高頻正弦波振蕩器

第四章

高頻正弦波振蕩器高頻電子線路高頻振蕩器在通訊系統(tǒng)中用在哪些環(huán)節(jié)？2:01下午24.1

反饋振蕩器的工作原理

4.2LC振蕩器4.3

振蕩器的頻率穩(wěn)定度4.4

石英晶體振蕩器4.5壓控振蕩器2:01下午3本章要求掌握振蕩器的工作原理掌握振蕩器的起振條件和穩(wěn)定條件掌握LC振蕩器三端電路的組成法則了解穩(wěn)頻的方法掌握石英晶體振蕩器的優(yōu)點(diǎn)和電路類型2:01下午44.1.1反饋振蕩器的工作原理2:01下午5振蕩器(oscillator)，是一種不需外信號(hào)激勵(lì)，自動(dòng)地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換電路。這里的正弦波振蕩器是帶正反饋的運(yùn)放電路(又叫反饋振蕩器)，輸出波形為周期性的正弦波。它與一般信號(hào)放大器的主要區(qū)別在于,無(wú)需外加激勵(lì)信號(hào)。正弦波振蕩器(或振蕩電路)能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎(chǔ)上加上正反饋而形成的，它是各類波形發(fā)生器和信號(hào)源的核心電路。根據(jù)所產(chǎn)生的波形不同,可將振蕩器分成正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩大類。振蕩器分類正弦振蕩低頻正弦振蕩器高頻正弦振蕩器微波振蕩器非正弦波振蕩器矩形波振蕩器三角波振蕩器鋸齒波振蕩器哪里用振蕩電路？P11圖1.4.1,圖1.4.2調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)的組成2023/1/157調(diào)幅廣播接收機(jī)的組成2023/1/1582:01下午9常用正弦波振蕩器主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋電路及放大器組成。按照選頻網(wǎng)絡(luò)所采用元件的不同,正弦波振蕩器可分為L(zhǎng)C振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型。其中LC振蕩器和晶體振蕩器用于產(chǎn)生高頻正弦波,RC振蕩器用于產(chǎn)生低頻正弦波。正反饋放大器既可以由晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管等分立器件組成,也可以由集成電路組成,但前者的性能可以比后者做得好些,且工作頻率也可以做得更高。返回振蕩器的起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件

振幅的起振條件是表明振蕩是增幅振蕩，振蕩由小增大，振蕩能夠建立起來(lái)。振幅的平衡條件表明振蕩是等幅振蕩，振蕩保持不變，處于平衡狀態(tài)。振幅的穩(wěn)定條件，是指振蕩器振幅的平衡狀態(tài)被破壞時(shí)，線路本身能重新建立起振幅平衡狀態(tài)的條件。

相位起振和相位平衡條件一樣，它表明反饋是正反饋，是構(gòu)成反饋型振蕩器的必要條件。2:01下午104.1.2

反饋振蕩器一、反饋振蕩器的原理(振蕩平衡條件)2:01下午11

反饋型振蕩器的原理框圖如圖所示。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)。振蕩器實(shí)際上屬于反饋控制電路。A(s)所謂平衡條件是指振蕩已經(jīng)建立，為了維持自激振蕩必須滿足的幅度和相位的關(guān)系2:01下午12

振蕩器在剛剛起振時(shí)，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強(qiáng)一些，即要求，這稱為振蕩器的起振條件(相位平衡條件不變)。A(s)AF(s)二、振蕩平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件2:01下午13

振蕩平衡條件只是建立振蕩的必要條件，但還不是充分條件。已建立的振蕩能否穩(wěn)定，還必須看平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。即，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)明這一平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。

振蕩平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件是指在外因的作用下，平衡條件被破壞后，振蕩器能自動(dòng)恢復(fù)原來(lái)的平衡狀態(tài)的能力。振蕩器在工作過(guò)程中，不可避免地要受到各種外界因素變化的影響，如電源電壓波動(dòng)、溫度變化、噪聲干擾等。這些不穩(wěn)定因素將引起放大器和回路的參數(shù)發(fā)生變化，破壞原來(lái)的平衡條件。

如果通過(guò)放大和反饋的不斷循環(huán),振蕩器越來(lái)越偏離原來(lái)的平衡狀態(tài),從而導(dǎo)致振蕩器停振或突變到新的平衡狀態(tài),則表明原來(lái)的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的。

