正弦波振荡器原理基础课件

本章主要讨论本章主要讨论反馈型正弦波振荡器的基本工作原理反馈型正弦波振荡器的基本工作原理 振荡器的起振条件振荡器的起振条件振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件振荡器的平衡稳定条件振荡器的平衡稳定条件正弦波振荡器三端电路的判断准则正弦波振荡器三端电路的判断准则正弦波振荡器的电路特点、频率稳定度等性能指标正弦波振荡器的电路特点、频率稳定度等性能指标实际中的反馈振荡器是由反实际中的反馈振荡器是由反馈放大器演变而来，如右图。馈放大器演变而来，如右图。自激振荡建立的物理过程自激振荡建立的物理过程若开关若开关K拨向拨向“1”时，该电时，该电路则为调谐放大器，当输入信号路则为调谐放大器，当输入信号为正弦波时，放大器输出负载互为正弦波时，放大器输出负载互感耦合变压器感耦合变压器L2上的电压为上的电压为vf，调整互感调整互感M及同名端以及回路参及同名端以及回路参数，可以使数，可以使 vi=vf 。此时，若将开关此时，若将开关K快速拨向快速拨向“2”点，则集电极电路和基点，则集电极电路和基极电路都维持开关极电路都维持开关K接到接到“1”点时的状态，即始终维持着与点时的状态，即始终维持着与vi相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。5.2反馈型振荡器基本工作原理反馈型振荡器基本工作原理L2在电源开关闭合的瞬间，电流的跳变在集电极在电源开关闭合的瞬间，电流的跳变在集电极LC振荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端振荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端产生正弦波电压产生正弦波电压vo，并通过互感耦合变压器反馈到基级，并通过互感耦合变压器反馈到基级回路，这就是激励信号。回路，这就是激励信号。起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行放大放大选频选频反馈反馈再放大等多次循环，于是一个与振再放大等多次循环，于是一个与振荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定的幅度。因此振荡的幅度不会无限增大。的幅度。因此振荡的幅度不会无限增大。反馈型自激振荡器的电路构成必须由三部分组成：反馈型自激振荡器的电路构成必须由三部分组成：1)包含两个包含两个(或两个以上或两个以上)储能元件的振荡回路。储能元件的振荡回路。2)可以补充由振荡回路电阻产生损耗的能量来源。可以补充由振荡回路电阻产生损耗的能量来源。3)使能量在正确的时间内补充到电路中的控制设备。使能量在正确的时间内补充到电路中的控制设备。振荡器的起振条件振荡器的起振条件:基本反馈环基本反馈环若在某种情况下若在某种情况下1-=0时，此时即使没时，此时即使没有输入信号有输入信号(vi=0)时，放大器仍有输出时，放大器仍有输出电压放大器变为振荡器。电压放大器变为振荡器。要维持一定振幅的振荡，反馈系数要维持一定振幅的振荡，反馈系数F F应设计得大一些。一般应设计得大一些。一般取取这样就可以使得在这样就可以使得在 1时的情况下起振。时的情况下起振。甲类无反馈放大器甲类无反馈放大器:反馈放大器反馈放大器:由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：1其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度v vf f要要一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。振幅起振条件振幅起振条件相位起振条件相位起振条件起振过程中偏置电压建立的过程起振过程中偏置电压建立的过程 放大器增益放大器增益A A与输出电压幅度与输出电压幅度V Vo o之间的关系叫振荡特性，之间的关系叫振荡特性，F F与与V Vo o之间之间的关系叫反馈特性。起振的幅度条件的关系叫反馈特性。起振的幅度条件可用右上图表示。可用右上图表示。在实际设计中，如果设计不当，在实际设计中，如果设计不当，振荡特性可能不是单调下降的，而如振荡特性可能不是单调下降的，而如右下图所示。其静态工作点太低，右下图所示。其静态工作点太低，I ICQCQ太小，因而太小，因而A A0 0太小，以至不满足太小，以至不满足 。这种振荡器电路一般不能自行起这种振荡器电路一般不能自行起振，而必须给以一个较大幅度的初始振，而必须给以一个较大幅度的初始激励，使动态点越过不稳定平衡点激励，使动态点越过不稳定平衡点B B才能起振，这叫硬激励起振，设计电才能起振，这叫硬激励起振，设计电路要力加避免。路要力加避免。起振条件与平衡条件起振条件与平衡条件 图解图解(软激励起振软激励起振)硬激励起振特性硬激励起振特性振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件:所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位关系。须满足的幅度与相位关系。振荡器的平衡条件为振荡器的平衡条件为=1在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大管维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压管维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平衡，使振荡器得以维持。