高頻電路原理與分析(第六版)課件：正弦波振蕩器

正弦波振蕩器4.1反饋振蕩器的原理4.2LC振蕩器4.3頻率穩(wěn)定度4.4LC振蕩器的設(shè)計(jì)考慮4.5石英晶體振蕩器4.6振蕩器中的幾種現(xiàn)象4.7RC振蕩器4.8負(fù)阻振蕩器思考題與習(xí)題4.1反饋振蕩器的原理

在電子線(xiàn)路中，除了要有對(duì)各種電信號(hào)進(jìn)行放大的電子線(xiàn)路外，還需要有能在沒(méi)有激勵(lì)信號(hào)的情況下產(chǎn)生周期性振蕩信號(hào)的電子電路，這種電子電路就稱(chēng)為振蕩器。在電子技術(shù)領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用著各種各樣的振蕩器，在廣播、電視、通信設(shè)備、各種信號(hào)源和各種測(cè)量?jī)x器中，振蕩器都是它們必不可少的核心組成部分之一。與放大器一樣，振蕩器也是一種能量轉(zhuǎn)換器，但不同的是振蕩器無(wú)需外部激勵(lì)就能自動(dòng)地將直流電源供給的功率轉(zhuǎn)換為指定頻率和振幅的交流信號(hào)功率輸出。振蕩器一般由晶體管等有源器件和具有某種選頻能力的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)組成。振蕩器的種類(lèi)很多，根據(jù)工作原理可以分為反饋型振蕩器和負(fù)阻型振蕩器等;根據(jù)所產(chǎn)生的波形可以分為正弦波振蕩器和非正弦波(矩形脈沖、三角波、鋸齒波等)振蕩器;根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的器件可以分為L(zhǎng)C振蕩器、晶體振蕩器、RC振蕩器等。在通信技術(shù)等領(lǐng)域正弦波振蕩器應(yīng)用非常廣泛，如發(fā)射機(jī)中正弦波振蕩器提供指定頻率的載波信號(hào)，在接收機(jī)中作為混頻所需的本地振蕩信號(hào)或作為解調(diào)所需的恢復(fù)載波信號(hào)等。另外，在自動(dòng)控制及電子測(cè)量等其它領(lǐng)域，正弦波振蕩器也有廣泛的應(yīng)用。因此，本章主要介紹輸出為正弦波的高頻振蕩器。4.1反饋振蕩器的原理4.1.1反饋振蕩器的原理分析反饋型振蕩器的原理框圖如圖4-1所示。由圖可見(jiàn)，反饋型振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路，放大器通常是以某種選頻網(wǎng)絡(luò)(如振蕩回路)作負(fù)載，是一調(diào)諧放大器，反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無(wú)源器件組成的線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)。為了能產(chǎn)生自激振蕩，必須有正反饋，即反饋到輸入端的信號(hào)和放大器輸入端的信號(hào)相位相同。圖4-1反饋型振蕩器原理框圖對(duì)于圖4-1，設(shè)放大器的電壓放大倍數(shù)為K(s)，反饋網(wǎng)絡(luò)的電壓反饋系數(shù)為F(s)，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為Ku(s)，則

(4-1)由

(4-2)(4-3)(4-4)得

(4-5)其中

(4-6)稱(chēng)為反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益。用s=jω代入，就得到穩(wěn)態(tài)下的傳輸系數(shù)和環(huán)路增益。由式(4-5)可知，若在某一頻率ω=ω1上T(jω1)等于1，Ku(jω)將趨于無(wú)窮大，這表明即使沒(méi)有外加信號(hào)，也可以維持振蕩輸出。因此自激振蕩的條件就是環(huán)路增益為1，即T(jω)=K(jω)F(jω)=1(4-7)通常又稱(chēng)為振蕩器的平衡條件。由式(4-6)還可知(4-8)

4.1.2平衡條件振蕩器的平衡條件即為T(mén)(jω)=K(jω)F(jω)=1也可以表示為T(mén)(jω)|=KF=1(4-9a)(4-9b)式(4-9a)和(4-9b)分別稱(chēng)為振幅平衡條件和相位平衡條件?，F(xiàn)以單調(diào)諧諧振放大器為例來(lái)看K(jω)與F(jω)的意義。若，，則由式(4-2)可得(4-10)式中，ZL為放大器的負(fù)載阻抗(4-11)Yf(jω)為晶體管的正向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納。(4-12)ZL應(yīng)該考慮反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)回路的負(fù)載作用，它基本上是一線(xiàn)性元件。是電流的基波頻率分量，當(dāng)晶體管在大信號(hào)工作時(shí)，它可對(duì)ic的諧波分析得到。與成非線(xiàn)性關(guān)系。因而一般來(lái)說(shuō)Yf和K都是隨信號(hào)大小而變化的。由式(4-3)可知，F(xiàn)(jω)一般情況下是線(xiàn)性電路的電壓比值，但若考慮晶體管的輸入電阻影響，它也會(huì)隨信號(hào)大小稍有變化(主要考慮對(duì)

的影響)。為分析方便，引入一個(gè)與F(jω)反號(hào)的反饋系數(shù)

(4-13)這樣，振蕩條件可寫(xiě)為(4-14)即振幅平衡條件和相位平衡條件分別可寫(xiě)為(4-15a)(4-15b)在平衡狀態(tài)中，電源供給的能量正好抵消整個(gè)環(huán)路損耗的能量，平衡時(shí)輸出幅度將不再變化，因此振幅平衡條件決定了振蕩器輸出振幅的大小。必須指出，環(huán)路只有在某一特定的頻率上才能滿(mǎn)足相位平衡條件，也就是說(shuō)相位平衡條件決定了振蕩器輸出信號(hào)的頻率大小，解

得到的根即為振蕩器的振蕩頻率，一般在回路的諧振頻率附近。4.1.3起振條件振蕩器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不應(yīng)有圖4-1所示的外加信號(hào)Us(s)，應(yīng)當(dāng)是振蕩器一加上電后即產(chǎn)生輸出，那么初始的激勵(lì)是從哪里來(lái)的呢？

振蕩的最初來(lái)源是振蕩器在接通電源時(shí)不可避免地存在的電沖擊及各種熱噪聲等，例如:在加電時(shí)晶體管電流由零突然增加，突變的電流包含有很寬的頻譜分量，在它們通過(guò)負(fù)載回路時(shí)，由諧振回路的性質(zhì)即只有頻率等于回路諧振頻率的分量可以產(chǎn)生較大的輸出電壓，而其它頻率成分不會(huì)產(chǎn)生壓降，因此負(fù)載回路上只有頻率為回路諧振頻率的成分產(chǎn)生壓降，該壓降通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生出較大的正反饋電壓，反饋電壓又加到放大器的輸入端，進(jìn)行放大、反饋，不斷地循環(huán)下去，諧振負(fù)載上將得到頻率等于回路諧振頻率的輸出信號(hào)。在振蕩開(kāi)始時(shí)由于激勵(lì)信號(hào)較弱，輸出電壓的振幅Uo較小，經(jīng)過(guò)不斷放大、反饋循環(huán)，輸出幅度Uo逐漸增大，否則輸出信號(hào)幅度過(guò)小，沒(méi)有任何價(jià)值。為了使振蕩過(guò)程中輸出幅度不斷增加，應(yīng)使反饋回來(lái)的信號(hào)比輸入到放大器的信號(hào)大，即振蕩開(kāi)始時(shí)應(yīng)為增幅振蕩，因而由式(4-8)可知T(jω)>1稱(chēng)為自激振蕩的起振條件，也可寫(xiě)為

