《高頻電子技術(shù)與應(yīng)用》課件第4章

4.1概述

4.2

LC正弦波振蕩器

4.3

RC正弦波振蕩器4.4石英晶體振蕩器

4.5振蕩器的頻率穩(wěn)定與幅度穩(wěn)定

4.6振蕩器仿真設(shè)計

小結(jié)習(xí)題

本章要點

·正弦波振蕩器的概念、組成、振蕩條件

·各種正弦波振蕩器典型電路、工作原理、特點、振蕩頻率的估算本章難點

·正弦波振蕩器振蕩的建立過程

·各種正弦波振蕩器的工作原理分析與計算

·用Multisim10.0仿真分析正弦波振蕩器的波形、頻率

4.1概述4.1.1振蕩器的概念和用途

所謂振蕩器是一種不需要外加激勵信號，而能將直流電源的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康碾娮釉O(shè)備。它與放大器最根本的區(qū)別在于它的工作不需要外加信號的推動。

振蕩器電路是一種用途非常廣泛的基本電子線路。例如，在無線電通信、廣播、電視發(fā)射系統(tǒng)中，高頻振蕩器是個核心。利用它產(chǎn)生的高頻信號，把需要傳送的低頻信號“寄載”在高頻信號上，經(jīng)發(fā)射天線輻射出去。工業(yè)用的超生波焊接、高頻感應(yīng)加熱，家庭用的電磁爐，都需要產(chǎn)生大功率高頻信號的振蕩器。在無線電測量技術(shù)中，廣泛應(yīng)用的各頻段的信號發(fā)生器以及超外差接收機中的本地振蕩信號和電子醫(yī)療器械中都要應(yīng)用振蕩器。因此，振蕩器在各個科學(xué)技術(shù)部門中得到了廣泛的應(yīng)用。

4.1.2振蕩器的分類與要求振蕩器按照輸出信號波形不同，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩類，本章討論的是正弦波振蕩器，關(guān)于非正弦波振蕩器，不在本教材中討論。正弦波振蕩器的種類很多，按形成振蕩的原理來分，可以分為“反饋式”和“負阻式”兩類，本章討論反饋式正弦波振蕩器。

正弦波振蕩器輸出信號的頻率范圍是很寬的，基本上可以分成兩大類。一類是由電阻、電容元件組成的RC振蕩器，它適用于產(chǎn)生低頻正弦波振蕩信號，其振蕩頻率范圍為幾赫茲到幾十千赫茲。另一類是由集中參數(shù)LC元件組成的高頻振蕩器，它的振蕩頻率在幾十千赫茲到幾十兆赫茲。如果頻率更高，進入米波、分米波范圍，則由分布參數(shù)系統(tǒng)組成超高頻振蕩器。

4.1.3正弦波振蕩器的組成框圖及發(fā)生振蕩的條件

1.從LC單調(diào)諧放大器到正弦波振蕩器

用LC并聯(lián)的單調(diào)諧回路作為放大器的集電極負載，如圖4-1所示，將開關(guān)S與接點“1”連接時，電路就是一個LC單調(diào)諧放大器，輸入信號為，當回路諧振在信號頻率時，經(jīng)互感耦合輸出至負載RL，在反饋線圈Lf上有感應(yīng)電壓，此時如果把開關(guān)S迅速轉(zhuǎn)向接點“2”，電路輸入端的信號電壓由取代信號電壓，只要適當選擇線圈匝數(shù)比和線圈的繞向，使反饋電壓與信號電壓大小相等，方向相同，這樣就可使放大器變成不需要外加信號的自激振蕩器。

圖4-1用LC并聯(lián)的單調(diào)諧回路作為放大器的集電極負載

2.振蕩的平衡條件振蕩器的方框圖如圖4-2所示。圖中是放大器的開環(huán)放大倍數(shù)，是反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)，、、分別為放大器的輸入電壓、反饋電壓以及輸出電壓。顯然，要產(chǎn)生振蕩，輸入電壓必需完全由反饋電壓提供，即且，即。(4-1)

圖4-2振蕩器的方框圖

將代入式(4-1)中，可得，所以式(4-2)為產(chǎn)生自激振蕩的平衡條件。式中和都為復(fù)數(shù)，設(shè)jA和jF分別為和的相角，于是有則式(4-2)變?yōu)?4-2)(4-3)式(4-3)可以分為兩部分，即AuFu=1

=

A+

F=2n

(n=0,1,2,……)式(4-4)為自激振蕩的振幅平衡條件，式(4-5)為自激振蕩的相位平衡條件。一個電路要產(chǎn)生自激振蕩必須滿足上述兩個條件。(4-4)(4-5)

3.振蕩的建立過程和起振條件

(1)振蕩建立過程。上面從放大器討論到振蕩器，實際振蕩器當然不需要外加信號電壓Ui和開關(guān)S的轉(zhuǎn)換，只要將圖4-1中A、B兩端短接，電路就能自行產(chǎn)生振蕩，這是為什么呢？因為當電源接通后，由于閉合電路的電沖擊、晶體管的內(nèi)部噪聲和電路熱擾動等，在基極電路中產(chǎn)生瞬變的電壓和電流，經(jīng)放大后形成集電極電流ic，這些瞬變電壓和電流所包含的頻率非常豐富，有低頻分量和高頻分量，經(jīng)過LC諧振回路的選擇，將需要的頻率分量(ω=ωo)選出來，在回路兩端形成較大的輸出電壓，通過互感耦合，在放大器輸入端產(chǎn)生一個與原來激勵信號同相的且幅度較大的信號。這樣，經(jīng)過不斷地放大、選頻、正反饋、再放大的循環(huán)過程，振蕩將由弱到強地建立起來。

