)和反饋系數(shù)改變，破壞了原來的平衡狀態(tài)，對振蕩器的正常工作將會產(chǎn)生影響。如果通過放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩器能在原平衡點附近建立起新的平衡狀態(tài)，而且當外界因素消失后，振蕩器能自動回到原平衡狀態(tài)，則原平衡點是穩(wěn)定的；否則，原平衡點為不穩(wěn)定的。振蕩器的穩(wěn)定條件分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點必須具有阻止振幅變化的能力。具體來說即是，在平衡點附近，當不穩(wěn)定因素使振幅增大時，環(huán)路增益的模值T應(yīng)減小，形成減幅振蕩，從而阻止振幅的增大，達到新的平衡，并保證新平衡點在原平衡點附近，否則，若振幅增大，T也增大，則振幅將持續(xù)增大，遠離原平衡點，不能形成新的平衡，振蕩器不穩(wěn)定；而當不穩(wěn)定因素使振幅減小時，T應(yīng)增大，形成增幅振蕩，阻止振幅的減小，在原平衡點附近建立起新的平衡，否則振蕩器將是不穩(wěn)定的。因此，振幅穩(wěn)定條件為(4-17)由于反饋網(wǎng)絡(luò)為線性網(wǎng)絡(luò)，即反饋系數(shù)大小F不隨輸入信號改變，故振幅穩(wěn)定條件又可寫為(4-18)式中K為放大器增益大小。由于放大器的非線性，只要電路設(shè)計合理，振幅穩(wěn)定一般很容易滿足。若振蕩器采用自偏壓電路，并工作到截止狀態(tài)，其大，振幅穩(wěn)定性就好。在解釋振蕩器的相位穩(wěn)定性前，我們必須清楚，一個正弦信號的相位和它的頻率ω之間的關(guān)系(4-19a)(4-19b)可見，相位的變化必然要引起頻率的變化，頻率的變化也必然要引起相位的變化。設(shè)振蕩器原在ω=ω1時處于相位平衡狀態(tài)，即有，現(xiàn)因外界原因使振蕩器的反饋電壓的相位超前原輸入信號。由于反饋相位提前(即每一周期中的相位均超前)，振蕩周期要縮短，振蕩頻率要提高，比如提高到ω2，ω2>ω1。當外界因素消失后，顯然ω2處不滿足相位平衡條件，這時，不變，但由于ω2>ω1(如圖4-3所示)，要下降，即這時相對于的幅角圖4-3振蕩器穩(wěn)定工作時回路的這表示落后于，導致振蕩周期增長，振蕩頻率降低，即又恢復到原來的振蕩頻率ω1。上述相位穩(wěn)定是靠ω增加、降低來實現(xiàn)的，即并聯(lián)振蕩回路的相位特性保證了相位穩(wěn)定。因此相位穩(wěn)定條件為

(4-20)回路的Q值越高，值越大，其相位穩(wěn)定性越好。4.1.5振蕩線路舉例——互感耦合振蕩器圖4-4是一LC振蕩器的實際電路，圖中反饋網(wǎng)絡(luò)由L和L1間的互感M擔任，因而稱為互感耦合式的反饋振蕩器，或稱為變壓器耦合振蕩器。設(shè)振蕩器的工作頻率等于回路諧振頻率，當基極加有信號時，由三極管中的電流流向關(guān)系可知集電極輸出電壓與輸入電壓反相，根據(jù)圖中兩線圈上所標的同名端，可以判斷出反饋線圈L1兩端的電壓與反相，故與同相，該反饋為正反饋。因此只要電路設(shè)計合理，在工作時滿足條件，在輸出端就會有正弦波輸出?；ジ旭詈戏答佌袷幤鞯恼答伿怯苫ジ旭詈匣芈分械耐藖肀ＷC的。圖4-4互感耦合振蕩器4.2LC振蕩器4.2.1振蕩器的組成原則

LC振蕩器除上節(jié)介紹的互感耦合反饋型振蕩器外，還有很多其它類型的振蕩器，它們大多是由基本電路引出的?；倦娐肪褪峭ǔＫf的三端式(又稱三點式)的振蕩器，即LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接而成的電路，如圖4-5所示。由圖可見，除晶體管外還有三個電抗元件X1、X2、X3，它們構(gòu)成了決定振蕩頻率的并聯(lián)諧振回路，同時也構(gòu)成了正反饋所需的反饋網(wǎng)絡(luò)，為此，三者必須滿足一定的關(guān)系。

根據(jù)諧振回路的性質(zhì)，諧振時回路應(yīng)呈純電阻性，因而有X1+X2+X3=0(4-21)所以電路中三個電抗元件不能同時為感抗或容抗，必須由兩種不同性質(zhì)的電抗元件組成。圖4-5三端式振蕩器的組成在不考慮晶體管參數(shù)(如輸入電阻、極間電容等)的影響并假設(shè)回路諧振時，有，。為了滿足相位平衡條件，即正反饋條件，應(yīng)要求。根據(jù)式(4-11)，應(yīng)與同相，一般情況下，回路Q值很高，因此回路電流遠大于晶體管的基極電流、集電極電流以及發(fā)射極電流，故由圖4-5有

(4-22a)(4-22b)因此X1、X2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件。綜上所述，從相位平衡條件判斷圖4-5所示的三端式振蕩器能否振蕩的原則為

(1)X1和Ｘ2的電抗性質(zhì)相同;

(2)X3與X1、X2的電抗性質(zhì)相反。為便于記憶，可以將此原則具體化:與晶體管發(fā)射極相連的兩個電抗元件必須是同性質(zhì)的，而不與發(fā)射極相連的另一電抗與它們的性質(zhì)相反，簡單可記為“射同余異”?？紤]到場效應(yīng)管與晶體管電極對應(yīng)關(guān)系，只要將上述原則中的發(fā)射極改為源極即可適用于場效應(yīng)管振蕩器，即“源同余異”。三端式振蕩器有兩種基本電路，如圖4-6所示。圖4-6(a)中X1和X2為容性，X3為感性，滿足三端式振蕩器的組成原則，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電容元件完成的，稱為電容反饋振蕩器，也稱為考必茲(Colpitts)振蕩器；圖4-6(b)中X1和X2為感性，X3為容性，滿足三端式振蕩器的組成原則，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電感元件完成的，稱為電感反饋振蕩器，也稱為哈特萊(Hartley)振蕩器。圖4-6兩種基本的三端式振蕩器(a)電容反饋振蕩器；(b)電感反饋振蕩器圖4-7是一些常見振蕩器的高頻電路，讀者不妨自行判斷它們是由哪種基本線路演變而來的。圖4-7幾種常見振蕩器的高頻電路4.2.2電容反饋振蕩器圖4-8(a)是一電容反饋振蕩器的實際電路，圖(b)是其交流等效電路。由圖(b)可看出該電路滿足振蕩器的相位條件，且反饋是由電容產(chǎn)生的，因此稱為電容反饋振蕩器。圖(a)中，電阻R1、R2、Re起直流偏置作用，在開始振蕩前這些電阻決定了靜態(tài)工作點，當振蕩產(chǎn)生以后，由于晶體管的非線性及工作在截止狀態(tài)，基極、發(fā)射極電流將發(fā)生變化，這些電阻又起自偏壓作用，從而限制和穩(wěn)定了振蕩的幅度大?。籆e為旁路電容，Cb為隔直電容，保證起振時具有合適的靜態(tài)工作點及交流通路。圖中的扼流圈Lc可以防止集電極交流電流從電源入地，Lc的交流電阻很大，可以視為開路，但直流電阻很小，可為集電極提供直流通路。圖4-8電容反饋振蕩器電路

(a)實際電路；(b)交流等效電路；(c)高頻等效電路下面分析一下該電路的振蕩頻率及起振條件。圖4-8(c)示出了圖4-8(a)的高頻小信號等效電路，由于起振時晶體管工作在小信號線性放大區(qū)，因此可以用小信號Y參數(shù)等效電路。為分析方便起見，在等效時作了以下簡化:

(1)忽略晶體管內(nèi)部反饋Yre=0的影響;

(2)晶體管的輸入電容、輸出電容很小，可以忽略它們的影響，也可以將它們包含在回路電容C1、C2中，所以不單獨考慮;

(3)忽略晶體管集電極電流ic對輸入信號ub的相移，將Yfe用跨導gm表示。另外在圖4-8(c)中，表示除晶體管以外的電路中所有電導折算到CE兩端后的總電導。由(c)圖可以得出環(huán)路增益T(jω)的表達式，并令T(jω)虛部在頻率為ω1時等于零，則根據(jù)振蕩器的相位平衡條件，ω1即為振蕩器的振蕩頻率，因此圖4-8電路的振蕩頻率為(4-23)C為回路的總電容(4-24)通常式(4-23)中的第二項遠小于第一項，也就是說振蕩器的振蕩頻率ω1可以近似用回路的諧振頻率表示，因此我們在分析計算振蕩器的振蕩頻率時可以近似用回路的諧振頻率來表示，即

(4-25)由圖4-8(c)可知，當不考慮gie的影響時，反饋系數(shù)F(jω)的大小為

(4-26)工程上一般采用上式估算反饋系數(shù)的大小。將gie折算到放大器輸出端，有

(4-27)因此，放大器總的負載電導gL為(4-28)則由振蕩器的振幅起振條件，可以得到(4-29)只要在設(shè)計電路時使晶體管的跨導滿足上式，振蕩器就可以振蕩。上式右邊第一項表示輸出電導和負載電導對振蕩的影響，F(xiàn)越大，越容易振蕩；第二項表示輸入電阻對振蕩的影響，gie、F越大，越不容易振蕩。因此，考慮晶體管輸入電阻對回路的加載作用，反饋系數(shù)F并非越大越好。在gm、gie、goe一定時，可以通過調(diào)整F、來保證起振。反饋系數(shù)F的大小一般取0.1~0.5。為了保證振蕩器有一定的穩(wěn)定振幅，起振時環(huán)路增益一般取3~5。4.2.3電感反饋振蕩器圖4-9是一電感反饋振蕩器的實際電路和交流等效電路。由圖可見它是依靠電感產(chǎn)生反饋電壓的，因而稱為電感反饋振蕩器。通常電感是繞在同一帶磁芯的骨架上，它們之間存在有互感，用M表示。同電容反饋振蕩器的分析一樣，振蕩器的振蕩頻率可以用回路的諧振頻率近似表示，即(4-30)式中的L為回路的總電感，由圖4-9有L=L1+L2+2M(4-31)圖4-9電感反饋振蕩器電路(a)實際電路；(b)交流等效電路；(c)高頻等效電路由相位平衡條件分析，振蕩器的振蕩頻率表達式為(4-32)式中的與電容反饋振蕩器相同，表示除晶體管以外的所有電導折算到ce兩端后的總電導。由式(4-30)和式(4-32)可見，振蕩頻率近似用回路的諧振頻率表示時其偏差較小，而且線圈耦合越緊，偏差越小。工程上在計算反饋系數(shù)時不考慮gie的影響，反饋系數(shù)的大小為

(4-33)由起振條件分析，同樣可得起振時的gm應(yīng)滿足(4-34)在討論了電容反饋的振蕩器和電感反饋的振蕩器后，對它們的特點比較如下:

(1)兩種線路都簡單，容易起振。電感反饋振蕩器只要改變線圈抽頭位置就可以改變反饋值F，而電容反饋振蕩器需要改變C1、C2的比值。

(2)由于晶體管存在極間電容，對于電感反饋振蕩器，極間電容與回路電感并聯(lián)，在頻率高時極間電容影響大，有可能使電抗的性質(zhì)改變，故電感反饋振蕩器的工作頻率不能過高；電容反饋振蕩器，其極間電容與回路電容并聯(lián)，不存在電抗性質(zhì)改變的問題，故工作頻率可以較高。

(3)振蕩器在穩(wěn)定振蕩時，晶體管工作在非線性狀態(tài)，在回路上除有基波電壓外還存在少量諧波電壓(諧波電壓大小與回路的Q值有關(guān))。對于電容反饋振蕩器，由于反饋是由電容產(chǎn)生的，所以，高次諧波在電容上產(chǎn)生的反饋壓降較小；而對于電感反饋的振蕩器，反饋是由電感產(chǎn)生的，所以，高次諧波在電感上產(chǎn)生的反饋壓降較大，即電感反饋振蕩器輸出的諧波較電容反饋振蕩器的大，因此電容反饋振蕩器的輸出波形比電感反饋振蕩器的輸出波形要好。

(4)改變電容能夠調(diào)整振蕩器的工作頻率。電容反饋振蕩器在改變頻率時，反饋系數(shù)也將改變，影響了振蕩器的振幅起振條件，故電容反饋振蕩器一般工作在固定頻率；電感反饋振蕩器改變頻率時，并不影響反饋系數(shù)，工作頻帶較電容反饋振蕩器的寬。需要指出的是，電感反饋振蕩器的工作頻帶不會很寬，這是因為改變頻率，將改變回路的諧振阻抗，可能使振蕩器停振。綜上所述，由于電容反饋振蕩器具有工作頻率高、波形好等優(yōu)點，在許多場合得到了應(yīng)用。4.2.4兩種改進型電容反饋振蕩器由于極間電容對電容反饋振蕩器及電感反饋振蕩器的回路電抗均有影響，所以對振蕩頻率也會有影響。而極間電容受環(huán)境溫度、電源電壓等因素的影響較大，所以上述兩種電路的頻率穩(wěn)定度不高。為了提高穩(wěn)定度，需要對電路作改進以減少晶體管極間電容對回路的影響，此時，可以采用減弱晶體管與回路之間耦合的方法，由此得到兩種改進型電容反饋的振蕩器——克拉潑(Clapp)振蕩器和西勒(Siler)振蕩器。

1.克拉潑振蕩器圖4-10是克拉潑振蕩器的實際電路和交流等效電路，它是用電感L和可變電容Ｃ3的串聯(lián)電路代替原電容反饋振蕩器中的電感構(gòu)成的，且C3<<C1、C2。只要L和C3串聯(lián)電路等效為一電感(在振蕩頻率上)，該電路即滿足三端式振蕩器的組成原則，而且屬于電容反饋式振蕩器。圖4-10克拉潑振蕩器電路(a)實際電路；(b)交流等效電路由圖4-10可知，回路的總電容為(4-35)可見，回路的總電容C將主要由C3決定，而極間電容與C1、C2并聯(lián)，所以極間電容對總電容的影響就很小；并且C1、C2只是回路的一部分，晶體管以部分接入的形式與回路連接，減弱了晶體管與回路之間的耦合。接入系數(shù)p為(4-36)C1、C2的取值越大，接入系數(shù)p越小，耦合越弱。因此，克拉潑振蕩器的頻率穩(wěn)定度得到了提高。但C1、C2不能過大，假設(shè)電感兩端的電阻為Ro(即回路的諧振電阻)，則由圖4-10可知等效到晶體管ce兩端的負載電阻RL為(4-37)因此，C1過大，負載電阻RL很小，放大器增益就較低，環(huán)路增益也就較小，有可能使振蕩器停振。振蕩器的振蕩頻率為(4-38)反饋系數(shù)的大小為

(4-39)

克拉潑振蕩器主要用于固定頻率或波段范圍較窄的場合。這是因為克拉潑振蕩器頻率的改變是通過調(diào)整C3來實現(xiàn)的，根據(jù)式(4-37)可知，C3的改變，負載電阻RL將隨之改變，放大器的增益也將變化，調(diào)頻率時有可能因環(huán)路增益不足而停振；另外，由于負載電阻RL的變化，振蕩器輸出幅度也將變化，導致波段范圍內(nèi)輸出振幅變化較大?？死瓭娬袷幤鞯念l率覆蓋系數(shù)(最高工作頻率與最低工作頻率之比)一般只有1.2~1.3。