反之,如果通過(guò)放大和反饋的不斷循環(huán),振蕩器能夠產(chǎn)生回到原平衡點(diǎn)的趨勢(shì),并且在原平衡點(diǎn)附近建立新的平衡狀態(tài),則表明原平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。振蕩平衡的穩(wěn)定條件也包括振幅和相位兩方面。2:01下午15振幅平衡的穩(wěn)定條件圖5.4放大特性和反饋特性A(s)Ui1/FQ所謂振幅平衡的穩(wěn)定條件，是指振蕩器振幅的平衡狀態(tài)被破壞時(shí)，線路本身能重新建立起振幅平衡狀態(tài)的條件。

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。如右圖，將A~Ui關(guān)系稱為放大特性，將1/F

~Ui稱為反饋特性(設(shè)定反饋網(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(hào)改變)。在振幅平衡時(shí)，放大特性與反饋特性交于Q點(diǎn)。3、穩(wěn)定條件平衡狀態(tài)有穩(wěn)定平衡和不穩(wěn)定平衡，振蕩器工作時(shí)要處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。3.1反饋式振蕩器的工作原理振幅穩(wěn)定條件：AF與Ui的變化方向相反。相位穩(wěn)定條件：相位與頻率的變化方向相反。2:01下午17

形成穩(wěn)定平衡點(diǎn)的根本原因是在平衡點(diǎn)附近，放大倍數(shù)隨電壓振幅的變化特性具有負(fù)的斜率。

工作在非線性狀態(tài)的有源器件正好具有這一性能，例如晶體管的非線性特性就具有這樣阻止振幅變化、穩(wěn)定振幅的功能。

當(dāng)不穩(wěn)定因素使輸入振幅Ui增大時(shí),環(huán)路增益幅值A(chǔ)F減小,阻止幅度進(jìn)一步增大；反之亦然?？梢?，振蕩器回路增益的變化趨勢(shì)與Ui的變化趨勢(shì)相反。即

如果反饋網(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(hào)改變,故振幅穩(wěn)定條件又可寫為2:01下午18相位平衡的穩(wěn)定條件

相位的平衡條件，是指相位平衡條件被破壞時(shí)，線路本身能重新建立起相位平衡點(diǎn)的條件。不穩(wěn)定因素也會(huì)破壞相位平衡條件。振蕩器的相位平衡條件是A+F＝2n。如電源電壓的波動(dòng)或工作點(diǎn)的變化可能使晶體管內(nèi)部電容參數(shù)發(fā)生變化，從而造成相位的變化，產(chǎn)生一個(gè)偏移量Δ。2:01下午19在相位平衡狀態(tài)振蕩角頻率ωg

為了保證相位平衡條件的穩(wěn)定,要求頻率的變化會(huì)產(chǎn)生相反方向的相位變化。因此，相位平衡的穩(wěn)定條件是上式說(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)的斜率時(shí)，才滿足頻率穩(wěn)定條件。

并聯(lián)諧振回路的相頻特性正好具有負(fù)的斜率，因而它不但是決定振蕩頻率主要角色，而且是穩(wěn)定振蕩頻率的機(jī)構(gòu)。*三、反饋振蕩電路的工作判定2:01下午20根據(jù)上述反饋振蕩電路的基本原理和應(yīng)當(dāng)滿足的起振、平衡和穩(wěn)定三個(gè)條件,判斷一個(gè)反饋振蕩電路能否正常工作,需考慮以下幾點(diǎn)：①可變?cè)鲆娣糯笃骷?晶體管,場(chǎng)效應(yīng)管或集成電路)應(yīng)有正確的直流偏置,開始時(shí)應(yīng)工作在甲類狀態(tài),便于起振。②開始起振時(shí),環(huán)路增益幅值A(chǔ)F(0)應(yīng)大于1。由于反饋網(wǎng)絡(luò)通常由無(wú)源器件組成,反饋系數(shù)F小于1,故A(0)必須大于1。共射、共基電路都可以滿足這一點(diǎn)。為了增大A(0),負(fù)載電阻不能太小。返回③環(huán)路增益相位在振蕩頻率點(diǎn)應(yīng)為2的整數(shù)倍,即環(huán)路應(yīng)是正反饋。④選頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有負(fù)斜率的相頻特性。因?yàn)樵谡袷庮l率點(diǎn)附近,可以認(rèn)為放大器件本身的相頻特性為常數(shù),而反饋網(wǎng)絡(luò)通常由變壓器、電阻分壓器或電容分壓器組成,其相頻特性也可視為常數(shù),所以相位穩(wěn)定條件應(yīng)該由選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。振蕩器種類振蕩器分類電感反饋振蕩器電容反饋振蕩器基本型（考貝茲）克拉潑振蕩器西勒振蕩器

