正弦波振蕩器2

1第4章正弦波振蕩器

4.1反饋振蕩器的原理4.2LC振蕩器4.3振蕩器的頻率穩(wěn)定度4.4LC振蕩器的設(shè)計(jì)方法4.5石英晶體振蕩器4.6負(fù)阻振蕩器4.7壓控振蕩器4.8振蕩器中的幾種現(xiàn)象2能量轉(zhuǎn)換器

無(wú)需外部激勵(lì)，就能自動(dòng)的將直流電源供給的功率轉(zhuǎn)換成給定頻率和振幅的交流輸出。按工作原理分類：反饋型負(fù)阻型按波形分：正弦波非正弦波（三角波矩形脈沖波）等等按選頻網(wǎng)絡(luò)：LC振蕩器

RC振蕩器晶體振蕩器分類用途發(fā)射機(jī)：載波接收機(jī)：混頻用的本振信號(hào)解調(diào)用的恢復(fù)載波信號(hào)34.1反饋振蕩器的工作原理主要要求：

掌握反饋振蕩器的組成和基本工作原理理解反饋振蕩器的起振條件和平衡條件，了解其穩(wěn)定條件。掌握反饋振蕩器能否振蕩的判斷方法。4一、反饋振蕩器的原理分析

1、反饋振蕩器的組成

反饋振蕩器由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成。反饋型振蕩器的原理框圖如圖4-1所示。由圖可見(jiàn),反饋型振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)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(fù)載,是一調(diào)諧放大器,反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無(wú)源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。5得其中T(s)稱為環(huán)路增益：2、自激振蕩的條件分析

閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Ku(s)：電壓反饋系數(shù)為F(s)，則開環(huán)電壓放大倍數(shù)為K(s)：由(4-6)6由自激振蕩的條件：就是環(huán)路增益為1,即通常又稱為振蕩器的平衡條件。形成增幅振蕩

形成減幅振蕩可知，在某一頻率上，T＝1，增益降趨于無(wú)窮，表明當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入也可以有信號(hào)輸出。（自激振蕩）7二、平衡條件根據(jù)前面分析，振蕩器的平衡條件即為也可以表示為：現(xiàn)以單調(diào)諧諧振放大器為例來(lái)看K(jω)與F(jω)的意義。若振幅平衡條件相位平衡條件8

式中,ZL為放大器的負(fù)載阻抗Yf(jω)為晶體管的正向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納。

現(xiàn)引入與F(jω)反號(hào)的反饋系數(shù)F′(jω)9這樣,振蕩條件可寫為

振幅平衡條件和相位平衡條件分別可寫為

值得說(shuō)明的是：1.在平衡狀態(tài)中，電源供給的能量正好抵消整個(gè)環(huán)路損耗的能量，輸出幅度將不再變化，因此，振幅平衡條件決定了振蕩器振幅輸出的大??；2.而環(huán)路只在特定的頻率上才能滿足相位平衡條件，所以，相位平衡條件決定了輸出信號(hào)的頻率。（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。10三、起振條件初始的激勵(lì)源是哪里來(lái)的？又是如何形成振蕩的呢？

振蕩器工作時(shí)，其初始激勵(lì)正是接通電源瞬間的電沖擊，和各種電噪聲。這些信號(hào)通過(guò)負(fù)載回路時(shí)，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，而其它頻率成分不產(chǎn)生壓降，該壓降通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生出較大的正反饋電壓加到放大器的輸入端，這就是激勵(lì)信號(hào)。起始振蕩信號(hào)十分微弱，但是由于不斷地對(duì)它進(jìn)行放大—選頻—反饋—再放大等多次循環(huán)，一個(gè)與回路諧振頻率相同的自激振蕩便由小到大地增長(zhǎng)起來(lái)。由于晶體管特性的非線性，振幅會(huì)自動(dòng)穩(wěn)定到一定的幅度。因此振蕩的幅度不會(huì)無(wú)限增大。11

為了使振蕩過(guò)程中輸出幅度不斷增加,應(yīng)使反饋回來(lái)的信號(hào)比輸入到放大器的信號(hào)大,即振蕩開始時(shí)應(yīng)為增幅振蕩,稱為自激振蕩的起振條件,也可寫為起振的振幅條件起振的相位條件其物理意義:起振的振幅條件要求反饋電壓幅度要一次比一次大，而相位條件則要求環(huán)路保持正反饋。12