(2)起振條件。由上可知，若要能起振，每次反饋到輸入端的信號都應(yīng)比前一次大?？梢?，起振必須滿足AuFu>1

(4-6)式(4-6)為自激振蕩的起振條件。

(3)晶體管的自動穩(wěn)幅作用。上述振蕩信號的增幅振蕩過程不會無限制地增長下去。由于晶體管特性的非線性作用，會起自動限幅作用。因為開始振幅比較小，晶體管工作在線性區(qū)，放大器增益比較大，AuFu>1，LC回路作增幅振蕩，使振蕩幅度增大，于是通過正反饋—放大—正反饋—放大的循環(huán)過程，進入到晶體管的飽和區(qū)和截止區(qū)，放大器的增益下降，AuFu也就減小，使振蕩從AuFu>1過渡到AuFu=1，振蕩穩(wěn)定下來，最后達到平衡狀態(tài)。

由增幅振蕩到穩(wěn)幅振蕩的建立過程，說明前者由起振條件來保證，即AuFu>1，后者由晶體管特性的非線性來實現(xiàn)自動限幅，而LC回路起選頻作用，使振蕩回路輸出單一頻率的正弦信號。

4.正弦波振蕩器的組成根據(jù)以上討論，可以看出正弦波振蕩器至少應(yīng)包括下列幾個組成部分：

(1)放大部分。這是振蕩器的核心。它把電源的直流能量轉(zhuǎn)換成交流能量，補充振蕩過程中能量的消耗，以獲得連續(xù)的等幅振蕩波。具有足夠增益的放大器，無論是共發(fā)射極、共基極、還是共集電極電路，均可充當振蕩器的放大部分。一般說來，共射電路的振蕩器容易起振，同一只晶體管構(gòu)成的另外兩種接法的振蕩器，可以獲得較高的振蕩頻率。

(2)正反饋電路。若要使反饋信號與輸入信號一模一樣，肯定需要正反饋。實現(xiàn)正反饋的方式很多，振蕩器常按照不同的反饋方式進行分類。

(3)選頻電路。選頻電路也叫選頻網(wǎng)絡(luò)或濾波網(wǎng)絡(luò)。它的作用是使得只有一定頻率的信號才能滿足振蕩條件。在正弦波振蕩器中，選頻與反饋電路往往是合二為一的。

(4)穩(wěn)幅元件。多數(shù)電路都用晶體管本身的非線性穩(wěn)幅，要求較高的振蕩器可以用熱敏電阻、二極管、三極管等元件穩(wěn)幅。

4.2

LC正弦波振蕩器用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的正弦波振蕩器稱為LC振蕩器。按反饋網(wǎng)絡(luò)不同，LC振蕩器可分為互感反饋式振蕩器、電感三點式和電容三點式及其改進型等多種振蕩器。

LC振蕩器的電路簡單，振蕩頻率范圍寬，調(diào)節(jié)頻率方便，在電子技術(shù)中獲得極其廣泛的應(yīng)用。

4.2.1互感反饋式振蕩器互感反饋式振蕩器又稱變壓器反饋式振蕩器。圖4-3為共發(fā)射極互感反饋式振蕩器電路

圖4-3共射互感反饋式振蕩器

1.電路分析

電路以發(fā)射極作為交流輸入、輸出公共端，L為振蕩線圈，它與電容C并聯(lián)組成振蕩回路，L1為輸出線圈，Lf為反饋線圈，把交流信號反饋到輸入端。Rb1、Rb2組成分壓式偏置電路，建立靜態(tài)工作點。

振蕩器的自激振蕩過程如下：當電源接通的瞬間，線路中便有一個電沖擊，在諧振回路中產(chǎn)生了微小的電流，它是一個非正弦信號，其中包含各種頻率成分，但是只有頻率和LC回路固有頻率振蕩fo相同的那個電流成分才能在回路兩端產(chǎn)生較高的電壓，因為這時LC回路呈現(xiàn)并聯(lián)諧振，回路阻抗最大。這個頻率為fo的微弱的高頻電壓通過L與Lf的耦合反饋到晶體管的輸入端，反饋線圈Lf

的接法必須保證是正反饋，也就是注意L與Lf的同極性端(圖中打點的一端)，按圖4-3的接法就可滿足正反饋條件。

這個微弱的高頻電壓經(jīng)晶體管再一次放大，引起集電極有較大的高頻電流通過，加強了回路的電流，這樣多次循環(huán)，使振蕩電流(電壓)逐漸加強，即AuFu>1；直到受到晶體管的非線性限制，最后穩(wěn)定下來成為等幅振蕩，即AuFu=1，滿足振蕩的振幅平衡條件。