單管互感耦合振蕩器

互感耦合振蕩器(或變壓器反饋振蕩器)又稱為調(diào)諧型振蕩器，根據(jù)回路(選頻網(wǎng)絡(luò))的三極管不同電極的連接點(diǎn)又可分為集電極調(diào)諧型、發(fā)射極調(diào)諧型和基極調(diào)諧型。如圖5.4-1所示。這里我們只討論集電極調(diào)諧型，而集電極調(diào)諧型又可互感耦合振蕩器石英晶體振蕩器RC振蕩器LC振蕩器分為共射和共基兩種類型，均得到廣泛應(yīng)用。兩者相比，共基電路的功率增益較小，輸入阻抗較低，所以難于起振，但截止頻率較高。此外，共基電路內(nèi)部反饋比較小，工作比較穩(wěn)定。三種互感耦合振蕩器

以上三種電路，變壓器的同名端如圖所示。它必須滿足振蕩的相位條件，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)節(jié)反饋量M以滿足振蕩的振幅條件。下面利用“切環(huán)注入法”判斷電路是否滿足相位條件。

(1)在電路中某一個(gè)合適的位置(往往是放大器的輸入端)把電路斷開，(用X號(hào)表示)；

(2)在斷開出的一側(cè)(往往是放大器的輸入端)對(duì)地引入一個(gè)外加電壓源,該電壓源的頻率從低到高覆蓋回路的諧振頻率；

(3)看經(jīng)過(guò)放大器反饋網(wǎng)絡(luò)之后轉(zhuǎn)回到斷開處另一側(cè)對(duì)地的電壓是否與同相，為同相則其中必有某一個(gè)頻率滿足自激振蕩的相位條件(注意這里是實(shí)際方向)，電路有振蕩的可能。

如果電路又同時(shí)滿足振幅條件就可以產(chǎn)生正弦振蕩了。下面分析集電極調(diào)諧型反饋振蕩器的振蕩條件。相位條件：1、變壓器反饋式正弦波振蕩器①起振條件：

判斷Uf

和Ui

是否同相，即判斷是否為正反饋振幅條件：

判斷環(huán)路增益是否大于1②振蕩頻率：4.4.2差分對(duì)管互感耦合振蕩器

如圖所示。兩差分對(duì)管的集電極分別接有由L1、C1、R1和L2、C2、R2組成并聯(lián)諧振回路。反饋電壓和輸出電壓分別由兩管的集電極取出。差分振蕩器振蕩器的閉環(huán)回路由BG1的集電極經(jīng)互感線圈耦合到BG2的基極，然后通過(guò)共發(fā)耦合電路回到BG1的集電極。圖A與D同相，環(huán)路滿足正反饋特性。再調(diào)節(jié)互感M使之滿足振幅平衡條件，電路便可進(jìn)入振蕩狀態(tài)。與單管振蕩器比較，差分對(duì)管振蕩器更為優(yōu)越：1.輸出回路不在反饋環(huán)路內(nèi)，只要BG2不工作在飽和區(qū)內(nèi)，負(fù)載與環(huán)路就處于隔離狀態(tài)，振蕩器的頻率穩(wěn)定度和幅度穩(wěn)定度都會(huì)有所提高；2.輸出不含有偶次諧波，且奇次諧波成分比較小，故失真大為減小。4.2LC正弦振蕩器2:01下午29

基本電路就是通常所說(shuō)的三點(diǎn)式(又稱三端式)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,如圖所示。

振蕩器的振蕩頻率十分接近回路的諧振頻率。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè):

(1)不計(jì)晶體管的電抗效應(yīng)(2)LC回路由純電抗元件組成UfXbeXceXbcUoUi4.2.1構(gòu)成三點(diǎn)式振蕩器原則2:01下午30

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，Xbe與Xce必須同性質(zhì)電抗元件。

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XcbXbeXceUiUoUf++-+-

由于放大器的倒相，輸出電壓與輸入電壓的相位差180°，所以反饋電壓與輸出電壓的相位也要差180°才能滿足振蕩的相位條件。UfXbeXceXcbUoUi2:01下午31（a）電容反饋振蕩器（b）電感反饋振蕩器三端式振蕩器有兩種基本電路,如圖所示。

圖(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(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。2:01下午32作業(yè)：下圖是一些常見高頻振蕩器電路,大家不妨自行判斷它們是由哪種基本線路演變而來(lái)的。答案79頁(yè)2:01下午33試問(wèn)：哪幾種情況可能振蕩？等效為哪種類型的振蕩電路？其振蕩頻率與各回路的固有諧振頻率之間有什么關(guān)系?答案81頁(yè)例1：如圖所示三端回路振蕩器的交流等效電路，假定有以下六種情況：

