高頻電子電路第6章正弦波振蕩器

7正弦波振蕩器1.理解反饋式振蕩器的工作原理2.掌握反饋式振蕩器的平衡與穩(wěn)定條件3.掌握LC振蕩器三端電路的組成法則5.了解穩(wěn)頻原理與穩(wěn)頻措施6.熟悉石英晶體振蕩器的優(yōu)點(diǎn)與電路類(lèi)型4.掌握克拉潑電路和西勒電路的組成和優(yōu)缺點(diǎn)7.1概述1.振蕩器不需外加輸入信號(hào)，自動(dòng)地將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的裝置。2.振蕩器的用途信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字式頻率計(jì)、無(wú)線電發(fā)送設(shè)備、超外差式接收機(jī)等。高頻電路3.振蕩器的分類(lèi)正弦波振蕩器非正弦波振蕩器振蕩器波形產(chǎn)生機(jī)理反饋式振蕩器負(fù)阻式振蕩器反饋型LC振蕩器反饋型RC振蕩器石英晶體振蕩器反饋式振蕩器反饋型RC振蕩器反饋型LC振蕩器石英晶體振蕩器7.2LCR回路中的瞬變現(xiàn)象對(duì)上式微分可得：圖7.2.1LCR自由振蕩電路1、開(kāi)關(guān)S先接通”1”,C充電2、C充電后開(kāi)關(guān)S接通”2”解方程可知：回路中的電流變化為非周期的，不可能形成周期振蕩。回路中的電流發(fā)生周期性的自由振蕩現(xiàn)象。時(shí)，（1）當(dāng)（2）當(dāng)圖7.2.4δ2＜ω2時(shí)產(chǎn)生振蕩電流的情形7.3LC振蕩器的基本工作原理1）一套振蕩回路。包含兩個(gè)（或兩個(gè)以上）儲(chǔ)能元件。在這兩個(gè)元件中，當(dāng)一個(gè)釋放能量時(shí)，另一個(gè)就接收能量。釋放與接收能量可以往返進(jìn)行，其頻率決定于元件的數(shù)值。

構(gòu)成振蕩器必備條件：2）一個(gè)能量來(lái)源。補(bǔ)充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的能量損失。在晶體管振蕩器中，這個(gè)能源就是直流電源。3）一個(gè)控制設(shè)備?？梢允闺娫垂β试谡_的時(shí)刻補(bǔ)充電路的能量損失，以維持等幅振蕩。這是由有源器件和正反饋電路完成的。圖7.2.4互感耦合調(diào)集振蕩器-+由上式可得振蕩頻率為：產(chǎn)生振蕩時(shí)：因此振蕩條件為：反饋振蕩器方框圖＋07.4由正反饋的觀點(diǎn)來(lái)決定振蕩的條件反饋放大器的閉環(huán)增益為：由上述的振蕩條件可知，振蕩時(shí)：物理意義：即使無(wú)輸入信號(hào)也有輸出信號(hào)。放大器變成振蕩器。反饋振蕩器方框圖起振：1、接通電源瞬間引起的電壓、電流突變，電路器件內(nèi)部噪聲等。2、初始信號(hào)中，滿足相位平衡條件的某一頻率0的信號(hào)被保留，成為等幅振蕩輸出信號(hào)。（從無(wú)到有）3、一般初始信號(hào)很微弱，很容易被干擾信號(hào)淹沒(méi)，不能形成一定幅度的輸出信號(hào)。因此，起振階段要求：（由弱到強(qiáng)）（增幅振蕩）7.5振蕩器的平衡與穩(wěn)定條件

當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，就要限制它繼續(xù)增加。（由增到穩(wěn)）一、振蕩器的平衡條件

