第4章正弦振蕩

1.信號(hào)的放大：

高頻小信號(hào)放大，高頻功率放大2.信號(hào)的產(chǎn)生：振蕩器3.信號(hào)的變換：倍頻器，變頻器調(diào)制器：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相解調(diào)器：檢波、鑒頻、鑒相通信電子電路的主要內(nèi)容1.概述2.反饋振蕩原理3.LC振蕩器4.晶體振蕩器第4章正弦波振蕩器4.1概述

振蕩器是一種能自動(dòng)地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交流振蕩信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換電路。它與放大器的區(qū)別在于：無(wú)需外加激勵(lì)信號(hào)，就能產(chǎn)生具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交流信號(hào)。頻率的穩(wěn)定性越來(lái)越高1.并聯(lián)諧振回路中的自由振蕩現(xiàn)象

t<0，S接1；t≥0，S接2。是角頻率為ω0，振幅按指數(shù)規(guī)律衰減的振蕩電壓。4.2反饋型正弦波自激振蕩器基本原理要得到等幅振蕩，應(yīng)使α=0（1）再并上一負(fù)阻用器件構(gòu)成負(fù)阻，如用隧道二極管等。（2）利用正反饋補(bǔ)充能量

在剛接通電源時(shí)，電路中存在各種電擾動(dòng)，如接通電源瞬間引起的電流突變，電路中的熱噪聲等等，這些擾動(dòng)均具有很寬的頻譜。如果選頻網(wǎng)絡(luò)是由ＬＣ并聯(lián)諧振回路組成，

則其中只有角頻率為諧振角頻率ω0的擾動(dòng)分量才能通過(guò)反饋產(chǎn)生較大的反饋電壓。2.反饋振蕩的建立和振蕩條件反饋必須是正反饋，即反饋到輸入端的反饋電壓必須與輸入電壓同相（用瞬時(shí)極性法判斷）。3.平衡過(guò)程與平衡條件

隨著振幅的增大，放大器逐漸由放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，電流波形出現(xiàn)切頂現(xiàn)象，但由于諧振回路的選頻特性，電壓仍為余弦波形，但基本不再增加。振蕩建立過(guò)程結(jié)束，波形穩(wěn)定下來(lái)。平衡條件Σφ=φK(ω0)+φF(ω0)=2nπ(n=０,１,２,…)振幅平衡條件相位平衡條件注：F有一定的相移，為保證正反饋，諧振回路有一些失諧。4.振蕩器的穩(wěn)定條件A點(diǎn)是穩(wěn)定的，而B(niǎo)是不穩(wěn)定點(diǎn)。為了維持振蕩器穩(wěn)定的工作，只滿足平衡條件和起振條件是不夠的，因?yàn)槠胶鈼l件只能說(shuō)明振蕩可能平衡在某一狀態(tài)，而不能說(shuō)明振蕩的平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。

由晶體管放大器保證注：開(kāi)始工作在甲類(lèi)，避免硬激勵(lì)。（2）相位平衡的穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件的意義:指當(dāng)相位平衡條件遭到破壞時(shí)，電路本身能自動(dòng)地重新建立起相位平衡點(diǎn)的條件。

由諧振回路保證相位變化時(shí)，頻率也變化，故相位穩(wěn)定條件也是頻率穩(wěn)定條件。相位穩(wěn)定條件：用瞬時(shí)極性法判斷電路是否滿足正弦波振蕩的相位條件（即是否是正反饋）：1.斷開(kāi)反饋，在斷開(kāi)處加輸入電壓Ui（交流），規(guī)定其瞬時(shí)對(duì)地極性；2.以此為依據(jù)，判斷輸出電壓Uo的極性；

3.根據(jù)輸出電壓Uo的極性判斷反饋電壓Uf的極性；4.若Ui和Uf極性相同，說(shuō)明是正反饋，滿足相位條件，電路有可能振蕩。（C2，Ce對(duì)交流短路）共射：反相；共基、共集：同相。

三點(diǎn)式振蕩器是指ＬＣ回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而組成的一種振蕩器。4.3三點(diǎn)式LC振蕩器4.3.3相位條件判斷電路組成法則

假定（1）不考慮晶體管的電抗效應(yīng)；（2）ＬＣ回路由純電抗元件組成，其電抗值分別為Ｘce，Ｘbe和Ｘbc；（3）在諧振時(shí)，I>>Ib，I>>Ic當(dāng)回路諧振（ω＝ω0）時(shí),回路呈純阻性，有Ｘbe＋Ｘce+Ｘbc＝0電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式Χbe與Χce必須是同性質(zhì)電抗，Xbc必須是與它們異性質(zhì)的電抗。

Ｘbc＝—（Ｘbe+Ｘce）射同集（基）反2016.4.6（6）平衡條件相位穩(wěn)定條件振幅穩(wěn)定條件用瞬時(shí)極性法判斷電路是否滿足正弦波振蕩的相位條件（即是否是正反饋）：1.斷開(kāi)反饋，在斷開(kāi)處加輸入電壓Ui（交流），規(guī)定其瞬時(shí)對(duì)地極性；2.以此為依據(jù)，判斷輸出電壓Uo的極性；