1)L1C1>L2C2>L3C3；

2)L1C1<L2C2<L3C3；

3)L1C1=L2C2=L3C3；

4)L1C1=L2C2>L3C3；

5)L1C1<L2C2=L3C3；

6)L2C2<L3C3<L1C1；2:01下午34(a)并聯(lián)諧振回路

(b)等效電路

(c)阻抗特性

(d)輻角特性

在LC回路的電抗頻率曲線中，感抗區(qū)頻率低于諧振頻率，容性區(qū)頻率高于諧振頻率。2:01下午35分析：等效振蕩回路設(shè)振蕩器信號(hào)頻率為2:01下午36分析：2:01下午37分析：2:01下午38例2：振蕩電路如圖所示，圖中C1=100pF，C2=13200pF，L1=100H，L2=300H。1)試畫出交流等效電路2)求振蕩頻率3)用矢量圖判斷是否滿足相位平衡條件4)求電壓反饋系數(shù)F2:01下午391)畫等效電路圖的方法：①旁路電容、隔直電容和耦合電容短路②高頻扼流圈開路③直流電源相當(dāng)于“地電位”④偏置電阻開路（較大）2:01下午402:01下午41---+2:01下午424.2.2電容三點(diǎn)式振蕩器(Colpitts，考畢茲振蕩器)2:01下午43

依靠電容產(chǎn)生反饋電壓構(gòu)成的振蕩器則稱為電容三點(diǎn)式振蕩器，又稱考畢茲振蕩器。(a)實(shí)際電路;(b)交流等效電路;(c)高頻等效電路

c

其中ZL為高頻扼流圈，防止高頻交流接地。Rb1、Rb2、Re為偏置電阻。下面分析該電路的振蕩條件，圖(a)畫了交流等效電路。(b)為Y參數(shù)等效電路。電容三點(diǎn)式振蕩器的等效電路

容易判斷振蕩器屬并-并聯(lián)接，電壓取樣電流求和的反饋放大器。設(shè)其信號(hào)源電流為，負(fù)載電流為，顯然5.5.5式中，Yi——網(wǎng)絡(luò)aa′-bb′的大信號(hào)輸入導(dǎo)納；

Yr——網(wǎng)絡(luò)aa′-bb′的大信號(hào)反向傳輸導(dǎo)納；

Yf——網(wǎng)絡(luò)aa′-bb′的大信號(hào)正向傳輸導(dǎo)納；

Yo——網(wǎng)絡(luò)aa′-bb′的大信號(hào)輸出導(dǎo)納。

實(shí)際上這只不過(guò)是虛構(gòu)的。而意味著式5.5.5是線性齊次方程。即

其系數(shù)行列式為0，即4.5.64.5.7

因網(wǎng)絡(luò)aa′-bb′是兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)(有源和無(wú)源)并-并聯(lián)接，所以

式中，T表示晶體管，n表示無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。即4.5.8

這就是反映振蕩器滿足平衡條件。使用上述方法時(shí)，應(yīng)使兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流方向符合電壓取樣、電流求和的條件。

4.5.9式中[yT]是晶體管參數(shù)，可以測(cè)得和計(jì)算出,[yn]則可以由具體網(wǎng)絡(luò)根據(jù)y參數(shù)的定義求得。假設(shè)，振蕩器的工作頻率遠(yuǎn)低于fT，且忽略內(nèi)部反饋的影響和不計(jì)晶體管的電抗效應(yīng)，有4.5.94.5.10

由下圖，根據(jù)y參數(shù)的定義，可求得無(wú)源網(wǎng)絡(luò)|yn|為

將式5.5.10和5.5.11代入式5.5.9得整理得無(wú)源網(wǎng)絡(luò)4.5.12

令其虛部等于0,可求得振蕩頻率為4.5.13式中電容三點(diǎn)式振蕩器的振蕩頻率略高于回路的諧振頻率，且與晶體管的參數(shù)有關(guān)。

令其實(shí)部等于0，并近似認(rèn)為，可求得其振蕩平衡條件為5.5.14

用微變參數(shù)代替平均參數(shù)，可求得起振時(shí)所要求的最小跨導(dǎo)(gm)min，其起振條件為5.5.15因5.5.16代入上式得反饋電壓不僅取決于電容C2，還與晶體管的輸入導(dǎo)納gie有關(guān)。當(dāng)gie較小時(shí)，gie的分路作用可以忽略，此時(shí)第一項(xiàng)起主要作用5.5.17當(dāng)，利于起振。