圖4-2振幅條件的圖解表示起振過(guò)程：開始增幅振蕩非線性穩(wěn)幅振蕩

那如何在增幅振蕩的進(jìn)行中逐漸達(dá)到等幅振蕩，即達(dá)到平衡條件？因?yàn)榉答伨W(wǎng)絡(luò)一般是一個(gè)線形網(wǎng)絡(luò)，其反饋系數(shù)一般是個(gè)常數(shù)。很明顯，放大環(huán)節(jié)的增益k(ω)必須隨ui的增大而逐漸減小，即具有負(fù)斜率特性。其圖解如下：13四、穩(wěn)定條件

1、振蕩器穩(wěn)定概念的提出：

上面所討論的振蕩平衡條件只能說(shuō)明振蕩能在某一狀態(tài)平衡，但還不能說(shuō)明這平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。平衡狀態(tài)只是建立振蕩的必要條件，但還不是充分條件。已建立的振蕩能否維持，還必需看平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。

穩(wěn)定：當(dāng)干擾時(shí)，經(jīng)過(guò)放大器內(nèi)部循環(huán)，能在原來(lái)的平衡點(diǎn)附近建立起新的平衡，干擾消失后，又回到原來(lái)的平衡點(diǎn)。不穩(wěn)定：當(dāng)干擾時(shí)，使其偏離原來(lái)的平衡點(diǎn)，或者干脆停振，而當(dāng)干擾消失后，不能使其回到原來(lái)的平衡點(diǎn)。142、振蕩器的穩(wěn)定條件振蕩器的穩(wěn)定條件分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。

(1)振幅穩(wěn)定條件要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力。具體來(lái)說(shuō)，就是在平衡點(diǎn)附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅增大時(shí)，環(huán)路增益的模值T應(yīng)減小，從而使振幅減小。

振幅穩(wěn)定條件為：

因?yàn)榉答伨W(wǎng)絡(luò)為線性網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)不隨輸入信號(hào)的變化，所以振幅穩(wěn)定條件又可以寫為：要達(dá)到振幅穩(wěn)定，振蕩器在平衡點(diǎn)處的環(huán)路增益應(yīng)該是隨輸入負(fù)斜率變化。15UiT(ω)UiBUiAAB1

斜率越大，越穩(wěn)定。如圖如果A點(diǎn)是原來(lái)的平衡點(diǎn)，當(dāng)干擾過(guò)后，它必將穩(wěn)定在A點(diǎn)，因此，A點(diǎn)是穩(wěn)定的，而如果原來(lái)在B點(diǎn)，正向干擾后它將在A點(diǎn)建立新的平衡，負(fù)向可能使之停振，所以B點(diǎn)是不穩(wěn)定的。16(2)相位穩(wěn)定條件

指相位平衡條件遭到破壞時(shí)，線路本身能重新建立起相位平衡，保證振蕩器仍保持穩(wěn)定的振蕩(當(dāng)然此時(shí)振蕩頻率會(huì)發(fā)生變化)。我們知道，一個(gè)正弦信號(hào)的相位φ和它的頻率ω之間的關(guān)系：17

反饋信號(hào)的相位超前意味著周期縮短，振蕩頻率要提高，反之則頻率降低。

外因引起的相位變化與頻率的關(guān)系是：相位超前導(dǎo)致頻率升高，相位滯后導(dǎo)致頻率降低，頻率隨相位的變化關(guān)系可表示為：如果由于某種原因，相位平衡遭到破壞，產(chǎn)生一個(gè)正的相位增量反饋電壓超前原來(lái)輸入電壓

(前一次反饋電壓)一個(gè)相角。18平衡振蕩器本身的某一機(jī)構(gòu)應(yīng)有恢復(fù)相位的能力。由于作用在某一機(jī)構(gòu)上應(yīng)該產(chǎn)生，即要求由于對(duì)頻率變化的敏感性一般遠(yuǎn)小于對(duì)頻率變化的敏感性。因此相位穩(wěn)定條件為：19

振蕩器的相位穩(wěn)定的條件說(shuō)明只有諧振回路的相頻特性曲線在工作頻率附近具有負(fù)的斜率，才能滿足頻率穩(wěn)定條件。事實(shí)在，并聯(lián)諧振回路的相頻特性正好具有負(fù)的斜率。