對其他頻率成分的微弱電流，LC回路呈現(xiàn)的阻抗不是純電阻性，其輸出、輸入電壓的相位差不是180°，反饋信號與輸入信號不同相，不滿足相位平衡條件，所以其他頻率成分的電流受到抑制，不會產(chǎn)生振蕩。

2.相位平衡條件

LC振蕩回路只對頻率為fo的信號具有最大的阻抗，而且呈現(xiàn)為純電阻，根據(jù)共射電路特點，輸出與輸入反相，產(chǎn)生180°相位移，即jA=180°。同時，根據(jù)圖中變壓器同名端的極性，再經(jīng)反饋線圈Lf

移相180°，即jF=180°，則總的相移為360°，即反饋電壓與輸入信號同相，滿足相位平衡條件。

3.振蕩頻率振蕩器的振蕩頻率為LC回路的固有頻率即改變諧振回路的電感或電容就可以改變振蕩頻率，諧振回路的Q值越高，LC回路的選頻特性越好，其輸出波形也就越好。反饋電壓的幅度一般可由改變變壓器的匝數(shù)比來控制，Lf匝數(shù)愈多，反饋電壓愈大，但容易引起波形失真；反之，匝數(shù)太少，反饋太弱，不易起振，所以要適當選取匝數(shù)比。(4-7)

互感反饋式振蕩器具有線路簡單、容易起振和調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點，但是它的振蕩頻率不能太高，一般在幾千赫茲到幾十兆赫茲的范圍內(nèi)，由于受變壓器結(jié)構(gòu)所限，它的分布電容影響較大，輸出波形不好，頻率穩(wěn)定性差?，F(xiàn)給出兩種互感反饋式振蕩器的實用電路，如圖4-4和圖4-5所示。

圖4-4共射調(diào)集變壓器反饋式振蕩器

圖4-5共基調(diào)射互感反饋振蕩器

圖4-4電路組態(tài)為共射電路，振蕩調(diào)諧回路接在集電極中，所以圖4-4又稱為共射調(diào)集變壓器反饋式振蕩器。調(diào)諧回路也可接在基極電路中，因此相應(yīng)地稱為共射調(diào)基變壓器反饋振蕩器，其工作原理相同。此外，按電路組態(tài)，變壓器反饋式振蕩器也可接成共集和共基電路。圖4-5是收音機中常用的電路。它是共基調(diào)射的互感反饋振蕩器，振蕩回路接發(fā)射極，振蕩回路的頻率可變。這種電路采用了部分接入的方式，可以減弱晶體管對回路的影響。

4.2.2電容三點式振蕩器——考畢茲振蕩器電容三點式振蕩器又稱考畢茲振蕩器，電路如圖4-6所示。圖中Rb1、Rb2、Re為偏置電路，Cb、C3為耦合電容，Ce為發(fā)射極旁路電容，Lc為高頻扼流圈，直流電阻很小，交流阻抗很大，它既為集電極構(gòu)成直流通路，又能防止集電極高頻信號被短接。Lc有時也可用較大的電阻Re代替。L、C1、C2組成振蕩回路，從電容C2上取得反饋電壓。圖4-7是它的簡化交流等效電路。

圖4-6電容反饋式振蕩電路

圖4-7電容反饋式振蕩電路的簡化交流等效電路

由簡化交流等效電路可見，從振蕩回路引出三個端點，它們分別與晶體管的三個電極相連接，利用電容C2產(chǎn)生反饋電壓，故稱電容反饋三點式振蕩器，簡稱電容三點式振蕩器。

1.相位平衡條件為了便于分析，以為參考，畫出此電路的矢量圖，如圖4-8所示。LC并聯(lián)諧振回路諧振時呈現(xiàn)純電阻，于是與反相；從c-e點看振蕩回路，由電感L和電容C2組成的支路為感性支路。因此，在此支路內(nèi)產(chǎn)生的電流比，而電流在電容C2上產(chǎn)生的電壓又比滯后90°。由此可見，反饋電壓與輸入電壓同相，滿足相位平衡條件。

圖4-8電容三點式振蕩器矢量圖

2.振幅條件和振蕩頻率

振幅條件是容易滿足的，只要使AuFu>1電路就能起振，進而達到振幅平衡。振蕩器的振蕩頻率近似等于LC并聯(lián)諧振回路的固有諧振頻率，即式中：。

3.電容三點式振蕩電路的優(yōu)缺點這種振蕩電路由于反饋電壓取自電容C2，C2對中的高次諧波阻抗很小，使得反饋電壓以及輸出電壓中所含的高次諧波成分很小，輸出振蕩波形好，接近單頻率正弦波。振蕩頻率可以很高，只要減小電容，就能提高振蕩頻率。這種振蕩電路主要有兩個缺點：一是改變頻率不方便，因為若用可變電容器來改變振蕩頻率，在調(diào)節(jié)頻率的同時，會引起反饋量的變化；二是此電路中晶體管的輸入、輸出電容均對振蕩頻率有影響，而這種寄生電容是不穩(wěn)定的，因此將影響振蕩頻率的穩(wěn)定度。

