高頻第4章-正弦波振蕩器

諧振頻率ω0=

第一章小結(jié)

特性阻抗并聯(lián)：串聯(lián)：串聯(lián)到并聯(lián)：

并聯(lián)到串聯(lián)：

第4章正弦波振蕩器反饋式振蕩器的工作原理LC正弦波振蕩器石英晶體振蕩器壓控振蕩器振蕩器的頻率穩(wěn)定度主要內(nèi)容：高頻電路1.概述

高功放不需外加激勵，自身將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。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。作用及性能要求

1、

振蕩器：在電子電路中，除了要有對信號進行放大的電路外，還需要有能在沒有激勵信號情況下產(chǎn)生周期振蕩信號的電子電路即振蕩器。2、比較：與放大器相同，振蕩器也是一種能量轉(zhuǎn)換器；不同的是，振蕩器無需外部激勵就能自動將直流電源提供的功率轉(zhuǎn)換為一定頻率和幅度的交流信號功率輸出。

3、組成及分類：

組成：一般由晶體管等有源器件和具有選頻作用的無源網(wǎng)絡(luò)組成根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的器件分為：LC振蕩器、晶體振蕩器、

RC振蕩器。振蕩器輸出信號的衡量指標：1、振蕩頻率：輸出信號頻率的準確度和穩(wěn)定度；2、信號幅度：振幅的大小與穩(wěn)定度；3、波形及波形的失真；4、輸出功率，要求輸出能驅(qū)動一定的負載。

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。LCR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。由于實際的LC回路本身總是有正電阻的，因此必須人為地引入一個負電阻，將回路本身的正電阻完全抵消，以獲得等幅振蕩。δ2＜ω2時產(chǎn)生振蕩電流的情形

當R為負值時，振蕩振幅將隨時間而增長，得到增幅振蕩波形。如果R的負值不變，則振幅將繼續(xù)無限制地增長，但這在實際上是不可能的。因為一個振蕩器開始振蕩時，回路的等效串聯(lián)電阻為負值（由有源器件供給負阻），隨著振蕩振幅的增長，有源器件的工作狀態(tài)逐漸改變，負電阻的絕對值逐漸減小。最后負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。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行，其頻率決定于元件的數(shù)值。2）一個能量來源，補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。

LC振蕩器的基本工作原理4.1

反饋式振蕩器的工作原理放大器

A（jw）反饋網(wǎng)絡(luò)

F（jw）Σ基本放大器的增益反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)放大器

A（jw）反饋網(wǎng)絡(luò)

F（jw）Σ反饋放大器的增益：當無限大，構(gòu)成反饋型振蕩器

電源有源器件

選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)P90習(xí)題4-1電路組成晶體管反饋網(wǎng)絡(luò)

LC選頻網(wǎng)絡(luò)uiuf當振蕩器接通電源后，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。由于正反饋作用，諧振頻率信號越來越強，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，而是在達到一定數(shù)值后，便自動穩(wěn)定下來。一、維持振蕩的平衡條件反饋振蕩器的環(huán)路增益：等幅振蕩的平衡條件：放大器

A（jw）

反饋網(wǎng)絡(luò)

F（jw）Σ平衡分為兩個條件(1)振幅平衡條件：環(huán)路增益的模為1(2)相位平衡條件：環(huán)路增益的相移為0即，相位相同。振蕩器環(huán)路增益的相頻特性：取決于環(huán)路中的選頻回路的相頻特性，與回路的Q值相關(guān)，Q越大，選頻濾波功能越好。實驗一正弦波振蕩器實驗性質(zhì)：驗證性實驗實驗內(nèi)容：1、調(diào)試LC振蕩電路特性，觀察各點波形并測量其頻率2、觀察振蕩狀態(tài)與晶體管工作狀態(tài)的關(guān)系3、觀察反饋系數(shù)對振蕩器性能的影響4、比較LC振蕩器和晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度5、觀察溫度變化對振蕩頻率的影響實驗?zāi)康呐c要求：1、掌握晶體管（振蕩管）工作狀態(tài)、反饋大小對振蕩幅度與波形的影響;2、掌握改進型電容三點式正弦波振蕩器的工作原理及振蕩性能的測量方法;3、研究外界條件變化對振蕩頻率穩(wěn)定度的影響;4、比較LC振蕩器和晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度，加深對晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度高的原因理解;注意要點：遵守實驗室的各項規(guī)章制度二、自激振蕩無需外加初始激勵信號，利用振蕩電路自身條件建立起等幅振蕩的過程。其物理過程分為自激起振和自動平衡兩個過程。1、自激起振振蕩器的原始輸入信號：是在接通電源瞬間引起的電壓突變，以及電路內(nèi)部的各種微弱噪聲通過振蕩環(huán)路的選頻回路的選頻，送入放大器放大和反饋形成的。自激起振的過程中：反饋電壓與輸入電壓必須是同相的(1)振幅起振條件(2)相位起振條件：環(huán)路增益的相位為0，