3.根據(jù)輸出電壓Uo的極性判斷反饋電壓Uf的極性；4.若Ui和Uf極性相同，說(shuō)明是正反饋，滿足相位條件，電路有可能振蕩。（C2，Ce對(duì)交流短路）共射：反相；共基、共集：同相。

三點(diǎn)式振蕩器是指ＬＣ回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而組成的一種振蕩器。4.3三點(diǎn)式LC振蕩器4.3.3相位條件判斷電路組成法則

假定（1）不考慮晶體管的電抗效應(yīng)；（2）ＬＣ回路由純電抗元件組成，其電抗值分別為Ｘce，Ｘbe和Ｘbc；（3）在諧振時(shí)，I>>Ib，I>>Ic當(dāng)回路諧振（ω＝ω0）時(shí),回路呈純阻性，有Ｘbe＋Ｘce+Ｘbc＝0電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式Χbe與Χce必須是同性質(zhì)電抗，Xbc必須是與它們異性質(zhì)的電抗。

Ｘbc＝—（Ｘbe+Ｘce）射同集（基）反

Χbe與Χce必須是同性質(zhì)電抗，Xbc必須是與它們異性質(zhì)的電抗。

對(duì)三點(diǎn)式振蕩器，可以用“瞬時(shí)極性法”通過(guò)反饋確定是否滿足相位條件外，還可用“射同集（基）反”判斷是否滿足相位條件（更容易）。

其他電容是高頻旁路電容和耦合電容，對(duì)高頻振蕩信號(hào),可近似為短路。ZL是扼流圈，對(duì)高頻開(kāi)路。4.3.1電容三點(diǎn)式振蕩器圖中Ｃ1、Ｃ2是回路電容,Ｌ是回路電感。交流簡(jiǎn)化電路特點(diǎn)：1.反饋電壓取自C2，而電容對(duì)高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，有很好的濾波作用，因而輸出波形好。2.反饋系數(shù)與回路電容有關(guān)，如果用改變電容的方法來(lái)調(diào)整振蕩頻率，將改變反饋系數(shù)，從而影響起振。4.3.2電感三點(diǎn)式振蕩器交流簡(jiǎn)化電路ee特點(diǎn)：1.用改變電容的方法來(lái)調(diào)整頻率，不會(huì)影響反饋系數(shù)。2.反饋電壓取自電感L2，而電感線圈對(duì)高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，反饋電壓中高頻分量較多，輸出波形差。另外，在頻率高時(shí)，分布電容的影響明顯。

電感反饋振蕩器電路仿真電感反饋振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是容易起振，且振蕩幅度較大；可以通過(guò)改變電容的方法來(lái)調(diào)整振蕩頻率，而不會(huì)影響反饋系數(shù)。起振狀態(tài)平衡狀態(tài)該圖清楚地顯示了振蕩器在起振階段的幅度變化規(guī)律，即振蕩幅度從0開(kāi)始慢慢變大。起振時(shí)間大概要用9.668ms。該圖顯示出平衡狀態(tài)時(shí)，振蕩器的輸出為持續(xù)等幅、頻率恒定的正弦波。當(dāng)電容C4為100nF時(shí)，頻率計(jì)上顯示該波形振蕩頻率為6.931KHZ。改變C4電容值為60nF時(shí)，頻率上顯示該波形振蕩頻率為8.852KHZ。從中可以看出，通過(guò)調(diào)節(jié)電容C4的大小可以方便地調(diào)節(jié)波形的振蕩頻率。兩種振蕩器共同的缺點(diǎn)是：晶體管本身的輸入輸出電容分別和兩個(gè)回路電抗元件并聯(lián)，影響回路的等效電抗元件參數(shù)，從而影響振蕩頻率。

由于晶體管輸入輸出電容值隨環(huán)境溫度、電源電壓等因素而變化，所以三點(diǎn)式電路的頻率穩(wěn)定度不高，一般在１０-3量級(jí)。

4.4改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器特點(diǎn)1：在條件滿足時(shí)，ω0僅與L、C有關(guān)，提高了頻率穩(wěn)定度。Ｃ<<Ｃ1,Ｃ

<<Ｃ24.4.1串聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器（克拉潑電路）晶體管CB兩端與回路ＡＢ兩端之間的接入系數(shù)為n1

RL折算到CB兩端后為特點(diǎn)2：C1、C2取值越大，或C越小，RL’也越小，不易起振。特點(diǎn)3：由于RL’隨ω0變化過(guò)快，不適宜做成頻率可調(diào)的波段振蕩器。(7)2016.4.134.3.3三點(diǎn)式相位條件判斷Ｘbe＋Ｘce+Ｘbc＝0電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式Χbe與Χce必須是同性質(zhì)電抗，Xbc必須是與它們異性質(zhì)的電抗。