4.2.3電感三點式振蕩器電感三點式振蕩器電路如圖4-9(a)所示。圖中Rb1、Rb2

、Re為偏置電路，Cb、C3為耦合電容，Ce為發(fā)射極旁路電容，圖4-9(b)是它的簡化交流等效電路。從交流等效電路可見，由L1、L2、C所組成的振蕩回路有三個端點，它們分別接至晶體管的三個電極，而且是利用電感L2產(chǎn)生反饋電壓，故稱電感反饋三點式振蕩器，簡稱電感三點式振蕩器。

圖4-9電感三點式振蕩器

1.相位平衡條件為了便于分析，仍以為參考矢量，畫出此電路的矢量圖，如圖4-10所示。LC并聯(lián)諧振回路諧振時呈現(xiàn)純電阻，于是與反相(共射電路特點)；從c-e點看振蕩回路，由電容C和電感L2組成的支路為容性支路。因此，在此支路內(nèi)產(chǎn)生的電流超前，在L2兩端產(chǎn)生的電壓又超前。由圖可見，反饋電壓與輸入電壓同相，滿足相位平衡條件。

圖4-10電感三點式振蕩器矢量圖

2.振幅條件和振蕩頻率在滿足相位條件的前提下，振幅條件是容易滿足的，只要在起振時，使AuFu>1，然后達到振幅平衡。振蕩器的振蕩頻率近似等于LC并聯(lián)諧振回路的固有諧振頻率，即式中：L=L1+L2+2M。(4-9)

3.電感反饋三點式電路的優(yōu)缺點這種振蕩器，由于L1與L2之間一般存在互感M，耦合較緊，因此電路易起振，輸出幅度較大，利用可變電容就能方便地調(diào)節(jié)振蕩頻率，調(diào)節(jié)頻率時對反饋量無影響，適用于頻率范圍較寬的場合。但由于這種振蕩器反饋電壓取自電感線圈L2，L2對中的高次諧波阻抗大，故使反饋信號電壓含有高次諧波，使輸出波形不理想。因此，這種振蕩器頻率不能很高，只適宜振蕩頻率為幾十兆赫茲以下的場合。

4.2.4三點式振蕩器的一般形式上面討論了兩種基本形式的三點式振蕩器，由此可得到三點式振蕩器的一般形式，如圖4-11所示。從兩種振蕩電路可找到一個共同規(guī)律：晶體管集電極、發(fā)射極之間的電抗性質(zhì)Xce與基極、發(fā)射極之間的電抗性質(zhì)Xbe相同，而集電極、基極之間的電抗性質(zhì)Xcb與Xce、Xbe相反。

圖4-11三點式振蕩器的基本形式

這就是判斷三點式振蕩器的相位平衡條件法則。利用這一法則可以判斷振蕩電路是否合理(即是否滿足正反饋條件)，也容易幫助我們?nèi)シ治鰪?fù)雜的電路。

【例題4-1】用相位平衡條件判別圖4-12的三點式振蕩電路中哪個是正確的(可以振蕩)？哪個是錯誤的(不可能振蕩)？

圖4-12例4-1圖

解：在討論這類問題時，我們可以先看b-c兩點的電抗Xbc。若其余兩個電抗同性，且Xbc與它們相反，就滿足相位平衡條件；否則，就不滿足。顯然，(a)圖和(b)圖兩個電路是無法滿足的，因為Xbe和Xce是異性。而(c)圖的Xbe和Xce同為感性，當回路諧振時，Xcb(由電感、電容串聯(lián)支路決定的電抗)必須是容性的，這樣，(c)圖可以滿足相位平衡條件。

4.2.5串聯(lián)改進型電容三點式電路——克拉潑電路

電容三點式電路是一種性能優(yōu)良的振蕩電路。但它有兩個缺點：調(diào)節(jié)頻率時，同時改變反饋；晶體管的輸出電容Co和輸入電容Ci對振蕩頻率有影響。為了克服這兩個缺點，提出了改進型電容反饋三點式電路。圖4-13是串聯(lián)改進型電容三點式電路，又稱克拉潑電路，圖4-14是其交流等效電路?？梢钥闯?，此電路與普通電容三點式電路的區(qū)別僅僅是在b-c間的電感支路中串入一個小電容C3，這就是串聯(lián)型改進電路命名的原因。

圖4-13克拉潑電路

圖4-14克拉潑電路的等效電路

當C3<<C

1，C3<<

C2時，克拉潑電路振蕩回路的總電容CΣ≈C3，而振蕩頻率fo為可見，Co和Ci對fo幾乎已無影響。這是因為對于串聯(lián)電路，小電容起主要作用，Co和Ci即使發(fā)生變化，對回路影響也甚微。因此，這種電路的晶體管與回路是弱耦合，頻率穩(wěn)定度高。可見，調(diào)節(jié)C3以改變振蕩頻率fo

時，不影響反饋。調(diào)節(jié)C1、C2的比例，改變反饋時，不影響振蕩頻率fo。這就免除了考畢茲電路調(diào)節(jié)頻率影響反饋的缺點。(4-10)