滿足正反饋條件振蕩器自激時應(yīng)注意的問題（P71）2、自動平衡過程起振過程：輸出幅度不斷增大的過程。自動平衡：振蕩器輸出電壓的幅度增加到一定大小時不再增大，而自動轉(zhuǎn)換成等幅振蕩達到平衡。環(huán)路增益：非線性器件：晶體管(或場效應(yīng)管)。非線性特性使放大器的增益A隨輸入信號的增大而減小。環(huán)路增益：滿足環(huán)路起振和平衡條件的環(huán)路增益特性三、振蕩器的穩(wěn)定條件振蕩器進入平衡狀態(tài)，受到外界不穩(wěn)定因素的干擾，使振蕩器偏離平衡狀態(tài)。例：所以振蕩器偏離了平衡狀態(tài)。不穩(wěn)定因素消失，振蕩器自動回到平衡點的能力。

相位增長引起振蕩頻率增大增益增大引起輸出電壓增大振蕩電路中

若有：穩(wěn)定條件：電路具有頻率和相位總是起相反變化的

特性。

1、相位平衡的穩(wěn)定條件相位減小，頻率增大平衡點回路的Q越大，振蕩器

的穩(wěn)定性越好。

如：LC并聯(lián)諧振回路的相頻

特性為：振蕩器的環(huán)路增益T的變化與輸出電壓幅度變化相反。

2、振幅平衡的穩(wěn)定條件平衡點回到平衡態(tài)P90

習(xí)題4-2四、反饋振蕩電路的判斷

判斷一個反饋振蕩電路能否正常工作,需分析是否滿足起振、平衡和穩(wěn)定三個條件。(1)是否具有正反饋

若是正反饋，則電路可能會振蕩，否則無法振蕩。(2)如電路滿足正反饋，則判斷電路的起振條件

A、電路中放大器是否有正確的直流偏置

B、環(huán)路增益T是否大于1，若大于1可起振(3)環(huán)路增益T應(yīng)具有負斜率，選頻網(wǎng)絡(luò)的相頻特性也應(yīng)為負斜率思考題1、反饋型正弦波振蕩器由幾部分組成？各自的作用是什么？2、電路中存在有正反饋，此電路是否一定可以產(chǎn)生自激振蕩？為什么？3、簡述反饋型正弦波振蕩器的起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件。4.2LC正弦振蕩器采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器。振蕩頻率近似等于LC諧振回路的諧振頻率，此時諧振阻抗為純電阻。構(gòu)成LC振蕩器時應(yīng)注意的問題P74按照反饋元件分為：互感耦合振蕩器和三點式振蕩器（包括電容反饋振蕩器和電感反饋振蕩器）LC正弦波振蕩器的分類：據(jù)調(diào)諧電路與放大管的不同連接位置又分為集電極調(diào)諧型、發(fā)射極調(diào)諧型和基極調(diào)諧型。1、互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器又稱變壓器反饋振蕩器或調(diào)諧型振蕩器，據(jù)調(diào)諧電路與放大管的不同連接位置分為集電極調(diào)諧型、發(fā)射極調(diào)諧型和基極調(diào)諧型。集電極調(diào)諧型互感耦合振蕩器互感耦合電路特點及存在的缺陷

