第五章講課內(nèi)容

第3章正弦波振蕩器3.1概述3.2反饋振蕩器原理3.3振蕩條件的分析3.4LC振蕩電路3.5振蕩器的頻率穩(wěn)定性3.6晶體振蕩器3.7*振蕩器中的幾種現(xiàn)象3.8*RC振蕩器振蕩器分類

主要技術指標：

1.振蕩頻率f及頻率范圍:2.頻率穩(wěn)定度:調(diào)頻廣播和電視發(fā)射機要求:10-5~10-7左右標準信號源:10-6~10-12

要實現(xiàn)與火星通訊:10-11

要為金星定位:10-123.振蕩的幅度和穩(wěn)定度:4.頻譜(殘波輻射):討論內(nèi)容:從振蕩原理入手研究振蕩器判據(jù)、尋求振蕩條件的分析方法，討論各種振蕩電路，基本線索是振蕩器的頻率穩(wěn)定度。4反饋振蕩電路的判斷根據(jù)上述反饋振蕩電路的基本原理和應當滿足的起振、平衡和穩(wěn)定三個條件，判斷一個反饋振蕩電路能否正常工作，需考慮以下幾點：(1)可變增益放大器件(晶體管，場效應管或集成電路)應有正確的直流偏置，起振開始時應工作在甲類狀態(tài)，以便于起振。(2)開始起振時，環(huán)路增益幅值應大于1。由于反饋網(wǎng)絡通常由無源器件組成，反饋系數(shù)F通常小于1，故要求A

(jw0)必須大于1。一般共發(fā)射極、共基極電路都可以滿足這一條件。另外，為了增大A(jw0)，負載電阻不能太小。(3)環(huán)路增益的相位在振蕩頻率點應為2π的整數(shù)倍，即環(huán)路應為正反饋。(4)選頻網(wǎng)絡在振蕩頻率點附近應具有負斜率的相頻特性例1判斷圖示各反饋振蕩電路能否正常工作。

電路由兩級共發(fā)射極反饋電路組成，其瞬時極性如圖中所標注，所以是正反饋。LC并聯(lián)回路同時擔當選頻和反饋作用，且在諧振頻率點上反饋電壓最強。在討論選頻網(wǎng)絡的相頻特性時，一定要注意應采用其阻抗特性還是導納特性。對于圖(a)，LC并聯(lián)回路輸入的是VT2的集電極電流ic2，輸出的是反饋到VT1發(fā)射結的電壓ube1，所以應采用其阻抗特性。根據(jù)圖1.7可知,并聯(lián)回路的阻抗相頻特性在諧振頻率點上具有負斜率。綜上所述，圖(a)所示電路滿足相位條件及其相位穩(wěn)定條件，因此能夠正常工作。

由于并聯(lián)回路導納的相頻特性在諧振頻率點上是正斜率，所以不滿足相位穩(wěn)定條件。

根據(jù)瞬時極性判斷法，如把LC并聯(lián)回路作為一個電阻看待，則為正反饋。

但LC并聯(lián)回路在諧振頻率點的阻抗趨于無窮大，正反饋最弱。

同時對于此LC并聯(lián)回路來說，其輸入是電阻Re2上的電壓，輸出是電流，所以應采用其導納特性。綜上所述，圖(b)電路不能正常工作。

圖(b)不同之處在于用串聯(lián)回路置換了并聯(lián)回路。由于LC串聯(lián)回路在諧振頻率點的阻抗趨于零，則VT1輸入端的正反饋最強，且其導納的相頻特性在諧振頻率點上是負斜率，滿足相位穩(wěn)定條件，所以圖(c)所示電路能正常工作。另外，圖(c)中在VT2的發(fā)射極與VT1的基極之間增加了一條負反饋支路，用以穩(wěn)定電路的輸出波形。例2下圖所示為互感耦合反饋振蕩器，畫出其高頻等效電路，并注明電感線圈的同名端。＋－＋＋＋－＋－－＋－＋－＋＋－例3試將下圖所示的幾種振蕩器交流等效電路改畫成實際電路，對于互感耦合振蕩器電路須標注同名端，對雙回路振蕩器須注明回路固有諧振頻率的范圍。例4：下圖是三個諧振回路振蕩器的交流等效電路。如果電路參數(shù)之間的關系式為：（1）L1C1>L2C2>L3C3；（2）L1C1=L2C2<L3C3.試問電路能否起振？若能起振，則屬于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系？