4.2.6并聯(lián)改進型電容三點式電路——西勒電路另一種改進型電容三點式電路是并聯(lián)型電路，或稱西勒電路，如圖4-15所示。圖4-15西勒電路

圖4-15(a)是西勒電路的電路圖，圖(b)是它的交流等效電路。由圖可見，西勒電路仍然是電容三點式電路，僅在c-b間電感支路中，除去串聯(lián)電容C3外，還在L兩端并聯(lián)一電容C4，因此稱為并聯(lián)改進型電路。振蕩器頻率調(diào)節(jié)主要靠調(diào)整電容C4來完成。

當C3<<C1、C2時，振蕩頻率為由于西勒電路的頻率穩(wěn)定度高，振蕩頻率高，覆蓋寬，振幅平穩(wěn)，且波形好，因此應(yīng)用頗為廣泛。圖4-16是黑白電視機機械式高頻頭中的本振電路，它是等效于集電極接地的西勒電路。(4-11)

圖4-16高頻頭中的本振電路

因為電視機的頻率很高(第1頻道為49.75MHz，第12頻道為216.25MHz)，C1和C2很小，所以晶體管的輸出電容Co和輸入電容Ci應(yīng)計入。C4是負溫度系數(shù)電容，可補償其余正溫度系數(shù)的電容。由于電視機的頻率不是連續(xù)可調(diào)的，因此C4不用可變電容。換頻道時，換主振線圈L，而每個頻道的L可以獨立微調(diào)，確保電視最佳接收質(zhì)量。

4.3

RC正弦波振蕩器

LC振蕩器雖然是一種頗受歡迎的可調(diào)頻率振蕩器，但在振蕩頻率低于幾十千赫茲時，選頻元件電感器和電容器不但體積大、成本高，而且由于它們的損耗增加、Q值降低，難以維持振蕩。在這種情況下，RC振蕩器異軍突起，成為低頻正弦波振蕩器的一種主要形式。

RC振蕩器是以電阻R、電容C做選頻和反饋元件的振蕩器。它同樣需要具備振蕩器的幾個組成部分，并需滿足振蕩的相位和振幅平衡條件。根據(jù)選頻和反饋的不同形式，RC振蕩器也可分為多種類型，如移相式振蕩器、文氏電橋振蕩器和雙T電橋振蕩器等。本節(jié)主要討論RC文氏電橋振蕩器。

4.3.1

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性

圖4-17為RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，它由R1C1串聯(lián)電路和R2C2并聯(lián)電路組成，因此稱RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)。通常取R1=R2，C1=C2。圖4-18(a)、(b)分別是RC串并聯(lián)回路的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。

圖4-17

RC選頻網(wǎng)絡(luò)

圖4-18

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)頻率特性下面來討論RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性。

1.幅頻特性曲線幅頻特性曲線反映了RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)輸出電壓、輸入電壓的幅度相對大小與頻率f的關(guān)系。從圖4-18(a)可以看出，由于電容具有隔直、通交特性，因此在輸入信號頻率很低的情況下，C1、C2呈開路狀態(tài)，輸出電壓為零；隨著輸入信號頻率的增加，C1與C2的容抗逐漸減小，電路中出現(xiàn)電流，輸出電壓逐漸增大；在輸入信號頻率從零到無窮大時，輸出電壓的幅度經(jīng)歷了一個從零到最大，再從最大到零的變化過程。幅頻特性曲線就描述了這個變化過程。

若用電壓傳輸系數(shù)K表示的模值Uo與的模值Ui之比，在特殊頻率fo點，K等于1/3；在fo以外的其他頻率上，K均小于1/3。關(guān)于頻率fo，可用下式計算當R=R1=R2、C=C1=C2時，式(4-12)可簡化為(4-12)(4-13)

2.相頻特性曲線相頻特性曲線反映了輸出電壓、輸入電壓的相位差j與輸入信號頻率之間的關(guān)系。相頻特性如圖4-18(b)所示。當輸入信號頻率很低時，輸出電壓超前于輸入電壓90°；當輸入信號頻率等于fo時，輸出電壓與輸入電壓同相位；當輸入信號頻率為無窮時，輸出電壓落后于輸入電壓90°。

4.3.2

RC橋式振蕩器

RC橋式振蕩器的框圖如圖4-19所示。它是由兩級共射阻容耦合放大器和RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)組成的。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在振蕩器中既是選頻電路，又是反饋電路。若在兩級共射放大器的輸入端，輸入一個頻率的正弦電壓，則經(jīng)過兩級放大以后，在放大器的輸出端得到與同相的輸出電壓，并加在RC串并聯(lián)電路上。所以與是同相的，電路能使頻率為fo的信號滿足相位平衡條件。

圖4-19

RC橋式振蕩器框圖

自激振蕩器的振幅平衡條件是很容易滿足的。因為由RC串并聯(lián)電路組成的選頻、反饋電路的反饋系數(shù)在fo時為1/3，所以只要使兩級放大器的電壓放大倍數(shù)Au≥3，就能使AuFu≥1。對于頻率不為fo的其他信號，由于與不同相，振蕩電路不滿足自激振蕩條件?？梢?，由于RC串并聯(lián)電路的選頻作用，電路只能使fo的信號滿足振蕩條件，因此振蕩頻率為(4-14)

