第4章 正弦波振蕩器

第4章正弦波振蕩器

4.1概述

4.2反饋型LC振蕩原理

4.3反饋型LC振蕩電路

4.4振蕩器的頻率穩(wěn)定原理

4.5高穩(wěn)定度的LC振蕩器

4.6晶體振蕩器4.7負阻振蕩器4.8集成壓控振蕩器主要內(nèi)容

4.1概述一、振蕩電路的功能在沒有外加輸入信號的條件下，電路自動將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交變振蕩信號輸出。二、振蕩電路的分類正弦波振蕩器非正弦波振蕩器：產(chǎn)生三角波、鋸齒波、矩形波等反饋型負阻型(100MHz以上)振蕩器RC振蕩器LC振蕩器晶體振蕩器按波形分按原理分按元件分負阻器件+振蕩回路

四、主要技術(shù)指標

1、振蕩頻率；

2、頻率穩(wěn)定度；

3、振蕩幅度；

4、振蕩波形；首要指標三、正弦波振蕩器的用途高頻加熱設(shè)備醫(yī)療儀器發(fā)射機(載波頻率fC)接收機(本地振蕩頻率fL)數(shù)字系統(tǒng)：時鐘信號通信系統(tǒng)：測量儀器：信號源高頻能源：4.2反饋型LC振蕩原理一、組成反饋型LC振蕩器是由調(diào)諧放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成.調(diào)諧放大器正反饋網(wǎng)絡(luò)條件①放大器必須是調(diào)諧放大器,具有選頻濾波的功能②反饋網(wǎng)絡(luò)必須是正反饋，一般由無源器件組成定義：從放大器的輸出信號中取出一部分反饋到輸入端作為輸入信號，無需外部提供激勵信號，能產(chǎn)生等幅正弦波輸出稱為反饋型振蕩器。Pspice仿真振蕩器輸出波形

二、振蕩的建立與起振條件從無到有由弱到強由增到穩(wěn)起振條件平衡條件穩(wěn)定條件信號源來自何處？－＋－＋－＋調(diào)諧放大器反饋網(wǎng)絡(luò)環(huán)路增益－＋調(diào)諧放大器反饋網(wǎng)絡(luò)－＋－＋1、起振過程微小的擾動電壓經(jīng)放大選頻反饋再放大再選頻再反饋‥‥如此循環(huán),振蕩電壓就會增長起來,建立了振蕩.起振條件

2、起振條件

A0F＞1

(n=0，1，2，…，n)

物理意義：振蕩為增幅振蕩物理意義：振蕩器閉環(huán)相位差為零，即為正反饋。振幅起振條件相位起振條件其中，A0為當電源接通時的電壓增益。剛起振時，起始偏壓為正偏置IEUB+UE_+UBE_電路的偏置電壓為：－＋－＋三、振蕩的平衡與平衡條件U0OA振蕩特性反饋特性（n=0,1,2…）振幅平衡條件相位平衡條件1.平衡條件：輸出信號的振幅丙類乙類甲乙類甲類???

放大器進入平衡的原因：（1）放大器固有的非線性特性（2）自給偏壓效應

從起振到平衡，放大器工作狀態(tài)的變化:最后工作于什么狀態(tài)完全由A0F的值來決定。(A0F=2時，放大器工作于乙類；A0F>2時，放大器工作于丙類；1<A0F<2時，放大器工作于甲乙類。）輸出信號的頻率

晶體管

反饋網(wǎng)絡(luò)

LC選頻網(wǎng)絡(luò)2.平衡條件的另一種表示形式（用電路參數(shù)表示的平衡條件）振幅平衡條件:相位平衡條件:四、振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件1)穩(wěn)定平衡與不穩(wěn)定平衡2)振蕩器的穩(wěn)定平衡因某一外因的變化，振蕩的原平衡條件遭到破壞，振蕩器能在新的條件下建立新的平衡，當外因去掉后，電路能自動返回原平衡狀態(tài)。滿足這樣條件的平衡稱為穩(wěn)定平衡。3）振幅平衡的穩(wěn)定條件U0OAQ外因變化F1/FQ1AF>1（增幅振蕩）輸出增大Q1點達到新的平衡外因消失FAF<1（減幅振蕩）輸出減小回到原平衡狀態(tài)Q點1/F穩(wěn)定B點不穩(wěn)定：外因變化AF>1（增幅振蕩）輸出增大Q1點達到新的平衡F1/FQ1外因消失AF<1（減幅振蕩）輸出減小回到Q點達到平衡FQ點穩(wěn)定：軟激勵