因此LC并聯(lián)諧振回路不但是決定振蕩頻率的主要角色，而且是穩(wěn)定振蕩頻率的機(jī)構(gòu)。20五、振蕩線路舉例——互感耦合振蕩器圖4-4是一LC振蕩器的實(shí)際電路,圖中反饋網(wǎng)絡(luò)由L和L1間的互感M擔(dān)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。圖4－4互感耦合振蕩器_++_+_反饋極性判別：瞬時(shí)極性法互感耦合反饋振蕩器的正反饋是由互感耦合振蕩回路中的同名端來(lái)保證的。214.2LC振蕩器

一、振蕩器的組成原則

1、振蕩基本電路——三端式的概念

基本電路就是通常所說(shuō)的三端式(又稱三點(diǎn)式)的振蕩器,即LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而成的電路,如圖4-5所示。圖4-5三端式振蕩器的組成

22

2、三端式振蕩電路的構(gòu)成原則根據(jù)諧振回路的性質(zhì),諧振時(shí)回路應(yīng)呈純電阻性,因而有：因此三個(gè)電抗元件不能是同性質(zhì)元件。一般情況下,回路Q值很高,因此回路電流遠(yuǎn)大于晶體管的基極電流?b

、集電極電流?

c以及發(fā)射極電流?e,

因此X1、X2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件。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(shí)，有φL=0，φf(shuō)=0。為滿足相位平衡條件，即正反饋條件，應(yīng)要求φF‘=023

綜上所述，從相位平衡條件判斷圖4-5電路能否振蕩的原則為：

(1)X1、X2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件?！磁c晶體管發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件性質(zhì)相同，要么均為感性元件，要么均為容性元件。

(2)X3與X1、X2的電抗性質(zhì)相反?！磁c晶體管基極相連的兩個(gè)電抗元件性質(zhì)相反?？梢院?jiǎn)稱為：“射同余異”或“射同基反”。24

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25

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26例4-1：圖示是一三回路振蕩器的等效電路，設(shè)有下列四種情況：（1）L1C1>L2C2>L3C3;（2）L1C1<L2C2<L3C3;（3）L1C1=L2C2>L3C3;（4）L1C1<L2C2=L3C3。試分析上述四種情況是否都能振蕩，振蕩頻率f1與回路諧振頻率有何關(guān)系？27

圖4-7是一些常見(jiàn)振蕩器的高頻電路,同學(xué)們自行判斷它們是由哪種基本線路演變而來(lái)的。圖4-8幾種常見(jiàn)振蕩器的高頻電路28例2檢查圖示的振蕩器線路，有哪些錯(cuò)誤？并加以改正。

題意分析：檢查振蕩器線路是否正確一般步驟為：（1）檢查直流通路是否正確。為滿足起振條件，起振是應(yīng)使放大器工作在線性放大區(qū)，即對(duì)于晶體管電路，直流通路應(yīng)使發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏；（2）檢查交流通路是否有交流反饋電壓；（3）是否正反饋29（1）檢查直流通路，發(fā)現(xiàn)基極直流電位被短路接地，故應(yīng)加隔直電容。（2）檢查交流通路，有交流反饋電壓。（3）反饋為負(fù)反饋，故應(yīng)改變同名端30（1）檢查直流通路，正確。（2）檢查交流通路，發(fā)現(xiàn)基極懸空，而發(fā)射極由于旁通電容Ce的存在而短路接地，回路電容C1被完全短跑掉，故去Ce，并給基極增加一旁通電容。（3）反饋為正反饋?zhàn)⒁猓夯ジ旭詈戏答佌袷幤魍ㄟ^(guò)互感（變壓器）進(jìn)行反饋，用同名端來(lái)保證正反饋；三端式振蕩器用電容或電感完成反饋，其正反饋可用“射同余異”來(lái)描述。31二、電容反饋振蕩器(Colpitts—考畢茲)