的平衡，使振荡器得以维持。A A为平均为平均放大量放大量振荡器的回路输出电压 将各因子写成指数形式，有式中称为晶体管平均正向传输导纳=1 用电路参数表示用电路参数表示振荡器的振荡器的平衡条件：平衡条件：振幅平衡条件振幅平衡条件相位平衡条件相位平衡条件上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平衡，但还不能说明这平衡状态是否稳定。平衡状态只是建衡，但还不能说明这平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持，还必需看平衡状态是否稳定。否维持，还必需看平衡状态是否稳定。所谓平衡状态的稳定条件即指在外因作用下，平衡条件被所谓平衡状态的稳定条件即指在外因作用下，平衡条件被破坏后，振荡器能自动恢复原来平衡状态的能力。破坏后，振荡器能自动恢复原来平衡状态的能力。两个简单例子来说明稳定平衡与不稳定平衡的概念两个简单例子来说明稳定平衡与不稳定平衡的概念 振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件:假定由于某种因素使振幅增大超假定由于某种因素使振幅增大超过了了VomQ，可，可见这时A即出即出现AF1的情况，于是振幅就自的情况，于是振幅就自动衰减而回到衰减而回到VomQ。反之，当某种因素使振幅小于反之，当某种因素使振幅小于VomQ，这时A ，即出即出现AF1的情况。于是振幅就自的情况。于是振幅就自动增增强强，从而又回到，从而又回到VomQ。因此。因此Q点是点是稳定平衡点。定平衡点。，1)振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件由于在由于在VomVomVomBVomB的区间，振荡始终是衰减的，因此，这的区间，振荡始终是衰减的，因此，这种振荡器不能自行起振，除非在起振时外加一个大于种振荡器不能自行起振，除非在起振时外加一个大于VomBVomB的的冲击信号，使其冲过冲击信号，使其冲过B B点，才有可能激起稳定于点，才有可能激起稳定于Q Q点的平衡状点的平衡状态。这样的现象，称为硬自激。一般情况下都是使振荡电路态。这样的现象，称为硬自激。一般情况下都是使振荡电路工作于软自激状态，通常应当避免硬自激。工作于软自激状态，通常应当避免硬自激。这时这时A=1/F(Vom)A=1/F(Vom)的变化曲线不是单调的变化曲线不是单调下降的，而是先随下降的，而是先随VomVom的增大而上升，的增大而上升，达到最大值后，又随达到最大值后，又随VomVom的增大而下降。的增大而下降。因此，它与因此，它与1/F1/F线可能出现两个交点线可能出现两个交点B B与与Q Q。这两点都是平衡点。这两点都是平衡点。如果晶体管的静态工作点取得太低，甚至为反向偏置，而如果晶体管的静态工作点取得太低，甚至为反向偏置，而且反馈系数且反馈系数F F又较小时，可能会出现另一种振荡形式。又较小时，可能会出现另一种振荡形式。B B点的平衡状态是不稳定的。点的平衡状态是不稳定的。形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率，即随振幅的变化特性具有负的斜率，即02)相位平衡的稳定条件相位平衡的稳定条件相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保持其能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保持其稳定的振荡。稳定的振荡。振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件工作于非线性状态的有源器件工作于非线性状态的有源器件(晶体管、电子管等晶体管、电子管等)正正好具有这一性能，因而它们好具有这一性能，因而它们具有稳定振幅的功能具有稳定振幅的功能。必必须强强调指出：相位指出：相位稳定条件和定条件和频率率稳定条件定条件实质上是上是一回事。因一回事。因为振振荡的角的角频率就是相位的率就是相位的变化率化率，所以当振荡，所以当振荡器的相位变化时，频率也必然发生变化。器的相位变化时，频率也必然发生变化。如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很生了一个很小的相位增量小的相位增量+，这就意味着反就意味着反馈电压超前于原有超前于原有输入入电压一个相角一个相角,相位超前就意味着周期相位超前就意味着周期缩短短,频率不断地提高。反率不断地提高。反之，如果之，如果为负，即滞后于原，即滞后于原输入入电压,同理将同理将导致致频率的不率的不断降低。断降低。从以上分析可知，外因引起的相位从以上分析可知，外因引起的相位变化与化与频率的关系是：率的关系是：相位超前相位超前导致致频率升高，相位滞后率升高，相位滞后导致致频率降低，率降低，频率随相率随相位的位的变化关系可表示化关系可表示为 0 0 相位稳定条件应为相位稳定条件应为0或或为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。换句话说，就是在振荡频率发生变化的同复相位平衡的能力。