由題意可知，三個并聯(lián)諧振回路的諧振頻率分別為解：該電路作為三點式振蕩電路，它可能振蕩的相位平衡條件是b-e，c-e間的電抗性質(zhì)相同，b-c間為另一種性質(zhì)的電抗,即“射同余異”（1）L1C1>L2C2>L3C3時，ω1<ω2<ω3

三個回路的電抗曲線和合成曲線如右圖所示。

可以滿足x=x1+x2+x3=0的角頻率為ωI和ωII兩個。其中唯有ωII滿足相位平衡條件，其中：ω2

＜ωⅡ＜ω3，因而電路可振蕩在ωII上，此時c-e和b-e間呈容抗，b-c間呈感抗，電路屬于電容三點式振蕩器。（2）L1C1=L2C2<L3C3時，ω1=ω2>ω3

三個回路的電抗曲線和合成曲線如右圖所示?？梢钥吹?，滿足x=x1+x2+x3=0的角頻率為ω0,且在角頻率上滿足相位平衡條件，因而電路可能振蕩在ω0上。此時：ω3

＜ω0＜

ω1

，c-e，b-e間呈現(xiàn)感抗，b-e間呈現(xiàn)容抗，是電感三點式振蕩電路。例5

檢查圖示的振蕩器線路，有那些錯誤？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）檢查交流通路是否正確及是否存在正反饋，正反饋的判斷對互感耦合電路應檢查同名端，對三端式電路檢查是否滿足“射同余異”的組成原則；（2）檢查直流通路是否正確。需要進一步注意的是，為了滿足起振的振幅條件，起振時應使放大器工作在線性放大區(qū)，即對于三極管電路，直流通路應使得be結正偏、bc結反偏。解：圖（a）為互感耦合的振蕩器，交流通路正確，但反饋為負反饋，故應改變同名端；檢查直流通路發(fā)現(xiàn)，基極直流電位被短路接地，故應加隔直電容。改正后的電路如圖所示。圖（b）為三端式的振蕩器，檢查交流通路時發(fā)現(xiàn)基極懸空，而發(fā)射極由于旁路電容CE存在，使其短路接地，回路電容C1被短路掉，故去掉旁路電容CE、基極增加一旁路電容，這樣才滿足三端式組成原則；直流通路正確。改正后的電路如圖所示。討論：在高頻電子線路中，直流要有直流通路，交流要有交流通路，必須要遵守。分析時，一般先檢查交流通路是否正確，是否滿足正反饋的要求，再檢查直流通路是否正確，這樣不易出錯。上述步驟全部完成后，再復查一下，以免顧此失彼.ECLC2C3C1Rb1Rb2CbReRc例6：如圖所示，C1＝C2＝1000pFL=20uH,QL=50,C3=68~125pF,若gm=8.2mS,求振蕩頻率范圍。解：當C3＝125pF時，CΣ≈C3當C3減小到一定時，起振條件不滿足，將停振。例7:

如圖是一電容反饋振蕩器的實際電路，已知,要求工作在波段范圍：試計算回路電感L和電容C0。負載電阻，晶體管輸入電阻若要求起振時環(huán)路增益問要求的跨導和靜態(tài)工作電流必須多大？，設回路無載題意分析：在分析振蕩器時，其工作頻率可以用回路的諧振頻率近似表示，由諧振頻率的計算公式就可以得到回路的參數(shù)。由于振蕩器工作在波段范圍，不同頻率時呈現(xiàn)的諧振阻抗不同，在晶體三極管的輸出端呈現(xiàn)的等效電阻也就不同，放大器的增益也將不同，起振條件隨之發(fā)生變化，故要考慮到波段內(nèi)所有頻率都應能正常起振，要求的才行。

