高頻電子線路(第七章 正弦波振蕩器)

第七章正弦波振蕩器基礎(chǔ)知識：

LC回路的相位特性高頻小信號放大器高頻功放本章主要內(nèi)容§7.1概述§7.2振蕩的起振、平衡、穩(wěn)定條件§7.3電感耦合型反饋振蕩器§7.4三端式反饋振蕩器§7.5振蕩器的頻率穩(wěn)定性問題§7.6晶體振蕩器§7.7振蕩器中的幾種常見的現(xiàn)象§7.8其他形式的振蕩器簡介重點§7.1概述1、什么是振蕩器2、振蕩器在無線通信中的作用3、振蕩器的發(fā)展趨勢4、穩(wěn)定振蕩的要素5、振蕩器的主要類型1、什么是振蕩器？振蕩器是一種能自動地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號能量的轉(zhuǎn)換電路。它與放大器的區(qū)別在于,無需外加激勵信號,就能產(chǎn)生具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交流信號。振蕩器Vcc2、振蕩器在無線通信中的作用在發(fā)射端負(fù)責(zé)生成載波（即用來承載有用信息的高頻正弦波）在接收端負(fù)責(zé)生成本振信號（用于混頻）3、振蕩器的發(fā)展趨勢振蕩器的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段機電式振蕩（機械振蕩帶動電子開關(guān)）LC/RC振蕩器晶體振蕩器激光振蕩器總的說來，其發(fā)展趨勢是精確化、穩(wěn)定化、小型化4、穩(wěn)定振蕩的要素想象一個單擺，如何讓它在有能量消耗的環(huán)境中穩(wěn)定振蕩？（1）最初的一個激勵使振蕩器從靜態(tài)到動態(tài)（即起振）（2）能量源補償振蕩中的能量消耗（3）控制設(shè)備在適當(dāng)?shù)臅r候(即適當(dāng)?shù)南辔?補充能量使振蕩達(dá)到足夠的幅度并能使之穩(wěn)定下來（防止自激）5、振蕩器的主要類型按輸出振蕩波形分正弦波振蕩器非正弦波振蕩器(如方波、鋸齒波等)按工作原理分反饋式振蕩器(如給電臺打電話時的自激現(xiàn)象)負(fù)阻式振蕩器(如“海盜船”)按器件分LC/RC振蕩器石英晶體振蕩器陶瓷振蕩器（等）我們重點學(xué)習(xí)的是§7.2.1反饋型振蕩器的原理由放大器與反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個環(huán)路最初激勵信號us與反饋信號uf疊加進(jìn)入放大器放大后信號經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋激勵信號逐漸消失，而uf作為輸入信號§7.2振蕩的起振、平衡、穩(wěn)定條件

放大器

A（jω）

反饋網(wǎng)絡(luò)

F（jω）Σ起振平衡當(dāng)AF=1時，振蕩進(jìn)入平衡狀態(tài)§7.2.2起振條件在實際電路中，最初的那個激勵信號往往是加電過程中自動產(chǎn)生的，所以其振幅往往很小。tui對應(yīng)頻譜ωF(ω)振蕩器工作頻率點振蕩器輸出頻率越高，最初的激勵就越小若想讓振蕩器輸出一定幅度（如3V），起振的過程幅度必須逐漸增大mv甚至uV級§7.2.2起振條件（續(xù)）若使信號逐步增大，需要滿足兩個條件振幅方面，|A||F|必須大于1

（否則信號會逐漸衰減至消失）相位方面，

（否則信號不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，甚至相互抵消。）F其物理意義是：振幅起振條件要求反饋電壓幅度要一次比一次大;