换句话说，就是在振荡频率发生变化的同时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化，以抵消由外因引时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化，以抵消由外因引起的起的变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位稳定条变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位稳定条件应为件应为写成偏微分形式，即写成偏微分形式，即00 0由于由于 y y和和 F F对于频率变化的敏感性一般远小于对于频率变化的敏感性一般远小于 Z Z对频率变化的敏对频率变化的敏感性，即感性，即 因此，1振幅起振条件振幅起振条件相位起振条件相位起振条件振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件:=1振幅平衡条件振幅平衡条件相位平衡条件相位平衡条件用电路参数表示用电路参数表示振荡器的振荡器的平衡条件：平衡条件：管子是自动稳幅机构管子是自动稳幅机构振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件:0振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件:相位稳定条件相位稳定条件:0 0并联谐振回路具有相位稳定功能并联谐振回路具有相位稳定功能 LC振荡器按其反馈网络的不同，可分为振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器器、电感反馈式振荡器和和电容反馈式振荡器电容反馈式振荡器三种类型。三种类型。本部分内容重点介绍不同型式的反馈型本部分内容重点介绍不同型式的反馈型LC振荡器，以振荡器，以三点式振荡器作为重点。三点式振荡器作为重点。互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦合量合量M，使之满足振幅起振条件很重要。，使之满足振幅起振条件很重要。互感耦合振荡器有三种形式：互感耦合振荡器有三种形式：调基电路调基电路、调集电路调集电路和和调发电路调发电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射极电路来区分的。和发射极电路来区分的。5.3.1互感耦合振荡器互感耦合振荡器5.3反馈型反馈型LC振荡器线路振荡器线路 由于基极和发射极由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回路的路的Q值，故在调基和值，故在调基和调发这两个电路中，晶调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分体管与振荡回路作部分耦合。耦合。调基电路振荡频率调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，在较宽的范围改变时，振幅比较平衡。振幅比较平衡。(a)调基电路调基电路调基电路调基电路调集电路在高频输出方调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成而且幅度较大，谐波成分较小。分较小。（b）调集电路）调集电路LL1 由于基极和发射极由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回路的路的Q值，故在调基和值，故在调基和调发这两个电路中，晶调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分体管与振荡回路作部分耦合。耦合。（c）调发电路）调发电路 互感耦合振荡器在调整反馈互感耦合振荡器在调整反馈(改变改变M)时，基本上不影时，基本上不影响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段。高，一般应用于中、短波波段。根据根据h参数等效电路分析可知互感耦合振荡器的振荡频率参数等效电路分析可知互感耦合振荡器的振荡频率起振条件：起振条件：hf其中其中 为为L中的损耗电阻，中的损耗电阻，h=h0hi hf hr显然，显然，M与与hf越大，越容易起振。越大，越容易起振。三端式三端式LC振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几几MHz到几百到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器耦合振的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，约为荡电路高一些，约为103104量级，采取一些稳频措施后，量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。还可以再提高一点。三端式三端式LC振荡器有多种形式，主要有：振荡器有多种形式，主要有：电感三端式，又称电感三端式，又称哈特莱振荡器哈特莱振荡器(Hartley)；电容三端式，又称电容三端式，又称考毕兹振荡器考毕兹振荡器(Coplitts)；串联型改进电容三端式，又称串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器克拉泼振荡器(Clapp)；并联型改进电容三端式，又称并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器西勒振荡器(Selier)。