圖4-8(a)是一電容反饋振蕩器的實(shí)際電路,圖(b)是其交流等效電路。32

圖4-9電容反饋振蕩器電路(a)實(shí)際電路;(b)交流等效電路;(c)高頻等效電路2、電路的振蕩頻率及起振條件

電路的高頻小信號(hào)等效電路如圖4-9(c)所示。其中做了如下簡(jiǎn)化：

A、忽略了晶體管內(nèi)部反饋的影響，即Yre=0B、忽略了晶體管的輸入輸出電容的影響

C、忽略了晶體管集電極電流對(duì)輸入信號(hào)的的相移，將Yfe用跨導(dǎo)gm表示。331.振蕩頻率其中：C為回路的總電容2.起振條件由圖4-8(c)可知,當(dāng)不考慮gie的影響時(shí),反饋系數(shù)F(jω)的大小為工程上一般采用上式估算反饋系數(shù)的大小。根據(jù)等效電路容易求出其環(huán)路增益，并令其虛部為零，對(duì)應(yīng)的頻率即為振蕩頻率。34

將gie折算到放大器輸出端,有因此,放大器總的負(fù)載電導(dǎo)gL為則由振蕩器的振幅起振條件YfRLF′>1,可以得到故有起振條件為：通常起振時(shí)環(huán)路增益取3～5表示輸出電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)對(duì)振蕩的影響表示輸入電導(dǎo)對(duì)回路的加載作用。353.電容反饋振蕩器的特點(diǎn)：（1）優(yōu)點(diǎn)：1）電容反饋振蕩器的輸出波形好。2）電容反饋振蕩器的工作頻率可以做得較高，它的工作頻率可做到幾十MHz到幾百M(fèi)Hz的甚高頻波段范圍。

（2）缺點(diǎn)：

調(diào)C1或C2來(lái)改變振蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變，影響振蕩器的起振條件，故電容反饋振蕩器一般工作在固定頻率；36三、電感反饋振蕩器（Hartley-哈特萊）圖4-9是一電感反饋振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。

1、振蕩頻率37

圖4-10電感反饋振蕩器電路(a)實(shí)際電路;(b)交流等效電路;(c)高頻等效電路38

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

式中的L為回路的總電感,由圖4-9有實(shí)際上，由相位平衡條件分析,振蕩器的振蕩頻率表達(dá)式為392、起振條件工程上在計(jì)算反饋系數(shù)時(shí)不考慮gie的影響,反饋系數(shù)的大小為

由起振條件分析,同樣可得起振時(shí)的gm應(yīng)滿足403、電感反饋振蕩器的特點(diǎn)：（1）優(yōu)點(diǎn)：振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容C的大小即可而且C的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。工作頻帶較電容反饋振蕩器的寬。（2）缺點(diǎn)：

1）振蕩波形不好，因?yàn)榉答侂妷菏窃陔姼猩汐@得，而電感對(duì)高次諧波呈高阻抗，因此對(duì)高次諧波的反饋較強(qiáng)，使波形失真大；

2）電感反饋振蕩器的振蕩頻率不能做得太高，這是因?yàn)闃O間電容與回路電感并聯(lián)，在頻率高時(shí)極間電容影響大，有可能使電抗性質(zhì)改變。414、電容反饋式振蕩器與電感反饋式振蕩器特點(diǎn)比較

（1）簡(jiǎn)單，易起振，改變反饋系數(shù)一是改變電感抽頭，一是改變C1，C2的比值。（2）電容式比電感式振蕩器波形好。因?yàn)楦叽沃C波在電容上產(chǎn)生的電壓小。（3）電容式比電感式工作頻率高。（4）電容改變時(shí)，反饋系數(shù)改變，一般工作在固定頻率電感反饋，改變頻率時(shí)不影響反饋系數(shù)，可得到較寬的工作頻帶。42四、兩種改進(jìn)型電容反饋振蕩器前面分析了電容反饋振蕩器和電感反饋振蕩器的原理和特點(diǎn)：對(duì)于電容反饋振蕩器：輸出波形較好、輸出頻率較高，但振蕩頻率調(diào)節(jié)不方便；對(duì)于電感反饋振蕩器：振蕩頻率調(diào)節(jié)比較方便，但輸出波形較差、輸出頻率不能太高。無(wú)論是電容反饋振蕩器還是電感反饋振蕩器，晶體管的極間電容均會(huì)對(duì)振蕩頻率有影響，而極間電容受環(huán)境溫度、電源電壓等因素的影響較大，故他們的頻率穩(wěn)定度不高，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，因此得到兩種改進(jìn)型電容反饋振蕩器——克拉潑振蕩器和西勒振蕩器。431.克拉潑振蕩器圖4-10是克拉潑振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。它是用電感L和可變電容C3（C3<<C1、C2）的串聯(lián)電路代替原來(lái)電感。