應大于計算出的則故討論：振蕩器波段工作是靠改變電容實現(xiàn)的，波段低端頻率對應的總電容值較大，波段高端頻率對應的總電容值較小。另外，對于諧振回路而言，雖然無載Q0不變，但頻率改變也會影響諧振阻抗，從而改變起振的振幅條件；在關系式中，負載阻抗RΣ是指晶體管發(fā)射極和集電極之間呈現(xiàn)的阻抗大小，即交流通路中所有的負載阻抗在C、E兩端反映。對于該電路，應考慮晶體管輸入電阻在C、E端的反映阻抗，也應考慮回路本身的損耗在C、E端的反映阻抗以及所加的實際負載在C、E端的反映阻抗，本題都是部分接入方式，輸入阻抗的影響可以看成由部分（B、E兩端）到全部（回路兩端），再由全部到部分（C、E兩端）；而回路的諧振阻抗與實際負載是并聯(lián)連接，它們的影響是由全部到部分（C、E兩端）。解：其中C為（C1串C2）并C0并C3，即因此解得由于3.6晶體振蕩器(CrystalOscillator)1石英晶體的物理特性：石英是礦物質(zhì)硅石的一種（也可人工制造），化學成分是SiO2，其形狀為結晶的六角錐體。圖(a)表示自然結晶體，圖(b)表示晶體的橫截面。為了便于研究，人們根據(jù)石英晶體的物理特性，在石英晶體內(nèi)畫出三種幾何對稱軸，連接兩個角錐頂點的一根軸ZZ，稱為光軸，在圖(b)中沿對角線的三條XX軸，稱為電軸，與電軸相垂直的三條YY軸，稱為機械軸。

Y

X1

X

Y

Z

Y

Y

X

X

Y

Y

X

X

Y

Y

X

X

(a)

(b)

沿著不同的軸切下，有不同的切型，X切型、Y切型、AT切型、BT、CT……等等。石英晶體具有正、反兩種壓電效應。當石英晶體沿某一電軸受到交變電場作用時，就能沿機械軸產(chǎn)生機械振動，反過來，當機械軸受力時，就能在電軸方向產(chǎn)生電場。且換能性能具有諧振特性，在諧振頻率，換能效率最高。

石英晶體和其他彈性體一樣，具有慣性和彈性，因而存在著固有振動頻率，當晶體片的固有頻率與外加電源頻率相等時，晶體片就產(chǎn)生諧振。2石英晶體振諧器的等效電路和符號

石英片相當一個串聯(lián)諧振電路，可用集中參數(shù)Lq、Cq、rq來模擬，Lq為晶體的質(zhì)量（慣性），Cq

為等效彈性模數(shù)，rg

為機械振動中的摩擦損耗。

右圖表示石英諧振器的基頻等效電路。電容C0稱為石英諧振器的靜電容。其容量主要決定于石英片尺寸和電極面積。

一般C0在幾PF～幾十PF。式中

—石英介電常數(shù)，s—極板面積，d—石英片厚度

C0

rq

Cq

Lq

JT

b

a

rqLqCqCoab石英晶體的特點是：①等效電感Lq特別大、等效電容Cq特別小，因此，石英晶體的Q值很大，一般為幾萬到幾百萬。這是普通LC電路無法比擬的。

②由于，這意味著等效電路中的接入系數(shù)很小,因此外電路影響很小。3石英諧振器的等效電抗（阻抗特性）石英晶體有兩個諧振角頻率。一個是左邊支路的串聯(lián)諧振角頻率q，即石英片本身的自然角頻率。另一個為石英諧振器的并聯(lián)諧振角頻率p。串聯(lián)諧振頻率