(4-16a)(4-16b)式(4-16a)和(4-16b)分別稱(chēng)為起振的振幅條件和相位條件，其中起振的相位條件即為正反饋條件。振蕩器工作時(shí)怎樣由|T(jω)|>1過(guò)渡到|T(jω)|=1的呢？我們知道放大器進(jìn)行小信號(hào)放大時(shí)必須工作在晶體管的線(xiàn)性放大區(qū)，即起振時(shí)放大器工作在線(xiàn)性區(qū)，此時(shí)放大器的輸出隨輸入信號(hào)的增加而線(xiàn)性增加；隨著輸入信號(hào)振幅的增加，放大器逐漸由放大區(qū)進(jìn)入截止區(qū)或飽和區(qū)，進(jìn)入非線(xiàn)性狀態(tài)，此時(shí)的輸出信號(hào)幅度增加有限，即增益將隨輸入信號(hào)的增加而下降，如圖4-2所示。所以，振蕩器工作到一定階段，環(huán)路增益將下降。當(dāng)|T(jω)|=1即工作到圖4-2(b)中A點(diǎn)時(shí)，振幅的增長(zhǎng)過(guò)程將停止，振蕩器到達(dá)平衡狀態(tài)，進(jìn)行等幅振蕩。因此，振蕩器由增幅振蕩過(guò)渡到穩(wěn)幅振蕩，是由放大器的非線(xiàn)性完成的。需要說(shuō)明的是，電路的起振過(guò)程是非常短暫的，可以認(rèn)為只要電路設(shè)計(jì)合理，滿(mǎn)足起振條件，振蕩器一通上電，輸出端就有穩(wěn)定幅度的輸出信號(hào)。圖4-2振幅條件的圖解表示4.1.4穩(wěn)定條件處于平衡狀態(tài)的振蕩器應(yīng)考慮其工作的穩(wěn)定性，這是因?yàn)檎袷幤髟诠ぷ鞯倪^(guò)程中不可避免地要受到外界各種因素的影響，如溫度改變、電源電壓的波動(dòng)等等，這些變化將使放大器放大倍數(shù)和反饋系數(shù)改變，破壞了原來(lái)的平衡狀態(tài)，對(duì)振蕩器的正常工作將會(huì)產(chǎn)生影響。如果通過(guò)放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩器能在原平衡點(diǎn)附近建立起新的平衡狀態(tài)，而且當(dāng)外界因素消失后，振蕩器能自動(dòng)回到原平衡狀態(tài)，則原平衡點(diǎn)是穩(wěn)定的；否則，原平衡點(diǎn)為不穩(wěn)定的。振蕩器的穩(wěn)定條件分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力。具體來(lái)說(shuō)即是，在平衡點(diǎn)附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅增大時(shí)，環(huán)路增益的模值T應(yīng)減小，形成減幅振蕩，從而阻止振幅的增大，達(dá)到新的平衡，并保證新平衡點(diǎn)在原平衡點(diǎn)附近，否則，若振幅增大，T也增大，則振幅將持續(xù)增大，遠(yuǎn)離原平衡點(diǎn)，不能形成新的平衡，振蕩器不穩(wěn)定；而當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅減小時(shí)，T應(yīng)增大，形成增幅振蕩，阻止振幅的減小，在原平衡點(diǎn)附近建立起新的平衡，否則振蕩器將是不穩(wěn)定的。因此，振幅穩(wěn)定條件為(4-17)由于反饋網(wǎng)絡(luò)為線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)，即反饋系數(shù)大小F不隨輸入信號(hào)改變，故振幅穩(wěn)定條件又可寫(xiě)為(4-18)式中K為放大器增益大小。由于放大器的非線(xiàn)性，只要電路設(shè)計(jì)合理，振幅穩(wěn)定一般很容易滿(mǎn)足。若振蕩器采用自偏壓電路，并工作到截止?fàn)顟B(tài)，其大，振幅穩(wěn)定性就好。在解釋振蕩器的相位穩(wěn)定性前，我們必須清楚，一個(gè)正弦信號(hào)的相位和它的頻率ω之間的關(guān)系(4-19a)(4-19b)可見(jiàn)，相位的變化必然要引起頻率的變化，頻率的變化也必然要引起相位的變化。設(shè)振蕩器原在ω=ω1時(shí)處于相位平衡狀態(tài)，即有，現(xiàn)因外界原因使振蕩器的反饋電壓的相位超前原輸入信號(hào)。由于反饋相位提前(即每一周期中的相位均超前)，振蕩周期要縮短，振蕩頻率要提高，比如提高到ω2，ω2>ω1。當(dāng)外界因素消失后，顯然ω2處不滿(mǎn)足相位平衡條件，這時(shí)，不變，但由于ω2>ω1(如圖4-3所示)，要下降，即這時(shí)相對(duì)于的幅角圖4-3振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)回路的這表示落后于，導(dǎo)致振蕩周期增長(zhǎng)，振蕩頻率降低，即又恢復(fù)到原來(lái)的振蕩頻率ω1。上述相位穩(wěn)定是靠ω增加、降低來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即并聯(lián)振蕩回路的相位特性保證了相位穩(wěn)定。因此相位穩(wěn)定條件為

(4-20)回路的Q值越高，值越大，其相位穩(wěn)定性越好。4.1.5振蕩線(xiàn)路舉例——互感耦合振蕩器圖4-4是一LC振蕩器的實(shí)際電路，圖中反饋網(wǎng)絡(luò)由L和L1間的互感M擔(dān)任，因而稱(chēng)為互感耦合式的反饋振蕩器，或稱(chēng)為變壓器耦合振蕩器。設(shè)振蕩器的工作頻率等于回路諧振頻率，當(dāng)基極加有信號(hào)時(shí)，由三極管中的電流流向關(guān)系可知集電極輸出電壓與輸入電壓反相，根據(jù)圖中兩線(xiàn)圈上所標(biāo)的同名端，可以判斷出反饋線(xiàn)圈L1兩端的電壓與反相，故與同相，該反饋為正反饋。因此只要電路設(shè)計(jì)合理，在工作時(shí)滿(mǎn)足條件，在輸出端就會(huì)有正弦波輸出?；ジ旭詈戏答佌袷幤鞯恼答伿怯苫ジ旭詈匣芈分械耐藖?lái)保證的。圖4-4互感耦合振蕩器4.2LC振蕩器4.2.1振蕩器的組成原則

LC振蕩器除上節(jié)介紹的互感耦合反饋型振蕩器外，還有很多其它類(lèi)型的振蕩器，它們大多是由基本電路引出的?；倦娐肪褪峭ǔＫf(shuō)的三端式(又稱(chēng)三點(diǎn)式)的振蕩器，即LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而成的電路，如圖4-5所示。由圖可見(jiàn)，除晶體管外還有三個(gè)電抗元件X1、X2、X3，它們構(gòu)成了決定振蕩頻率的并聯(lián)諧振回路，同時(shí)也構(gòu)成了正反饋所需的反饋網(wǎng)絡(luò)，為此，三者必須滿(mǎn)足一定的關(guān)系。

根據(jù)諧振回路的性質(zhì)，諧振時(shí)回路應(yīng)呈純電阻性，因而有X1+X2+X3=0(4-21)所以電路中三個(gè)電抗元件不能同時(shí)為感抗或容抗，必須由兩種不同性質(zhì)的電抗元件組成。圖4-5三端式振蕩器的組成在不考慮晶體管參數(shù)(如輸入電阻、極間電容等)的影響并假設(shè)回路諧振時(shí)，有，。為了滿(mǎn)足相位平衡條件，即正反饋條件，應(yīng)要求。根據(jù)式(4-11)，應(yīng)與同相，一般情況下，回路Q(chēng)值很高，因此回路電流遠(yuǎn)大于晶體管的基極電流、集電極電流以及發(fā)射極電流，故由圖4-5有

(4-22a)(4-22b)因此X1、X2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件。綜上所述，從相位平衡條件判斷圖4-5所示的三端式振蕩器能否振蕩的原則為

(1)X1和Ｘ2的電抗性質(zhì)相同;

(2)X3與X1、X2的電抗性質(zhì)相反。為便于記憶，可以將此原則具體化:與晶體管發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件必須是同性質(zhì)的，而不與發(fā)射極相連的另一電抗與它們的性質(zhì)相反，簡(jiǎn)單可記為“射同余異”。考慮到場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管電極對(duì)應(yīng)關(guān)系，只要將上述原則中的發(fā)射極改為源極即可適用于場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器，即“源同余異”。三端式振蕩器有兩種基本電路，如圖4-6所示。圖4-6(a)中X1和X2為容性，X3為感性，滿(mǎn)足三端式振蕩器的組成原則，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電容元件完成的，稱(chēng)為電容反饋振蕩器，也稱(chēng)為考必茲(Colpitts)振蕩器；圖4-6(b)中X1和X2為感性，X3為容性，滿(mǎn)足三端式振蕩器的組成原則，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電感元件完成的，稱(chēng)為電感反饋振蕩器，也稱(chēng)為哈特萊(Hartley)振蕩器。圖4-6兩種基本的三端式振蕩器(a)電容反饋振蕩器；(b)電感反饋振蕩器圖4-7是一些常見(jiàn)振蕩器的高頻電路，讀者不妨自行判斷它們是由哪種基本線(xiàn)路演變而來(lái)的。圖4-7幾種常見(jiàn)振蕩器的高頻電路4.2.2電容反饋振蕩器圖4-8(a)是一電容反饋振蕩器的實(shí)際電路，圖(b)是其交流等效電路。由圖(b)可看出該電路滿(mǎn)足振蕩器的相位條件，且反饋是由電容產(chǎn)生的，因此稱(chēng)為電容反饋振蕩器。圖(a)中，電阻R1、R2、Re起直流偏置作用，在開(kāi)始振蕩前這些電阻決定了靜態(tài)工作點(diǎn)，當(dāng)振蕩產(chǎn)生以后，由于晶體管的非線(xiàn)性及工作在截止?fàn)顟B(tài)，基極、發(fā)射極電流將發(fā)生變化，這些電阻又起自偏壓作用，從而限制和穩(wěn)定了振蕩的幅度大小；Ce為旁路電容，Cb為隔直電容，保證起振時(shí)具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)及交流通路。圖中的扼流圈Lc可以防止集電極交流電流從電源入地，Lc的交流電阻很大，可以視為開(kāi)路，但直流電阻很小，可為集電極提供直流通路。圖4-8電容反饋振蕩器電路

(a)實(shí)際電路；(b)交流等效電路；(c)高頻等效電路下面分析一下該電路的振蕩頻率及起振條件。圖4-8(c)示出了圖4-8(a)的高頻小信號(hào)等效電路，由于起振時(shí)晶體管工作在小信號(hào)線(xiàn)性放大區(qū)，因此可以用小信號(hào)Y參數(shù)等效電路。為分析方便起見(jiàn)，在等效時(shí)作了以下簡(jiǎn)化:

(1)忽略晶體管內(nèi)部反饋Yre=0的影響;

(2)晶體管的輸入電容、輸出電容很小，可以忽略它們的影響，也可以將它們包含在回路電容C1、C2中，所以不單獨(dú)考慮;

(3)忽略晶體管集電極電流ic對(duì)輸入信號(hào)ub的相移，將Yfe用跨導(dǎo)gm表示。另外在圖4-8(c)中，表示除晶體管以外的電路中所有電導(dǎo)折算到CE兩端后的總電導(dǎo)。由(c)圖可以得出環(huán)路增益T(jω)的表達(dá)式，并令T(jω)虛部在頻率為ω1時(shí)等于零，則根據(jù)振蕩器的相位平衡條件，ω1即為振蕩器的振蕩頻率，因此圖4-8電路的振蕩頻率為(4-23)C為回路的總電容(4-24)通常式(4-23)中的第二項(xiàng)遠(yuǎn)小于第一項(xiàng)，也就是說(shuō)振蕩器的振蕩頻率ω1可以近似用回路的諧振頻率表示，因此我們?cè)诜治鲇?jì)算振蕩器的振蕩頻率時(shí)可以近似用回路的諧振頻率來(lái)表示，即