當(dāng)gie較大時(shí)，gie的分流作用不能忽略，此時(shí)第二項(xiàng)起主要作用，則，難于起振。

所以不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為反饋系數(shù)越大，就越易起振，而應(yīng)該有一定范圍。另外反饋系數(shù)的大小還會(huì)影響振蕩波形的好壞，反饋系數(shù)過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較大的波形失真。通常F≈0.01～1且一般取得較小。以上的討論，沒(méi)有考慮線圈的損耗，如考慮到r的影響,則起振條件應(yīng)該修正，如圖（b）所示。將r經(jīng)過(guò)兩次折算，折算到ce兩端和goe并聯(lián)，所以起振條件應(yīng)修正為4.5.18圖（a）影響起振因素圖（b）起振條件修正2:01下午55C為回路的總電容

當(dāng)不考慮gie的影響時(shí),反饋系數(shù)F(j)的大小為電路的振蕩頻率為可見振蕩器的頻率略高于LC回路振蕩頻率c(5.5.13)2:01下午56因此,放大器總的負(fù)載電導(dǎo)gL為將gie折算到放大器輸出端,有由振蕩器的振幅起振條件AF>1,可以得到4.2.3電感三點(diǎn)式振蕩器(Hartley，哈特萊振蕩器)2:01下午57

依靠電感產(chǎn)生反饋電壓構(gòu)成的振蕩器則稱為電感三點(diǎn)式振蕩器，又稱哈特萊振蕩器。下圖(a)是一電感反饋振蕩器的實(shí)際電路,

圖(b)是其交流等效電路，圖(c)是其高頻等效電路。2:01下午58式中的L為回路的總電感

由相位平衡條件分析,振蕩器的振蕩頻率表達(dá)式為

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2:01下午59由起振條件分析,同樣可得起振時(shí)的gm應(yīng)滿足

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4.2.4電容三點(diǎn)式與電感三點(diǎn)式比較2:01下午60電容三點(diǎn)式優(yōu)點(diǎn)：輸出波形好，接近于正弦波；晶體管的輸入/輸出電容與回路電容并聯(lián)，可適當(dāng)增加回路電容提高穩(wěn)定度。工作頻率可以做得較高。缺點(diǎn)：調(diào)整頻率困難，起振困難。電感三點(diǎn)式優(yōu)點(diǎn)：起振容易，調(diào)整方便。缺點(diǎn)：輸出波形不好，在高頻時(shí)較難起振。4.2.5

兩種改進(jìn)型電容反饋振蕩器1.串聯(lián)型電容三點(diǎn)式反饋振蕩器（Clapp克拉潑振蕩器）2:01下午61

研究的三種振蕩器，其振蕩頻率ω不僅取決于LC回路參數(shù)

，還與晶體管的內(nèi)部參數(shù)有關(guān)，而這些參數(shù)又隨環(huán)境溫度、電源電壓的變化而變化，故頻率的穩(wěn)定度不高。為此進(jìn)行改進(jìn)，以電容三點(diǎn)式為例，介紹改進(jìn)后的克拉潑振蕩器。改進(jìn)后的振蕩器減小了晶體管電容Coe和Cie對(duì)頻率的影響，下圖是實(shí)際電路和交流等效電路。2:01下午62

下圖是克拉潑振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。電感L支路中串聯(lián)了小電容C3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C1，C2.同時(shí)減小接入系數(shù)（不變），而又不改變反饋系數(shù)（振幅不變）。2:01下午63由上圖可知,回路的總電容為R0的接入系數(shù)2.串聯(lián)型電容三點(diǎn)式反饋振蕩器（Seiler,西勒振蕩器）2:01下午64

克拉潑振蕩器存在的問(wèn)題是增大C1和減小C3時(shí)引起振蕩幅度下降，難于起振。為解決這個(gè)問(wèn)題，又作改進(jìn)。下圖是西勒振蕩器的實(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。圖5-31西勒振蕩器電路(a)實(shí)際電路;(b)交流等效電路

2:01下午65振蕩器的振蕩頻率為回路的總電容為返回4.3振蕩器的頻率穩(wěn)定度4.3.1頻率準(zhǔn)確度與頻率穩(wěn)定度2:01下午66評(píng)價(jià)振蕩頻率的主要指標(biāo)是頻率的準(zhǔn)確度和頻率的穩(wěn)定度。