硬激勵振幅的穩(wěn)定條件：（應避免）tui4）相位平衡的穩(wěn)定條件頻率隨相位變化的關(guān)系：頻率與相位的關(guān)系：（頻率的穩(wěn)定條件）信號周期信號頻率信號頻率信號周期Oωωo0)(<??@?++?\wjwjjjZFZY

相位平衡的穩(wěn)定條件：

即要求選頻網(wǎng)絡(luò)的相頻特性曲線在工作頻率附近應具有負斜率。實際中的并聯(lián)LC諧振回路正好具有這種相頻特性。

總結(jié):起振條件平衡條件平衡的穩(wěn)定條件

4.3反饋型LC振蕩電路反饋型LC振蕩器是由調(diào)諧放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成.按反饋網(wǎng)絡(luò)形式可以分為：互感耦合振蕩器

通過電感線圈L1與L2

的互感M實現(xiàn)反饋。三端（點）式LC振蕩器電感三端式，又稱哈特萊振蕩器(Hartley)；電容三端式，又稱考畢茲振蕩器(Coplitts)；串聯(lián)型改進電容三端式，又稱克拉潑振蕩器(Clapp)；并聯(lián)型改進電容三端式，又稱西勒振蕩器(Selier)。

一、互感耦合振蕩電路②通過與的互感M實現(xiàn)反饋。①放大器為共基調(diào)諧放大。③正反饋由耦合線圈的同名端決定。1、電路形式判斷相位平衡條件是否滿足，通常可以采用瞬時極性法判斷是否是正反饋。2、判斷振蕩的方法++++⊕①共基調(diào)集型

②共射調(diào)基型“共射”電路輸入阻抗較低，晶體管與回路采用部分接入+++-⊕

③共基調(diào)射型+++--+⊕

3、電路的振蕩頻率4、互感耦合振蕩電路的特點優(yōu)點：互感耦合振蕩電路在調(diào)整反饋（改變M）時，基本不影響振蕩頻率缺點：工作頻率不易過高，應用于中短波段

二、三端（點）式LC振蕩器1、電路形式三端式LC振蕩電路是經(jīng)常被采用的，其工作頻率約在幾MHz到幾百MHz的范圍，頻率穩(wěn)定度也比變壓器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。分析前提：①回路元件的電阻很小，可以忽略其影響；②忽略三極管的輸入阻抗與輸出阻抗的影響。則電路要振蕩必須滿足條件：Xbe和Xce應為同性質(zhì)電抗Xcb應和Xbe、Xce電抗性質(zhì)相反

2、三端式電路組成原則1、Xce與Xbe的電抗性質(zhì)相同；2、Xcb與Xce、Xbe的電抗性質(zhì)相反；3、對于振蕩頻率，滿足Xce+Xbe+Xcb=0。射同余異源同余異

三、電容反饋振蕩電路1、電路形式晶體管的三個極（c.e.b）分別連接于回路電容的三端，稱為電容三點式振蕩器，也稱為考比茲振蕩器。ceb

2、相位平衡條件（正反饋）振蕩器的等效電路電壓向量圖

3、起振條件a、振蕩要建立必須滿足 。由于外部反饋作用遠大于內(nèi)部反饋，忽略的作用，

ceb

電路的反饋系數(shù)F（忽略各個g的影響）b、起振條件得即:電壓增益其中:

c、結(jié)論（1）滿足起振條件是選取晶體管的

（2）晶體管一旦選定(參數(shù)一定)可以改變F和來保證起振。F一般選取0.1-0.5。即適當選擇C1和C2的值4、振蕩頻率的估算其中：

四、電感反饋振蕩電路它是利用并聯(lián)諧振回路中的電感分壓實現(xiàn)正反饋的。由于晶體管的三個極分別連接于回路電感的三端，稱為電感三點式振蕩器，也稱為哈特萊（Hartley）振蕩器。1、電路形式