(4-25)由圖4-8(c)可知，當(dāng)不考慮gie的影響時(shí)，反饋系數(shù)F(jω)的大小為

(4-26)工程上一般采用上式估算反饋系數(shù)的大小。將gie折算到放大器輸出端，有

(4-27)因此，放大器總的負(fù)載電導(dǎo)gL為(4-28)則由振蕩器的振幅起振條件，可以得到(4-29)只要在設(shè)計(jì)電路時(shí)使晶體管的跨導(dǎo)滿(mǎn)足上式，振蕩器就可以振蕩。上式右邊第一項(xiàng)表示輸出電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)對(duì)振蕩的影響，F(xiàn)越大，越容易振蕩；第二項(xiàng)表示輸入電阻對(duì)振蕩的影響，gie、F越大，越不容易振蕩。因此，考慮晶體管輸入電阻對(duì)回路的加載作用，反饋系數(shù)F并非越大越好。在gm、gie、goe一定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整F、來(lái)保證起振。反饋系數(shù)F的大小一般取0.1~0.5。為了保證振蕩器有一定的穩(wěn)定振幅，起振時(shí)環(huán)路增益一般取3~5。4.2.3電感反饋振蕩器圖4-9是一電感反饋振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。由圖可見(jiàn)它是依靠電感產(chǎn)生反饋電壓的，因而稱(chēng)為電感反饋振蕩器。通常電感是繞在同一帶磁芯的骨架上，它們之間存在有互感，用M表示。同電容反饋振蕩器的分析一樣，振蕩器的振蕩頻率可以用回路的諧振頻率近似表示，即(4-30)式中的L為回路的總電感，由圖4-9有L=L1+L2+2M(4-31)圖4-9電感反饋振蕩器電路(a)實(shí)際電路；(b)交流等效電路；(c)高頻等效電路由相位平衡條件分析，振蕩器的振蕩頻率表達(dá)式為(4-32)式中的與電容反饋振蕩器相同，表示除晶體管以外的所有電導(dǎo)折算到ce兩端后的總電導(dǎo)。由式(4-30)和式(4-32)可見(jiàn)，振蕩頻率近似用回路的諧振頻率表示時(shí)其偏差較小，而且線(xiàn)圈耦合越緊，偏差越小。工程上在計(jì)算反饋系數(shù)時(shí)不考慮gie的影響，反饋系數(shù)的大小為

(4-33)由起振條件分析，同樣可得起振時(shí)的gm應(yīng)滿(mǎn)足(4-34)在討論了電容反饋的振蕩器和電感反饋的振蕩器后，對(duì)它們的特點(diǎn)比較如下:

(1)兩種線(xiàn)路都簡(jiǎn)單，容易起振。電感反饋振蕩器只要改變線(xiàn)圈抽頭位置就可以改變反饋值F，而電容反饋振蕩器需要改變C1、C2的比值。

(2)由于晶體管存在極間電容，對(duì)于電感反饋振蕩器，極間電容與回路電感并聯(lián)，在頻率高時(shí)極間電容影響大，有可能使電抗的性質(zhì)改變，故電感反饋振蕩器的工作頻率不能過(guò)高；電容反饋振蕩器，其極間電容與回路電容并聯(lián)，不存在電抗性質(zhì)改變的問(wèn)題，故工作頻率可以較高。

(3)振蕩器在穩(wěn)定振蕩時(shí)，晶體管工作在非線(xiàn)性狀態(tài)，在回路上除有基波電壓外還存在少量諧波電壓(諧波電壓大小與回路的Q值有關(guān))。對(duì)于電容反饋振蕩器，由于反饋是由電容產(chǎn)生的，所以，高次諧波在電容上產(chǎn)生的反饋壓降較??；而對(duì)于電感反饋的振蕩器，反饋是由電感產(chǎn)生的，所以，高次諧波在電感上產(chǎn)生的反饋壓降較大，即電感反饋振蕩器輸出的諧波較電容反饋振蕩器的大，因此電容反饋振蕩器的輸出波形比電感反饋振蕩器的輸出波形要好。

(4)改變電容能夠調(diào)整振蕩器的工作頻率。電容反饋振蕩器在改變頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變，影響了振蕩器的振幅起振條件，故電容反饋振蕩器一般工作在固定頻率；電感反饋振蕩器改變頻率時(shí)，并不影響反饋系數(shù)，工作頻帶較電容反饋振蕩器的寬。需要指出的是，電感反饋振蕩器的工作頻帶不會(huì)很寬，這是因?yàn)楦淖冾l率，將改變回路的諧振阻抗，可能使振蕩器停振。綜上所述，由于電容反饋振蕩器具有工作頻率高、波形好等優(yōu)點(diǎn)，在許多場(chǎng)合得到了應(yīng)用。4.2.4兩種改進(jìn)型電容反饋振蕩器由于極間電容對(duì)電容反饋振蕩器及電感反饋振蕩器的回路電抗均有影響，所以對(duì)振蕩頻率也會(huì)有影響。而極間電容受環(huán)境溫度、電源電壓等因素的影響較大，所以上述兩種電路的頻率穩(wěn)定度不高。為了提高穩(wěn)定度，需要對(duì)電路作改進(jìn)以減少晶體管極間電容對(duì)回路的影響，此時(shí)，可以采用減弱晶體管與回路之間耦合的方法，由此得到兩種改進(jìn)型電容反饋的振蕩器——克拉潑(Clapp)振蕩器和西勒(Siler)振蕩器。

1.克拉潑振蕩器圖4-10是克拉潑振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路，它是用電感L和可變電容Ｃ3的串聯(lián)電路代替原電容反饋振蕩器中的電感構(gòu)成的，且C3<<C1、C2。只要L和C3串聯(lián)電路等效為一電感(在振蕩頻率上)，該電路即滿(mǎn)足三端式振蕩器的組成原則，而且屬于電容反饋式振蕩器。圖4-10克拉潑振蕩器電路(a)實(shí)際電路；(b)交流等效電路由圖4-10可知，回路的總電容為(4-35)可見(jiàn)，回路的總電容C將主要由C3決定，而極間電容與C1、C2并聯(lián)，所以極間電容對(duì)總電容的影響就很??；并且C1、C2只是回路的一部分，晶體管以部分接入的形式與回路連接，減弱了晶體管與回路之間的耦合。接入系數(shù)p為(4-36)C1、C2的取值越大，接入系數(shù)p越小，耦合越弱。因此，克拉潑振蕩器的頻率穩(wěn)定度得到了提高。但C1、C2不能過(guò)大，假設(shè)電感兩端的電阻為Ro(即回路的諧振電阻)，則由圖4-10可知等效到晶體管ce兩端的負(fù)載電阻RL為(4-37)因此，C1過(guò)大，負(fù)載電阻RL很小，放大器增益就較低，環(huán)路增益也就較小，有可能使振蕩器停振。振蕩器的振蕩頻率為(4-38)反饋系數(shù)的大小為

(4-39)

克拉潑振蕩器主要用于固定頻率或波段范圍較窄的場(chǎng)合。這是因?yàn)榭死瓭娬袷幤黝l率的改變是通過(guò)調(diào)整C3來(lái)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)式(4-37)可知，C3的改變，負(fù)載電阻RL將隨之改變，放大器的增益也將變化，調(diào)頻率時(shí)有可能因環(huán)路增益不足而停振；另外，由于負(fù)載電阻RL的變化，振蕩器輸出幅度也將變化，導(dǎo)致波段范圍內(nèi)輸出振幅變化較大?？死瓭娬袷幤鞯念l率覆蓋系數(shù)(最高工作頻率與最低工作頻率之比)一般只有1.2~1.3。

2.西勒振蕩器圖4-11是西勒振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。它的主要特點(diǎn)，就是與電感L并聯(lián)一可變電容C4。與克拉潑振蕩器一樣，圖中C3<<C1、C2，因此晶體管與回路之間耦合較弱，頻率穩(wěn)定度高。與電感L并聯(lián)的可變電容C4是用來(lái)改變振蕩器的工作波段，而電容C3是起微調(diào)頻率的作用。圖4-11西勒振蕩器電路(a)實(shí)際電路；(b)交流等效電路由圖4-11可知，回路的總電容為

(4-40)振蕩器的振蕩頻率為(4-41)由于改變頻率主要是通過(guò)調(diào)整C4完成的，C4的改變并不影響接入系數(shù)p(由圖4-10和圖4-11可知，西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器的相同)，所以波段內(nèi)輸出幅度較平穩(wěn)。而且由式(4-41)可見(jiàn)，C4改變，頻率變化較明顯，故西勒振蕩器的頻率覆蓋系數(shù)較大，可達(dá)1.6~1.8。西勒振蕩器適用于較寬波段工作，在實(shí)際中用得較多。4.2.5場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器原則上說(shuō)，上述各種晶體三極管振蕩器線(xiàn)路，都可以用場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，可以根據(jù)振蕩原理導(dǎo)出用場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)表示的振蕩條件，分析方法與晶體三極管振蕩器類(lèi)似，在此不再詳細(xì)分析，僅舉幾個(gè)電路說(shuō)明場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器，如圖4-12所示。圖4-12(a)是一柵極調(diào)諧型場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器的線(xiàn)路，它是由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的互感耦合振蕩器，圖上兩線(xiàn)圈的極性關(guān)系保證了此振蕩器的正反饋；圖4-12(b)是電感反饋場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器線(xiàn)路；圖4-12(c)是電容反饋場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器線(xiàn)路。圖4-12由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的振蕩器電路

(a)互感耦合場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器；(b)電感反饋場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器；(c)電容反饋場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器4.2.6壓控振蕩器在LC振蕩器決定振蕩頻率的LC回路中，使用電壓控制電容器(變?nèi)莨?，可以在一定的頻率范圍內(nèi)構(gòu)成電調(diào)諧振蕩器。這種包含有壓控元件作為頻率控制器件的振蕩器就稱(chēng)為壓控振蕩器。它廣泛應(yīng)用于頻率調(diào)制器、鎖相環(huán)路，以及無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中。在壓控振蕩器中，振蕩頻率應(yīng)只隨加在變?nèi)莨苌系目刂齐妷憾兓?，但在?shí)際電路中，振蕩電壓也加在變?nèi)莨軆啥?，這使得振蕩頻率在一定程度上也隨振蕩幅度而變化，這是不希望的。為了減小振蕩頻率隨振蕩幅度的變化，應(yīng)盡量減小振蕩器的輸出振蕩電壓幅度，并使變?nèi)莨芄ぷ髟谳^大的固定直流偏壓(如大于1V)上。圖4-13示出了一壓控振蕩器線(xiàn)路，它的基本電路是一個(gè)柵極電路調(diào)諧的互感耦合振蕩器。決定頻率的回路元件為L(zhǎng)1、C1、C2和壓控變?nèi)莨躒2呈現(xiàn)的電容Cj。圖4-13壓控振蕩器線(xiàn)路壓控振蕩器的主要性能指標(biāo)為壓控靈敏度和線(xiàn)性度。壓控靈敏度定義為單位控制電壓引起的振蕩頻率的變化量，用S表示，即