2.西勒振蕩器圖4-11是西勒振蕩器的實際電路和交流等效電路。它的主要特點，就是與電感L并聯(lián)一可變電容C4。與克拉潑振蕩器一樣，圖中C3<<C1、C2，因此晶體管與回路之間耦合較弱，頻率穩(wěn)定度高。與電感L并聯(lián)的可變電容C4是用來改變振蕩器的工作波段，而電容C3是起微調(diào)頻率的作用。圖4-11西勒振蕩器電路(a)實際電路；(b)交流等效電路由圖4-11可知，回路的總電容為

(4-40)振蕩器的振蕩頻率為(4-41)由于改變頻率主要是通過調(diào)整C4完成的，C4的改變并不影響接入系數(shù)p(由圖4-10和圖4-11可知，西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器的相同)，所以波段內(nèi)輸出幅度較平穩(wěn)。而且由式(4-41)可見，C4改變，頻率變化較明顯，故西勒振蕩器的頻率覆蓋系數(shù)較大，可達1.6~1.8。西勒振蕩器適用于較寬波段工作，在實際中用得較多。4.2.5場效應(yīng)管振蕩器原則上說，上述各種晶體三極管振蕩器線路，都可以用場效應(yīng)管構(gòu)成，可以根據(jù)振蕩原理導出用場效應(yīng)管參數(shù)表示的振蕩條件，分析方法與晶體三極管振蕩器類似，在此不再詳細分析，僅舉幾個電路說明場效應(yīng)管振蕩器，如圖4-12所示。圖4-12(a)是一柵極調(diào)諧型場效應(yīng)管振蕩器的線路，它是由結(jié)型場效應(yīng)管構(gòu)成的互感耦合振蕩器，圖上兩線圈的極性關(guān)系保證了此振蕩器的正反饋；圖4-12(b)是電感反饋場效應(yīng)管振蕩器線路；圖4-12(c)是電容反饋場效應(yīng)管振蕩器線路。圖4-12由場效應(yīng)管構(gòu)成的振蕩器電路

(a)互感耦合場效應(yīng)管振蕩器；(b)電感反饋場效應(yīng)管振蕩器；(c)電容反饋場效應(yīng)管振蕩器4.2.6壓控振蕩器在LC振蕩器決定振蕩頻率的LC回路中，使用電壓控制電容器(變?nèi)莨?，可以在一定的頻率范圍內(nèi)構(gòu)成電調(diào)諧振蕩器。這種包含有壓控元件作為頻率控制器件的振蕩器就稱為壓控振蕩器。它廣泛應(yīng)用于頻率調(diào)制器、鎖相環(huán)路，以及無線電發(fā)射機和接收機中。在壓控振蕩器中，振蕩頻率應(yīng)只隨加在變?nèi)莨苌系目刂齐妷憾兓趯嶋H電路中，振蕩電壓也加在變?nèi)莨軆啥?，這使得振蕩頻率在一定程度上也隨振蕩幅度而變化，這是不希望的。為了減小振蕩頻率隨振蕩幅度的變化，應(yīng)盡量減小振蕩器的輸出振蕩電壓幅度，并使變?nèi)莨芄ぷ髟谳^大的固定直流偏壓(如大于1V)上。圖4-13示出了一壓控振蕩器線路，它的基本電路是一個柵極電路調(diào)諧的互感耦合振蕩器。決定頻率的回路元件為L1、C1、C2和壓控變?nèi)莨躒2呈現(xiàn)的電容Cj。圖4-13壓控振蕩器線路壓控振蕩器的主要性能指標為壓控靈敏度和線性度。壓控靈敏度定義為單位控制電壓引起的振蕩頻率的變化量，用S表示，即

(4-42)

圖4-14示出了一壓控振蕩器的頻率-控制電壓特性，一般情況下，這一特性是非線性的，非線性程度與變?nèi)莨茏內(nèi)葜笖?shù)及電路形式有關(guān)。圖4-14壓控振蕩器的頻率與控制電壓關(guān)系4.2.7E1648單片集成振蕩器單片集成振蕩器E1648為ECL中規(guī)模集成電路，內(nèi)部原理圖如圖4-15所示。E1648可以產(chǎn)生正弦波輸出，也可以產(chǎn)生方波輸出。

E1648輸出正弦電壓時的典型參數(shù)為:最高振蕩頻率225MHz，電源電壓5V，功耗150mW，振蕩回路輸出峰峰值電壓500mV。圖4-15E1648內(nèi)部原理圖及構(gòu)成的振蕩器

E1648單片集成振蕩器的振蕩頻率是由10腳和12腳之間的外接振蕩電路的L、C值決定，并與兩腳之間的輸入電容Ci有關(guān)，其表達式為

改變外接回路元件參數(shù)，可以改變E1648單片集成振蕩器的工作頻率。在5腳外加一正電壓時，可以獲得方波輸出。4.3頻率穩(wěn)定度4.3.1頻率穩(wěn)定度的意義和表征振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指由于外界條件的變化，引起振蕩器的實際工作頻率偏離標稱頻率的程度，它是振蕩器的一個很重要的指標。我們知道，振蕩器一般是作為某種信號源使用的(作為高頻加熱之類應(yīng)用的除外)，振蕩頻率的不穩(wěn)定將有可能使設(shè)備和系統(tǒng)的性能惡化，如在通信中所用的振蕩器，若頻率的不穩(wěn)定將有可能使所接收的信號部分甚至完全收不到，另外還有可能干擾原來正常工作的鄰近頻道的信號。再如在數(shù)字設(shè)備中用到的定時器都是以振蕩器為信號源的，頻率的不穩(wěn)定會造成定時不穩(wěn)等。頻率穩(wěn)定度在數(shù)量上通常用頻率偏差來表示。頻率偏差是指振蕩器的實際頻率和指定頻率之間的偏差，它可分為絕對偏差和相對偏差。設(shè)f1為實際工作頻率，f0為標稱頻率，

則絕對偏差為

(4-43)相對偏差為

(4-44)在上述偏差中，除了由于置定和測量不準引起的原因外(這一般稱為頻率準確度)，人們最關(guān)心的是頻率隨時間變化而產(chǎn)生的偏差，通常稱為頻率穩(wěn)定度(實際上應(yīng)稱為頻率不穩(wěn)定度)。頻率穩(wěn)定度通常定義為在一定時間間隔內(nèi)，振蕩器頻率的相對變化，用Δf/f1|時間間隔表示，這個數(shù)值越小，頻率穩(wěn)定度越高。按照時間間隔長短不同，常將頻率穩(wěn)定度分為以下幾種:長期穩(wěn)定度:一般指一天以上以至幾個月的時間間隔內(nèi)的頻率相對變化，通常是由振蕩器中元器件老化而引起的。

短期穩(wěn)定度:一般指一天以內(nèi)，以小時、分鐘或秒計時的時間間隔內(nèi)頻率的相對變化。產(chǎn)生這種頻率不穩(wěn)定的因素有溫度、電源電壓等。瞬時穩(wěn)定度:一般指秒或毫秒時間間隔內(nèi)的頻率相對變化。這種頻率變化一般都具有隨機性質(zhì)。這種頻率不穩(wěn)定有時也被看作振蕩信號附有相位噪聲。引起這類頻率不穩(wěn)定的主要因素是振蕩器內(nèi)部的噪聲。衡量時常用統(tǒng)計規(guī)律表示。