在互感耦合振蕩器中，考慮到基極－發(fā)射極之間輸入阻抗較低，晶體管與諧振回路一般都采用部分連接，從而加大反饋量，易于起振。三種電路中共基電路功率增益較小，輸入阻抗也低，難以起振，但截止頻率高，故工作頻率高，另外，其內(nèi)部反饋小，工作比較穩(wěn)定，所以得到應(yīng)用。

互感耦合元件的分布電容及漏感較大，會限制振蕩頻率的提高，所以它只適用于較低頻率。

此種振蕩器適合工作在中、短波波段。P91

習(xí)題4-4abc三點式振蕩器基本結(jié)構(gòu)圖4.2.3

三點式LC振蕩器采用LC回路部分接入形式來實現(xiàn)阻抗變換，以降低晶體管的輸入阻抗對選頻回路的影響。諧振頻率決定于：反饋系數(shù)決定于：一、基本特征晶體管的三個電極分別同諧振回路的三個端點相連，故稱為三點式振蕩器。二、構(gòu)成三點式振蕩器的一般原則（相位平衡條件）

(1)與發(fā)射極（或漏極）相連的兩個電抗元件的電抗性質(zhì)必須相同；(2)另一個電抗元件與發(fā)射極相連的電抗元件性質(zhì)相反。1、電容三點式振蕩器(考畢茲電路)三、兩種典型的三點式振蕩器電路電容三點式振蕩器反饋系數(shù)：2、電感三點式振蕩器(哈特萊電路)電感三點式振蕩器M為L1和L2之間的互感系數(shù)反饋系數(shù)：例：根據(jù)相位平衡條件的判斷準則來判斷那個可能振蕩，那個不能？能振蕩的電路是什么振蕩器？有什么限制條件？(a)(b)不能振蕩不能振蕩(c)(d)可能振蕩，電容三點式振蕩器但L和C3串聯(lián)要表現(xiàn)為感性可能振蕩，電容三點式振蕩器但L1和C1并聯(lián)要表現(xiàn)為容性P91習(xí)題4-4d-i

三點式振蕩器電路性能的分析以電容式振蕩器為例對其性能進行分析C1C2LLECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc+uce-+ube

-LECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc晶體管用混合模型代替電容三點式等效電路

電感的損耗并聯(lián)電阻進一步等效若因為晶體管的，是隨外界條件(溫度、電源)變化而隨機變化的參數(shù)。所以振蕩頻率不穩(wěn)定。2、電感三點式振蕩器

在高頻交流中，電源Ec處于高頻地電位，由于旁路電容Ce的作用，發(fā)射極對于高頻是與L1、L2的抽頭相連。分析方法同電容式三點式振蕩器，只是此時回路總電感L=L1+L2±2M.3、電容與電感三點式振蕩的優(yōu)缺點(1)電感三點式不適合太高頻率工作，而電容三點式可在很高頻率下工作；(2)電容三點式比電感產(chǎn)生的波形要好，比較光滑；(3)電感三點式可通過調(diào)節(jié)電容C來調(diào)節(jié)振蕩頻率；

(4)三點式振蕩器的頻率穩(wěn)定度都不高。

四、改進型的三點式振蕩器1、克拉潑(clapp)振蕩器2、西勒(seiler)振蕩器

有效改變振蕩器的頻率而不影響環(huán)路增益。調(diào)節(jié)電容C4可以改變振蕩器的頻率。該電路可以用于頻率調(diào)節(jié)范圍較寬的場合。幾種三點式振蕩器的比較1、石英振蕩器的物理特性石英晶體是SiO2的天然晶體。它的形狀是六棱柱錐體，它的橫斷面是正六邊形。4.3石英晶體振蕩器