(4-42)

圖4-14示出了一壓控振蕩器的頻率-控制電壓特性，一般情況下，這一特性是非線(xiàn)性的，非線(xiàn)性程度與變?nèi)莨茏內(nèi)葜笖?shù)及電路形式有關(guān)。圖4-14壓控振蕩器的頻率與控制電壓關(guān)系4.2.7E1648單片集成振蕩器單片集成振蕩器E1648為ECL中規(guī)模集成電路，內(nèi)部原理圖如圖4-15所示。E1648可以產(chǎn)生正弦波輸出，也可以產(chǎn)生方波輸出。

E1648輸出正弦電壓時(shí)的典型參數(shù)為:最高振蕩頻率225MHz，電源電壓5V，功耗150mW，振蕩回路輸出峰峰值電壓500mV。圖4-15E1648內(nèi)部原理圖及構(gòu)成的振蕩器

E1648單片集成振蕩器的振蕩頻率是由10腳和12腳之間的外接振蕩電路的L、C值決定，并與兩腳之間的輸入電容Ci有關(guān)，其表達(dá)式為

改變外接回路元件參數(shù)，可以改變E1648單片集成振蕩器的工作頻率。在5腳外加一正電壓時(shí)，可以獲得方波輸出。4.3頻率穩(wěn)定度4.3.1頻率穩(wěn)定度的意義和表征振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指由于外界條件的變化，引起振蕩器的實(shí)際工作頻率偏離標(biāo)稱(chēng)頻率的程度，它是振蕩器的一個(gè)很重要的指標(biāo)。我們知道，振蕩器一般是作為某種信號(hào)源使用的(作為高頻加熱之類(lèi)應(yīng)用的除外)，振蕩頻率的不穩(wěn)定將有可能使設(shè)備和系統(tǒng)的性能惡化，如在通信中所用的振蕩器，若頻率的不穩(wěn)定將有可能使所接收的信號(hào)部分甚至完全收不到，另外還有可能干擾原來(lái)正常工作的鄰近頻道的信號(hào)。再如在數(shù)字設(shè)備中用到的定時(shí)器都是以振蕩器為信號(hào)源的，頻率的不穩(wěn)定會(huì)造成定時(shí)不穩(wěn)等。頻率穩(wěn)定度在數(shù)量上通常用頻率偏差來(lái)表示。頻率偏差是指振蕩器的實(shí)際頻率和指定頻率之間的偏差，它可分為絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差。設(shè)f1為實(shí)際工作頻率，f0為標(biāo)稱(chēng)頻率，

則絕對(duì)偏差為

(4-43)相對(duì)偏差為

(4-44)在上述偏差中，除了由于置定和測(cè)量不準(zhǔn)引起的原因外(這一般稱(chēng)為頻率準(zhǔn)確度)，人們最關(guān)心的是頻率隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的偏差，通常稱(chēng)為頻率穩(wěn)定度(實(shí)際上應(yīng)稱(chēng)為頻率不穩(wěn)定度)。頻率穩(wěn)定度通常定義為在一定時(shí)間間隔內(nèi)，振蕩器頻率的相對(duì)變化，用Δf/f1|時(shí)間間隔表示，這個(gè)數(shù)值越小，頻率穩(wěn)定度越高。按照時(shí)間間隔長(zhǎng)短不同，常將頻率穩(wěn)定度分為以下幾種:長(zhǎng)期穩(wěn)定度:一般指一天以上以至幾個(gè)月的時(shí)間間隔內(nèi)的頻率相對(duì)變化，通常是由振蕩器中元器件老化而引起的。

短期穩(wěn)定度:一般指一天以?xún)?nèi)，以小時(shí)、分鐘或秒計(jì)時(shí)的時(shí)間間隔內(nèi)頻率的相對(duì)變化。產(chǎn)生這種頻率不穩(wěn)定的因素有溫度、電源電壓等。瞬時(shí)穩(wěn)定度:一般指秒或毫秒時(shí)間間隔內(nèi)的頻率相對(duì)變化。這種頻率變化一般都具有隨機(jī)性質(zhì)。這種頻率不穩(wěn)定有時(shí)也被看作振蕩信號(hào)附有相位噪聲。引起這類(lèi)頻率不穩(wěn)定的主要因素是振蕩器內(nèi)部的噪聲。衡量時(shí)常用統(tǒng)計(jì)規(guī)律表示。

一般我們說(shuō)的頻率穩(wěn)定度主要是指短期穩(wěn)定度，而且由于引起頻率不穩(wěn)的因素很多，我們籠統(tǒng)說(shuō)振蕩器的頻率穩(wěn)定度多大，是指在各種外界條件下頻率變化的最大值。一般短波、超短波發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度要求是10－4~10－5量級(jí)，電視發(fā)射臺(tái)要求5×10－7，一些軍用、大型發(fā)射機(jī)及精密儀器則要求10－6量級(jí)或更高。4.3.2振蕩器的穩(wěn)頻原理由振蕩器的工作原理可知，振蕩器的振蕩頻率ω1是由振蕩器的相位平衡條件所決定，因此可以從相位平衡條件出發(fā)來(lái)討論振蕩器的頻率穩(wěn)定性。由式(4-15b)有設(shè)回路Q(chēng)值較高，根據(jù)第2章的討論可知，振蕩回路在ω0附近的幅角可以近似表示為因此相位平衡條件可以表示為(4-45)即(4-46)因而有(4-47)考慮到QL值較高，即

，有(4-48)式(4-48)反映了振蕩器的不穩(wěn)定因素，可用圖4-16表示?，F(xiàn)在對(duì)各因素加以說(shuō)明。圖4-16從相位平衡條件看振蕩頻率的變化

(a)相位平衡條件；(b)ω0的變化；(c)、QL的變化

1.回路諧振頻率ω0的影響

ω0由構(gòu)成回路的電感L和電容C決定，它不但要考慮回路的線(xiàn)圈電感、調(diào)諧電容和反饋電路元件外，還應(yīng)考慮并在回路上的其它電抗，如晶體管的極間電容，后級(jí)負(fù)載電容(或電感)等。設(shè)回路電感和電容的總變化量分別為ΔL、ΔC，則由可得

(4-49)由此可見(jiàn)，回路元件L和C的穩(wěn)定度將影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度。

2.、QL對(duì)頻率的影響由式(4-48)的第二、第三項(xiàng)可以看出:頻率穩(wěn)定度取決于和，其中主要取決于晶體管內(nèi)部的狀態(tài)，受晶體管電流ic、ib變化的影響，通常因負(fù)載變化而引起；另外，還可以看出，若的絕對(duì)值越小，頻率穩(wěn)定度就越高。通常振蕩器工作頻率越高，的絕對(duì)值也就越大。主要是由于基極輸入電阻引起的，輸入電阻對(duì)回路的加載越重，反饋系數(shù)F′越大，的值也就越大。另外，回路的QL越大，頻率穩(wěn)定度就越高，這是提高振蕩器頻率穩(wěn)定度的一項(xiàng)重要措施。但是，當(dāng)回路線(xiàn)圈的無(wú)載值Q0一定時(shí)，提高QL，就意味著負(fù)載對(duì)回路的加載要輕，回路的效率要降低。在穩(wěn)定性要求高的振蕩器中，只是很小一部分功率送給了負(fù)載，振蕩器的總效率是很低的。4.3.3提高頻率穩(wěn)定度的措施

1.提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性是指回路元件和電容的標(biāo)準(zhǔn)性。溫度是影響的主要因素:溫度的改變，導(dǎo)致電感線(xiàn)圈和電容器極板的幾何尺寸將發(fā)生變化，而且電容器介質(zhì)材料的介電系數(shù)及磁性材料的導(dǎo)磁率也將變化，從而使電感、電容值改變。為減少溫度的影響，應(yīng)該采用溫度系數(shù)較小的電感、電容，如電感線(xiàn)圈可采用高頻瓷骨架，固定電容可采用陶瓷介質(zhì)電容，可變電容宜采用極片和轉(zhuǎn)軸為膨脹系數(shù)小的金屬材料(如鐵鎳合金)。還可以用負(fù)溫度系數(shù)的電容補(bǔ)償正溫度系數(shù)的電感的變化，在對(duì)頻率穩(wěn)定度要求較高的振蕩器中，為減少溫度對(duì)振蕩頻率的影響，可以將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)。

2.減少晶體管的影響在上節(jié)分析反饋型振蕩器原理時(shí)已提到，極間電容將影響頻率穩(wěn)定度，在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)盡可能減少晶體管和回路之間的耦合。另外，應(yīng)選擇fT較高的晶體管，fT越高，高頻性能越好，可以保證在工作頻率范圍內(nèi)均有較高的跨導(dǎo)，電路易于起振；而且fT越高，晶體管內(nèi)部相移越小。一般可選擇fT>(3～10)f1max，f1max為振蕩器最高工作頻率。

3.提高回路的品質(zhì)因數(shù)我們先回顧一下相位穩(wěn)定條件，要使相位穩(wěn)定，回路的相頻特性應(yīng)具有負(fù)的斜率，斜率越大，相位越穩(wěn)定。根據(jù)LC回路的特性，回路的Q值越大，回路的相頻特性斜率就越大，即回路的Q值越大，相位越穩(wěn)定。從相位與頻率的關(guān)系可得，此時(shí)的頻率也越穩(wěn)定。前面介紹的電容、電感反饋的振蕩器，其頻率穩(wěn)定度一般為10－3量級(jí)，兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器克拉潑振蕩器和西勒振蕩器，由于降低了晶體管和回路之間的耦合，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10－4量級(jí)。對(duì)于LC振蕩器，即使采用一定的穩(wěn)頻措施，其頻率穩(wěn)定度也不會(huì)太高，這是由于受到回路標(biāo)準(zhǔn)性的限制。要進(jìn)一步提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度就要采用其它的電路和方法。