而相位起振條件則要求環(huán)路保持正反饋。A§7.2.3平衡條件所謂“平衡”指起振一定時間后,輸出振幅達(dá)到額定值時,恒定不變。此時不必再進(jìn)行增幅振蕩，而要維持等幅振蕩。FA§7.2.4穩(wěn)定條件所謂“穩(wěn)定”是指振蕩器具有如下的特點：當(dāng)外界因素（如溫度）導(dǎo)致輸出振幅（或相位）增大時，振蕩器內(nèi)部機制可自動使輸出振幅（或相位）減小，從而恢復(fù)到平衡狀態(tài)；反之亦然。用放在凹或凸面上的小球來比喻最為恰當(dāng)：不穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)用數(shù)學(xué)語言描述“振幅穩(wěn)定的機制”FA這就是振蕩器的振幅穩(wěn)定條件,即A隨著Vom增大而減小軟自激（軟激勵）軟自激指振蕩器不需要額外的大振幅激勵源即可起振并自動達(dá)到平衡并穩(wěn)定狀態(tài)；軟自激硬自激（硬激勵）硬自激指必須向振蕩器提供一個額外的大振幅激勵源，才能使振蕩器達(dá)到平衡并穩(wěn)定的狀態(tài)。硬自激BQFlash演示“放大器的放大倍數(shù)A隨著Vom的增加而減小”------這一穩(wěn)定機制是如何實現(xiàn)的?措施一：選擇合適的直流工作偏置點，使剛起振時的A0足夠大；并且在輸出端使用LC回路。起振時輸入信號很小由于|A0F|>1，所以信號逐漸增大必然進(jìn)入非線性區(qū)，信號開始失真所以必須采用LC回路濾出標(biāo)準(zhǔn)正弦信號在濾波的過程中，由于能量的損失，導(dǎo)致放大倍數(shù)的下降“放大器的放大倍數(shù)A隨著Vom的增加而減小”------這一穩(wěn)定機制是如何實現(xiàn)的?措施二：引入負(fù)反饋電路相位的穩(wěn)定性分析1、相位不穩(wěn)定會導(dǎo)致什么后果？2、相位穩(wěn)定條件3、LC回路的相位特性（第三章內(nèi)容）4、以LC回路為負(fù)載的振蕩器的相位自動穩(wěn)定功能1、相位不穩(wěn)定會導(dǎo)致什么后果？相位平衡時當(dāng)外界因素打破了相位的平衡狀態(tài)，假設(shè)相位提前（Δφ>0）2、相位穩(wěn)定條件由上面的分析可知，相位超前導(dǎo)致頻率加快；因此如果想讓頻率恢復(fù)成振蕩器額定頻率（具有穩(wěn)定性），振蕩器內(nèi)部應(yīng)有這樣的機制：當(dāng)輸入信號頻率加快時，會形成相位的延遲。用符號表示這一穩(wěn)定過程：3、LC回路的相位特性（第三章內(nèi)容）以并聯(lián)諧振回路為例4、以LC回路為負(fù)載的振蕩器的相位自動穩(wěn)定功能由三極管組成的放大器4、以LC回路為負(fù)載的振蕩器的相位自動穩(wěn)定功能（續(xù)）反饋型振蕩器起振、平衡、穩(wěn)定條件的總結(jié)（重要知識點）振幅條件相位條件起振（由靜到動）平衡（振幅恒定）穩(wěn)定（維持平衡）§7.3電感耦合型反饋振蕩器互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實現(xiàn)正反饋的，耦合線圈同名端的正確位置的放置，選擇合適的耦合量M，使之滿足振幅起振條件很重要?；ジ旭詈险袷幤饔腥N形式：調(diào)基電路調(diào)集電路調(diào)發(fā)電路是根據(jù)振蕩回路所在的位置來區(qū)分的。1、調(diào)基電路

調(diào)基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時，振幅比較平衡。

由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回路的Q值，故在調(diào)基電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合。交流接地2、調(diào)集電路調(diào)集電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，而且幅度較大，諧波成分較小。3、調(diào)發(fā)電路

由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回路的Q值，故在調(diào)發(fā)電路中，晶體管與振蕩回路也作部分耦合?；ジ蟹答佇碗娐防}分析判斷下圖所示兩極互感耦合振蕩電路能否起振。解：在的發(fā)射極與之間斷開。這是一個共基—共集反饋電路。