為什么要用增益很高的兩級共射放大器呢？原因在于兩級共射放大器除了提供正反饋滿足振蕩條件外，還可以在放大器中引入較深的負反饋來降低電壓增益，以保證放大器工作穩(wěn)定，改善振蕩波形。下面來進行分析。先假設(shè)兩級共射放大器不引入負反饋，電壓增益很高，則如前面所述，依靠晶體管的非線性可以使幅度穩(wěn)定下來。但是，由于RC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性遠不如LC諧振回路好，晶體管進入非線性區(qū)后，將產(chǎn)生嚴重的非線性失真。

為了改善振蕩波形，應(yīng)該限制幅度的增長，使振蕩器工作在甲類狀態(tài)，比較好的辦法就是在放大器中引入深度負反饋來降低電壓增益。在起振時，放大器的電壓增益略大于3，在振蕩幅度增長不大時，振蕩就穩(wěn)定下來，使晶體管基本上工作在線性范圍，改善了輸出波形。圖4-20為一RC橋式振蕩器典型電路。圖4-20

RC橋式振蕩器

由圖4-20可知，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的正反饋支路與RF、Re構(gòu)成的負反饋支路正好形成電橋的四個橋臂，電橋的兩雙對角線頂點分別接到放大器的兩個輸入端和輸出端。橋式振蕩器的名稱即由此而來。圖中的RF為一具有負溫度系數(shù)的電阻，起穩(wěn)幅作用。通常，RC文氏橋式振蕩器由運放構(gòu)成，電路如圖4-21所示。圖中運放和R1、Rf組成同相比例放大器，且Rf為負溫度系數(shù)的熱敏電阻。由于同相比例放大器的放大倍數(shù)Au=1+Rf/R1，故f=fo時，振蕩器的環(huán)路增益為。

根據(jù)AuFu>1和AuFu=1可得到該振蕩器的振幅起振條件為Rf>2R1，平衡條件為Rf=2R1。振蕩器從起振到平衡狀態(tài)要求Rf從大于2R1降到2R1，相應(yīng)地放大電路的Au從大于3降到3，這就要求Rf的阻值具有隨振幅增大而減小的非線性特性。由于Rf為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，振蕩器起振時，Rf的溫度最低，相應(yīng)的阻值最大(Rf>2R1)，則運放構(gòu)成的放大電路Au最大(Au>3)；隨著振蕩振幅的增大，Rf上消耗的功率增大，致使其溫度升高，阻值相應(yīng)地減小，放大電路的Au也減小，直到Rf=2R1(或Au=3)時振蕩器進入平衡狀態(tài)。

這種振蕩器穩(wěn)幅實質(zhì)是通過非線性元件Rf來自動調(diào)整反饋的強弱以維持輸出電壓的恒定。此時，運放工作在線性狀態(tài)，輸出電壓波形得到改善，具體仿真設(shè)計電路如圖4-30所示。圖4-21運放構(gòu)成的文氏橋式振蕩器

4.4石英晶體振蕩器隨著電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對振蕩器頻率穩(wěn)定度的要求越來越高。當要求頻率穩(wěn)定度高于10-5量級時，LC振蕩器已經(jīng)無能為力了，然而下面將要介紹的晶體振蕩器卻可輕而易舉地達到10-7量級，采取一定措施后可達10-10~10-11量級的頻率穩(wěn)定度。它為什么能有如此優(yōu)異的性能呢？這要從石英晶體本身的特性談起。

4.4.1石英晶體諧振器圖4-22是石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖。它的核心是按一定方位角切割成的石英晶片，在晶片的兩端噴涂上金屬作為極板，再用引線引出電極。如果在石英晶體諧振器兩極板上，加上交變電壓，晶片就會發(fā)生相應(yīng)的機械振動，而機械振動又會導(dǎo)致附加電場的產(chǎn)生。通常這種機械振動及其引起的電壓振幅都很小，但當外加交變電壓的頻率等于晶體諧振器的固有頻率或稱諧振頻率時，振幅會驟然加大，出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。這個固有頻率只與石英片的尺寸有關(guān)。因為石英的膨脹系數(shù)非常小，所以它的固有頻率也異常穩(wěn)定。

圖4-22石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖

石英晶體諧振器在電路中的諧振現(xiàn)象與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似，因此可畫成圖4-23(b)所示的等效電路。圖中各等效參數(shù)都具有一定物理意義。晶體靜止的時候，兩極板間有一靜電電容Co，它與晶體的幾何尺寸、極板面積、引線及支架的大小有關(guān)，一般為幾至幾十皮法。晶體振動時有一定的慣性和彈性，分別用電感L和電容C等效。L、C的數(shù)值與晶體的切割方式、晶片和電極的形狀有關(guān)。一般L值為10-3~102H，C值為10-2～10-1pF。等效動態(tài)電阻R代表晶體振動時因內(nèi)摩擦而造成的損耗，一般為幾百歐姆。石英晶體諧振器具有如此大的L，而C和R又那樣小，因此它的Q值極高，可達104~106，這是任何LC回路所望塵莫及的。

圖4-23石英晶體諧振器的符號及等效電路

根據(jù)石英晶體諧振器的等效電路，可以得到它的阻抗隨頻率變化的關(guān)系曲線，如圖4-24所示。從曲線上可以看出，它有一個由串聯(lián)支路形成的串聯(lián)諧振頻率fs