4.減少電源、負(fù)載等的影響電源電壓的波動(dòng)，會(huì)使晶體管的工作點(diǎn)、電流發(fā)生變化，從而改變晶體管的參數(shù)，降低頻率穩(wěn)定度。為了減小其影響，振蕩器電源應(yīng)采取必要的穩(wěn)壓措施。負(fù)載電阻并聯(lián)在回路的兩端，這會(huì)降低回路的品質(zhì)因數(shù)，從而使振蕩器的頻率穩(wěn)定度下降。為了減小其影響，應(yīng)減小負(fù)載對(duì)回路的耦合，可以在負(fù)載與回路之間加射極跟隨器等措施。另外，為提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，在制作電路時(shí)應(yīng)將振蕩電路安置在遠(yuǎn)離熱源的位置，以減小溫度對(duì)振蕩器的影響；為防止回路參數(shù)受寄生電容及周?chē)姶艌?chǎng)的影響，可以將振蕩器屏蔽起來(lái)，以提高穩(wěn)定度。4.4LC振蕩器的設(shè)計(jì)考慮

由振蕩器的原理可以看出，振蕩器實(shí)際上是一個(gè)具有反饋的非線(xiàn)性系統(tǒng)，精確計(jì)算是很困難的，而且也是不必要的。因此，振蕩器的設(shè)計(jì)通常是進(jìn)行一些設(shè)計(jì)考慮和近似估算，選擇合理的線(xiàn)路和工作點(diǎn)，確定元件的數(shù)值，而工作狀態(tài)和元件的準(zhǔn)確數(shù)值需要在調(diào)整、調(diào)試中最后確定。

1．振蕩器電路選擇

LC振蕩器一般工作在幾百千赫茲至幾百兆赫茲范圍。振蕩器線(xiàn)路主要根據(jù)工作的頻率范圍及波段寬度來(lái)選擇。在短波范圍，電感反饋振蕩器、電容反饋振蕩器都可以采用。在中、短波收音機(jī)中，為簡(jiǎn)化電路常用變壓器反饋振蕩器做本地振蕩器。在要求波段范圍較寬的信號(hào)產(chǎn)生器中常用電感反饋振蕩器。在短波、超短波波段的通信設(shè)備中常用電容反饋振蕩器。當(dāng)頻率穩(wěn)定度要求較高，波段范圍又不很寬的場(chǎng)合，常用克拉潑、西勒振蕩器。西勒振蕩器電路調(diào)節(jié)頻率方便，有一定的波段工作范圍，用得較多。

2．晶體管選擇從穩(wěn)頻的角度出發(fā)，應(yīng)選擇fT較高的晶體管，這樣晶體管內(nèi)部相移較小。通常選擇fT>(3～10)f1max。同時(shí)希望電流放大系數(shù)β大些，這既容易振蕩，也便于減小晶體管和回路之間的耦合。雖然不要求振蕩器中的晶體管輸出多大功率，但考慮到穩(wěn)頻等因素，晶體管的額定功率也應(yīng)有足夠的余量。

3．直流饋電線(xiàn)路的選擇為保證振蕩器起振的振幅條件，起始工作點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在線(xiàn)性放大區(qū)；從穩(wěn)頻出發(fā)，穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)在截止區(qū)，而不應(yīng)在飽和區(qū)，否則回路的有載品質(zhì)因數(shù)QL將降低。所以，通常應(yīng)將晶體管的靜態(tài)偏置點(diǎn)設(shè)置在小電流區(qū)，電路應(yīng)采用自偏壓。對(duì)于小功率晶體管，集電極靜態(tài)電流約為1~4mA。

4．振蕩回路元件選擇從穩(wěn)頻出發(fā)，振蕩回路中電容C應(yīng)盡可能大，但C過(guò)大，不利于波段工作；電感L也應(yīng)盡可能大，但L大后，體積大，分布電容大，L過(guò)小，回路的品質(zhì)因數(shù)過(guò)小，因此應(yīng)合理地選擇回路的C、L。在短波范圍，C一般取幾十至幾百皮法，L一般取0.1至幾十微亨。

5．反饋回路元件選擇由前述可知，為了保證振蕩器有一定的穩(wěn)定振幅以及容易起振，在靜態(tài)工作點(diǎn)通常應(yīng)選擇YfRLF′=3～5(4-50)當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)確定后，Yf的值就一定，對(duì)于小功率晶體管可以近似為反饋系數(shù)的大小應(yīng)在下列范圍選擇F=0.1～0.5(4-51)在按上述方法選擇參數(shù)RL、F時(shí)，顯然不能夠預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的電壓、電流，只能保證在合理的狀態(tài)下產(chǎn)生振蕩。4.5石英晶體振蕩器

石英晶體振蕩器是利用石英晶體諧振器作濾波元件構(gòu)成的振蕩器，其振蕩頻率由石英晶體諧振器決定。與LC諧振回路相比，石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性和極高的品質(zhì)因數(shù)，因此石英晶體振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度和穩(wěn)頻措施后，石英晶體振蕩器可以達(dá)到10－4~10－9的頻率穩(wěn)定度。4.5.1石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度石英晶體振蕩器之所以能獲得很高的頻率穩(wěn)定度，由第2章可知，是由于石英晶體諧振器與一般的諧振回路相比具有優(yōu)良的特性，具體表現(xiàn)為:

(1)石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。石英晶體振蕩器的振蕩頻率主要由石英晶體諧振器的諧振頻率決定。石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fq主要取決于晶片的尺寸，石英晶體的物理性能和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定，它的尺寸受外界條件如溫度、濕度等影響很小，因而其等效電路的Lq、Cq值很穩(wěn)定，使得fq很穩(wěn)定。

(2)石英晶體諧振器與有源器件的接入系數(shù)p很小，一般為10－3~10－4。這大大減弱了有源器件的極間電容等參數(shù)和外電路中不穩(wěn)定因素對(duì)石英晶體振蕩器決定頻率振蕩系統(tǒng)的影響。

(3)石英晶體諧振器具有非常高的Q值。Q值一般為104~106，與Q值僅為幾百數(shù)量級(jí)的普通LC回路相比，其Q值極高，維持振蕩頻率穩(wěn)定不變的能力極強(qiáng)。4.5.2晶體振蕩器電路晶體振蕩器的電路類(lèi)型很多，但根據(jù)晶體在電路中的作用，可以將晶體振蕩器歸為兩大類(lèi):并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器。在并聯(lián)型晶體振蕩器中，晶體起等效電感的作用，它和其它電抗元件組成決定頻率的并聯(lián)諧振回路與晶體管相連。由晶體的阻抗頻率特性可知，并聯(lián)型晶體振蕩器的振蕩頻率在石英晶體諧振器的fq與fp之間；在串聯(lián)型晶體振蕩器中，振蕩器工作在鄰近fq處，晶體以低阻抗接入電路，即晶體起選頻短路線(xiàn)的作用。兩類(lèi)電路都可以利用基頻晶體或泛音晶體。

1．并聯(lián)型晶體振蕩器圖4-17示出了一種典型的晶體振蕩器電路，當(dāng)振蕩器的振蕩頻率在晶體的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間時(shí)晶體呈感性，該電路滿(mǎn)足三端式振蕩器的組成原則，而且該電路與電容反饋的振蕩器對(duì)應(yīng)，通常稱(chēng)為皮爾斯(Pierce)振蕩器。C3起到微調(diào)振蕩器頻率的作用，同時(shí)也起到減小晶體管和晶體之間的耦合作用。C1、C2既是回路的一部分，也是反饋電路。圖4-17皮爾斯振蕩器皮爾斯振蕩器的工作頻率應(yīng)由C1、C2、C3及晶體構(gòu)成的回路決定，即由晶體電抗Xe與外部電容相等的條件決定，設(shè)外部電容為CL，則

(4-52)由圖有(4-53)將式(4-52)用圖形表示為圖4-18的情形。圖中有兩個(gè)交點(diǎn)，靠近晶體串聯(lián)頻率ωq附近的ω1是穩(wěn)定工作點(diǎn)。當(dāng)ω1靠近ωq時(shí)，由圖4-18，電抗Xe與忽略晶體損耗時(shí)的晶體電抗很接近，因此振蕩頻率f1等于包括并聯(lián)電容CL在內(nèi)的并聯(lián)諧振頻率。因CL實(shí)際與晶體靜電容并聯(lián)，因此只要引入一等效接入系數(shù)p′(4-54)圖4-18并聯(lián)型晶體振蕩器穩(wěn)頻原理則由前面并聯(lián)諧振頻率公式可得

(4-55)由上式可見(jiàn)，改變CL可以微調(diào)振蕩頻率。通常電路中C3<<C1、C2，CL主要由C3決定，實(shí)際電路中用與晶體串一小電容C3來(lái)微調(diào)振蕩頻率。通常，晶體制造廠家為便利用戶(hù)，對(duì)用于并聯(lián)型電路的晶體，規(guī)定一標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載電容CL，可以將振蕩頻率調(diào)整到晶體標(biāo)稱(chēng)頻率上。在幾兆赫茲至幾十兆赫茲范圍，一般CL規(guī)定為30pF。反饋系數(shù)F的大小為(4-56)