并聯(lián)諧振頻率

顯然

接入系數(shù)p很小，一般為10-3數(shù)量級，所以p與q很接近。上式忽略rq

后可簡化為

當

=q時z0=0Lq、Cq串諧諧振，當

=p，z0=，回路并諧諧振。當為容性。當時,jx0

為感性。其電抗曲線如上圖所示。

xo

容性

O

容性

wq

wp

感性

并不等于石英晶體片本身的等效電感Lq。石英晶體濾波器工作時，石英晶體兩個諧振頻率之間感性區(qū)的寬度決定了濾波器的通帶寬度。

必須指出，在q與p的角頻率之間，諧振器所呈現(xiàn)的等效電感?電感性電容性電容性二,晶體振蕩器電路(CircuitofCrystalOscillators)仿真2.振蕩條件的近似分析3電路的諧振頻率的估算:??ωq?ω???電感性電容性電容性

石英片的振動具有多諧性，除基頻振動外，還有奇次諧波的泛音振動，利用石英諧振器的泛音振動特性對頻率實行控制的振蕩器稱為泛音晶體振蕩器。這種振蕩器可以將振蕩頻率擴展到甚高頻以至超高頻頻段。

采用AT切割石英片的基頻頻率一般都限制在20MHz以下。因為此時石英片的厚度僅有0.041mm，頻率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的強度。

因此，要求更高的工作頻率時，一般均是泛音晶體，其泛音次數(shù)通常選為3～7次泛音。泛音次數(shù)太高，晶體的性能也將顯著下降。

石英晶體的機械諧波（泛音）和電路中諧波的區(qū)別：

電路中諧波是基波的整數(shù)倍，是同時并存的。

泛音是基波的奇數(shù)倍，不能同時并存的。3.泛音晶體振蕩器fX1次3次5次7次

泛音晶體振蕩器的振蕩環(huán)路中必須包含兩個振蕩回路。

其中一個作為放大器的選擇性負載，即作泛音選擇電路，該電路使環(huán)路僅在所限定的泛音振蕩頻率上符合振蕩的相位平衡條件或振幅平衡條件。

泛音選擇電路設計在

n次泛音和（n-2）次泛音之間。

泛音晶體振蕩器的振蕩頻率是5次泛音，泛音選擇電路設計在

5

次泛音和3

次泛音之間。（5次泛音）使用石英晶體諧振器時應注意以下幾點:(1)石英晶體諧振器的標稱頻率都是在出廠前,在石英晶體諧振器上并接一定負載電容條件下測定的,實際使用時也必須外加負載電容,并經(jīng)微調(diào)后才能獲得標稱頻率。(2)石英晶體諧振器的激勵電平應在規(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,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。(4)晶體振蕩器中一塊晶體只能穩(wěn)定一個頻率,當要求在波段中得到可選擇的許多頻率時,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。10P36P12P12P36P10P6800P6800P30K2.7K5.6P-12V輸出例3.18：如圖所示，畫出其交流通道，并判斷石英晶體的作用，求出振蕩頻率。晶體有高Q短路器作用解：例10

一晶體振蕩器電路如圖所示，（1）畫出交流等效電路，指出是何種類型的晶體振蕩器。（2）該電路的振蕩頻率是多少？（3）晶體在電路中的作用。（4）該晶振有何特點？題意分析：畫出交流等效電路后，看晶體是回路的一部分，還是反饋網(wǎng)絡的一部分。如果晶體是回路的一部分時，晶體振蕩器稱為并聯(lián)型晶振，晶體起等效電感的作用；晶體是反饋網(wǎng)絡的一部分時，晶體振蕩器稱為串聯(lián)型晶振，晶體起選頻短路線的作用。對于晶體振蕩器電路，其工作頻率可以認為就是晶體的標稱頻率。解：交流等效電路如圖所示，由圖可知，該電路是串聯(lián)型晶體振蕩器，其工作頻率為晶體的標稱頻率，即5MHz。在電路中，晶體起選頻短路線的作用。該晶振的特點是頻率穩(wěn)定度很高。討論：在串聯(lián)型晶振中，只有振蕩器的工作頻率為晶體的標稱頻率時，晶體才相當于一短路線，電路的反饋最強，滿足振幅條件，電路能正常工作；如果偏離標稱頻率，晶體呈現(xiàn)的阻抗將增大，反饋將減弱，影響振幅條件，導致電路不能正常工作，故在串聯(lián)型晶振中晶體起選頻短路線的作用。另外，晶振電路的工作頻率為晶體的標稱頻率，從上面的說明中也可以知道。本題告訴了晶體的標稱頻率，如果沒有直接告訴標稱頻率，而只給出晶體的參數(shù)，那么計算出晶體的串聯(lián)諧振頻率，用串聯(lián)諧振頻率代替即可。例11

