第六章正弦波振蕩器

第六章正弦波振蕩器第一頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.1概述所謂產(chǎn)生振蕩是指這時放大器不需要外加激勵信號，而是由本身的正反饋信號來代替外加激勵信號的作用。第二頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.1概述2.振蕩器的分類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振蕩器本章主要介紹反饋型RC、LC振蕩器和石英晶體振蕩器的工作原理。石英晶體振蕩器第三頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.2LCR回路中的瞬變現(xiàn)象 由于大多數(shù)振蕩器都是利用LC回路來產(chǎn)生振蕩的，因此應(yīng)首先研究LC回路中如何可以產(chǎn)生振蕩，作為研究振蕩器工作原理的預(yù)備知識。所謂“諧振”，就能量關(guān)系而言，是指：回路中儲存的能量是不變的，只是在電感與電容之間相互轉(zhuǎn)換；外加電動勢只提供回路電阻所消耗的能量，以維持回路的等幅振蕩。第四頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.2LCR回路中的瞬變現(xiàn)象假設(shè)開關(guān)S先放于1的位置，使電容C最初充電到電壓V，然后將S轉(zhuǎn)換到2的位置，C上的電荷即經(jīng)過L、R放電。由于回路R的存在，振蕩的幅度越來越小。為了獲得等幅振蕩，就必須設(shè)法使LC回路中的電阻等于零。由于實(shí)際的LC回路本身總是有正電阻的，因此必須認(rèn)為地引入一個負(fù)電阻，將回路本身的正電阻完全抵消，以獲得等幅振蕩。第五頁，共六十七頁，2022年，8月28日由基爾霍夫定律可得：取微分得：即回路的衰減系數(shù)：回路的固有角頻率：第六頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.2LCR回路中的瞬變現(xiàn)象圖7.2.4δ2＜ω2時產(chǎn)生振蕩電流的情形第七頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.2LCR回路中的瞬變現(xiàn)象當(dāng)R為負(fù)值時，振蕩振幅將隨時間而增長，得到增幅振蕩波形。如果R的負(fù)值不變，則振幅將繼續(xù)無限制地增長，但這在實(shí)際上是不可能的。因?yàn)橐粋€振蕩器開始振蕩時，回路的等效串聯(lián)電阻為負(fù)值（由有源器件供給負(fù)阻），隨著振蕩振幅的增長，有源器件的工作狀態(tài)逐漸改變，負(fù)電阻的絕對值逐漸減小。最后負(fù)電阻與回路本身的正電阻正好互相抵消時，整個串聯(lián)等效電阻變?yōu)榱悖袷幤鳟a(chǎn)生等幅振蕩，振蕩頻率取決于電路參數(shù)L、C、R。第八頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.3LC振蕩器的基本工作原理

1）一套振蕩回路，包含兩個（或兩個以上）儲能元件。在這兩個元件中，當(dāng)一個釋放能量時，另一個就接收能量。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。2）一個能量來源，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，這個能源就是直流電源。3）一個控制設(shè)備，可以使電源功率在正確的時刻補(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。 由于大多數(shù)振蕩器都是利用LC回路來產(chǎn)生振蕩的，因此應(yīng)首先研究LC回路中如何可以產(chǎn)生振蕩，作為研究振蕩器工作原理的預(yù)備知識。第九頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.3LC振蕩器的基本工作原理圖7.2.4互感耦合調(diào)集振蕩器-+第十頁，共六十七頁，2022年，8月28日第十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日設(shè)電路工作在線性區(qū)，且工作頻率不高。將電流源hfbie和內(nèi)阻1/hob并聯(lián)等效為電壓源（hfbie)/(1/hob)和內(nèi)阻1/hob串聯(lián)。可得下列方程組第十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日由上述等式消去i,iC,vC,可得與比較等式6.2.1可得等幅振蕩的條件為：即振蕩角頻率為（當(dāng)r很小時）第十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.4由正反饋的觀點(diǎn)來決定振蕩的條件振蕩條件所以等幅振蕩條件為振幅平衡條件相位平衡條件第十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5振蕩器的平衡與穩(wěn)定條件6.5.1振蕩器的平衡條件6.5.2振蕩器平衡狀態(tài)和穩(wěn)定條件第十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5振蕩器的平衡與穩(wěn)定條件當(dāng)振蕩器接通電源后，即開始有瞬變電流產(chǎn)生。這瞬變電流所包含的頻帶極寬，但由于諧振回路的選擇性，它只選出了本身諧振頻率的信號。由于正反饋?zhàn)饔茫C振頻率信號越來越強(qiáng)，即形成穩(wěn)定的振蕩。至于瞬變電流中所包含的其他頻率則被振蕩電路濾掉，不被放大，而逐漸消失。振蕩器起振之后，振蕩振幅便由小到大地增長起來。但它不可能無限制地增長，而是在達(dá)到一定數(shù)值后，便自動穩(wěn)定下來。第十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5.1振蕩器的平衡條件