振蕩器的頻率準(zhǔn)確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)。頻率準(zhǔn)確度分絕度準(zhǔn)確度和相對(duì)準(zhǔn)確度。絕對(duì)準(zhǔn)確度Δf是實(shí)際工作頻率f與標(biāo)稱工作頻率f0的偏差，即

Δf=f-f0

；相對(duì)準(zhǔn)確度是頻率偏差與標(biāo)稱頻率之比。即2:01下午67

頻率穩(wěn)定度是指在時(shí)間間隔內(nèi)頻率準(zhǔn)確度變化的最大值，也分為絕度穩(wěn)定度和相對(duì)穩(wěn)定度。常用的相對(duì)穩(wěn)定度，以δ表示。時(shí)間間隔為某一時(shí)間間隔內(nèi)最大頻率偏移4.3.2頻率穩(wěn)定度的定性分析2:01下午68

1.目的

根據(jù)相位平衡條件，影響振蕩頻率的參數(shù)是0(回路的諧振頻率)、Qe(回路的品質(zhì)因素)

、f(反饋網(wǎng)絡(luò)的相移),討論頻率的穩(wěn)定度就是分析外界因素變化是如何通過(guò)這三個(gè)參數(shù)影響頻率變化的。2.提高振蕩器穩(wěn)定度的一般規(guī)律P133

一是減少外界變化引起的ω0、Qe、f的變化（提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性--P135

）；二是增大Qe和減小f4.3.3提高頻率穩(wěn)定度的措施2:01下午691.提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性是指回路在外界因素變化時(shí)，保持諧振頻率不變的能力。溫度是影響的主要因素。

2.減少晶體管的影響

前面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。返回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。4.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。2:01下午70提問(wèn)構(gòu)成LC正弦振蕩器的原則是什么？改進(jìn)型的克拉潑振蕩器的振蕩頻率取決于———。改進(jìn)的西勒振蕩器的振蕩頻率取決于————。2:01下午714.4石英晶體振蕩器4.4.1石英晶體及其特性1.石英晶體諧振器2:01下午72

石英是礦物質(zhì)硅石的一種,化學(xué)成分是SiO2,形狀是呈角錐形的六棱結(jié)晶體。石英晶體具有壓電效應(yīng)。當(dāng)交流電壓加在晶體兩端,晶體先隨電壓變化產(chǎn)生應(yīng)變（正壓電效應(yīng)）,機(jī)械振動(dòng)反過(guò)來(lái)又能使晶體表面產(chǎn)生交變電荷（負(fù)壓電效應(yīng)）。當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí),它本身有一個(gè)固有的機(jī)械振動(dòng)頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí),晶體片的機(jī)械振動(dòng)最大,晶體表面電荷量最多,外電路中的交流電流最強(qiáng),于是產(chǎn)生了諧振。因此,將石英晶體按一定方位切割成片,兩邊敷以電極,焊上引線,再用金屬或玻璃外殼封裝即構(gòu)成石英晶體諧振器（簡(jiǎn)稱晶振）。2:01下午73

石英晶振的固有頻率十分穩(wěn)定,它的溫度系數(shù)（溫度變化１℃所引起的固有頻率相對(duì)變化量）在10-6以下。另外,石英晶振的振動(dòng)具有多諧性,即除了基頻振動(dòng)外,還有奇次諧波的泛音振動(dòng)。

對(duì)于石英晶振,既可利用其基頻振動(dòng),也可利用其泛音振動(dòng)。前者稱為基頻晶體,后者稱為泛音晶體。晶片厚度與振動(dòng)頻率成反比,工作頻率越高,要求晶片越薄,因而機(jī)械強(qiáng)度越差,加工越困難,使用中也易損壞。由此可見,在同樣的工作頻率上,泛音晶體的切片可以做得比基頻晶體的切片厚一些。所以在工作頻率較高時(shí),常采用泛音晶體。通常在工作頻率小于20MHz時(shí)采用基頻晶體,大于20MHz時(shí)采用泛音晶體。2.石英晶振的阻抗頻率特性2:01下午74

圖5.34是石英晶振的符號(hào)和等效電路。其中：安裝電容C0約1pF～10pF動(dòng)態(tài)電感Lq約10-3H～102

H

動(dòng)態(tài)電容Cq約10-4pF～10-1pF

動(dòng)態(tài)電阻rq約1歐到幾十歐圖5.34符號(hào)、基頻等效電路、完整等效電路2:01下午75由上圖可以看到,石英晶振可以等效為一個(gè)串聯(lián)諧振回路和一個(gè)并聯(lián)諧振回路。由以上參數(shù)可以看到：(1)石英晶振的Ｑ值非常高,Ｑ值可達(dá)幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)。(2)由于Cq?C0,石英晶振的接入系數(shù)很小,綜合以上兩點(diǎn),不難理解石英晶振的頻率穩(wěn)定度是非常高的。所以外接元器件參數(shù)對(duì)石英晶振的影響很小。2:01下午76串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率(忽略rq)2:01下午77