一般我們說的頻率穩(wěn)定度主要是指短期穩(wěn)定度，而且由于引起頻率不穩(wěn)的因素很多，我們籠統(tǒng)說振蕩器的頻率穩(wěn)定度多大，是指在各種外界條件下頻率變化的最大值。一般短波、超短波發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度要求是10－4~10－5量級，電視發(fā)射臺要求5×10－7，一些軍用、大型發(fā)射機及精密儀器則要求10－6量級或更高。4.3.2振蕩器的穩(wěn)頻原理由振蕩器的工作原理可知，振蕩器的振蕩頻率ω1是由振蕩器的相位平衡條件所決定，因此可以從相位平衡條件出發(fā)來討論振蕩器的頻率穩(wěn)定性。由式(4-15b)有設(shè)回路Q值較高，根據(jù)第2章的討論可知，振蕩回路在ω0附近的幅角可以近似表示為因此相位平衡條件可以表示為(4-45)即(4-46)因而有(4-47)考慮到QL值較高，即

，有(4-48)式(4-48)反映了振蕩器的不穩(wěn)定因素，可用圖4-16表示?，F(xiàn)在對各因素加以說明。圖4-16從相位平衡條件看振蕩頻率的變化

(a)相位平衡條件；(b)ω0的變化；(c)、QL的變化

1.回路諧振頻率ω0的影響

ω0由構(gòu)成回路的電感L和電容C決定，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，還應(yīng)考慮并在回路上的其它電抗，如晶體管的極間電容，后級負載電容(或電感)等。設(shè)回路電感和電容的總變化量分別為ΔL、ΔC，則由可得

(4-49)由此可見，回路元件L和C的穩(wěn)定度將影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度。

2.、QL對頻率的影響由式(4-48)的第二、第三項可以看出:頻率穩(wěn)定度取決于和，其中主要取決于晶體管內(nèi)部的狀態(tài)，受晶體管電流ic、ib變化的影響，通常因負載變化而引起；另外，還可以看出，若的絕對值越小，頻率穩(wěn)定度就越高。通常振蕩器工作頻率越高，的絕對值也就越大。主要是由于基極輸入電阻引起的，輸入電阻對回路的加載越重，反饋系數(shù)F′越大，的值也就越大。另外，回路的QL越大，頻率穩(wěn)定度就越高，這是提高振蕩器頻率穩(wěn)定度的一項重要措施。但是，當回路線圈的無載值Q0一定時，提高QL，就意味著負載對回路的加載要輕，回路的效率要降低。在穩(wěn)定性要求高的振蕩器中，只是很小一部分功率送給了負載，振蕩器的總效率是很低的。4.3.3提高頻率穩(wěn)定度的措施

1.提高振蕩回路的標準性振蕩回路的標準性是指回路元件和電容的標準性。溫度是影響的主要因素:溫度的改變，導致電感線圈和電容器極板的幾何尺寸將發(fā)生變化，而且電容器介質(zhì)材料的介電系數(shù)及磁性材料的導磁率也將變化，從而使電感、電容值改變。為減少溫度的影響，應(yīng)該采用溫度系數(shù)較小的電感、電容，如電感線圈可采用高頻瓷骨架，固定電容可采用陶瓷介質(zhì)電容，可變電容宜采用極片和轉(zhuǎn)軸為膨脹系數(shù)小的金屬材料(如鐵鎳合金)。還可以用負溫度系數(shù)的電容補償正溫度系數(shù)的電感的變化，在對頻率穩(wěn)定度要求較高的振蕩器中，為減少溫度對振蕩頻率的影響，可以將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)。

2.減少晶體管的影響在上節(jié)分析反饋型振蕩器原理時已提到，極間電容將影響頻率穩(wěn)定度，在設(shè)計電路時應(yīng)盡可能減少晶體管和回路之間的耦合。另外，應(yīng)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，電路易于起振；而且fT越高，晶體管內(nèi)部相移越小。一般可選擇fT>(3～10)f1max，f1max為振蕩器最高工作頻率。

3.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，要使相位穩(wěn)定，回路的相頻特性應(yīng)具有負的斜率，斜率越大，相位越穩(wěn)定。根據(jù)LC回路的特性，回路的Q值越大，回路的相頻特性斜率就越大，即回路的Q值越大，相位越穩(wěn)定。從相位與頻率的關(guān)系可得，此時的頻率也越穩(wěn)定。前面介紹的電容、電感反饋的振蕩器，其頻率穩(wěn)定度一般為10－3量級，兩種改進型的電容反饋振蕩器克拉潑振蕩器和西勒振蕩器，由于降低了晶體管和回路之間的耦合，頻率穩(wěn)定度可以達到10－4量級。對于LC振蕩器，即使采用一定的穩(wěn)頻措施，其頻率穩(wěn)定度也不會太高，這是由于受到回路標準性的限制。要進一步提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度就要采用其它的電路和方法。

4.減少電源、負載等的影響電源電壓的波動，會使晶體管的工作點、電流發(fā)生變化，從而改變晶體管的參數(shù)，降低頻率穩(wěn)定度。為了減小其影響，振蕩器電源應(yīng)采取必要的穩(wěn)壓措施。負載電阻并聯(lián)在回路的兩端，這會降低回路的品質(zhì)因數(shù)，從而使振蕩器的頻率穩(wěn)定度下降。為了減小其影響，應(yīng)減小負載對回路的耦合，可以在負載與回路之間加射極跟隨器等措施。另外，為提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，在制作電路時應(yīng)將振蕩電路安置在遠離熱源的位置，以減小溫度對振蕩器的影響；為防止回路參數(shù)受寄生電容及周圍電磁場的影響，可以將振蕩器屏蔽起來，以提高穩(wěn)定度。4.4LC振蕩器的設(shè)計考慮

由振蕩器的原理可以看出，振蕩器實際上是一個具有反饋的非線性系統(tǒng)，精確計算是很困難的，而且也是不必要的。因此，振蕩器的設(shè)計通常是進行一些設(shè)計考慮和近似估算，選擇合理的線路和工作點，確定元件的數(shù)值，而工作狀態(tài)和元件的準確數(shù)值需要在調(diào)整、調(diào)試中最后確定。

1．振蕩器電路選擇

LC振蕩器一般工作在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。在短波范圍，電感反饋振蕩器、電容反饋振蕩器都可以采用。在中、短波收音機中，為簡化電路常用變壓器反饋振蕩器做本地振蕩器。在要求波段范圍較寬的信號產(chǎn)生器中常用電感反饋振蕩器。在短波、超短波波段的通信設(shè)備中常用電容反饋振蕩器。當頻率穩(wěn)定度要求較高，波段范圍又不很寬的場合，常用克拉潑、西勒振蕩器。西勒振蕩器電路調(diào)節(jié)頻率方便，有一定的波段工作范圍，用得較多。

2．晶體管選擇從穩(wěn)頻的角度出發(fā)，應(yīng)選擇fT較高的晶體管，這樣晶體管內(nèi)部相移較小。通常選擇fT>(3～10)f1max。同時希望電流放大系數(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。雖然不要求振蕩器中的晶體管輸出多大功率，但考慮到穩(wěn)頻等因素，晶體管的額定功率也應(yīng)有足夠的余量。

3．直流饋電線路的選擇為保證振蕩器起振的振幅條件，起始工作點應(yīng)設(shè)置在線性放大區(qū)；從穩(wěn)頻出發(fā)，穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)在截止區(qū)，而不應(yīng)在飽和區(qū)，否則回路的有載品質(zhì)因數(shù)QL將降低。所以，通常應(yīng)將晶體管的靜態(tài)偏置點設(shè)置在小電流區(qū)，電路應(yīng)采用自偏壓。對于小功率晶體管，集電極靜態(tài)電流約為1~4mA。

4．振蕩回路元件選擇從穩(wěn)頻出發(fā)，振蕩回路中電容C應(yīng)盡可能大，但C過大，不利于波段工作；電感L也應(yīng)盡可能大，但L大后，體積大，分布電容大，L過小，回路的品質(zhì)因數(shù)過小，因此應(yīng)合理地選擇回路的C、L。在短波范圍，C一般取幾十至幾百皮法，L一般取0.1至幾十微亨。