振幅條件是可以滿足的，所以只要相位條件滿足，就可以起振。利用瞬時極性判斷法，根據(jù)同名端位置，可以得到：可見電路是負(fù)反饋，不能產(chǎn)生振蕩。如果把變壓器次級同名端位置換一下，則可改為正反饋。而變壓器初級回路是并聯(lián)LC回路，作為的負(fù)載，考慮其阻抗特性滿足相位穩(wěn)定條件，因此電路有可能產(chǎn)生振蕩。采用瞬時極性法判斷互感耦合LC振蕩器相位時的注意事項：（1）先看清是共基、共射還是共集電路；（2）把正確的信號輸入端標(biāo)上“+”，把地標(biāo)上“―”；（3）通過瞬時電流的流向幫助中間點的極性判斷；（4）有抽頭電路時，先找到接地那一端，抽頭處的極性與不接地的那一端極性相同。（5）循環(huán)一圈后，仍為“+”則符合起振相位條件，否則就不可能起振?！?.4三端式反饋振蕩器三端式振蕩器的優(yōu)點其工作頻率約在幾MHz到幾百MHz的范圍，頻率穩(wěn)定度也比互感耦合振蕩電路高一些，約為10–3~10–4量級，采取一些穩(wěn)頻措施后，還可以再提高一點。本節(jié)的主要內(nèi)容：§7.4.1電感反饋式三端振蕩器（HartleyOscillator）§7.4.2電容反饋式三端振蕩器（ColpittsOscillator）§7.4.3三端振蕩器相位平衡條件判斷準(zhǔn)則（重要）§7.4.1電感反饋式三端振蕩器（HartleyOscillator）電感反饋三端式振蕩器電路為了分析方便，畫出交流等效電路電感反饋三端振蕩器交流等效電路Ik電感反饋三端振蕩器反饋系數(shù)F的計算Ik電感反饋三端振蕩器振蕩頻率計算Ik電感反饋三端振蕩器優(yōu)缺點優(yōu)點：1、L1、L2之間有互感，反饋較強，容易起振；缺點：1、振蕩波形不好，因為反饋電壓是在電感上獲得，而電感對高次諧波呈高阻抗，因此對高次諧波的反饋較強，使波形失真大；2、電感反饋三端電路的振蕩頻率不能做得太高，這是因為頻率太高，L太小且分布參數(shù)的影響太大。2、振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容C的大小即可。3、而且C的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。§7.4.2電容反饋式三端振蕩器（ColpittsOscillator）

電容反饋三端式振蕩器電路電容反饋三端振蕩器交流等效電路Ik電容反饋三端振蕩器反饋系數(shù)F的計算Ik電容反饋三端振蕩器振蕩頻率計算例題7.1已知一電容反饋三端振蕩器交流圖如下反饋系數(shù)F=1/3電感L=10uH振蕩頻率為19.4MHz求C1和C2電容反饋三端振蕩器優(yōu)缺點優(yōu)點：1）電容反饋三端電路的優(yōu)點是振蕩波形好。2）電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電容量，就可以減小不穩(wěn)定因素對振蕩頻率的影響。3）電容三端電路的工作頻率可以做得較高，可直接利用振蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工作頻率可做到幾十MHz到幾百MHz的甚高頻波段范圍。缺點：

調(diào)C1或C2來改變振蕩頻率時，反饋系數(shù)也將改變。但只要在L兩端并上一個可變電容器，并令C1與C2為固定電容，則在調(diào)整頻率時，基本上不會影響反饋系數(shù)?！?.4.3三端振蕩器相位平衡條件

判斷準(zhǔn)則（重要）

分析電感/電容反饋三端振蕩器用歸納法，不難得出結(jié)論：三極管be間阻抗Xbe與ce間阻抗Xce必須同性質(zhì)且它們與bc間阻抗Xbc必須不同性質(zhì)上述準(zhǔn)則的理論依據(jù)Ik例題7.2(教材294頁例題7.6.1)bec例題7.2(教材294頁例題7.6.1)(解)bec例題7.2(教材294頁例題7.6.1)(解)若用三端振蕩器法則直接判斷相位振蕩條件bec例題7.2(教材294頁例題7.6.1)(解)若用矢量法判斷相位振蕩條件bec例題7.2(教材294頁例題7.6.1)(解)從上面兩種方法的比較,我們可以看出:直接用三端式判斷準(zhǔn)則來判斷相位條件既快又準(zhǔn)；所以除非題面要求,否則建議大家不要用矢量法。例題7.2(教材294頁例題7.6.1)(解)bec例題7.3(2007年期末考試題)試判斷下列電路是否可能起振?如果可能,需要什么條件?屬于何種類型的振蕩器?(1)(2)(3)例題7.3(第一圖解答)bec例題7.3(第二圖解答)bec例題7.3(第三圖解答)bec第9次作業(yè)教材329頁(新書299頁)習(xí)題6(此類題型是考試重點)§7.5振蕩器的頻率穩(wěn)定性問題衡量振蕩器的指標(biāo)準(zhǔn)確度離中心的偏離程度（體現(xiàn)指標(biāo)是概率論中講的“誤差”）穩(wěn)定度變化擺動的劇烈程度（體現(xiàn)指標(biāo)是概率論中講的“方差”）例如：一個振蕩器標(biāo)稱1MHz，但是總是輸出1.1M，稱不準(zhǔn)確（但穩(wěn)定）一個振蕩器標(biāo)稱1MHz，但是實際輸出是0.99~1.01MHz中的一個隨機變量，則稱是不穩(wěn)定的。準(zhǔn)確度絕對準(zhǔn)確度相對準(zhǔn)確度人們更關(guān)心的是振蕩器的頻率穩(wěn)定度穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定，就是在各種外界條件發(fā)生變化的情況下，要求振蕩器的實際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差及偏差的變化最小。