穩(wěn)幅的作用：當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，使增幅振蕩變成穩(wěn)幅振蕩，即從到。設(shè)平均放大倍數(shù)：振幅平衡條件：相位平衡條件：1、起振條件2、平衡條件即正反饋。二、振蕩器平衡狀態(tài)和穩(wěn)定條件以上分析了保證振蕩器由弱到強(qiáng)地建立起振蕩的起振條件；保證振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)、產(chǎn)生等幅振蕩的平衡條件。實(shí)際上，平衡狀態(tài)下的振蕩器仍然受到外界因素變化的影響而可能引起幅度和頻率不穩(wěn)。因此，還應(yīng)該分析保證振蕩器的平衡狀態(tài)不因外界因素變化而受到破壞的穩(wěn)定條件。穩(wěn)定條件也分為振幅穩(wěn)定與相位穩(wěn)定兩種。以下分別討論之。(a)不穩(wěn)定平衡(b)穩(wěn)定平衡兩種平衡條件舉例1、振幅平衡的穩(wěn)定條件振幅穩(wěn)定是指振幅平衡條件遭到破壞時(shí)，振幅平衡能重新建立，且仍能保持相對(duì)穩(wěn)定的振蕩幅度。圖7.5.2軟自激的振蕩特性圖7.5.3硬自激的振蕩特性振幅平衡的穩(wěn)定條件：2、相位平衡的穩(wěn)定條件

相位穩(wěn)定條件是指相位平衡條件遭到破壞時(shí)，相位平衡能重新建立，且仍能保持相對(duì)穩(wěn)定的振蕩頻率。外部擾動(dòng)

穩(wěn)定原理：

頻率ω相位φ頻率ω相位平衡的穩(wěn)定條件：圖7.5.4并聯(lián)諧振回路的相頻特性放大電路3、基本組成部分正反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的一個(gè)頻率。經(jīng)常與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一。）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)定環(huán)節(jié)

從上面的討論可知，要使反饋振蕩器能夠產(chǎn)生持續(xù)的等幅振蕩，必須滿足振蕩的起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件，它們是缺一不可的。因此，反饋型正弦波振蕩器應(yīng)該包括：從回到幅度穩(wěn)定相位穩(wěn)定7.6反饋型LC振蕩器線路一、互感耦合振蕩器二、電感反饋式三端振蕩器(哈特萊振蕩器)三、電容反饋式三端振蕩器(考畢茲振蕩器)按照反饋耦合元件分為：一、互感耦合振蕩器互感耦合調(diào)集振蕩器電路1、三種形式振蕩器電路調(diào)集、調(diào)基、調(diào)發(fā)。（諧振回路連接三極管相應(yīng)的電極）2、正反饋判別方法：瞬時(shí)極性法。(+)(+)(+)(+)圖7.6.1互感耦合調(diào)基、調(diào)發(fā)振蕩器電路

由于三極管結(jié)電容和其它分布電容的存在，在頻率較高而LC回路電容較小時(shí)，將影響穩(wěn)定性。(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)(-)(-)(+)二、電感反饋式三端振蕩器(哈特萊振蕩器)

正反饋網(wǎng)絡(luò)由LC諧振回路中的電感分壓電路將輸出信號(hào)送回輸入回路，所形成的是電感反饋式三端振蕩器。圖7.6.2電感反饋式三端振蕩器L1L2C電路的特點(diǎn):容易起振改變電容不影響F。調(diào)整頻率方便振蕩波形不夠好 高次諧波反饋較強(qiáng)，波形失真較大。不適于很高頻率工作分布電容和極間電容并聯(lián)于L1與L2兩端，F(xiàn)隨頻率變化而改變。L1L2C三、電容反饋式三端振蕩器(考畢茲振蕩器)圖7.6.3電容反饋式三端振蕩器

如果正反饋網(wǎng)絡(luò)由LC諧振回路中的電容分壓電路將輸出信號(hào)送回輸入回路，所形成的是電容反饋式三端振蕩器。C1C2LC1C2L電路的特點(diǎn):改變電容影響F，變電感不便。調(diào)整頻率不太方便輸出波形較好 高次諧波反饋較弱，波形接近正弦波。頻率穩(wěn)定度較好分布電容和極間電容并聯(lián)于C1與C2兩端，被較大C1與C2吸收。適用于較高的工作頻率甚至可只利用器件的輸入電容和輸出電容。四、LC三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則規(guī)律：晶體管的集電極—發(fā)射極（ce）之間和基極—發(fā)射極（be）之間回路元件的電抗性質(zhì)相同;它們與集電極—基極(cb)之間回路元件的電抗性質(zhì)相反。它具有普遍意義嗎？L1L2CC1C2L

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，假定諧振回路三個(gè)元件都是純電抗，即：振蕩器的振蕩頻率等于回路的固有諧振頻率，即結(jié)論:三端式振蕩器組成原則：Xbe與Xce同性質(zhì)，Xcb和Xbe、Xce性質(zhì)相反