5．反饋回路元件選擇由前述可知，為了保證振蕩器有一定的穩(wěn)定振幅以及容易起振，在靜態(tài)工作點通常應(yīng)選擇YfRLF′=3～5(4-50)當靜態(tài)工作點確定后，Yf的值就一定，對于小功率晶體管可以近似為反饋系數(shù)的大小應(yīng)在下列范圍選擇F=0.1～0.5(4-51)在按上述方法選擇參數(shù)RL、F時，顯然不能夠預期穩(wěn)定狀態(tài)時的電壓、電流，只能保證在合理的狀態(tài)下產(chǎn)生振蕩。4.5石英晶體振蕩器

石英晶體振蕩器是利用石英晶體諧振器作濾波元件構(gòu)成的振蕩器，其振蕩頻率由石英晶體諧振器決定。與LC諧振回路相比，石英晶體諧振器具有很高的標準性和極高的品質(zhì)因數(shù)，因此石英晶體振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度和穩(wěn)頻措施后，石英晶體振蕩器可以達到10－4~10－9的頻率穩(wěn)定度。4.5.1石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度石英晶體振蕩器之所以能獲得很高的頻率穩(wěn)定度，由第2章可知，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，具體表現(xiàn)為:

(1)石英晶體諧振器具有很高的標準性。石英晶體振蕩器的振蕩頻率主要由石英晶體諧振器的諧振頻率決定。石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fq主要取決于晶片的尺寸，石英晶體的物理性能和化學性能都十分穩(wěn)定，它的尺寸受外界條件如溫度、濕度等影響很小，因而其等效電路的Lq、Cq值很穩(wěn)定，使得fq很穩(wěn)定。

(2)石英晶體諧振器與有源器件的接入系數(shù)p很小，一般為10－3~10－4。這大大減弱了有源器件的極間電容等參數(shù)和外電路中不穩(wěn)定因素對石英晶體振蕩器決定頻率振蕩系統(tǒng)的影響。

(3)石英晶體諧振器具有非常高的Q值。Q值一般為104~106，與Q值僅為幾百數(shù)量級的普通LC回路相比，其Q值極高，維持振蕩頻率穩(wěn)定不變的能力極強。4.5.2晶體振蕩器電路晶體振蕩器的電路類型很多，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:并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器。在并聯(lián)型晶體振蕩器中，晶體起等效電感的作用，它和其它電抗元件組成決定頻率的并聯(lián)諧振回路與晶體管相連。由晶體的阻抗頻率特性可知，并聯(lián)型晶體振蕩器的振蕩頻率在石英晶體諧振器的fq與fp之間；在串聯(lián)型晶體振蕩器中，振蕩器工作在鄰近fq處，晶體以低阻抗接入電路，即晶體起選頻短路線的作用。兩類電路都可以利用基頻晶體或泛音晶體。

1．并聯(lián)型晶體振蕩器圖4-17示出了一種典型的晶體振蕩器電路，當振蕩器的振蕩頻率在晶體的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間時晶體呈感性，該電路滿足三端式振蕩器的組成原則，而且該電路與電容反饋的振蕩器對應(yīng)，通常稱為皮爾斯(Pierce)振蕩器。C3起到微調(diào)振蕩器頻率的作用，同時也起到減小晶體管和晶體之間的耦合作用。C1、C2既是回路的一部分，也是反饋電路。圖4-17皮爾斯振蕩器皮爾斯振蕩器的工作頻率應(yīng)由C1、C2、C3及晶體構(gòu)成的回路決定，即由晶體電抗Xe與外部電容相等的條件決定，設(shè)外部電容為CL，則

(4-52)由圖有(4-53)將式(4-52)用圖形表示為圖4-18的情形。圖中有兩個交點，靠近晶體串聯(lián)頻率ωq附近的ω1是穩(wěn)定工作點。當ω1靠近ωq時，由圖4-18，電抗Xe與忽略晶體損耗時的晶體電抗很接近，因此振蕩頻率f1等于包括并聯(lián)電容CL在內(nèi)的并聯(lián)諧振頻率。因CL實際與晶體靜電容并聯(lián)，因此只要引入一等效接入系數(shù)p′(4-54)圖4-18并聯(lián)型晶體振蕩器穩(wěn)頻原理則由前面并聯(lián)諧振頻率公式可得

(4-55)由上式可見，改變CL可以微調(diào)振蕩頻率。通常電路中C3<<C1、C2，CL主要由C3決定，實際電路中用與晶體串一小電容C3來微調(diào)振蕩頻率。通常，晶體制造廠家為便利用戶，對用于并聯(lián)型電路的晶體，規(guī)定一標準的負載電容CL，可以將振蕩頻率調(diào)整到晶體標稱頻率上。在幾兆赫茲至幾十兆赫茲范圍，一般CL規(guī)定為30pF。反饋系數(shù)F的大小為(4-56)

由于晶體的品質(zhì)因數(shù)Qq很高，故其并聯(lián)諧振電阻Ro也很高，雖然接入系數(shù)p較小，但等效到晶體管CE兩端的阻抗RL仍較高，因此放大器的增益較高，電路很容易滿足振幅起振條件。圖4-19是并聯(lián)型晶體振蕩器的實際線路，其適宜的工作頻率范圍為0.85~15MHz。圖4-19并聯(lián)型晶體振蕩器的實用線路如圖4-20示出了另一種并聯(lián)型晶體振蕩器電路，該電路晶體接在基極和發(fā)射極之間，只要晶體呈現(xiàn)感性，該電路即滿足三端式振蕩器的組成原則，且電路類似于電感反饋的振蕩器，又稱為密勒(Miler)振蕩器。由于晶體與晶體管的低輸入阻抗并聯(lián)，降低了有載品質(zhì)因數(shù)QL，故密勒振蕩器的頻率穩(wěn)定度較低。圖4-20密勒振蕩器由于皮爾斯振蕩器的頻率穩(wěn)定度比密勒振蕩器高，故實際應(yīng)用的晶體振蕩器大多為皮爾斯振蕩器，在頻率較高時可以采用泛音晶體構(gòu)成。圖4-21給出了一種應(yīng)用泛音晶體構(gòu)成的皮爾斯振蕩器電路。圖中L、C1構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路是用以破壞基頻和低次泛音的相位條件，使振蕩器工作在設(shè)定的泛音頻率上。如電路需要工作在5次泛音頻率上，應(yīng)使L、C1構(gòu)成的并聯(lián)回路的諧振頻率低于5次泛音頻率，但高于所要抑制的3次泛音頻率，這樣對低于工作頻率的低泛音頻率來說，L、C1并聯(lián)回路呈現(xiàn)一感性，不能滿足三端式振蕩器的組成原則，電路不能振蕩，

但工作在所需的5次泛音上時，L、C1并聯(lián)回路就呈現(xiàn)容性，滿足三端式的組成原則，電路能工作。需要注意的是，并聯(lián)型晶體振蕩器電路工作的泛音不能太高，一般為3、5、7次，高次泛音振蕩時，由于接入系數(shù)的降低，等效到晶體管輸出端的負載電阻將下降，使放大器增益減小，振蕩器停振。圖4-21泛音晶體皮爾斯振蕩器圖4-22是一場效應(yīng)管晶體并聯(lián)型振蕩器線路，晶體等效成一感抗，構(gòu)成一等效的電容反饋振蕩器。圖4-22場效應(yīng)管晶體并聯(lián)型振蕩器線路

2．串聯(lián)型晶體振蕩器在串聯(lián)型晶體振蕩器中，晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點之間，通常接在反饋電路中。圖4-23示出了一串聯(lián)型晶體振蕩器的實際線路和等效電路。由圖可見，如果將晶體短路，該電路即為一電容反饋的振蕩器。電路的工作原理為:當回路的諧振頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率時，晶體的阻抗最小，近似為一短路線，電路滿足相位條件和振幅條件，故能正常工作；當回路的諧振頻率距串聯(lián)諧振頻率較遠時，晶體的阻抗增大，使反饋減弱，從而使電路不能滿足振幅條件，電路不能工作。串聯(lián)型晶體振蕩器的工作頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率，不需要外加負載電容CL，通常這種晶體標明其負載電容為無窮大，在實際制作中，若fq有小的誤差，則可以通過回路調(diào)諧來微調(diào)。圖4-23一種串聯(lián)型晶體振蕩器(a)實際線路；(b)等效電路串聯(lián)型晶體振蕩器能適應(yīng)高次泛音工作，這是由于晶體只起到控制頻率的作用，對回路沒有影響，只要電路能正常工作，輸出幅度就不受晶體控制。