圖4-11克拉潑振蕩器電路(a)實(shí)際電路;(b)交流等效電路

44

由圖4-10可知,回路的總電容為：

晶體管以部分接入的形式接入回路，減少了晶體管與回路間的耦合，其接入系數(shù)為：

設(shè)并聯(lián)諧振回路(電感兩端）的諧振阻抗為R0,則等效到晶體管ce兩端的負(fù)載電阻為：45

因此，C1過(guò)大，負(fù)載電阻RL將很小，放大器的增益就低，環(huán)路增益就小，可能導(dǎo)致振蕩器停振。振蕩器的振蕩頻率和反饋系數(shù)分別為：46

由上面分析可得：（1）由于電容C3遠(yuǎn)小于電容C1、C2，所以電容C1、C2對(duì)振蕩器的振蕩頻率影響不大，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)C3調(diào)節(jié)振蕩頻率；（2）由于反饋回路的反饋系數(shù)僅由C1與C2的比值決定，所以調(diào)節(jié)振蕩頻率不會(huì)影響反饋系數(shù)；（3）由于晶體管的極間電容與C1、C2并聯(lián)，因此極間電容的變化對(duì)振蕩頻率的影響很?。唬?）由(4-37)可知，當(dāng)通過(guò)調(diào)節(jié)C3調(diào)節(jié)振蕩頻率時(shí)，負(fù)載電阻RL將隨之改變，導(dǎo)致放大器的增益變化，因此調(diào)節(jié)頻率時(shí)有可能因環(huán)路增益不足而停振，故主要用于固定頻率或窄帶的場(chǎng)合。472.西勒振蕩器

圖4-11是西勒振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。它的主要特點(diǎn),就是與電感L并聯(lián)一可變電容C4，同樣有C3<<C1、C2

。

圖4-12西勒振蕩器電路(a)實(shí)際電路;(b)交流等效電路

48

由圖4-11可知,回路的總電容為(4-40)(4-41)振蕩器的振蕩頻率為特點(diǎn)：(1)通過(guò)調(diào)節(jié)C4實(shí)現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)節(jié)；

(2)C4的改變不會(huì)影響接入系數(shù)和反饋系數(shù)；

(3)適合于振蕩頻率需要在較寬范圍內(nèi)可調(diào)的場(chǎng)合（最高振蕩頻率/最低振蕩頻率可達(dá)1.6~1.8)。

(4)其他同克拉潑電路。49504.3振蕩器的頻率穩(wěn)定度

一、頻率穩(wěn)定度的意義和表征

1、頻率穩(wěn)定度的概念：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(shí)際工作頻率偏離標(biāo)稱頻率的程度,它是振蕩器的一個(gè)很重要的指標(biāo)。

2、頻率穩(wěn)定度的描述：

頻率的絕對(duì)偏差，又稱絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度為f1指實(shí)際頻率，f0指標(biāo)稱頻率頻率穩(wěn)定度表示為頻率的相對(duì)偏差513、頻率穩(wěn)定度的分類

長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度：一般是指一天以上甚至幾個(gè)月的時(shí)間間隔內(nèi)頻率的相對(duì)變化。

短期頻率穩(wěn)定度：一般是指一天以內(nèi)，以小時(shí)、分鐘或秒記的時(shí)間間隔內(nèi)頻率的相對(duì)變化。

瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度：一般是指秒或毫秒的時(shí)間間隔內(nèi)頻率的相對(duì)變化。

一般所說(shuō)的頻率穩(wěn)定度是指短期穩(wěn)定度，而且由于引起頻率不穩(wěn)的因素很多，一般籠統(tǒng)說(shuō)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。52對(duì)頻穩(wěn)度的要求視用途不同而異。電視發(fā)射機(jī)數(shù)量級(jí)；高精度信號(hào)發(fā)生器數(shù)量級(jí)；數(shù)量級(jí)以上。做頻率標(biāo)準(zhǔn)用普通信號(hào)發(fā)生器數(shù)量級(jí)；例如：中波廣播電臺(tái)發(fā)射機(jī)數(shù)量級(jí)；53二、振蕩器的穩(wěn)頻原理由相位平衡條件：有設(shè)回路Q值較高,根據(jù)第2章并聯(lián)諧振回路的討論可知,振蕩回路在ω0附近的幅角φL可以近似表示為：因此相位平衡條件可以表示為：即：(4-45)(4-44)54對(duì)式(4-46)兩端對(duì)0求偏導(dǎo)數(shù)，考慮到QL值較高,可得：由上式可得，振蕩頻率是0、QL和f+F’的函數(shù)，即它們的變化將導(dǎo)致振蕩頻率的變化。因而有：上式反映了振蕩器頻率的不穩(wěn)定因素。(4-47)(4-46)551、回路諧振頻率的影響