振蕩器的頻率穩(wěn)定度則是指在一定時間間隔內(nèi)，由于各種因素變化，引起的振蕩頻率相對于標(biāo)稱頻率變化的程度。長期穩(wěn)定度（一天以上）短期穩(wěn)定度（一天以內(nèi)）瞬間穩(wěn)定度（1秒以內(nèi)）體現(xiàn)器件的抗衰老能力體現(xiàn)電路的環(huán)境適應(yīng)能力體現(xiàn)電路的抗干擾能力穩(wěn)定度的測量與計算前面已經(jīng)講過它又方差來體現(xiàn)所以計算公式為影響頻率穩(wěn)定度的幾個因素（1）LC器件的穩(wěn)定度方法一：選擇穩(wěn)定度好的LC器件方法二：溫度補償法（如選用負(fù)溫系數(shù)電容）（2）LC回路的Q值提高LC回路的Q指（3）回路電路r（實際通過Q來影響）盡量減小振蕩器的負(fù)載（4）有源器件參數(shù)（如分布電容等）回路的Q值為什么會影響振蕩器的穩(wěn)定性？兩種改進(jìn)型的三端式LC振蕩器克拉波(Clapp)電路電感支路上串聯(lián)一個電容，降低三極管輸出電容的接入系數(shù)，從而穩(wěn)定頻率。西勒(Seiler)電路電感支路上先并聯(lián)一個電容、再串聯(lián)一個電容，降低三極管輸出電容的接入系數(shù)，從而穩(wěn)定頻率。串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(克拉潑電路)（a）克拉潑電路的實用用電路（b）高頻等效（考慮分布電容）電路選取C3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C1或C2，所以三電容串聯(lián)后的等效電容改進(jìn)后調(diào)節(jié)C3不會影響反饋系數(shù)C1/C2并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器

即西勒(Seiler)電路(a)實際電路(b)高頻等效電路§7.6晶體振蕩器§7.6.1晶振內(nèi)部原理§7.6.2并聯(lián)型晶體振蕩器§7.6.3串聯(lián)型晶體振蕩器§7.6.1晶振內(nèi)部原理晶振的內(nèi)部結(jié)構(gòu)石英切片金屬支架金屬支架引線當(dāng)外加電壓時,石英切片會產(chǎn)生固定頻率的機械振蕩反之,石英如果存在機械振蕩,會在金屬支架上產(chǎn)生電壓如果外加頻率與晶振本身機械振蕩頻率相同,則產(chǎn)生持續(xù)振蕩晶振的等效電路模型符號基頻等效電路完整等效電路支架電容C0

約1~10pF動態(tài)電感Lq

約10–3~102H（由晶振的質(zhì)量/慣性等效而來）動態(tài)電容Cq

約10–4~10–1pF（由晶振的彈性等效而來）動態(tài)電感rq

約幾十~幾百（由晶振的機械損耗等效而來）CoCgLgRgfqfp電容性電容性電感性fXqO國產(chǎn)B451MHz中等精度晶體的等效參數(shù)如下：Lq=4.00H，Cq=0.0063pF，

rq≤100～200Ω，Co=2～3pF。因而晶體的品質(zhì)因數(shù)Qq很大，一般為幾萬至幾百萬

≥（12500～25000）

§7.6.2并聯(lián)型晶體振蕩器1.皮爾斯(Pierce)振蕩電路即c-b型（晶體位于三機管cb之間）fqfp電容性電容性電感性fXqO皮爾斯(Pierce)振蕩器等效電路

振蕩回路與晶體管、負(fù)載之間的耦合很弱，提高了穩(wěn)定性。(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。(3)由于晶振的等效電感極大，所以LC回路的Q值極高，頻率穩(wěn)定作用很強。2、密勒(Miller)振蕩電路

即b-e型（晶體位于三極管be之間）C1CcCeRb1Rb2ReL1LEcJTC2C1C2L1JT§7.6.3串聯(lián)型晶體振蕩器fqfp電容性