由于晶體的品質(zhì)因數(shù)Qq很高，故其并聯(lián)諧振電阻Ro也很高，雖然接入系數(shù)p較小，但等效到晶體管CE兩端的阻抗RL仍較高，因此放大器的增益較高，電路很容易滿(mǎn)足振幅起振條件。圖4-19是并聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)際線(xiàn)路，其適宜的工作頻率范圍為0.85~15MHz。圖4-19并聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)用線(xiàn)路如圖4-20示出了另一種并聯(lián)型晶體振蕩器電路，該電路晶體接在基極和發(fā)射極之間，只要晶體呈現(xiàn)感性，該電路即滿(mǎn)足三端式振蕩器的組成原則，且電路類(lèi)似于電感反饋的振蕩器，又稱(chēng)為密勒(Miler)振蕩器。由于晶體與晶體管的低輸入阻抗并聯(lián)，降低了有載品質(zhì)因數(shù)QL，故密勒振蕩器的頻率穩(wěn)定度較低。圖4-20密勒振蕩器由于皮爾斯振蕩器的頻率穩(wěn)定度比密勒振蕩器高，故實(shí)際應(yīng)用的晶體振蕩器大多為皮爾斯振蕩器，在頻率較高時(shí)可以采用泛音晶體構(gòu)成。圖4-21給出了一種應(yīng)用泛音晶體構(gòu)成的皮爾斯振蕩器電路。圖中L、C1構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路是用以破壞基頻和低次泛音的相位條件，使振蕩器工作在設(shè)定的泛音頻率上。如電路需要工作在5次泛音頻率上，應(yīng)使L、C1構(gòu)成的并聯(lián)回路的諧振頻率低于5次泛音頻率，但高于所要抑制的3次泛音頻率，這樣對(duì)低于工作頻率的低泛音頻率來(lái)說(shuō)，L、C1并聯(lián)回路呈現(xiàn)一感性，不能滿(mǎn)足三端式振蕩器的組成原則，電路不能振蕩，

但工作在所需的5次泛音上時(shí)，L、C1并聯(lián)回路就呈現(xiàn)容性，滿(mǎn)足三端式的組成原則，電路能工作。需要注意的是，并聯(lián)型晶體振蕩器電路工作的泛音不能太高，一般為3、5、7次，高次泛音振蕩時(shí)，由于接入系數(shù)的降低，等效到晶體管輸出端的負(fù)載電阻將下降，使放大器增益減小，振蕩器停振。圖4-21泛音晶體皮爾斯振蕩器圖4-22是一場(chǎng)效應(yīng)管晶體并聯(lián)型振蕩器線(xiàn)路，晶體等效成一感抗，構(gòu)成一等效的電容反饋振蕩器。圖4-22場(chǎng)效應(yīng)管晶體并聯(lián)型振蕩器線(xiàn)路

2．串聯(lián)型晶體振蕩器在串聯(lián)型晶體振蕩器中，晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點(diǎn)之間，通常接在反饋電路中。圖4-23示出了一串聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)際線(xiàn)路和等效電路。由圖可見(jiàn)，如果將晶體短路，該電路即為一電容反饋的振蕩器。電路的工作原理為:當(dāng)回路的諧振頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率時(shí)，晶體的阻抗最小，近似為一短路線(xiàn)，電路滿(mǎn)足相位條件和振幅條件，故能正常工作；當(dāng)回路的諧振頻率距串聯(lián)諧振頻率較遠(yuǎn)時(shí)，晶體的阻抗增大，使反饋減弱，從而使電路不能滿(mǎn)足振幅條件，電路不能工作。串聯(lián)型晶體振蕩器的工作頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率，不需要外加負(fù)載電容CL，通常這種晶體標(biāo)明其負(fù)載電容為無(wú)窮大，在實(shí)際制作中，若fq有小的誤差，則可以通過(guò)回路調(diào)諧來(lái)微調(diào)。圖4-23一種串聯(lián)型晶體振蕩器(a)實(shí)際線(xiàn)路；(b)等效電路串聯(lián)型晶體振蕩器能適應(yīng)高次泛音工作，這是由于晶體只起到控制頻率的作用，對(duì)回路沒(méi)有影響，只要電路能正常工作，輸出幅度就不受晶體控制。

3．使用注意事項(xiàng)使用石英晶體諧振器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)石英晶體諧振器的標(biāo)稱(chēng)頻率都是在出廠前，在石英晶體諧振器上并接一定負(fù)載電容條件下測(cè)定的，實(shí)際使用時(shí)也必須外加負(fù)載電容，并經(jīng)微調(diào)后才能獲得標(biāo)稱(chēng)頻率。為了保持晶振的高穩(wěn)定性，負(fù)載電容應(yīng)采用精度較高的微調(diào)電容。

(2)石英晶體諧振器的激勵(lì)電平應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。過(guò)高的激勵(lì)功率會(huì)使石英晶體諧振器內(nèi)部溫度升高，使石英晶片的老化效應(yīng)和頻率漂移增大，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使晶片因機(jī)械振動(dòng)過(guò)大而損壞。

(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(shí)，石英諧振器的支架電容還存在，線(xiàn)路仍可能滿(mǎn)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(gè)頻率，當(dāng)要求在波段中得到可選擇的許多頻率時(shí)，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，頻率合成器的有關(guān)內(nèi)容將在第8章介紹。4.5.3高穩(wěn)定晶體振蕩器前面介紹的并聯(lián)、串聯(lián)型晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度一般可達(dá)10－5量級(jí)，若要得到更高穩(wěn)定度的信號(hào)，需要在一般晶體振蕩器基礎(chǔ)上采取專(zhuān)門(mén)措施來(lái)制作。影響晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度的因素仍然是溫度、電源電壓和負(fù)載變化，其中最主要的還是溫度的影響。為減小溫度變化對(duì)晶體頻率及振蕩頻率的影響，一個(gè)辦法就是采用溫度系數(shù)低的晶體晶片，目前在幾兆赫茲至幾十兆赫茲范圍內(nèi)廣泛采用AT切片，其具有的溫度特性如圖4-24所示。由圖可見(jiàn)，在(－20～70)℃的正常工作溫度范圍內(nèi)，相對(duì)頻率變化小于5×10－6；并且在(50～55)℃溫度范圍內(nèi)有接近于零的溫度系數(shù)(在此處有一拐點(diǎn)，約在52℃處)。另一個(gè)有效的辦法就是保持晶體及有關(guān)電路在恒定溫度環(huán)境中工作，即采用恒溫裝置，恒溫溫度最好在晶片的拐點(diǎn)溫度處，溫度控制得越精確，穩(wěn)定度越高。圖4-24AT切片的頻率溫度特性圖4-25是一種恒溫晶體振蕩器的組成框圖。它由兩大部分組成:晶體振蕩器和恒溫控制電路。

圖4-25恒溫晶體振蕩器的組成圖4-25中虛框內(nèi)表示一恒溫槽，它是一絕熱的小容器，晶體安放在此槽內(nèi)。恒溫的原理為，槽內(nèi)的感溫電阻(如溫敏電阻)作為電橋的一臂，當(dāng)溫度等于所需某一溫度(拐點(diǎn)溫度)時(shí)，電橋輸出直流電壓經(jīng)放大后，對(duì)加熱電阻絲加熱，以維持平衡溫度；當(dāng)環(huán)境溫度變化，從而使槽溫偏離原來(lái)溫度時(shí)，通過(guò)感溫電阻的變化改變加熱電阻的電流，從而減少槽溫的變化。圖中的自動(dòng)增益控制(AGC)起到振幅穩(wěn)定的作用，同時(shí)，由于振蕩器振幅穩(wěn)定，晶體的激勵(lì)電平不變，也使得晶體的頻率穩(wěn)定。目前，恒溫控制的晶體振蕩器已制成標(biāo)準(zhǔn)部件供用戶(hù)使用。恒溫晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10－7～10－9。恒溫控制的晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度雖高，但存在著電路復(fù)雜、體積大、重量重等缺點(diǎn)，應(yīng)用上受到一定限制。在頻率穩(wěn)定度要求不十分高而又希望電路簡(jiǎn)單、體積小、耗電省的場(chǎng)合，常采用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，如圖4-26所示。圖中RT為溫敏電阻，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，由于晶體的頻率隨溫度變化，振蕩器頻率也隨溫度變化，溫度改變時(shí)，溫敏電阻改變，加在變?nèi)莨苌系钠秒妷焊淖儯瑥亩棺內(nèi)莨茈娙葑兓?，以補(bǔ)償晶體頻率的變化，因此整個(gè)振蕩器頻率隨溫度變化很小，從而得到較高的頻率穩(wěn)定度。需要說(shuō)明的是，要在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，其補(bǔ)償電路是很復(fù)雜的。溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10－5～10－6。圖4-26溫度補(bǔ)償晶振的原理線(xiàn)路4.6振蕩器中的幾種現(xiàn)象在LC振蕩器中，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一些特殊現(xiàn)象，如間歇振蕩、頻率拖曳、頻率占據(jù)以及振蕩器或高頻放大器中的寄生振蕩。在許多情況下，這些現(xiàn)象是應(yīng)該避免的。但在某些情況下，也可以利用它來(lái)完成特殊的電路功能。4.6.1間歇振蕩