Ｘbc＝—（Ｘbe+Ｘce）射同集（基）反特點(diǎn)1：在條件滿足時(shí)，ω0僅與L、C有關(guān)，提高了頻率穩(wěn)定度。Ｃ<<Ｃ1,Ｃ

<<Ｃ24.4.1串聯(lián)改進(jìn)型（克拉潑電路）特點(diǎn)2：C1、C2取值越大，或C越小，RL’也越小，不易起振。特點(diǎn)3：由于RL’隨ω0變化過(guò)快，不適宜做成頻率可調(diào)的波段振蕩器。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(gè)電容Ｃ,仍滿足Ｃ1

、Ｃ2>>Ｃ3Ｃ1

、Ｃ2>>Ｃ4.4.2并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器（西勒電路）特點(diǎn)1：在條件滿足時(shí)，ω0僅與L、C3、C有關(guān)，提高了頻率穩(wěn)定度。晶體管CB兩端與回路ＡＢ兩端之間的接入系數(shù)n1同克拉潑電路。特點(diǎn)2：C1、C2取值越大，或C3越小，RL’也越小，不易起振。特點(diǎn)3：當(dāng)改變C調(diào)整振蕩頻率時(shí)，RL’變化不劇烈，適宜做成頻率可調(diào)的波段振蕩器。例.振蕩電路如圖所示：（１）畫(huà)出交流簡(jiǎn)化電路；（２）如fo=40MHz，求Ｌ值。

衡量實(shí)際振蕩頻率ｆ相對(duì)于標(biāo)稱振蕩頻率ｆ0變化的程度，提出了頻率穩(wěn)定度這一性能指標(biāo)。4.5振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題1.頻率穩(wěn)定度定義

根據(jù)測(cè)試時(shí)間的長(zhǎng)短，

將頻率穩(wěn)定度分成長(zhǎng)期頻穩(wěn)度、短期頻穩(wěn)度和瞬時(shí)頻穩(wěn)度三種，測(cè)試時(shí)間分別為一天以上、一天以內(nèi)和一秒以內(nèi)。

長(zhǎng)期頻穩(wěn)度主要取決于元器件的老化特性，短期頻穩(wěn)度主要取決于電源電壓和環(huán)境溫度的變化以及電路參數(shù)的變化等等，而瞬時(shí)頻穩(wěn)度則與元器件的內(nèi)部噪聲有關(guān)。

（1）減小外界因素變化的影響。2.提高LC振蕩器頻率穩(wěn)定度的措施

（2）提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性（外界因素變化時(shí),振蕩回路保持其諧振頻率不變的能力）,選取合理的電路形式。

A.采用溫度系數(shù)小或溫度系數(shù)相反的電抗元件組成回路。

B.注意選擇回路與器件、負(fù)載之間的接入系數(shù)。4.5振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題ＬＣ振蕩器均是采用ＬＣ元件作為選頻網(wǎng)絡(luò)。

由于ＬＣ元件的標(biāo)準(zhǔn)性較差，因而諧振回路的Ｑ值較低，空載Ｑ值一般不超過(guò)３００，有載Ｑ值就更低，所以ＬＣ振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高，一般為１０-3量級(jí)，即使是克拉潑電路和西勒電路也只能達(dá)到１０-4～１０-5量級(jí)。

如果需要頻率穩(wěn)定度更高的振蕩器，可以采用晶體振蕩器。4.6石英晶體諧振器4.6.1石英晶體的壓電效應(yīng)及等效電路

受到壓力，特定表面會(huì)出現(xiàn)電荷，正壓電效應(yīng)；受到電場(chǎng)，特定方向會(huì)出現(xiàn)形變，逆壓電效應(yīng)。

1880，皮埃爾·居里發(fā)現(xiàn)石英壓電現(xiàn)象。1905—1909，意大利人喬治成功培育人工水晶。1990，個(gè)人電腦、移動(dòng)電話及車(chē)用導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)石英的需求大幅增長(zhǎng)。1922，美國(guó)人發(fā)明晶振。1969，首款石英手表發(fā)售。1980，錄放機(jī)、個(gè)人電腦使石英大放異彩。石英晶體的等效電路C0：2pF～5pF；Cq：10-4pF～10-1pF；

Lq：10-3H～102

H（取決于晶片的厚度。低頻：厚，重，電感值大；高頻：薄，輕，電感值?。?；Rq：約1歐到幾十歐4.6.2石英晶體的阻抗特性不考慮損耗，即rq=0時(shí)fp與fs間隔很小極陡的電抗特性曲線說(shuō)明對(duì)頻率有極靈敏的補(bǔ)償能力。串聯(lián)諧振：并聯(lián)諧振：4.6.4石英諧振器頻率穩(wěn)定度高的原因（1）石英晶體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，等效電路參數(shù)很穩(wěn)定，受外界影響小。（2）Q值高。C0：１pF～１０ｐF；Cq：10-4pF～10-1pF；

Lq：10-3H～102H；rq約幾十歐到幾百歐C0：１pF～１０ｐF；Cq：10-4pF～10-1pF；（3）外電路對(duì)晶體諧振器的影響小，有利于提高頻率穩(wěn)定性。由石英諧振器構(gòu)成的振蕩電路。并聯(lián)晶振電路：晶體