3．使用注意事項使用石英晶體諧振器時應(yīng)注意以下幾點:

(1)石英晶體諧振器的標稱頻率都是在出廠前，在石英晶體諧振器上并接一定負載電容條件下測定的，實際使用時也必須外加負載電容，并經(jīng)微調(diào)后才能獲得標稱頻率。為了保持晶振的高穩(wěn)定性，負載電容應(yīng)采用精度較高的微調(diào)電容。

(2)石英晶體諧振器的激勵電平應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。過高的激勵功率會使石英晶體諧振器內(nèi)部溫度升高，使石英晶片的老化效應(yīng)和頻率漂移增大，嚴重時還會使晶片因機械振動過大而損壞。

(3)在并聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體起等效電感的作用，若作為容抗，則在石英晶片失效時，石英諧振器的支架電容還存在，線路仍可能滿足振蕩條件而振蕩，石英晶體諧振器失去了穩(wěn)頻作用。

(4)晶體振蕩器中一塊晶體只能穩(wěn)定一個頻率，當要求在波段中得到可選擇的許多頻率時，就要采取別的電路措施，如頻率合成器，它是用一塊晶體得到許多穩(wěn)定頻率，頻率合成器的有關(guān)內(nèi)容將在第8章介紹。4.5.3高穩(wěn)定晶體振蕩器前面介紹的并聯(lián)、串聯(lián)型晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度一般可達10－5量級，若要得到更高穩(wěn)定度的信號，需要在一般晶體振蕩器基礎(chǔ)上采取專門措施來制作。影響晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度的因素仍然是溫度、電源電壓和負載變化，其中最主要的還是溫度的影響。為減小溫度變化對晶體頻率及振蕩頻率的影響，一個辦法就是采用溫度系數(shù)低的晶體晶片，目前在幾兆赫茲至幾十兆赫茲范圍內(nèi)廣泛采用AT切片，其具有的溫度特性如圖4-24所示。由圖可見，在(－20～70)℃的正常工作溫度范圍內(nèi)，相對頻率變化小于5×10－6；并且在(50～55)℃溫度范圍內(nèi)有接近于零的溫度系數(shù)(在此處有一拐點，約在52℃處)。另一個有效的辦法就是保持晶體及有關(guān)電路在恒定溫度環(huán)境中工作，即采用恒溫裝置，恒溫溫度最好在晶片的拐點溫度處，溫度控制得越精確，穩(wěn)定度越高。圖4-24AT切片的頻率溫度特性圖4-25是一種恒溫晶體振蕩器的組成框圖。它由兩大部分組成:晶體振蕩器和恒溫控制電路。

圖4-25恒溫晶體振蕩器的組成圖4-25中虛框內(nèi)表示一恒溫槽，它是一絕熱的小容器，晶體安放在此槽內(nèi)。恒溫的原理為，槽內(nèi)的感溫電阻(如溫敏電阻)作為電橋的一臂，當溫度等于所需某一溫度(拐點溫度)時，電橋輸出直流電壓經(jīng)放大后，對加熱電阻絲加熱，以維持平衡溫度；當環(huán)境溫度變化，從而使槽溫偏離原來溫度時，通過感溫電阻的變化改變加熱電阻的電流，從而減少槽溫的變化。圖中的自動增益控制(AGC)起到振幅穩(wěn)定的作用，同時，由于振蕩器振幅穩(wěn)定，晶體的激勵電平不變，也使得晶體的頻率穩(wěn)定。目前，恒溫控制的晶體振蕩器已制成標準部件供用戶使用。恒溫晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度可達10－7～10－9。恒溫控制的晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度雖高，但存在著電路復雜、體積大、重量重等缺點，應(yīng)用上受到一定限制。在頻率穩(wěn)定度要求不十分高而又希望電路簡單、體積小、耗電省的場合，常采用溫度補償晶體振蕩器，如圖4-26所示。圖中RT為溫敏電阻，當環(huán)境溫度改變時，由于晶體的頻率隨溫度變化，振蕩器頻率也隨溫度變化，溫度改變時，溫敏電阻改變，加在變?nèi)莨苌系钠秒妷焊淖儯瑥亩棺內(nèi)莨茈娙葑兓?，以補償晶體頻率的變化，因此整個振蕩器頻率隨溫度變化很小，從而得到較高的頻率穩(wěn)定度。需要說明的是，要在整個工作溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)溫度補償，其補償電路是很復雜的。溫度補償晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度可達10－5～10－6。圖4-26溫度補償晶振的原理線路4.6振蕩器中的幾種現(xiàn)象在LC振蕩器中，有時候會出現(xiàn)一些特殊現(xiàn)象，如間歇振蕩、頻率拖曳、頻率占據(jù)以及振蕩器或高頻放大器中的寄生振蕩。在許多情況下，這些現(xiàn)象是應(yīng)該避免的。但在某些情況下，也可以利用它來完成特殊的電路功能。4.6.1間歇振蕩

LC振蕩器在建立振蕩的過程中，有兩個互有聯(lián)系的暫態(tài)過程，一個是回路上高頻振蕩的建立過程；另一個是偏壓的建立過程?；芈酚袃δ茏饔?，要建立穩(wěn)定的振蕩器需要有一定的時間?；芈返挠休dQ值越低，K0F值越大于1，則振蕩建立得越快。由于偏壓電路的穩(wěn)幅作用，上述過程也受偏壓變化的影響。偏壓的建立，主要由偏壓電路的電阻、電容決定(偏壓由ib、ic對電阻、電容充放電而產(chǎn)生)，同時也取決于基極激勵的強弱。當這兩個暫態(tài)過程能協(xié)調(diào)一致進行時，高頻振蕩和偏壓就能一致趨于穩(wěn)定，從而得到振幅穩(wěn)定的振蕩。當高頻振蕩建立較快，而偏壓電路由于時常數(shù)過大而變化過慢時，就會產(chǎn)生間歇振蕩。圖4-27是產(chǎn)生間歇振蕩時Ub和偏壓Eb波形。在t=0時，由于K0F值很大，振蕩電壓Ub迅速增加，此時因RbCb或ReCe值過大，偏壓Eb開始變化不大。Ub增加的結(jié)果是，晶體管很快工作到截止狀態(tài)(θ<180°)，或工作到飽和狀態(tài)。由于非線性作用，放大量K0下降使K0F=1，振蕩電壓Ub開始趨于穩(wěn)定。隨后偏壓Eb繼續(xù)變負(它的變化比Ub變化要晚一些)。在t=t1至t=t2時間內(nèi)，振蕩器處于平衡狀態(tài)。由于Eb是變化的，故平衡時的Ub仍稍有下降。至t=t2時，由于Ub的減小導致K0的下降(在C類欠壓狀態(tài)，Ub的下降會使K0下降)，使K0F<1，即不滿足振幅平衡條件，于是振蕩振幅迅速衰減到零。在此過程中，由于Eb的變化跟不上Ub的變化，不會出現(xiàn)K0F=1。再經(jīng)過一段時間，偏壓Eb恢復到起振時電壓，又重復上述過程，形成了間歇振蕩。圖4-27間歇振蕩時Ub與Eb的波形若偏壓電路時間常數(shù)(RbCb、ReCe)不是很大，在Ub衰減的過程中仍能維持K0F=1時，就會產(chǎn)生持續(xù)的振幅起伏振蕩，這也是間歇振蕩的一種形式。當出現(xiàn)間歇振蕩時，通常集電極直流電流很小，回路上的高頻電壓很大，可以用示波器觀察間歇振蕩的波形。為保證振蕩器的正常工作，應(yīng)防止間歇振蕩，除了起振時K0F不要太大外，主要的方法是適當?shù)剡x取偏壓電路中Cb、Ce的值。Cb、Ce適當選小些，使偏壓Eb的變化能跟上Ub的變化，其具體數(shù)值通常由實驗決定。附帶說明一點，高Q值的晶體振蕩器，通常不會產(chǎn)生間歇振蕩現(xiàn)象。4.6.2頻率拖曳現(xiàn)象前面討論的LC振蕩器，都是以單振蕩回路作為晶體管的負載，其振蕩頻率基本上等于回路諧振頻率。有時候以耦合振蕩回路作為負載，在一定的條件下會產(chǎn)生所謂的頻率拖曳現(xiàn)象。圖4-28(a)是一個互感耦合的變壓器反饋振蕩器。其中L1C1是與晶體管直接連接的初級回路，L2C2是與它耦合的次級回路。圖4-28(b)是耦合回路的等效電路。圖4-28變壓器反饋振蕩器(a)實際電路；(b)耦合回路的等效電路由第2章耦合回路的分析可知，當次級回路為高Q電路且兩回路為緊耦合時(k>k0)，初級兩端的并聯(lián)阻抗ZL具有雙峰，而其幅角的頻率特性上有三個零值點，也可以說有三個諧振頻率ωI、ωII、ωIII，如圖4-29所示。這三個諧振頻率既取決于初、次級本身的諧振頻率ω01、ω02，也取決于兩回路間的耦合系數(shù)k。從振蕩器的原理可知，若對ωI、ωII同時滿足振蕩的相位平衡和相位穩(wěn)定條件(，)，這種振蕩器就可以在ωI和ωII中的一個頻率上產(chǎn)生振蕩，至于是在ωI還是在ωII上振蕩，則取決于振幅平衡條件(由于振蕩器中固有的非線性作用，即使ωI、ωII都滿足振幅條件，一種振蕩已建立后將抑制另一種振蕩的建立，因此不會產(chǎn)生兩個頻率的同時振蕩)。當耦合系數(shù)k和初級諧振頻率ω01一定時，ωI、ωII(實際上是ω2I、ω2II)隨次級諧振頻率ω02變化的關(guān)系曲線如圖4-30(a)所示。當k和ω02固定時，ωI、ωII與ω01也有相同的曲線。由圖可以看出以下幾點:

(1)ωII始終大于ωI，且有ωII>ω01，ωI<ω01；

(2)當ω02遠低于ω01時，ω02對ωI影響較大；當ω02遠大于ω01時，ω02對ωII影響較大。此外，兩回路耦合越緊，k越大，ωI與ωII相差越大(當ω01、ω02一定時)。圖4-29阻抗ZL的幅角的頻率特性頻率拖曳現(xiàn)象是指在上述緊耦合回路的振蕩器中，當變化一個回路(如次級回路)的諧振頻率時，振蕩器頻率具有非單值的變化。圖4-30(b)就是振蕩頻率隨次級諧振頻率ω02變化的曲線。振蕩頻率與初級回路的諧振頻率ω01之間也有相似的關(guān)系曲線。當ω02從很低頻率增加時，由于ωII在頻率上滿足振幅平衡條件，振蕩頻率為ωII。在ωM<ω02<N范圍時，雖然在ωI上也能滿足振幅平衡條件，但因為原來已在ωII上振蕩，故將抑制ωI的振蕩。當ω02增加到ω02>ωN時，因ωII不再滿足振幅平衡條件，而ωI滿足振蕩條件，所以振蕩頻率突跳至較低的ωI上，并按ωI的規(guī)律變化。

這樣的頻率變化稱為頻率拖曳現(xiàn)象，并構(gòu)成一拖曳環(huán)。當ω02

位于ωM

與ωN

之間，而振蕩器開始工作時，振蕩器可能在ωII

工作，也可能在ωI

工作，這時的振蕩器頻率不是惟一確定的，它可能受外部條件的影響而產(chǎn)生頻率跳變現(xiàn)象。圖4-30ωI、ωII與ω02的關(guān)系曲線及拖曳環(huán)的形成頻率拖曳現(xiàn)象一般應(yīng)該避免，因為它使振蕩器的頻率不是單調(diào)的變化和受回路諧振頻率惟一確定。為避免產(chǎn)生頻率拖曳現(xiàn)象，應(yīng)該減小兩回路的耦合，或減小次級回路Q值。另外，若次級回路頻率遠離所需的振蕩頻率范圍，也不會產(chǎn)生拖曳現(xiàn)象(振蕩頻率由ω01調(diào)節(jié))。但在要求有高效率輸出的耦合回路振蕩器中，拖曳現(xiàn)象通常不能避免，此時應(yīng)利用以上知識進行調(diào)整。在某些微波振蕩器中(包括一些利用負阻器件的振蕩器)也可以利用拖曳效應(yīng)用高Q值和高穩(wěn)定參數(shù)的次級回路進行穩(wěn)頻，即讓振蕩器工作在受ω02控制較大的部分(如圖4-30(b)上的ωM附近的ωI或ωN附近的ωII上)，這種穩(wěn)頻方法稱為牽引穩(wěn)頻，次級回路由穩(wěn)頻腔擔任。4.6.3振蕩器的頻率占據(jù)現(xiàn)象在一般LC振蕩器中，若從外部引入一頻率為fs的信號，當fs接近振蕩器原來的振蕩頻率f1時，會發(fā)生占據(jù)現(xiàn)象，表現(xiàn)為當fs接近f1時，振蕩器受外加信號影響，振蕩頻率向接近fs的頻率變化，而當fs進一步接近原來f1時，振蕩頻率甚至等于外加信號頻率fs，產(chǎn)生強迫同步。當fs離開原來f1時，則發(fā)生相反的變化。這是因為，當外加信號頻率fs在振蕩回路的帶寬以內(nèi)時，外信號的加入會改變振蕩器的相位平衡狀態(tài)，使相位平衡條件在頻率上得到滿足，從而發(fā)生占據(jù)現(xiàn)象。4-31(a)為解釋占據(jù)現(xiàn)象的振蕩器線路，其中為外加信號，現(xiàn)等效到晶體管的基極電路。圖4-31(b)表示有占據(jù)現(xiàn)象時振蕩頻率和信號頻率fs之間頻率差與信號頻率fs的變化關(guān)系，圖(b)中fA至fB及fC至fD范圍為開始產(chǎn)生頻率牽引的范圍，fB至fC為占據(jù)頻率范圍，2Δf稱為占據(jù)帶寬。圖4-31占據(jù)現(xiàn)象下面用矢量圖來分析占據(jù)過程。為了簡單起見，設(shè)無外加信號時的振蕩頻率f1等于回路諧振頻率f0，這表示在圖4-31(a)上的電壓、電流(、、)及反饋電壓都同相?，F(xiàn)加入信號，其頻率fs處于占據(jù)帶，并以作參考可以作出振蕩器的電壓、電流矢量圖，如圖4-32所示。圖4-32說明占據(jù)過程的瞬時電壓矢量圖(a)fs小于f1；(b)占據(jù)時的矢量設(shè)信號頻率fs小于f1，若以圖4-32(a)中作為基準，則其它電壓、電流(頻率為f1)為逆時針旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)在看一個反饋周期中矢量的變化。設(shè)有后，基極輸入電壓為，由圖可見，雖然仍為逆時針旋轉(zhuǎn)，但因，顯然它的轉(zhuǎn)速要慢些，這表示其瞬時頻率比f1要低一些。為新的電壓產(chǎn)生的集電極電流，它與瞬時同相。由于振蕩回路有儲能作用，回路上新的并不立即取決于，但是可以想象它的瞬時相位要逐漸滯后。。如果上述使振蕩電壓、電流瞬時頻率逐漸降低的過程能一直進行到穩(wěn)定狀態(tài)，即最后保持與有固定的相位關(guān)系，則表示頻率，產(chǎn)生占據(jù)。若振蕩頻率有所降低，但始終達不到穩(wěn)定狀態(tài)(振蕩電壓仍以逆時針旋轉(zhuǎn))，這就相當于fA至fB的牽引狀態(tài)。出現(xiàn)占據(jù)時的電流、電壓矢量圖如圖4-32(b)所示。圖上為回路阻抗的幅角。因為此時，，故為正值。為超前的相角，由圖(b)可知，因