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(jí)負(fù)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

而因而有：由此可見(jiàn)：回路元件L、C的穩(wěn)定度將影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度?？傻茫?4-48)56)('Ffφφ+-LC的不穩(wěn)定對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響LC變化時(shí)，造成諧振頻率變化，因此使相頻曲線平移。那么振蕩頻率的變化量就是諧振頻率的變化量。572、回路QL對(duì)頻率的影響ΔQ一般是由負(fù)載變化引起的。

在L、C、φF、φf(shuō)都不變的情況下，QL的變化同樣引起△ω1，而且越大，由QL引起的△ω1越明顯。QL的不穩(wěn)定對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響58對(duì)頻率的影響

3、

的不穩(wěn)定對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響59三、提高頻率穩(wěn)定度的措施

1.提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性

諧振回路在外界因素變化時(shí)，保持其諧振頻率不變的能力，稱為諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性。

振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性：是指回路元件電感和電容的標(biāo)準(zhǔn)性。溫度是影響的主要因素：溫度的改變,導(dǎo)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(dǎo)磁率也將變化,從而使電感、電容值改變。選用溫度系數(shù)較小的電感、電容。選用具有不同溫度系數(shù)的電感和電容構(gòu)成諧振回路

通常電感為正溫度系數(shù)，電容的溫度系數(shù)有正有負(fù)。將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)。602.減少晶體管的影響

在上節(jié)分析反饋型振蕩器原理時(shí)已提到,極間電容將影響頻率穩(wěn)定度,在設(shè)計(jì)電路時(shí)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(dǎo),電路易于起振;而且fT越高,晶體管內(nèi)部相移越小。

3.提高回路的品質(zhì)因數(shù)

要使相位穩(wěn)定,回路的相頻特性應(yīng)具有負(fù)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(shí)的頻率也越穩(wěn)定。614.減少電源、負(fù)載等的影響

電源電壓的波動(dòng),會(huì)使晶體管的工作點(diǎn)、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(fù)載電阻并聯(lián)在回路的兩端,這會(huì)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(fù)載對(duì)回路的耦合，可以在負(fù)載與回路之間加射極跟隨器等措施。

624.4LC振蕩器的設(shè)計(jì)方法

概述：由振蕩器的原理可以看出，振蕩器實(shí)際為一個(gè)具有反饋的非線性系統(tǒng)，要精確計(jì)算是很困難的，而且也不必要。因此，振蕩器的設(shè)計(jì)通常是進(jìn)行一系列設(shè)計(jì)考慮和近似估算，選擇合理的線路和工作點(diǎn)，確定元件的數(shù)值，而工作狀態(tài)和元件的準(zhǔn)確數(shù)字需要在調(diào)整、調(diào)試綜最后確定。63一、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(lái)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。

若要求輸出頻率調(diào)節(jié)范圍較寬：選擇電感反饋振蕩器；

若要求頻率穩(wěn)定度較高：常采用克拉潑、西勒電路。在中、短波收音機(jī)中,為簡(jiǎn)化電路常用變壓器反饋振蕩器做本地振蕩器。64二、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(shí)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。三、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(diǎn)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)（因?yàn)轱柡蛥^(qū)的輸出阻抗較?。?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(diǎn)設(shè)置在小電流區(qū),電路應(yīng)采用自偏壓。

65四、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(guò)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(guò)小,回路的品質(zhì)因數(shù)過(guò)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。66五、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(diǎn)通常應(yīng)選擇：

當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)確定后,Yf的值就一定,對(duì)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(4-49)67主要要求：

熟悉石英振蕩器的性能特點(diǎn)掌握典型石英晶體振蕩器的組成和工作原理4.5石英晶體振蕩器68一、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(biāo)準(zhǔn)性。