晶體的形狀及橫斷面

(a)晶體外形；(b)橫斷面２、石英晶振的阻抗頻率特性

安裝電容C0約１pF～１０ｐF

動態(tài)電感Lq約10-3H～102H

動態(tài)電容Cq約10-4pF～10-1pF

動態(tài)電阻rq約幾十歐到幾百歐

１）石英晶振的Ｑ值和特性阻抗ρ都非常高。Ｑ值可達幾萬到幾百萬,因為第1章中有關(guān)石英晶體的結(jié)構(gòu)與特性：P26-27CoCqLqrqfsfp電容性電容性電感性fXqO二、石英晶體振蕩器電路按照晶振在電路中所起的作用不同可分為兩大類型：CLJTC1C2JT電容三點式振蕩電路電感三點式振蕩電路ECJTC2CC1Rb1Rb2CbReLc晶體C1C2JTC皮爾斯振蕩器（基音晶體振蕩電路）C1C2JTC無論C如何變化，所以頻率穩(wěn)定度高。（1）確保振蕩器的諧振回路準確調(diào)諧在所需的某奇次泛音頻率上。泛音晶體振蕩器（并聯(lián)型）（2）有效防止基頻和其他泛音頻率上的寄生振蕩。設(shè)計時應(yīng)注意：

泛音晶振的原理電路及L1C1回路電抗曲線

(a)交流電路；(b)電抗曲線泛音晶體振蕩器C1C2C3JTLRb1Rb2RcReCbCcC1C2C3JTCoLEc調(diào)節(jié)C2使諧振回路頻率等于晶振器的串聯(lián)諧振頻率時，晶振器表現(xiàn)為近似短路。例：一晶體振蕩電路如圖所示，其中，

可變，，，試分析該電路中晶體的作用，并求出該電路的振蕩頻率。簡述在并聯(lián)型晶振電路和串聯(lián)型晶振電路中，石英晶體分別所起的作用？4.4壓控振蕩器壓控振蕩器（VCO）：振蕩頻率隨外加控制電壓的變化而變化的振蕩器。壓控振蕩器的特性曲線1、壓控振蕩器的主要指標：(1)頻率范圍：頻率覆蓋系數(shù)為：

(2)線性度：

(3)壓控靈敏度：單位控制電壓產(chǎn)生的頻率變化量，單位Hz/V2、構(gòu)成VCO的一般方法

(2)張馳振蕩器：多諧振蕩器

(1)帶有調(diào)諧回路（LC諧振回路）的振蕩器：用控制電壓來改變回路中電抗元件值，從而實現(xiàn)頻率控制。4.4.2變?nèi)荻O管壓控振蕩器利用變?nèi)荻O管作為可變電容的調(diào)諧振蕩器。變?nèi)荻O管：在二極管的反向偏置條件下，勢壘電容隨外加電壓而變化。結(jié)電容與外加電壓的關(guān)系：二極管PN結(jié)的勢壘電位差偏置為零時(VD=0)的電容值n是電容變?nèi)葜笖?shù)，與工藝有關(guān)LC壓控振蕩器

變?nèi)荻O管接入LC振蕩器電路中，組成LC壓控振蕩器。（克拉潑振蕩電路）振蕩頻率受二極管的控制。P86一、振蕩器頻率的準確度和穩(wěn)定度4.5振蕩器的頻率穩(wěn)定度1、準確度：指振蕩器的實際頻率值fx對應(yīng)標稱值f0的相對偏離。2、穩(wěn)定度：指在一定的時間間隔內(nèi)頻率準確度的變化情況，也可為一定時間內(nèi)振蕩頻率最大相對偏差率。

振蕩頻率主要是由并聯(lián)諧振回路的參數(shù)LC決定，也與晶體管的輸入電容、輸出電容有關(guān)。二、導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定的因素(1)振蕩器元件的老化或某些元件參數(shù)的變化；(2)振蕩器的工作環(huán)境條件（如溫度、濕度、電源電壓、磁場等外界因素）變化會引起元件參數(shù)的變化。一是要盡量減小外界因素的影響；二是從振蕩電路本身想辦法，改進電路，提高電路抵抗外界影響的能力。三、提高頻率穩(wěn)定度的措施(1)減小外界因素變化的影響P89；(2)提高振蕩電路標準P89。4.6振蕩器中的幾種現(xiàn)象

1、間歇振蕩振蕩器中出現(xiàn)周期性起振和停振，振蕩波形出現(xiàn)斷續(xù)的現(xiàn)象。2、寄生振蕩

在高頻放大器或振蕩器中，由于某種原因，會產(chǎn)生不需要的振蕩信號，這種振蕩稱為寄生振蕩。產(chǎn)生寄生振蕩的形式和原因是各種各樣的,有單級和多級振蕩,有工作頻率附近的振蕩或者是遠離工作頻率的低頻或超高頻振蕩。3、頻率占據(jù)