LC振蕩器在建立振蕩的過(guò)程中，有兩個(gè)互有聯(lián)系的暫態(tài)過(guò)程，一個(gè)是回路上高頻振蕩的建立過(guò)程；另一個(gè)是偏壓的建立過(guò)程。回路有儲(chǔ)能作用，要建立穩(wěn)定的振蕩器需要有一定的時(shí)間。回路的有載Q值越低，K0F值越大于1，則振蕩建立得越快。由于偏壓電路的穩(wěn)幅作用，上述過(guò)程也受偏壓變化的影響。偏壓的建立，主要由偏壓電路的電阻、電容決定(偏壓由ib、ic對(duì)電阻、電容充放電而產(chǎn)生)，同時(shí)也取決于基極激勵(lì)的強(qiáng)弱。當(dāng)這兩個(gè)暫態(tài)過(guò)程能協(xié)調(diào)一致進(jìn)行時(shí)，高頻振蕩和偏壓就能一致趨于穩(wěn)定，從而得到振幅穩(wěn)定的振蕩。當(dāng)高頻振蕩建立較快，而偏壓電路由于時(shí)常數(shù)過(guò)大而變化過(guò)慢時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生間歇振蕩。圖4-27是產(chǎn)生間歇振蕩時(shí)Ub和偏壓Eb波形。在t=0時(shí)，由于K0F值很大，振蕩電壓Ub迅速增加，此時(shí)因RbCb或ReCe值過(guò)大，偏壓Eb開(kāi)始變化不大。Ub增加的結(jié)果是，晶體管很快工作到截止?fàn)顟B(tài)(θ<180°)，或工作到飽和狀態(tài)。由于非線(xiàn)性作用，放大量K0下降使K0F=1，振蕩電壓Ub開(kāi)始趨于穩(wěn)定。隨后偏壓Eb繼續(xù)變負(fù)(它的變化比Ub變化要晚一些)。在t=t1至t=t2時(shí)間內(nèi)，振蕩器處于平衡狀態(tài)。由于Eb是變化的，故平衡時(shí)的Ub仍稍有下降。至t=t2時(shí)，由于Ub的減小導(dǎo)致K0的下降(在C類(lèi)欠壓狀態(tài)，Ub的下降會(huì)使K0下降)，使K0F<1，即不滿(mǎn)足振幅平衡條件，于是振蕩振幅迅速衰減到零。在此過(guò)程中，由于Eb的變化跟不上Ub的變化，不會(huì)出現(xiàn)K0F=1。再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，偏壓Eb恢復(fù)到起振時(shí)電壓，又重復(fù)上述過(guò)程，形成了間歇振蕩。圖4-27間歇振蕩時(shí)Ub與Eb的波形若偏壓電路時(shí)間常數(shù)(RbCb、ReCe)不是很大，在Ub衰減的過(guò)程中仍能維持K0F=1時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的振幅起伏振蕩，這也是間歇振蕩的一種形式。當(dāng)出現(xiàn)間歇振蕩時(shí)，通常集電極直流電流很小，回路上的高頻電壓很大，可以用示波器觀察間歇振蕩的波形。為保證振蕩器的正常工作，應(yīng)防止間歇振蕩，除了起振時(shí)K0F不要太大外，主要的方法是適當(dāng)?shù)剡x取偏壓電路中Cb、Ce的值。Cb、Ce適當(dāng)選小些，使偏壓Eb的變化能跟上Ub的變化，其具體數(shù)值通常由實(shí)驗(yàn)決定。附帶說(shuō)明一點(diǎn)，高Q值的晶體振蕩器，通常不會(huì)產(chǎn)生間歇振蕩現(xiàn)象。4.6.2頻率拖曳現(xiàn)象前面討論的LC振蕩器，都是以單振蕩回路作為晶體管的負(fù)載，其振蕩頻率基本上等于回路諧振頻率。有時(shí)候以耦合振蕩回路作為負(fù)載，在一定的條件下會(huì)產(chǎn)生所謂的頻率拖曳現(xiàn)象。圖4-28(a)是一個(gè)互感耦合的變壓器反饋振蕩器。其中L1C1是與晶體管直接連接的初級(jí)回路，L2C2是與它耦合的次級(jí)回路。圖4-28(b)是耦合回路的等效電路。圖4-28變壓器反饋振蕩器(a)實(shí)際電路；(b)耦合回路的等效電路由第2章耦合回路的分析可知，當(dāng)次級(jí)回路為高Q電路且兩回路為緊耦合時(shí)(k>k0)，初級(jí)兩端的并聯(lián)阻抗ZL具有雙峰，而其幅角的頻率特性上有三個(gè)零值點(diǎn)，也可以說(shuō)有三個(gè)諧振頻率ωI、ωII、ωIII，如圖4-29所示。這三個(gè)諧振頻率既取決于初、次級(jí)本身的諧振頻率ω01、ω02，也取決于兩回路間的耦合系數(shù)k。從振蕩器的原理可知，若對(duì)ωI、ωII同時(shí)滿(mǎn)足振蕩的相位平衡和相位穩(wěn)定條件(，)，這種振蕩器就可以在ωI和ωII中的一個(gè)頻率上產(chǎn)生振蕩，至于是在ωI還是在ωII上振蕩，則取決于振幅平衡條件(由于振蕩器中固有的非線(xiàn)性作用，即使ωI、ωII都滿(mǎn)足振幅條件，一種振蕩已建立后將抑制另一種振蕩的建立，因此不會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)頻率的同時(shí)振蕩)。當(dāng)耦合系數(shù)k和初級(jí)諧振頻率ω01一定時(shí)，ωI、ωII(實(shí)際上是ω2I、ω2II)隨次級(jí)諧振頻率ω02變化的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4-30(a)所示。當(dāng)k和ω02固定時(shí)，ωI、ωII與ω01也有相同的曲線(xiàn)。由圖可以看出以下幾點(diǎn):

(1)ωII始終大于ωI，且有ωII>ω01，ωI<ω01；

(2)當(dāng)ω02遠(yuǎn)低于ω01時(shí)，ω02對(duì)ωI影響較大；當(dāng)ω02遠(yuǎn)大于ω01時(shí)，ω02對(duì)ωII影響較大。此外，兩回路耦合越緊，k越大，ωI與ωII相差越大(當(dāng)ω01、ω02一定時(shí))。圖4-29阻抗ZL的幅角的頻率特性頻率拖曳現(xiàn)象是指在上述緊耦合回路的振蕩器中，當(dāng)變化一個(gè)回路(如次級(jí)回路)的諧振頻率時(shí)，振蕩器頻率具有非單值的變化。圖4-30(b)就是振蕩頻率隨次級(jí)諧振頻率ω02變化的曲線(xiàn)。振蕩頻率與初級(jí)回路的諧振頻率ω01之間也有相似的關(guān)系曲線(xiàn)。當(dāng)ω02從很低頻率增加時(shí)，由于ωII在頻率上滿(mǎn)足振幅平衡條件，振蕩頻率為ωII。在ωM<ω02<N范圍時(shí)，雖然在ωI上也能滿(mǎn)足振幅平衡條件，但因?yàn)樵瓉?lái)已在ωII上振蕩，故將抑制ωI的振蕩。當(dāng)ω02增加到ω02>ωN時(shí)，因ωII不再滿(mǎn)足振幅平衡條件，而ωI滿(mǎn)足振蕩條件，所以振蕩頻率突跳至較低的ωI上，并按ωI的規(guī)律變化。

這樣的頻率變化稱(chēng)為頻率拖曳現(xiàn)象，并構(gòu)成一拖曳環(huán)。當(dāng)ω02

位于ωM

與ωN

之間，而振蕩器開(kāi)始工作時(shí)，振蕩器可能在ωII

工作，也可能在ωI

工作，這時(shí)的振蕩器頻率不是惟一確定的，它可能受外部條件的影響而產(chǎn)生頻率跳變現(xiàn)象。圖4-30ωI、ωII與ω02的關(guān)系曲線(xiàn)及拖曳環(huán)的形成頻率拖曳現(xiàn)象一般應(yīng)該避免，因?yàn)樗拐袷幤鞯念l率不是單調(diào)的變化和受回路諧振頻率惟一確定。為避免產(chǎn)生頻率拖曳現(xiàn)象，應(yīng)該減小兩回路的耦合，或減小次級(jí)回路Q(chēng)值。另外，若次級(jí)回路頻率遠(yuǎn)離所需的振蕩頻率范圍，也不會(huì)產(chǎn)生拖曳現(xiàn)象(振蕩頻率由ω01調(diào)節(jié))。但在要求有高效率輸出的耦合回路振蕩器中，拖曳現(xiàn)象通常不能避免，此時(shí)應(yīng)利用以上知識(shí)進(jìn)行調(diào)整。在某些微波振蕩器中(包括一些利用負(fù)阻器件的振蕩器)也可以利用拖曳效應(yīng)用高Q值和高穩(wěn)定參數(shù)的次級(jí)回路進(jìn)行穩(wěn)頻，即讓振蕩器工作在受ω02控制較大的部分(如圖4-30(b)上的ωM附近的ωI或ωN附近的ωII上)，這種穩(wěn)頻方法稱(chēng)為牽引穩(wěn)頻，次級(jí)回路由穩(wěn)頻腔擔(dān)任。4.6.3振蕩器的頻率占據(jù)現(xiàn)象在一般LC振蕩器中，若從外部引入一頻率為fs的信號(hào)，當(dāng)fs接近振蕩器原來(lái)的振蕩頻率f1時(shí)，會(huì)發(fā)生占據(jù)現(xiàn)象，表現(xiàn)為當(dāng)fs接近f1時(shí)，振蕩器受外加信號(hào)影響，振蕩頻率向接近fs的頻率變化，而當(dāng)fs進(jìn)一步接近原來(lái)f1時(shí)，振蕩頻率甚至等于外加信號(hào)頻率fs，產(chǎn)生強(qiáng)迫同步。當(dāng)fs離開(kāi)原來(lái)f1時(shí)，則發(fā)生相反的變化。這是因?yàn)?，?dāng)外加信號(hào)頻率fs在振蕩回路的帶寬以?xún)?nèi)時(shí)，外信號(hào)的加入會(huì)改變振蕩器的相位平衡狀態(tài)，使相位平衡條件在頻率上得到滿(mǎn)足，從而發(fā)生占據(jù)現(xiàn)象。4-31(a)為解釋占據(jù)現(xiàn)象的振蕩器線(xiàn)路，其中為外加信號(hào)，現(xiàn)等效到晶體管的基極電路。圖4-31(b)表示有占據(jù)現(xiàn)象時(shí)振蕩頻率和信號(hào)頻率fs之間頻率差與信號(hào)頻率fs的變化關(guān)系，圖(b)中fA至fB及fC至fD范圍為開(kāi)始產(chǎn)生頻率牽引的范圍，fB至fC為占據(jù)頻率范圍，2Δf稱(chēng)為占據(jù)帶寬。圖4-31占據(jù)現(xiàn)象下面用矢量圖來(lái)分析占據(jù)過(guò)程。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)無(wú)外加信號(hào)時(shí)的振蕩頻率f1等于回路諧振頻率f0，這表示在圖4-31(a)上的電壓、電流(、、)及反饋電壓都同相?，F(xiàn)加入信號(hào)，其頻率fs處于占據(jù)帶，并以作參考可以作出振蕩器的電壓、電流矢量圖，如圖4-32所示。圖4-32說(shuō)明占據(jù)過(guò)程的瞬時(shí)電壓矢量圖(a)fs小于f1；(b)占據(jù)時(shí)的矢量設(shè)信號(hào)頻率fs小于f1，若以圖4-32(a)中作為基準(zhǔn)，則其它電壓、電流(頻率為f1)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在看一個(gè)反饋周期中矢量的變化。設(shè)有后，基極輸入電壓為，由圖可見(jiàn)，雖然仍為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，但因，顯然它的轉(zhuǎn)速要慢些，這表示其瞬時(shí)頻率比f(wàn)1要低一些。為新的電壓產(chǎn)生的集電極電流，它與瞬時(shí)同相。由于振蕩回路有儲(chǔ)能作用，回路上新的并不立即取決于，但是可以想象它的瞬時(shí)相位要逐漸滯后。。如果上述使振蕩電壓、電流瞬時(shí)頻率逐漸降低的過(guò)程能一直進(jìn)行到穩(wěn)定狀態(tài)，即最后保持與有固定的相位關(guān)系，則表示頻率，產(chǎn)生占據(jù)。若振蕩頻率有所降低，但始終達(dá)不到穩(wěn)定狀態(tài)(振蕩電壓仍以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))，這就相當(dāng)于fA至fB的牽引狀態(tài)。出現(xiàn)占據(jù)時(shí)的電流、電壓矢量圖如圖4-32(b)所示。圖上為回路阻抗的幅角。因?yàn)榇藭r(shí)，，故為正值。為超前的相角，由圖(b)可知，因