，還有一個由Co參與的并聯(lián)諧振頻率fp

。其中，C′是C與Co的串聯(lián)值。由于C很小，因此C′僅比C略小一點，fp也只比fs稍高一點。一般晶體諧振器的fp－fs=(1/300~1/600)fs。當f<fs或f>fp時，諧振器相當于一個電容。在fs<f<fp時，諧振器相當于一個電感，感抗隨頻率的變化率很大，Q值極高。

圖4-24石英晶體諧振器的電抗曲線

4.4.2石英晶體振蕩電路

石英晶體振蕩電路有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。

1.并聯(lián)型石英晶體振蕩器圖4-25(a)是一個典型的并聯(lián)型晶體振蕩器。C1、C2與晶體諧振器并聯(lián)，共同構(gòu)成選頻電路，C1、C2同時兼作反饋元件。此時晶體諧振器相當于一個電感，它的工作頻率必然在fs與fp之間。并聯(lián)型晶體振蕩器的等效電路如圖4-25(b)所示。顯而易見，它和普通電容三點式振蕩器的等效電路一樣，晶體振蕩器的振蕩頻率被限定在fs、fp之間，其值為。

圖4-25并聯(lián)型晶體振蕩器

由此可見，并聯(lián)型晶體振蕩器的振蕩頻率不僅取決于晶體本身，而且還與外部電容有關(guān)，因此外部電容的變化仍會影響頻率穩(wěn)定度。但由于晶體諧振器的Q值比普通電感的Q值高出幾個數(shù)量級，振蕩穩(wěn)率要穩(wěn)定得多。為進一步提高晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度，還常將整個振蕩器放在恒溫槽中。

2.串聯(lián)石英晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器是利用晶體工作在fs時呈現(xiàn)很小的純阻和相移為零的特性構(gòu)成的。常用電路如圖4-26(a)所示，其交流通路如圖4-26(b)所示。

圖4-26串聯(lián)型晶體振蕩器

該電路與電容三點式振蕩器十分相似，只不過反饋信號不是直接到發(fā)射極，而是經(jīng)過晶體才接到發(fā)射極，構(gòu)成正反饋通路。由C1、C2、C3和L組成的振蕩回路諧振在晶體的串聯(lián)諧振頻率fs，此時晶體可以看成短路，正反饋最強，滿足振蕩條件，即振蕩頻率基本上等于fs，而對其他頻率則呈現(xiàn)很大的阻抗，電路不能滿足振蕩條件。最終，這個電路的振蕩頻率和頻率穩(wěn)定度，均由晶體決定，而不是由振蕩回路決定。該電路經(jīng)過晶體和LC回路的兩次選頻，輸出波形很好。

4.5振蕩器的頻率穩(wěn)定與幅度穩(wěn)定

1.頻率穩(wěn)定度的含義振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指由于外界條件的變化，引起振蕩頻率的變動，而且在新的平衡點又達到穩(wěn)定平衡時，新的頻率偏離原頻率的程度。頻率穩(wěn)定度有兩種表示方法：

①絕對穩(wěn)定度。絕對穩(wěn)定度是指實際振蕩頻率f與標稱振蕩頻率fo之差值Δf，即

Δf=fo－f

(4-15)②相對穩(wěn)定度。相對穩(wěn)定度是指頻率偏差Δf與標稱頻率fo的比值，即(4-16)

不管是絕對穩(wěn)定度還是相對穩(wěn)定度，都應(yīng)該指明時間間隔，即在多長的時間間隔發(fā)生了上述的變化。常用的是相對穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度按時間間隔的長短分為：①短期穩(wěn)定度：一小時以內(nèi)的相對頻率穩(wěn)定度。②中期穩(wěn)定度：一天以內(nèi)的相對頻率穩(wěn)定度，常用來評價通信設(shè)備或測量儀器中振蕩器的穩(wěn)定度。③長期穩(wěn)定度：數(shù)月或一年內(nèi)的相對頻率穩(wěn)定度，主要用在天文臺或國家計量單位。頻率穩(wěn)定度用10-n表示，n的絕對值越大，穩(wěn)定度越高。對于振蕩器，頻率穩(wěn)定度是一個十分重要的指標。如果頻率穩(wěn)定度達不到要求，設(shè)備就不能正常工作。

2.振蕩器頻率變化的原因

影響振蕩器頻率變化的原因有：①振蕩回路參數(shù)，如L和C的變化。②晶體管參數(shù)，如晶體管輸入、輸出電阻和電容的變化。針對上述頻率不穩(wěn)定的因素，可采取哪些措施提高頻率穩(wěn)定度呢？請讀者參閱有關(guān)書籍。

3.振蕩器的幅度穩(wěn)定

在一些高精密測量儀器設(shè)備中，不僅要求振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定度，而且還要有比較穩(wěn)定的振幅。在一般的通信設(shè)備中，對振幅的穩(wěn)定度不像對頻率穩(wěn)定度要求那么嚴格，但由于非線性器件的存在，振幅的變動必然引起電路中相移的變化，這也會影響頻率穩(wěn)定度，因此必須予以重視。