由于Cq/C0很小,所以ωp與ωs間隔很小,因而在ωs～ωp感性區(qū)間,石英晶振具有陡峭的電抗頻率特性,曲線斜率大,利于穩(wěn)頻。石英諧振器通常工作在這段狹窄的電感區(qū)。若外部因素使諧振頻率增大,則根據(jù)晶振電抗特性,必然使等效電感Ｌ增大,但由于振蕩頻率與Ｌ的平方根成反比,所以又促使諧振頻率下降,趨近于原來(lái)的值。0ωXeωpωs容性區(qū)容性區(qū)感性區(qū)c0Lqcq圖

5.36石英諧振器電抗特性曲線

若忽略rq,則晶振兩端呈現(xiàn)純電抗,其電抗頻率特性曲線如圖5.36中兩條實(shí)線所示。等效電感2:01下午78

石英晶振產(chǎn)品還有一個(gè)標(biāo)稱頻率fN。

fN的值位于fs與fq之間,這是指石英晶振兩端并接某一規(guī)定負(fù)載電容CL時(shí)石英晶振的振蕩頻率。

CL的電抗頻率曲線下圖中虛線所示。負(fù)載電容CL的值載于生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說(shuō)明書中,通常為30pF(高頻晶體),或100pF(低頻晶體),或標(biāo)示為∞(指無(wú)需外接負(fù)載電容,常用于串聯(lián)型晶體振蕩器)。4.4.2晶體振蕩器電路2:01下午79將石英晶振作為高Ｑ值諧振回路元件接入正反饋電路中,就組成了晶體振蕩器。根據(jù)石英晶振在振蕩器中的作用原理,晶體振蕩器可分成兩類。一類是將其作為等效電感元件用在三點(diǎn)式電路中,工作在感性區(qū),稱為并聯(lián)型晶體振蕩器；另一類是將其作為一個(gè)短路元件串接于正反饋支路上,工作在它的串聯(lián)諧振頻率上,稱為串聯(lián)型晶體振蕩器。1.皮爾斯（Pierce）振蕩電路并聯(lián)型晶體振蕩器的工作原理和三點(diǎn)式振蕩器相同,只是將其中一個(gè)電感元件換成石英晶振。石英晶振可接在晶體管ｃ、ｂ極之間或ｂ、ｅ極之間,所組成的電路分別稱為皮爾斯振蕩電路和密勒振蕩電路。2:01下午80圖5.39（a）是皮爾斯電路,（b）是其高頻等效電路,其中虛線框內(nèi)是石英晶振的等效電路。皮爾斯電路是最常用的振蕩電路之一。圖5.39可以看出,皮爾斯電路類似于克拉潑電路,它相當(dāng)于電容三點(diǎn)式振蕩器。但由于石英晶振中Ｃq極小,Ｑq極高,所以皮爾斯電路具有一些特點(diǎn)。2:01下午81

（1）振蕩回路與晶體管、負(fù)載之間的耦合很弱。晶體管c、b端,c、e端和e、b端的接入系數(shù)分別是:以上三個(gè)接入系數(shù)一般均小于10-3～10-4,所以外電路中的不穩(wěn)定參數(shù)對(duì)振蕩回路影響很小,提高了回路的標(biāo)準(zhǔn)性。振蕩管ce端對(duì)回路cb端接入系數(shù)外電路對(duì)諧振回路接入系數(shù)2:01下午82（2）振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數(shù)決定,而石英晶振本身的參數(shù)具有高度的穩(wěn)定性。振蕩頻率其中ＣL是和晶振兩端并聯(lián)的外電路各電容的等效值,即根據(jù)產(chǎn)品要求的負(fù)載電容。（3）由于振蕩頻率f0一般調(diào)諧在標(biāo)稱頻率fN上,位于晶振的感性區(qū)內(nèi),電抗曲線陡峭,穩(wěn)頻性能極好。2.密勒（Miller）振蕩電路2:01下午83

圖5.45是場(chǎng)效應(yīng)管密勒振蕩電路。石英晶體作為電感元件連接在柵極和源極之間,LC并聯(lián)回路在振蕩頻率點(diǎn)等效為電感,作為另一電感元件連接在漏極和源極之間,極間電容Cgd作為構(gòu)成電感三點(diǎn)式電路中的電容元件。由于Cgd又稱為密勒電容,故此電路有密勒振蕩電路之稱。圖5.45