一個振蕩器在其反饋回路引入一個外來振蕩信號，當外來振蕩信號頻率與振蕩器頻率很接近時，振蕩器頻率將會等于外來振蕩信號的頻率，產(chǎn)生了強迫同步，這種現(xiàn)象稱為頻率占據(jù)。

實驗二調(diào)幅與大信號檢波實驗性質(zhì)：驗證性實驗實驗內(nèi)容：1、調(diào)試集電極調(diào)幅電路特性，觀察各點輸出波形2、改變輸入信號大小，觀察電流波形3、觀察檢波器的輸出波形實驗?zāi)康呐c要求：1、進一步加深對集電極調(diào)幅和二極管大信號檢波工作原理的理解2、掌握動態(tài)調(diào)幅特性的測試方法3、掌握利用示波器測量調(diào)幅系數(shù)ma的方法4、觀察檢波器電路參數(shù)對輸出信號失真的影響注意要點：遵守實驗室的各項規(guī)章制度第4章習(xí)題一、選擇題1、并聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體在電路中起()作用。

A.電阻B.電容C.電感D.短路2、串聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體在電路中起()作用。

A.電阻B.電容C.電感D.短路3、為提高振蕩頻率的穩(wěn)定度，高頻正弦波振蕩器一般選用（）。A．LC正弦波振蕩器B．晶體振蕩器C．RC正弦波振蕩器

4、試用自激振蕩的相位條件判別下圖能產(chǎn)生自激振蕩的電路（）。5、正弦振蕩器中選頻網(wǎng)絡(luò)的作用是（）

A．產(chǎn)生單一頻率的正弦波B．提高輸出信號的振幅

C．保證電路起振A.

B.

C.

D.6、石英晶體諧振于fs時，相當于LC回路的（）。A.串聯(lián)諧振現(xiàn)象B.并聯(lián)諧振現(xiàn)象C.自激現(xiàn)象D.失諧現(xiàn)象7、判斷下圖是哪一類振蕩器（）。

A.電感三點式B.電容三點式C.改進的電容三點式D.變壓器耦合式8、電容三點式LC正弦波振蕩器與電感三點式LC正弦波振蕩器比較，優(yōu)點是（）。A.電路組成簡單B.輸出波形好C.容易調(diào)節(jié)振蕩頻率D.頻率穩(wěn)定度高9、改進型電容三點式振蕩器的主要優(yōu)點是（）。

A.容易起振B.振幅穩(wěn)定C.頻率穩(wěn)定度較高D.減小諧波分量10、石英晶體振蕩器的主要優(yōu)點是（）。A.容易起振B.振幅穩(wěn)定C.頻率穩(wěn)定度高D.減小諧波分量11．如圖所示電路，以下說法正確的是（

）。A.該電路可以產(chǎn)生正弦波振蕩B.該電路不能產(chǎn)生正弦波振蕩，原因在于振幅平衡條件不能滿足；C.該電路不能產(chǎn)生正弦波振蕩，原因在于相位平衡條件不能滿足；D.該電路不能產(chǎn)生正弦波振蕩，原因在于振幅平衡、相位平衡條件均不能滿足；12、振蕩器的平衡條件為()。

A.

B.C.

D.

13、振蕩器的起振條件為()。

A.

B.

C.

D.

14、判斷下圖是哪一類振蕩器（）。

A．考畢茲電路B．哈特萊電路C．西勒電路D．克拉潑電路15、

如下圖2所示的振蕩器屬于()振蕩器。

A.考畢茲B.石英晶體

C.克拉潑D.西勒二、填空題1、石英晶體在并聯(lián)型晶體振蕩器中起____作用，在串聯(lián)型晶體振蕩器中起____作用。電感短路

2、根據(jù)石英晶體的電抗特性，當時，石英晶體呈

，當時，石英晶體呈

性，當或時，石英晶體呈

性。短路電感電容3、反饋型振蕩器維持振蕩的振幅平衡條件為_______________

，相位平衡條件為____________________。

4、正弦波振蕩器由

、

、

三部分組成。有源器件