。成立舉例:振蕩器的振蕩頻率應(yīng)低于L1和C1支路的串聯(lián)諧振頻率，此時(shí)，該支路呈容性，整個(gè)回路滿足電容三端的相位條件。振蕩器的振蕩頻率7.7振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題一、頻率穩(wěn)定問(wèn)題主要指標(biāo):準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度。一定時(shí)間間隔內(nèi)，頻率準(zhǔn)確度的變化。1、準(zhǔn)確度振蕩器實(shí)際工作頻率f與標(biāo)稱頻率f

0之間的偏差。2、穩(wěn)定度

根據(jù)所指定的時(shí)間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬間頻率穩(wěn)定度三種。3、影響振蕩頻率的有如下三種因素（P2837.4.7）１）振蕩回路參數(shù)Ｌ與Ｃ;２）回路電阻ｒ；３）有源器件的參數(shù)。4、穩(wěn)定頻率的措施1）減小溫度的影響;2）穩(wěn)定電源電壓；3）減小負(fù)載的影響；4）管子與回路之間的連接采用松耦合；5）提高回路的品質(zhì)因數(shù)。圖7.7.1克拉潑電路的交流等效電路

二、克拉潑電路特點(diǎn)：1.提高頻率穩(wěn)定度；2.C1、C2不能過(guò)大，否則振蕩幅度太低；3.頻率調(diào)節(jié)不方便。圖7.7.1西勒電路的交流等效電路三、西勒電路LC1C2C3C4AB特點(diǎn)：1.提高頻率穩(wěn)定度;4.C3的大小要適當(dāng)，否則影響電路性能。3.頻率調(diào)節(jié)方便；2.振蕩頻率可以較高；名稱電容三端式電感三端式克拉潑電路西勒電路振蕩頻率波形好差好好反饋系數(shù)接入系數(shù)頻率穩(wěn)定度差差好好頻率調(diào)節(jié)不方便可以方便，但幅度不穩(wěn)定方便，幅度穩(wěn)定最高振蕩頻率幾百至幾千兆赫，但頻率穩(wěn)定度下降幾十兆赫百兆赫，但幅度下降百兆赫至千兆赫LC1C2C3C4ABL1L2CC1C2L7.8石英晶體振蕩器

一般LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度Δf/f0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）石英晶體的物理和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定；２）晶體的Ｑ值可高達(dá)數(shù)百萬(wàn)數(shù)量級(jí)；３）在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi)，具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對(duì)頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。1.石英晶體濾波器的特點(diǎn)

因此，用石英晶體作為振蕩回路元件，就能使振蕩器的頻率穩(wěn)定度大大提高。2.石英晶體濾波器的應(yīng)用

O

容性

容性

感性

作電感用工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)振蕩電路可分為兩類(lèi)：(1)并聯(lián)諧振型晶體振蕩器；(2)

串聯(lián)諧振型晶體振蕩器。石英晶體諧振器

(a)符號(hào)(b)基頻等效電路(c)完整等效電路

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。奇次諧波的泛音振動(dòng)

一、并聯(lián)諧振型晶體振蕩器

將晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為一個(gè)感性元件，并與其他回路元件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成三端振蕩器。圖7.8.1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器的兩種基本形式圖7.8.2并聯(lián)諧振型晶體ｃ－ｂ型振蕩器電路圖7.8.3并聯(lián)諧振型晶體b－e型振蕩器電路二、串聯(lián)諧振型晶體振蕩器圖7.8.4串聯(lián)諧振型正弦波晶體振蕩器電路三、泛音晶體振蕩器

所謂泛音，是指石英片振動(dòng)的機(jī)械諧波。它與電氣諧波的主要區(qū)別是：電氣諧波與基波是整數(shù)倍關(guān)系，且諧波與基波同時(shí)并存；泛音則與基頻不成整數(shù)倍關(guān)系，只是在基頻奇數(shù)倍附近，且兩者不能同時(shí)存在。由于晶體片實(shí)際上是一個(gè)具有分布參數(shù)的三維系統(tǒng)，它的固有頻率從理論上來(lái)說(shuō)有無(wú)限多個(gè)。圖7.8.5泛音晶體振蕩器交流等效電路

若泛音晶體的標(biāo)稱泛音次數(shù)為5，相應(yīng)的標(biāo)稱頻率為5MHz，則L1C1諧振回路應(yīng)調(diào)諧在3～5次泛音頻率之間，如3.5MHz。在5MHz,LC諧振回路呈容性，滿足相位平衡條件。