2、相位平衡條件（正反饋）

①振蕩的建立必須滿足 。②反饋系數(shù)在不考慮晶體管參數(shù)的影響時可得：當線圈繞在磁環(huán)上時，線圈兩部分為緊耦合，則：③由 ，忽略、的影響，可得3、起振條件4、振蕩頻率的估算其中：

五、電感三點式與電容三點式振蕩電路的比較電容三點式電感三點式波形較好較差頻率較高較低頻率穩(wěn)定度較好較差起振、調(diào)節(jié)較難較易

試分析上述四種情況是否可能振蕩?振蕩頻率f0與回路諧振頻率有何關(guān)系?例題:圖示為三回路振蕩器的等效電路，設(shè)有以下四種情況：

4.4振蕩器的頻率穩(wěn)定原理一、頻率穩(wěn)定度的定義

3、頻率穩(wěn)定度的定義:

在一定時間間隔內(nèi)，振蕩器相對頻率偏差的最大值，用表示。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工作頻率和標稱頻率之間的偏差。它可分為絕對偏差和相對偏差。設(shè)f為實際振蕩頻率，fc為指定標稱頻率，則

1、絕對頻率偏差：2、相對頻率偏差絕對頻率準確度相對頻率準確度

4、三種常用的頻率穩(wěn)定度

長期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以上甚至數(shù)月的時間間隔內(nèi)的相對頻率變化的最大值。這種變化通常是由振蕩器中元器件老化而引起的。短期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以內(nèi)，以小時、分或秒計算的時間間隔內(nèi)的頻率相對變化。產(chǎn)生這種頻率不穩(wěn)的因素有溫度、電源電壓等。瞬時頻率穩(wěn)定度：一般指秒或毫秒時間間隔內(nèi)的頻率相對變化。引起這類頻率不穩(wěn)定的主要因素是振蕩器內(nèi)部噪聲。

二、振蕩器頻率穩(wěn)定度的表示式1、振蕩頻率的表示式

（由相位平衡條件決定）

振蕩器的相位平衡條件

2、頻率穩(wěn)定度的表示式總結(jié)：諧振頻率的變化、相角的變化和有載品質(zhì)因數(shù)Q的變化都會引起頻率穩(wěn)定度的變化。

1、溫度變化會引起L、C和晶體管y參數(shù)變化。2、濕度變化會引起L、Q變化。3、電源電壓變化會引起晶體管參數(shù)變化。4、機械振動會引起L的變化。三、引起頻率不穩(wěn)的原因結(jié)論：引起振蕩器頻率不穩(wěn)定的外部因素是溫度、濕度、電源電壓波動和機械振動。這些外因變化會引起、、的變化。因此產(chǎn)生頻率不穩(wěn)定。

四、提高頻率穩(wěn)定度的措施1、減小外因的變化

溫度變化可以采用恒溫措施；

濕度變化采用將電感線圈密封或固化；

電源電壓變化采用穩(wěn)壓電源；

機械振動采用減震措施；

負載變化采用射隨器隔離。2、提高電路參數(shù)抗外因變化的能力①選用正溫度系數(shù)的電感和負溫度系數(shù)的電容組成諧振回路進行溫度補償。②減小晶體管極間電容不穩(wěn)定量、對回路總電容的影響，可采用部分接入方式的克拉潑電路、西勒電路和晶體振蕩器。③選用高Q的元件。選用小的電容三點式振蕩電路形式。

一、一般電容三點式振蕩電路頻率穩(wěn)定性的分析4.5高穩(wěn)定度的LC振蕩器當、沒變化時，回路總電容對應振蕩頻率為:當變化ΔCoe，變化ΔCi時，總電容的增量:

而、與晶體管工作狀態(tài)和外界條件有關(guān)。結(jié)論：一般電容三點式振蕩電路p1

、p2

不可能同時減小，故頻率穩(wěn)定度不可能做得較高。

二、克拉潑（Clapp）振蕩電路①在電感支路串接小電容C3②滿足C3＜＜C1，C3＜＜C2

③回路總電容為：1、電路特點

2、相位平衡條件（正反饋）為容抗，為容抗同性質(zhì)?？傻刃楦锌?，與、反性質(zhì)。滿足電容三點式振蕩器相位平衡條件判斷準則，為電容三點式振蕩電路。

3、振蕩頻率因為所以克拉潑（Clapp）振蕩器的振蕩頻率為：

4、穩(wěn)頻原理總的電容增量為：其中①p1

、p2可以同時減小，可很小，故頻率穩(wěn)定度比一般電容三點式要高。結(jié)論：②p1

、p2

的減小受到電路起振條件的限制，頻率穩(wěn)定度不可能很高。③克拉潑電路主要用作固定頻率振蕩器。

三、西勒（Siler）振蕩電路

2、相位平衡條件（正反饋）為容抗，為容抗同性質(zhì)?？傻刃楦锌?，與、反性質(zhì)。滿足電容三點式振蕩器的相位平衡條件判斷準則，為電容三點式振蕩電路。3、振蕩頻率1、電路特點：西勒電路是在克拉潑電路基礎(chǔ)上，在電感L兩端并聯(lián)一個電容。電路條件仍是C3＜＜C1，C3＜＜C2，與同數(shù)量級回路總電容為：4、總結(jié)

這種電路保持了克拉潑電路中晶體管與回路耦合弱的特點，頻率穩(wěn)定度高。調(diào)頻時，輸出振蕩電壓幅度基本平穩(wěn)，可作為變頻振蕩器。1、電路特點：西勒電路是在克拉潑電路基礎(chǔ)上，在電感L兩端并聯(lián)一個電容。電路條件仍是C3＜＜C1，C3＜＜C2，與同數(shù)量級回路總電容為：

4.6晶體振蕩電路一、石英晶體介紹石英晶體是SiO2的結(jié)晶體，具有壓電和反（逆）壓電效應。一般LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度只能達到10-3

～10-5。若要求頻率穩(wěn)定度超過10-5，需用石英晶體振蕩器。1、壓電效應和反壓電效應所謂壓電效應是指當晶體受外力（壓力或張力）作用而變形時，會在對應表面上產(chǎn)生正、負電荷，呈現(xiàn)出電場。所謂反壓電效應是指當晶體表面加上電壓時，晶體會出現(xiàn)彈性變形。若在晶體兩端加上周期交變電壓，由于反壓電效應，晶體就會出現(xiàn)周期的機械振動，振動的幅度基本正比于外加電壓的幅值。同時，由于壓電效應，晶體的機械振動又會使晶體表面的電荷周期變化，相當于有交流電流流過晶體，感應出周期的交變電壓。

石英晶體和其它彈性體（如彈簧）一樣，有固有的機械諧振頻率（自然頻率），此頻率與晶體的材料、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。當加上交變電壓頻率與晶體的自然頻率相等時，晶體就會發(fā)生機械諧振，此時，機械振動幅度最大。故由壓電效應感應出的電流幅值最大，表現(xiàn)出電諧振。利用晶體的這一特性，就可以做成諧振回路，稱為石英晶體諧振器（晶振）。2.石英晶體諧振器的制作方法

從石英晶體上按一定角度切下一片正方形、長方形或圓形的薄片（稱為晶片），在晶片的兩個對應面上圖上銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線作為管腳，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器。品質(zhì)因數(shù)：很高，達～量級

3.石英晶體的等效電路動態(tài)電感

:很大，幾十毫亨到幾十亨動態(tài)電容

:很小，一般為PF量級；動態(tài)電阻

:很小，一般為幾歐~幾百歐靜態(tài)電容Co

：

很小，約2～5PF。特點：①晶體的參數(shù)值十分穩(wěn)定，因此它的等效諧振回路有很高的標準性②具有極高的Q值③Cq<<C0,因此晶體的接入系數(shù)很小，外電路對它的影響很小。