4.6振蕩器仿真設(shè)計4.6.1電容三點式振蕩器仿真實驗

如圖4-27所示為電容三點式振蕩器。根據(jù)圖中電路元器件參數(shù)設(shè)置，很容易滿足振幅起振、振幅平衡條件和相位平衡條件，其中C1、C2構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，L1、C1、C2構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，并決定振蕩器的工作頻率為圖中XMM1為萬用表，XSC1為雙蹤示波器。C3為旁路電容，C4為耦合電容。

圖4-27電容三點式正弦波振蕩器

1.輸出波形的測量利用Multisim10.0軟件，連好如圖4-27所示，并設(shè)置好各個元件的參數(shù)，啟動仿真按鈕，同時觀察示波器，大約經(jīng)過1分50秒的時間，該振蕩器產(chǎn)生輸出波形如圖4-28所示，很顯然為正弦波，但可以看出該波形不是很標準的正弦波。測量輸出波形的兩個周期的時間為473.804ns，換算成頻率為4.2kHz?？梢姡浅＝咏袷庮l率的理論值4.4kHz。圖4-28振蕩波形

2.振蕩工作點的偏移該振蕩器在起振過程中，一邊觀察萬用表數(shù)值的變化，由開始的807.983mV逐漸減小，完成振蕩時，萬用表數(shù)值變?yōu)?997.008mV，這說明基極偏置由原來的正偏置變?yōu)樨撈茫瑥亩炞C了三極管構(gòu)成振蕩器。由起振到穩(wěn)定振蕩輸出，晶體管工作點出現(xiàn)偏移，即由起振過程的甲類狀態(tài)過渡到振蕩穩(wěn)定輸出的丙類狀態(tài)，見圖4-29。

圖4-29發(fā)射結(jié)電壓測量

4.6.2文氏橋式振蕩器仿真設(shè)計

如圖4-30所示，利用Multisim10.0軟件，畫出文氏橋式振蕩器，并設(shè)置好如圖所示各個元器件的參數(shù)。圖4-30文氏橋式振蕩器仿真電路

選取決定振蕩頻率的元器件參數(shù)為：R=R1=R2=20kΩ，C=C1=C2=10nF，即C1、C2為0.01μF。理論計算，振蕩頻率為。實際振蕩輸出波形如圖4-31所示，圖中已顯示出T2-T1之間的時間(即振蕩周期)為1.276ms，換算成頻率為fo=784Hz。理論值和實際值相差12Hz，相對誤差為1.5%。圖4-31振蕩波形

1.驗證文氏橋式振蕩器的起振條件從前面文氏橋式振蕩器的原理分析，可知其起振條件為：(RP+R3)>2R4。在仿真圖中，開始設(shè)置RP中間滑動抽頭的位置在0％處，啟動仿真按鈕，觀察示波器的輸出波形；同時把鼠標的光標移動到RP處，使RP出現(xiàn)滑動臂圖標，一邊按計算機鍵盤上的字母A鍵，此時RP的滑動臂就由0％增加到1％，每按一次，增加1％，說明就有1％RP的值加到電路當中。這樣，一邊按動A鍵，一邊觀察示波器，直到RP增加到50％，振蕩電路也不會振蕩，一旦再增加1％，電路馬上振蕩，產(chǎn)生振蕩輸出波形。分析，此時RP接入30k×51％=15.3kΩ，即(RP+R3)=15.3k+15k=30.3kΩ>2R4=2×15k=30kΩ，滿足起振條件，產(chǎn)生振蕩。起振波形如圖4-32所示。

圖4-32振蕩器起振波形

2.驗證振蕩器穩(wěn)定輸出前面分析文氏橋式振蕩器原理時，已知f=fo時，振蕩器的環(huán)路增益為。在圖4-30中，選取RP的滑動臂為51％處，使電路產(chǎn)生振蕩，一邊按動A鍵，一邊觀察波形的幅度，在RP的滑動臂到達90％后，輸出波形的幅度不再增大，基本穩(wěn)定。說明，RP值的增加，就增大中的Rf值(Rf=R3+RP，而此式中的R1就是圖4-30中的R4)，從而引起輸出波形幅度的增加。

小結(jié)

1.正弦波振蕩電路本質(zhì)上是一個沒有輸入信號但卻有選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器，維持正弦波振蕩的條件是：即jA+jF=±2np(n=0，１，2，…)——相位條件為了起振，除了應(yīng)滿足正反饋的相位條件外，還應(yīng)滿足起振的幅值條件:幅值條件

2.正弦波振蕩器由放大部分、正反饋電路、選頻電路、穩(wěn)幅元件組成。

3.根據(jù)振蕩器結(jié)構(gòu)形式的不同，正弦波振蕩器主要有LC型和RC型兩大類，LC振蕩器又可分為互感振蕩器和三點式振蕩器兩類?；ジ姓袷庪娐肥怯苫ジ旭詈系耐麡O性來保證相位平衡條件的。在分析互感耦合時，必須注意線圈的同名端。三點式振蕩電路有電感三點式和電容三點式兩種，要判斷三點式振蕩器是否能振蕩，可用三點式振蕩電路的一般法則，即Xbe和Xce電抗性質(zhì)必須相同，而Xcb