對(duì)于基頻和3次泛音頻率來(lái)說(shuō)，回路呈感性，振蕩器不滿足相位平衡條件，不能產(chǎn)生振蕩。而對(duì)于7次及其以上的泛音頻率，回路呈容性，但其電容量過(guò)大，負(fù)載阻抗過(guò)小，以致電壓增益下降太多，不能起振。7.9負(fù)阻振蕩器

負(fù)阻振蕩器是把一個(gè)呈現(xiàn)負(fù)阻特性的有源器件直接與諧振回路相接，以產(chǎn)生等幅振蕩。圖7.9.1正、負(fù)電阻的概念若Ｒ上的電位升方向與電流方向相同，呈負(fù)電阻，故此負(fù)電阻相當(dāng)于發(fā)電機(jī)作用，它不但不消耗功率，反而向外界輸出功率。注意，以上針對(duì)交流電阻。

具有負(fù)阻的器件有兩大類(lèi)：電壓控制型負(fù)阻和電流控制型負(fù)阻。圖7.9.2負(fù)阻特性曲線的類(lèi)型

負(fù)阻振蕩電路也有兩種基本類(lèi)型，即串聯(lián)型負(fù)阻振蕩器線路和并聯(lián)型負(fù)阻振蕩器線路。圖7.9.4負(fù)阻振蕩器原理電路圖7.9.5隧道二極管負(fù)阻振蕩器舉例：特點(diǎn)：適用于較高的工作頻段（可在100MHz至10GHz波段內(nèi)）。優(yōu)點(diǎn)：噪聲低，對(duì)溫度變化、核輻射均不敏感，電路簡(jiǎn)單，體積小和成本低等。缺點(diǎn)：輸出功率和電壓都較低；在電路中使用起來(lái)不如反饋式振蕩器方便；頻率穩(wěn)定和幅度穩(wěn)定都不及反饋式振蕩器。7.10幾種特殊振蕩現(xiàn)象一、寄生振蕩現(xiàn)象放大器工作不穩(wěn)定被傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生失真引起晶體管的PN結(jié)被擊穿或瞬時(shí)損壞1.寄生振蕩的危害

放大器中，即使沒(méi)有輸入信號(hào)，也有交流輸出。這叫做產(chǎn)生了寄生振蕩。１）反饋型寄生振蕩2.寄生振蕩的類(lèi)型及產(chǎn)生原因

由放大器的輸出與輸入間各種寄生反饋引起的。

A.外部反饋:主要是通過(guò)多級(jí)放大器的公共電源內(nèi)阻、饋線或元件的寄生耦合以及輸入端與輸出端的空間電磁場(chǎng)的耦合引起的。

B.內(nèi)部反饋:晶體管的極間電容產(chǎn)生的。圖7.10.1晶體管高頻功率放大器由內(nèi)反饋產(chǎn)生寄生振蕩的等效電路 2）負(fù)阻型寄生振蕩

直接由器件的負(fù)阻現(xiàn)象產(chǎn)生的寄生振蕩，主要有雪崩負(fù)阻振蕩和過(guò)壓負(fù)阻振蕩兩種。

A.雪崩負(fù)阻振蕩：晶體管工作進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)，這種寄生振蕩一般只在信號(hào)的負(fù)半周才出現(xiàn)。

B.過(guò)壓負(fù)阻振蕩:晶體管工作于過(guò)壓狀態(tài)，它一般在信號(hào)的正半周出現(xiàn)。3.寄生振蕩的排除和防止措施圖7.10.2晶體管高頻功率放大器的各種穩(wěn)定措施二、自偏壓建立過(guò)程與間歇振蕩現(xiàn)象1.間歇振蕩

指振蕩器工作時(shí)，時(shí)而振蕩，時(shí)而停振的一種現(xiàn)象。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因來(lái)自振蕩器的自偏壓電路參數(shù)選擇不當(dāng)。圖7.10.5間歇振蕩時(shí)的振蕩電壓波形2.自偏壓的建立過(guò)程圖7.10.3電容三端振蕩器的自偏置電路

由于Re上的直流壓降是由發(fā)射極電流IE建立的，而且隨IE變化而變化，故稱為自偏壓。圖7.10.3電容三端振蕩器的自偏置電路1)