由上式三個矢量構(gòu)成的平行四邊形關(guān)系，可得(4-57)這表明，在占據(jù)時和保持相對固定的相移是靠回路失諧產(chǎn)生的來補償?shù)摹Ｒ蚺c回路失諧大小有關(guān)，可以由式(4-57)求出占據(jù)頻帶。通?；芈肥еC不大(失諧很大時振幅條件也將不能滿足)時，不大，因此有下列近似關(guān)系:再考慮并聯(lián)回路當ES不大時，可以用Ub代替，式(4-57)可寫為

(4-59)可能得到的最大占據(jù)頻帶2Δf出現(xiàn)在的最大值1處，因此可得相對占據(jù)頻帶

(4-60)此式表明，振蕩器的占據(jù)帶寬與ES/Ub成正比而與有載值Q成反比。這從概念上也容易理解，Q值代表回路保持固有諧振的能力，而ES大小代表外部強制作用的大小。4.6.4寄生振蕩在高頻放大器或振蕩器中，由于某種原因，會產(chǎn)生不需要的振蕩信號，這種振蕩稱為寄生振蕩。如第3章介紹的小信號放大器穩(wěn)定性時所說的自激，即屬于寄生振蕩。產(chǎn)生寄生振蕩的形式和原因是各種各樣的，有單級和多級振蕩，有工作頻率附近的振蕩或者是遠離工作頻率的低頻或超高頻振蕩。在高增益的高頻放大器中，由于晶體管輸入、輸出電路通常有振蕩回路，通過輸出、輸入電路間的反饋(大多是通過晶體管內(nèi)部的反饋電容)，容易產(chǎn)生工作頻率附近的寄生振蕩。在高頻功率放大器及高頻振蕩器中，由于通常都要用到扼流圈、旁路電容等元件，在某些情況下會產(chǎn)生低頻寄生振蕩。圖4-33(a)就是一高頻功率放大器的實際線路，圖中Lc為高頻扼流圈。在遠低于工作頻率時，由于C1的阻抗很大，可得到如圖4-33(b)的等效電路。當Lc和Cbc較大時，可能既滿足相位平衡條件又滿足振幅平衡條件，就會產(chǎn)生低頻寄生振蕩。所以能滿足振幅平衡，還應(yīng)考慮兩個因素，一個是在低頻時晶體管有較大的電流放大系數(shù)，另一個是原來的負載電阻對此低頻回路并不加載。由于高頻功率放大器通常工作在B類或C類的強非線性狀態(tài)，低頻寄生振蕩通常還會產(chǎn)生對高頻信號的調(diào)制，因此可以觀察到如圖4-33(c)的調(diào)幅波。圖4-33低頻寄生振蕩的等效電路和波形遠高于工作頻率的寄生振蕩(可能到超高頻范圍)通常是由晶體管的極間電容以及外部的引線電感構(gòu)成振蕩回路的反饋電路。單級高頻功率放大器中，還可能因大的非線性電容Cbc而產(chǎn)生參量寄生振蕩，以及由于晶體管工作到雪崩擊穿區(qū)而產(chǎn)生的負阻寄生振蕩。實踐還發(fā)現(xiàn)，當放大器工作于過壓狀態(tài)時，也會出現(xiàn)某種負阻現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的寄生振蕩(高于工作頻率)只有放大器激勵電壓的正半周出現(xiàn)。產(chǎn)生多級寄生振蕩的原因也有多種:一種是由于采用公共電源對各級饋電而產(chǎn)生的寄生反饋。一種是由于每級內(nèi)部反饋加上各級之間的互相影響，例如兩個雖有內(nèi)部反饋而不自激的放大器，級聯(lián)后便有可能會產(chǎn)生自激振蕩。還有一種引起多級寄生振蕩的原因是各級間的空間電磁耦合。寄生振蕩的防止和消除既涉及正確的電路設(shè)計，同時又涉及線路的實際安裝，如導線盡可能短，減少輸出電路對輸入電路的寄生耦合、接地點盡量靠近等，因此既需要有關(guān)的理論知識，也需要從實際中積累經(jīng)驗。消除寄生振蕩的一般方法為:在觀察到寄生振蕩后，要判斷出哪個頻率范圍的振蕩，是單級振蕩還是多級振蕩。為此可能要斷開級間連接，或者去掉某級的電源電壓。在判斷確定是某種寄生振蕩后，可以根據(jù)有關(guān)振蕩的原理分析產(chǎn)生寄生振蕩的可能原因，參與寄生振蕩的元件，并通過試驗(更換元件，改變元件數(shù)值)等方法來進行驗證。對于放大器在工作頻率附近的寄生振蕩，主要消除方法是降低放大器的增益，如降低回路阻抗或者射極加小負反饋電阻等。要消除由于扼流圈等引起的低頻寄生振蕩，可以適當降低扼流圈電感數(shù)值和減小它的Q值。后者可用一電阻和扼流圈串聯(lián)實現(xiàn)。要消除由公共電源耦合產(chǎn)生的多級寄生振蕩，可采用有LC或RC低通濾波器構(gòu)成的去耦電路，使后級的高頻電流不流入前級。圖4-34示出了一電源去耦的例子。圖4-34電源去耦舉例

前幾節(jié)討論了LC振蕩器和石英晶體振蕩器，但是如果振蕩頻率在幾十千赫茲以下，LC振蕩器的回路電感和電容C就比較大。一般來說制造損耗小的大電感和電容是比較困難的，此外回路元件的體積過大，安裝調(diào)試均不方便。因此，振蕩頻率較低時，一般采用RC振蕩器。

4.7RC振蕩器

RC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性比LC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性差得多，因此常采用負反饋來提高電路的選頻特性。其原理是電路中除了有產(chǎn)生自激振蕩所需的正反饋外，還同時加有負反饋。總的反饋效果是:在振蕩頻率，正反饋超過負反饋，并滿足自激條件，偏離自激頻率時，力求使負反饋超過正反饋，以抑制不需要的頻率，從而改善輸出波形。根據(jù)RC網(wǎng)絡(luò)的不同構(gòu)成，RC振蕩器可分為相移振蕩器和橋式振蕩器兩大類，我們先回顧一下RC網(wǎng)絡(luò)的特性，然后再討論RC振蕩器。4.7.1RC網(wǎng)絡(luò)

1．超前型移相網(wǎng)絡(luò)圖4-35(a)示出了RC超前型移相網(wǎng)絡(luò)。傳輸系數(shù)為

(4-61)其模值和相角分別為式中ω0=1/(RC)。幅頻特性和相頻特性分別如圖4-35(b)、(c)所示。圖4-35超前型移相網(wǎng)絡(luò)(a)電路；(b)幅頻特性；(c)相頻特性

2．滯后型移相網(wǎng)絡(luò)圖4-36(a)示出了RC滯后型移相網(wǎng)絡(luò)。傳輸系數(shù)為(4-62)其模值和相角分別為式中ω0=1/(RC)。幅頻特性和相頻特性分別如圖4-36(b)、(c)所示。圖4-36RC滯后型移相網(wǎng)絡(luò)(a)電路；(b)幅頻特性；(c)相頻特性

3.串并聯(lián)型選頻網(wǎng)絡(luò)圖4-37(a)示出了RC串并聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)。傳輸系數(shù)為(4-63)式中ω0=1/RC，其模和相角分別為相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性如圖4-37(b)、(c)所示。圖4-37串并聯(lián)型選頻網(wǎng)絡(luò)(a)電路；