一晶體振蕩器交流等效電路如圖所示，（1）該電路屬于何種類型的晶體振蕩器，晶體在電路中的作用是什么？（2）畫出該電路的實際線路；（3）若將5MHz的晶體換成2MHz的晶體，該電路是否能正常工作，為什么？題意分析：該電路中晶體是回路的一部分，因此為并聯(lián)型晶體振蕩器，但振蕩器要能正常工作，必須使470uH的電感L與330pF的電容C1構成的回路呈現(xiàn)容性，顯然這是一個泛音晶體振蕩器。470uH的電感L所起的作用就是抑制基頻及低的泛音。設計實際線路時應注意振幅起振條件，為此起振時放大器應工作在線性放大狀態(tài)，即初始時要保證三極管的BE結正偏、BC結反偏，故基極一般采用分壓偏置電路解：由于電感L與電容C1構成的回路，其諧振頻率為

而晶體的標稱頻率為5MHz，電感L與電容C1構成的回路在5MHz時呈現(xiàn)容性，振蕩器可以在5MHz工作。由此可見，這是一個并聯(lián)型泛音晶振電路，晶體起等效電感的作用。該電路的實際線路如圖所示。討論：在工作頻率較高時，晶振電路一般使用泛音晶振，為了工作在泛音情況下，應如圖所示加一抑制基頻（工作在3次泛音下）或低次泛音（工作在較高的泛音下）的諧振回路。在畫實際線路時，除考慮初始時放大器工作在線性放大區(qū)外，還應注意滿足交流有交流通路、直流有直流通路的原則，為了使得振蕩器工作穩(wěn)定，一般應有自偏壓措施。

如果晶體換成2MHz，則2MHz時電感L與電容C1構成的回路呈現(xiàn)感性，不滿足三端式振蕩器的組成原則，故電路不能正常工作。例3.14：圖例(a)、(b)分別為10MHz和25MHz的晶體振蕩器。試畫出交流等效電路，證明晶體的作用，并計算反饋系數(shù)kfv.解：對于圖（a）所示的10MHz晶體振蕩器，忽略偏置電阻的影響，它的等效電路如圖（c）示。按照相位平衡條件，晶體應等效為感抗，應滿足ωs<ωo<ωp,屬于并聯(lián)型晶體振蕩器中的皮爾斯振蕩電路。其反饋系數(shù)為

對于圖（b）所示的25MHz晶體振蕩器，忽略偏置電阻的影響，它的等效電路如圖（d）示。

按照相位平衡條件，晶體相當于一個具有高選擇性的短路元件，應滿足ωs＝ωo，故屬于串聯(lián)型晶體振蕩電路。其反饋系數(shù)為3.8RC振蕩器V1+Vc

-VoV1+VR-VOIIVoIVCV1φφV1VOIVR

v2+v1-FffofI二文氏電橋振蕩器例5-1振蕩電路如圖(a)所示，試畫出交流等效電路，并判斷電路在什么條件下起振，屬于什么形式的振蕩電路？

2)根據(jù)交流等效電路可知，因為xeb為容性電抗，為了滿足三端電路相位平衡判斷準則，xce也必須呈容性。同理，xcb應該呈感性。(b)(a)

解1)根據(jù)畫交流等效電路原則，將所有偏置視為開路，將耦合電容、交流