(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。

(3)石英晶體諧振器具有非常高的Q值，一般為104~106。69二、石英晶體振蕩電路

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。并聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器

fs<f<

fp，晶體起等效感性作用。晶體作為高Q元件與其它元件構(gòu)成振動(dòng)所需的并聯(lián)諧振回路。

f=fs，晶體工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，晶體起選頻短路線的作用。701．并聯(lián)型晶體振蕩器

(1)皮爾斯電路——電容反饋式并聯(lián)晶體振蕩器圖4-18示出了一種典型的晶體振蕩器電路,當(dāng)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(shí)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(duì)應(yīng),通常稱為皮爾斯(Pierce)振蕩器。電路中的石英晶體只有等效為電感元件，振蕩電路才能成立

圖4-18皮爾斯電路711)振蕩頻率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,由圖有實(shí)際上，CL與晶體的靜電容C0并聯(lián)，引入接入系數(shù)p’：所以有(4-53)(4-52)(4-54)722）反饋系數(shù)反饋系數(shù)F的大小為由于晶體的品質(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,所以放大器的增益較高,電路很容易滿足振幅起振條件。

(4-55)73(2)密勒(Miler)振蕩器

——電感反饋式并聯(lián)晶體振蕩器

則該電路為一個(gè)電感三點(diǎn)式振蕩器。L、C1的作用為抑制諧波，故輸出波形較好，但是，由于晶體直接并接于b-e間，且rbe較小，故降低了品質(zhì)因數(shù)，所以頻率穩(wěn)定度較Pirce電路要低。

密勒振蕩器

右圖可見(jiàn)，只要晶體等效為電感，LC1應(yīng)滿足下列條件：74

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(diǎn)之間,通常接在反饋電路中。

應(yīng)將振蕩回路的振蕩頻率調(diào)諧到石英晶體的串聯(lián)諧振頻率上，使石英晶體的阻抗最小，電路的正反饋?zhàn)顝?qiáng)，滿足振蕩條件。而對(duì)于其它頻率的信號(hào)，晶體的阻抗較大，正反饋減弱，電路不能起振。

753．使用注意事項(xiàng)使用石英晶體諧振器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)石英晶體諧振器的標(biāo)稱頻率都是在出廠前,在石英晶體諧振器上并接一定負(fù)載電容條件下測(cè)定的,實(shí)際使用時(shí)也必須外加負(fù)載電容,并經(jīng)微調(diào)后才能獲得標(biāo)稱頻率。

(2)石英晶體諧振器的激勵(lì)電平應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。

(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(shí),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。76(4)晶體振蕩器中一塊晶體只能穩(wěn)定一個(gè)頻率,當(dāng)要求在波段中得到可選擇的許多頻率時(shí),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。77三、高穩(wěn)定晶體振蕩器

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(fù)載變化,其中最主要的還是溫度的影響。其中AT切片的溫度特性最好，如下圖所示。圖4-25AT切片的頻率溫度特性78

圖4-26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4-26恒溫晶體振蕩器的組成79圖4-27溫度補(bǔ)償晶振的原理線路804.6負(fù)阻振蕩器_略一、負(fù)阻振蕩器原理

反饋振蕩器的原理：選頻網(wǎng)絡(luò)（有耗損）+反饋放大（能量補(bǔ)充）。能量補(bǔ)充使用負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)？二、負(fù)阻器件

嚴(yán)格的負(fù)阻器件是不存在的（因?yàn)檫`反能量守恒），但某一特定的局部范圍（交流）是存在的。如圖4-30三、負(fù)阻振蕩電路814.7壓控振蕩器一、壓控振蕩器的概念壓控振蕩器的基本原理：通過(guò)電壓控制LC震蕩的某個(gè)參數(shù)（通常是電容量——改變變?nèi)荻O管的電容)，從而使振蕩器的振蕩頻率在一定范圍內(nèi)變化。

圖4-35壓控振蕩器的頻率與控制電壓關(guān)系

1、壓控振蕩器的基本原理：通過(guò)改變控制電壓改變變?nèi)荻O管的電容，從而改變振蕩頻率。如圖4-37所示。

理想壓控振蕩器輸出信號(hào)頻率為：82

圖4-37壓控振蕩器線路

83

2、壓控振蕩器的主要性能指標(biāo)：調(diào)諧范圍、壓控靈敏度、線性度、相位噪聲、頻譜純度、輸出信號(hào)幅值和功耗等。

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(4-59)