#振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò)，無須輸入信號就能起振，起振的信號源來自何處？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。初始信號中，滿足相位平衡條件的某一頻率0的信號應(yīng)該被保留，成為等幅振蕩輸出信號。（從無到有）然而，一般初始信號很微弱，很容易被干擾信號淹沒，不能形成一定幅度的輸出信號。因此，起振階段要求（由弱到強(qiáng)）起振條件第十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5.1振蕩器的平衡條件當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它繼續(xù)增加。穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，使振幅平衡條件從AF>1到AF=1。（由增到穩(wěn)）第十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5.1振蕩器的平衡條件第十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5.1振蕩器的平衡條件第二十頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5.1振蕩器的平衡條件第二十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5.2振蕩器平衡狀態(tài)的穩(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。第二十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5.2振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件1）振幅平衡的穩(wěn)定條件要保證外界因素變化時振幅相對穩(wěn)定，就是要：當(dāng)振幅變化時，AF的大小朝反方向變化。第二十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5.2振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件1）振幅平衡的穩(wěn)定條件定義：在外因的作用下，振蕩器在平衡點(diǎn)附近可重新建立新的平衡狀態(tài)，外因消失之后又能自動的恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。第二十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5.2振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件平衡點(diǎn)B不是穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。第二十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5.2振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件圖7.5.2軟自激的振蕩特性圖7.5.3硬自激的振蕩特性圖7.5.2屬于軟自激，無需外加激勵，振蕩便可自激。開始起振時，AF>1，振蕩處于增幅振蕩狀態(tài)，振幅由小到大，直到達(dá)到Q點(diǎn)為止。圖7.5.2屬于硬自激，需要預(yù)先加上一個一定幅度的信號才能起振。第二十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5.2振蕩器平衡狀態(tài)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，相位平衡能重新建立，且仍能保持相對穩(wěn)定的振蕩頻率。外部擾動

穩(wěn)定原理：

頻率ω相位φ頻率ω第二十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5.2振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件圖7.5.4并聯(lián)諧振回路的相頻特性2）相位平衡的穩(wěn)定條件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)第二十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.5.2振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件放大電路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)定第二十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6反饋型LC振蕩器線路6.6.1互感耦合振蕩器6.6.2電感反饋式三端振蕩器 (哈特萊振蕩器)6.6.3電容反饋式三端振蕩器

(考畢茲振蕩器)6.6.4LC三端式振蕩器相位平衡條件 的判斷準(zhǔn)則第三十頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.1互感耦合振蕩器

放大器與振蕩器本質(zhì)上都是將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能，不同之處在于：放大器需要外加控制信號而振蕩器不需要。因此，如果將放大器的輸出正反回輸入端，以提供控制能量轉(zhuǎn)換的信號，就可能形成振蕩器。如果由LC諧振回路通過互感耦合將輸出信號送回輸入回路，所形成的是互感耦合振蕩器。由互感耦合同名端定義可判知，反饋網(wǎng)絡(luò)形成正反饋，滿足相位平衡條件。如果再滿足起振條件，就符合基本原理。第三十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.1互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器有三種：調(diào)集電路調(diào)基電路調(diào)發(fā)電路他們是根據(jù)振蕩器回路在集電極、基極、發(fā)射極來區(qū)分的。第三十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.1互感耦合振蕩器1、調(diào)集電路優(yōu)點(diǎn)：振蕩幅度較大，諧波成分較少；調(diào)整M基本不影響振蕩頻率。缺點(diǎn)：工作頻率不能太高。第三十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.1互感耦合振蕩器2、調(diào)基電路優(yōu)點(diǎn)：振蕩頻率在較寬的范圍內(nèi)改變，振幅變化不大；調(diào)整M基本不影響振蕩頻率。缺點(diǎn)：工作頻率不能太高。第三十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.1互感耦合振蕩器3、調(diào)發(fā)電路優(yōu)點(diǎn)：波形較好，失真??；調(diào)整M基本不影響振蕩頻率。缺點(diǎn)：工作頻率不能太高。第三十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.2電感反饋式三端振蕩器（哈特萊振蕩器） 如果正反饋網(wǎng)絡(luò)由LC諧振回路中的電感分壓電路將輸出信號送回輸入回路，所形成的是電感反饋式三端振蕩器。(+)(-)(+)(+)第三十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.2電感反饋式三端振蕩器（哈特萊振蕩器）哈特萊振蕩器特點(diǎn)：集電極與基極接于LC回路兩端，發(fā)射極則接于線圈中某一點(diǎn)。利用瞬時極性法可判定電路可以起振。第三十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.2電感反饋式三端振蕩器（哈特萊振蕩器）優(yōu)點(diǎn)：1.容易起振；2.改變回路電容來調(diào)整頻率時，基本上不影響電路的反饋系數(shù)。缺點(diǎn)：1.振蕩器波形較差（諧波成分多）；2.反饋系數(shù)F隨頻率變化而變化。第三十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.2電感反饋式三端振蕩器（哈特萊振蕩器）1.反饋回路為感性支路，對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，故對于LC回路中的高次諧波反饋較強(qiáng)，波形失真較大。2.當(dāng)工作頻率較高時，由于L1和L2上的分布電容和晶體管的極間電容均并聯(lián)于L1和L2兩端，這樣，反饋系數(shù)F隨頻率變化而改變。第三十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.2電感反饋式三端振蕩器（哈特萊振蕩器）L1L2C電路的特點(diǎn):容易起振變電容而不影響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第四十頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.3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送回輸入回路，所形成的是電容反饋式三端振蕩器。第四十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.3電容反饋式三端振蕩器（考畢茲振蕩器）第四十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.3電容反饋式三端振蕩器（考畢茲振蕩器）優(yōu)點(diǎn)：1.輸出波形好；（對高次諧波呈較低阻抗，反射減弱）2.頻率穩(wěn)定度高；（電路中的不穩(wěn)定電容與該電路并聯(lián)，適當(dāng)加大回路電容量，可削弱影響。）3.適合較高工作頻率。缺點(diǎn)：通過C1,C2來改變頻率，反饋系數(shù)F會隨著變化，調(diào)整頻率不方便。（可通過在L兩端并上一個可變電容解決。）第四十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.3電容反饋式三端振蕩器（考畢茲振蕩器）C1C2LC1C2L電路的特點(diǎn):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。第四十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.4LC三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則