由上式三個(gè)矢量構(gòu)成的平行四邊形關(guān)系，可得(4-57)這表明，在占據(jù)時(shí)和保持相對(duì)固定的相移是靠回路失諧產(chǎn)生的來(lái)補(bǔ)償?shù)?。因與回路失諧大小有關(guān)，可以由式(4-57)求出占據(jù)頻帶。通?；芈肥еC不大(失諧很大時(shí)振幅條件也將不能滿(mǎn)足)時(shí)，不大，因此有下列近似關(guān)系:再考慮并聯(lián)回路當(dāng)ES不大時(shí)，可以用Ub代替，式(4-57)可寫(xiě)為

(4-59)可能得到的最大占據(jù)頻帶2Δf出現(xiàn)在的最大值1處，因此可得相對(duì)占據(jù)頻帶

(4-60)此式表明，振蕩器的占據(jù)帶寬與ES/Ub成正比而與有載值Q成反比。這從概念上也容易理解，Q值代表回路保持固有諧振的能力，而ES大小代表外部強(qiáng)制作用的大小。4.6.4寄生振蕩在高頻放大器或振蕩器中，由于某種原因，會(huì)產(chǎn)生不需要的振蕩信號(hào)，這種振蕩稱(chēng)為寄生振蕩。如第3章介紹的小信號(hào)放大器穩(wěn)定性時(shí)所說(shuō)的自激，即屬于寄生振蕩。產(chǎn)生寄生振蕩的形式和原因是各種各樣的，有單級(jí)和多級(jí)振蕩，有工作頻率附近的振蕩或者是遠(yuǎn)離工作頻率的低頻或超高頻振蕩。在高增益的高頻放大器中，由于晶體管輸入、輸出電路通常有振蕩回路，通過(guò)輸出、輸入電路間的反饋(大多是通過(guò)晶體管內(nèi)部的反饋電容)，容易產(chǎn)生工作頻率附近的寄生振蕩。在高頻功率放大器及高頻振蕩器中，由于通常都要用到扼流圈、旁路電容等元件，在某些情況下會(huì)產(chǎn)生低頻寄生振蕩。圖4-33(a)就是一高頻功率放大器的實(shí)際線(xiàn)路，圖中Lc為高頻扼流圈。在遠(yuǎn)低于工作頻率時(shí)，由于C1的阻抗很大，可得到如圖4-33(b)的等效電路。當(dāng)Lc和Cbc較大時(shí)，可能既滿(mǎn)足相位平衡條件又滿(mǎn)足振幅平衡條件，就會(huì)產(chǎn)生低頻寄生振蕩。所以能滿(mǎn)足振幅平衡，還應(yīng)考慮兩個(gè)因素，一個(gè)是在低頻時(shí)晶體管有較大的電流放大系數(shù)，另一個(gè)是原來(lái)的負(fù)載電阻對(duì)此低頻回路并不加載。由于高頻功率放大器通常工作在B類(lèi)或C類(lèi)的強(qiáng)非線(xiàn)性狀態(tài)，低頻寄生振蕩通常還會(huì)產(chǎn)生對(duì)高頻信號(hào)的調(diào)制，因此可以觀察到如圖4-33(c)的調(diào)幅波。圖4-33低頻寄生振蕩的等效電路和波形遠(yuǎn)高于工作頻率的寄生振蕩(可能到超高頻范圍)通常是由晶體管的極間電容以及外部的引線(xiàn)電感構(gòu)成振蕩回路的反饋電路。單級(jí)高頻功率放大器中，還可能因大的非線(xiàn)性電容Cbc而產(chǎn)生參量寄生振蕩，以及由于晶體管工作到雪崩擊穿區(qū)而產(chǎn)生的負(fù)阻寄生振蕩。實(shí)踐還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放大器工作于過(guò)壓狀態(tài)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)某種負(fù)阻現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的寄生振蕩(高于工作頻率)只有放大器激勵(lì)電壓的正半周出現(xiàn)。產(chǎn)生多級(jí)寄生振蕩的原因也有多種:一種是由于采用公共電源對(duì)各級(jí)饋電而產(chǎn)生的寄生反饋。一種是由于每級(jí)內(nèi)部反饋加上各級(jí)之間的互相影響，例如兩個(gè)雖有內(nèi)部反饋而不自激的放大器，級(jí)聯(lián)后便有可能會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。還有一種引起多級(jí)寄生振蕩的原因是各級(jí)間的空間電磁耦合。寄生振蕩的防止和消除既涉及正確的電路設(shè)計(jì)，同時(shí)又涉及線(xiàn)路的實(shí)際安裝，如導(dǎo)線(xiàn)盡可能短，減少輸出電路對(duì)輸入電路的寄生耦合、接地點(diǎn)盡量靠近等，因此既需要有關(guān)的理論知識(shí)，也需要從實(shí)際中積累經(jīng)驗(yàn)。消除寄生振蕩的一般方法為:在觀察到寄生振蕩后，要判斷出哪個(gè)頻率范圍的振蕩，是單級(jí)振蕩還是多級(jí)振蕩。為此可能要斷開(kāi)級(jí)間連接，或者去掉某級(jí)的電源電壓。在判斷確定是某種寄生振蕩后，可以根據(jù)有關(guān)振蕩的原理分析產(chǎn)生寄生振蕩的可能原因，參與寄生振蕩的元件，并通過(guò)試驗(yàn)(更換元件，改變?cè)?shù)值)等方法來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于放大器在工作頻率附近的寄生振蕩，主要消除方法是降低放大器的增益，如降低回路阻抗或者射極加小負(fù)反饋電阻等。要消除由于扼流圈等引起的低頻寄生振蕩，可以適當(dāng)降低扼流圈電感數(shù)值和減小它的Q值。后者可用一電阻和扼流圈串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。要消除由公共電源耦合產(chǎn)生的多級(jí)寄生振蕩，可采用有LC或RC低通濾波器構(gòu)成的去耦電路，使后級(jí)的高頻電流不流入前級(jí)。圖4-34示出了一電源去耦的例子。圖4-34電源去耦舉例

前幾節(jié)討論了LC振蕩器和石英晶體振蕩器，但是如果振蕩頻率在幾十千赫茲以下，LC振蕩器的回路電感和電容C就比較大。一般來(lái)說(shuō)制造損耗小的大電感和電容是比較困難的，此外回路元件的體積過(guò)大，安裝調(diào)試均不方便。因此，振蕩頻率較低時(shí)，一般采用RC振蕩器。

4.7RC振蕩器

RC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性比LC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性差得多，因此常采用負(fù)反饋來(lái)提高電路的選頻特性。其原理是電路中除了有產(chǎn)生自激振蕩所需的正反饋外，還同時(shí)加有負(fù)反饋?？偟姆答佇Ч?在振蕩頻率，正反饋超過(guò)負(fù)反饋，并滿(mǎn)足自激條件，偏離自激頻率時(shí)，力求使負(fù)反饋超過(guò)正反饋，以抑制不需要的頻率，從而改善輸出波形。根據(jù)RC網(wǎng)絡(luò)的不同構(gòu)成，RC振蕩器可分為相移振蕩器和橋式振蕩器兩大類(lèi)，我們先回顧一下RC網(wǎng)絡(luò)的特性，然后再討論RC振蕩器。4.7.1RC網(wǎng)絡(luò)

1．超前型移相網(wǎng)絡(luò)圖4-35(a)示出了RC超前型移相網(wǎng)絡(luò)。傳輸系數(shù)為

(4-61)其模值和相角分別為式中ω0=1/(RC)。幅頻特性和相頻特性分別如圖4-35(b)、(c)所示。圖4-35超前型移相網(wǎng)絡(luò)(a)電路；(b)幅頻特性；(c)相頻特性

2．滯后型移相網(wǎng)絡(luò)圖4-36(a)示出了RC滯后型移相網(wǎng)絡(luò)。傳輸系數(shù)為(4-62)其模值和相角分別為式中ω0=1/(RC)。幅頻特性和相頻特性分別如圖4-36(b)、(c)所示。圖4-36RC滯后型移相網(wǎng)絡(luò)(a)電路；(b)幅頻特性；(c)相頻特性

3.串并聯(lián)型選頻網(wǎng)絡(luò)圖4-37(a)示出了RC串并聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)。傳輸系數(shù)為(4-63)式中ω0=1/RC，其模和相角分別為相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性如圖4-37(b)、(c)所示。圖4-37串并聯(lián)型選頻網(wǎng)絡(luò)(a)電路；