除了以上基頻振動模式外，石英片的振動還會產(chǎn)生奇次（2n-1）諧波的泛音振動?；l振動模式時，產(chǎn)生奇次諧波諧振的支路因阻抗較高可忽略。

石英晶體諧振器完整等效電路

4、晶體管等效電路有兩個諧振頻率①串聯(lián)諧振頻率②并聯(lián)諧振頻率兩個頻率之差很小：二、石英晶體的阻抗特性1、忽略時，總阻抗為

2、阻抗頻率特性①當和時，

，晶體等效為電容；②當時，，晶體等效為短路；③當時，，晶體等效為電感；④當時，，晶體為并聯(lián)諧振?？偨Y(jié)：晶體使用的兩種模式：時，晶體短路線時，晶體電感

三、晶體振蕩電路根據(jù)晶體在振蕩器中的作用原理可分為兩類：并聯(lián)型晶體振蕩器：晶體作為高品質(zhì)的電感工作頻率：串聯(lián)型晶體振蕩器：晶體作為高選擇性的短路元件工作頻率：并聯(lián)泛音振蕩器米勒（Miller）振蕩器：晶體接在e、b之間皮爾斯（Pierce）振蕩器:晶體接在c、b之間

1、并聯(lián)型晶體振蕩器——晶體在電路中等效為高Q電感①兩種基本類型電路圖（a）電容三點式振蕩電路圖（b）電感三點式振蕩電路皮爾斯振蕩器密勒振蕩器

②并聯(lián)型晶體振蕩器（以皮爾斯振蕩器為例）

A、相位平衡條件由于容抗，容抗，晶體等效為感抗，滿足三點式振蕩器相位平衡條件的判斷準則。電路為正反饋。B、振蕩頻率令稱為負載電容。由等效電路可得故總結(jié)：①振蕩頻率與和負載電容有關(guān)。②振蕩頻率一定在與之間，晶體等效為電感。

③因串、并聯(lián)頻率相差很小，因此振蕩器頻率穩(wěn)定度高。

C、穩(wěn)頻原理由等效電路可知其中，和很小，不穩(wěn)定電容、的影響非常小。關(guān)鍵很小，的Q很高。晶體的參量具有高穩(wěn)定性，晶體回路的標準性很高。振蕩回路與晶體管之間的耦合很弱，晶體管極間電容的不穩(wěn)定性對它的影響很小。晶體具有極其靈敏的電抗補償能力。總結(jié)：由于以上三個因素，晶體振蕩器具有很高的頻率穩(wěn)定度

2、串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩電路①電路特點:晶體在電路中等效為短路元件

回路諧振在上,即振蕩頻率為:

②穩(wěn)頻原理當時,晶體在電路中相當于短路元件,滿足相位平衡條件當時,晶體在電路中相當于電感,饋支路中引入一個附加相移，使，從而將偏離頻率調(diào)整聯(lián)諧振頻率上。當時,晶體在電路中相當于電容,饋支路中引入一個附加相移，使，從而將偏離頻率調(diào)整聯(lián)諧振頻率上。總結(jié)：串聯(lián)型晶體振蕩器的振蕩頻率及頻率穩(wěn)定度是由晶體的串聯(lián)諧振頻率所決定，而不取決于振蕩回路，但振蕩回路的諧振頻率應與晶體的串聯(lián)頻率相一致。當時,晶體在電路中相當于電感,饋支路中引入一個附加相移，使，從而將偏離頻率調(diào)整聯(lián)諧振頻率上。

3、泛音晶體振蕩器①在工作頻率較高的晶體振蕩器中，多采用泛音晶體諧振器②組成泛音晶體振蕩器的原則；確保振蕩器的諧振回路準確地調(diào)諧在所需的奇次泛音頻率上抑制基音和低次泛音頻率

4.7負阻振蕩器一、負阻的概念

1、負阻器件是指它的增量電阻為負值的器件。

隧道二極管特性

2、上圖所示是隧道二極管的伏安特性若將靜態(tài)工作點設(shè)置在負阻區(qū)（AB段）的Q點，并加上微弱正弦信號電壓