回顧LC三端式振蕩器的基本電路，發(fā)現(xiàn)其電路結(jié)構(gòu)存在一個規(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—基極之間(bc)回路元件的電抗性質(zhì)相反。它具有普遍意義嗎？下面就此證明。L1L2CC1C2L第四十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.4LC三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則為簡便起見，我們假定諧振回路三個元件都是純電抗，即振蕩器的振蕩頻率等于回路的固有諧振頻率，即結(jié)論:Xeb與Xce同性質(zhì)，它們與Xcb相異；成立即：射同，基反！第四十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.6.4LC三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則舉例: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，該支路呈容性，整個回路滿足電容三端的相位條件。振蕩器的振蕩頻率第四十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.7振蕩器的頻率穩(wěn)定問題評價振蕩器頻率的主要指標(biāo)有兩個，即：準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度。振蕩器實(shí)際工作頻率f與標(biāo)稱頻率f

0之間的偏差，稱為振蕩頻率準(zhǔn)確度。通常分為絕對頻率準(zhǔn)確度與相對頻率準(zhǔn)確度兩種，其表達(dá)式為振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指在一定時間間隔內(nèi)，頻率準(zhǔn)確度的變化。第四十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.7振蕩器的頻率穩(wěn)定問題

根據(jù)所指定的時間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為長期頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬間頻率穩(wěn)定度三種。

影響振蕩頻率的有如下三種因素：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)。第四十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.7振蕩器的頻率穩(wěn)定問題影響頻率穩(wěn)定度的因素及解決辦法：1.元件的機(jī)械變形（溫度、氣壓、濕度等）1）選用不易發(fā)生機(jī)械變形的元件；2）振蕩器置于恒溫箱中；3）采用溫度補(bǔ)償措施。2.回路電阻r的影響3.有源器件參數(shù)變化的影響：有源器件工作狀態(tài)的改變也會對頻率產(chǎn)生影響。第五十頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.7振蕩器的頻率穩(wěn)定問題圖7.7.1克拉潑電路的交流等效電路

盡管電容三端式振蕩器較電感三端式振蕩器的穩(wěn)定性好，但是它是以較大的電容C1和C2，即以下降最高工作頻率上限為代價。此外，輸入、輸出電阻的界入也會降低諧振回路的Q值，降低選頻特性，造成輸出波形偏離正弦波。

1.克拉潑電路調(diào)頻不太方便第五十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.7振蕩器的頻率穩(wěn)定問題圖7.7.1克拉潑電路的交流等效電路高穩(wěn)定度的LC振蕩器電路—改進(jìn)型的電容三點(diǎn)式振蕩器（克拉潑振蕩器）第五十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.7振蕩器的頻率穩(wěn)定問題圖7.7.1克拉潑電路的交流等效電路第五十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.7振蕩器的頻率穩(wěn)定問題2.西勒電路LC1C2C3C4AB第五十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.8石英晶體振蕩器6.8.1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器6.8.2串聯(lián)諧振型晶體振蕩器6.8.3泛音晶體振蕩器第五十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.8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)百萬數(shù)量級；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。第五十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.8石英晶體振蕩器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) 因此，振蕩電路可分為兩類：一類是作為等效電感元件，稱為并聯(lián)諧振型晶體振蕩器；另一類是作為串聯(lián)諧振元件，稱為串聯(lián)諧振型晶體振蕩器。第五十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.8石英晶體振蕩器2.石英晶體濾波器的應(yīng)用石英晶體諧振器

(a)符號(b)基頻等效電路(c)完整等效電路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。奇次諧波的泛音振動第五十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.8.1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器

這類晶體振蕩器的振蕩原理和一般反饋式LC振蕩器相同，只是把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為一個感性元件，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。根據(jù)這種原理，在理論上可以構(gòu)成三種類型基本電路。圖7.8.1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器的兩種基本形式第五十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日6.8.1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器圖7.8.2并聯(lián)諧振型晶體ｃ－ｂ型振蕩器