調(diào)諧范圍：是指VCO輸出信號(hào)頻率范圍。壓控特性的非線性程度：與變?nèi)莨茏內(nèi)葜笖?shù)及電路形式有關(guān)。相位噪聲：定義為偏離中心頻率（載頻）處，單位頻率內(nèi)單邊帶噪聲譜密度與載波功率之比。頻譜純度：輸出信號(hào)幅度：84

3、集成壓控振蕩器——POS-1060簡(jiǎn)介其特點(diǎn)、封裝和參數(shù)見(jiàn)教材P168-169854.8振蕩器中的幾種現(xiàn)象_略一、間歇振蕩

1、產(chǎn)生原因

LC振蕩器在建立振蕩的過(guò)程中,有兩個(gè)互有聯(lián)系的暫態(tài)過(guò)程：一個(gè)是回路上高頻振蕩的建立過(guò)程；另一個(gè)是偏壓的建立過(guò)程?；芈酚袃?chǔ)能作用,要建立穩(wěn)定的振蕩器需要有一定的時(shí)間?；芈返腝值越低，K0F值越大，振蕩建立越快；由于回路偏壓的穩(wěn)幅作用，因此上述過(guò)程受偏壓變化的影響，當(dāng)這兩個(gè)暫態(tài)過(guò)程能協(xié)調(diào)一致時(shí)，高頻振蕩和偏壓就能一致趨于穩(wěn)定，從而得到穩(wěn)定振蕩。當(dāng)高頻振蕩建立較快，而偏壓電路由于時(shí)間常數(shù)過(guò)大而變化過(guò)慢時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生間歇振蕩。（讀教材P144）86圖4-31間歇振蕩時(shí)Ub與UBB的波形872、防止產(chǎn)生間歇振蕩的措施

(1)起振時(shí)K0F不能太大。

(2)適當(dāng)選擇Cb、Ce，使它們的值適當(dāng)小一些，以使偏壓UBB的變化跟上Ub的變化，具體數(shù)值由實(shí)驗(yàn)決定。

(3)通常高Q值的晶體振蕩電路不會(huì)出現(xiàn)間歇振蕩。88二、頻率拖曳現(xiàn)象

1、產(chǎn)生的條件：以耦合振蕩回路作為放大器負(fù)載，在一定條件下會(huì)出現(xiàn)頻率拖曳現(xiàn)象。

圖4-32變壓器反饋振蕩器(a)實(shí)際電路;(b)耦合回路的等效電路89圖4-33阻抗ZL的幅角φL的頻率特性90(分析見(jiàn)教材）由圖4-33可以看出以下幾點(diǎn):(1)ωII始終大于ωI,且有ωII>ω01,ωI<ω01;(2)當(dāng)ω02遠(yuǎn)低于ω01時(shí),ω02對(duì)ωI影響較大;當(dāng)ω02遠(yuǎn)大于ω01時(shí),ω02對(duì)ωII影響較大。

(3)當(dāng)兩個(gè)回路耦合越緊，k值越大，ωI與ωII相差越大。

2、頻率拖曳現(xiàn)象的定義：在以緊耦合諧振回路作為放大器負(fù)載的振蕩器中，當(dāng)變化一個(gè)回路的諧振頻率時(shí)，振蕩器頻率具有非單值變化的現(xiàn)象。91

圖4-34ωI、ωII與ω02的關(guān)系曲線及拖曳

92三、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(hào),當(dāng)fs接近振蕩器原來(lái)的振蕩頻率f1時(shí),會(huì)發(fā)生占據(jù)現(xiàn)象,表現(xiàn)為當(dāng)fs接近f1時(shí),振蕩器受外加信號(hào)影響,振蕩頻率向接近fs的頻率變化,而當(dāng)fs進(jìn)一步接近原來(lái)f1時(shí),振蕩頻率甚至等于外加信號(hào)頻率fs,產(chǎn)生強(qiáng)迫同步。

93圖4-35占據(jù)現(xiàn)象94圖4-36說(shuō)明占據(jù)過(guò)程的瞬時(shí)電壓矢量圖

(a)fs小于f