密勒振蕩電路通常不采用晶體管,原因是正向偏置時(shí)高頻晶體管發(fā)射結(jié)電阻太小,雖然晶振與發(fā)射結(jié)的耦合很弱,但也會(huì)在一定程度上降低回路的標(biāo)準(zhǔn)性和頻率的穩(wěn)定性,所以采用輸入阻抗高的場(chǎng)效應(yīng)管。3.泛音晶振電路2:01下午84

在石英晶振的完整等效電路中,不僅包含了基頻串聯(lián)諧振支路,還包括了其它奇次諧波的串聯(lián)諧振支路,這就是前面所說(shuō)的石英晶振的多諧性。泛音晶體所工作的奇次諧波頻率越高,可能獲得的機(jī)械振蕩和相應(yīng)的電振蕩越弱。在工作頻率較高的晶體振蕩器中,多采用泛音晶體振蕩電路。在泛音晶振電路中,為了保證振蕩器能準(zhǔn)確地振蕩在所需要的奇次泛音上,不但必須有效地抑制掉基頻和低次泛音上的寄生振蕩,而且必須正確地調(diào)節(jié)電路的環(huán)路增益,使其在工作泛音頻率上略大于1,滿足起振條件,而在更高的泛音頻率上都小于1,不滿足起振條件。2:01下午85

在實(shí)際應(yīng)用時(shí),可在三點(diǎn)式振蕩電路中,用一選頻回路來(lái)代替某一支路上的電抗元件,使這一支路在基頻和低次泛音上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)不滿足三點(diǎn)式振蕩器的組成法則,不能起振；而在所需要的泛音頻率上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)恰好滿足組成法則,達(dá)到起振。2:01下午86如圖(a)給出了一種并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路。假設(shè)泛音晶振為五次泛音,標(biāo)稱頻率為5MHz,基頻為1MHz,則LC1回路必須調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間。這樣,在5MHz

頻率上,LC1回路呈容性,振蕩電路滿足組成法則。對(duì)于基頻和三次泛音頻率來(lái)說(shuō),LC1回路呈感性,電路不符合組成法則,不能起振。圖在七次及其以上泛音頻率,LC1回路雖呈現(xiàn)容性,但等效容抗減小,從而使電路的電壓放大倍數(shù)減小,環(huán)路增益小于1,不滿足振幅起振條件。LC1回路的電抗性如(b)圖所示。

4．串聯(lián)型晶體振蕩器

2:01下午87串聯(lián)型晶體振蕩器是將石英晶振用于正反饋支路中,利用其串聯(lián)諧振時(shí)等效為短路元件,電路反饋?zhàn)饔米顝?qiáng),滿足振幅起振條件,使振蕩器在晶振串聯(lián)諧振頻率ｆs上起振。圖5.47（ａ）給出了一種串聯(lián)型單管晶體振蕩器電路,（ｂ）是其高頻等效電路。這種振蕩器與三點(diǎn)式振蕩器基本類似,只不過(guò)在正反饋支路上增加了一個(gè)晶振。Ｌ,Ｃ1,Ｃ2和Ｃ3組成并聯(lián)諧振回路而且調(diào)諧在振蕩頻率上。

圖返回4.5

壓控振蕩器1、概述什么是壓控振蕩器？

在許多高頻電路中,要求振蕩器的頻率是可以改變的,當(dāng)振蕩頻率可以隨外加控制電壓的變化而變化的振蕩器，稱為壓控振蕩器（VoltageControlledOscillator,簡(jiǎn)稱VCO)。壓控振蕩器的主要功能及用途：

實(shí)現(xiàn)電壓–頻率的變換，它在頻率調(diào)制、鎖相技術(shù)、電調(diào)諧等許多方面有著廣泛的應(yīng)用。4.5壓控振蕩器壓控振蕩器的主要指標(biāo)(1)頻率范圍VCO受控可變的最高頻率?max與最低頻率?min之差。頻率覆蓋系數(shù)為可變的最高頻率與最低頻之比，即（2）線性度理想的VCO特性應(yīng)該是線性的，如圖所示。即?=?o+Aouc式中uc為控制電壓，?o是控制電壓為零時(shí)VCO的固有振蕩頻率，A0壓控靈度。線性度表示了實(shí)際壓控特性相對(duì)于理想情況的偏離。（3）壓控靈敏