LC三端式振荡器组成法则三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则相位平衡条件的判断准则)5.3.2三端式三端式LC振荡器振荡器 (a)(a)共发电感反馈三端式振荡器电路共发电感反馈三端式振荡器电路(b)等效电路等效电路由由h h参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件 hfe 电感反馈三端电路的振荡频率为电感反馈三端电路的振荡频率为电感反馈三端式振荡器电感反馈三端式振荡器(哈特莱电路哈特莱电路)L=L1+L2+2M F F值过小，值过小，A A0 0F F1 1不易满足；不易满足；F F值过大，值过大，L L2 2+M+M 由图由图可知，可知，F F，L L2 2+M+M 接入系数接入系数P Pbebe=管子输入阻抗管子输入阻抗Z Zi i折合到折合到cbcb的阻抗的阻抗 cb cb回路的回路的Q Q值减小值减小R R p p，F F不能取得太小，也不能取得太大，否则振荡条件均难以满足。不能取得太小，也不能取得太大，否则振荡条件均难以满足。即要求的即要求的h hfefe加大，难于起振，同时影响了振荡波形产生失真。加大，难于起振，同时影响了振荡波形产生失真。哈特莱电路的优点：哈特莱电路的优点：1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；之间有互感，反馈较强，容易起振；电路的缺点：电路的缺点：1、振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的 反馈较强，使波形失真大；反馈较强，使波形失真大；2、电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这 是因为频率太高，是因为频率太高，L L太小且分布参数的影响太大。太小且分布参数的影响太大。2、振荡频率调节方便，只要调整电容、振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。的大小即可。3、而且、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。的改变基本上不影响电路的反馈系数。电容反馈三端振荡器电容反馈三端振荡器(考毕兹电路考毕兹电路)电容三端式振荡电路电容三端式振荡电路（a）（b）可推导电容反馈三端电路的起振条件可推导电容反馈三端电路的起振条件 hfe 电容反馈三端电路的振荡频率电容反馈三端电路的振荡频率 考毕兹电路的优点：考毕兹电路的优点：1）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可 以减小不稳定因素对振荡频率的影响。以减小不稳定因素对振荡频率的影响。3）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振 荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作 频率可做到几十频率可做到几十MHz到几百到几百MHz的甚高频波段范围。的甚高频波段范围。电路的缺点：电路的缺点：调调C1或或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在只要在L两端并上一个可变电容器，并令两端并上一个可变电容器，并令C1与与C2为固定电为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。串联型改进电容三端式振荡器串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路克拉泼电路)（a a）克拉泼电路的实用电路）克拉泼电路的实用电路（b b）高）高频频等效电路等效电路因为因为C C3 3远远小于远远小于C C1 1和和C C2 2，所以三电容串联后的等效电容，所以三电容串联后的等效电容振荡角频率振荡角频率故克拉泼电路的振荡频率几乎与故克拉泼电路的振荡频率几乎与C C1 1、C C2 2无关。无关。和电容三端式电路中Cce与谐振回路的接入系数Pce=C2/(C1+C2)比较，由于C3C1，C3C2，所以PcePce，同理 Pbe0,所以所以F=x xbebe/x xcece0,x xebeb与与x xcece性质相同性质相同 简言之就是简言之就是“ce，be同抗件，同抗件，cb反抗件反抗件”以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡现象。现象。x xebeb、x xcece电抗性质相同，电抗性质相同，x xcbcb与与x xebeb、x xecec电抗性质相反。电抗性质相反。许许多多变变形形的的三三端端式式LCLC振振荡荡电电路路，x xcece和和x xbebe、x xcbcb往往往往不不都都是是单单一一的的电电抗抗元元件件，而而是是可可以以由由不不同同符符号号的的电电抗抗元元件件组组成成。但但是是，多多个个不不同同符符号号的的电电抗抗元元件件构构成成的的复复杂杂电电路路，在在频频率率一一定定时时，可可以以等等效效为为一一个个电电感感或或电电容容。根根据据等等效效电电抗抗是是否否具具备备上上述述三三端端式式LCLC振振荡荡器器电电路路相相位位平平衡衡判判断断准准则的条件，便可判明该电路是否起振。则的条件，便可判明该电路是否起振。由此得出三端电路组成法则为：由此得出三端电路组成法则为：例例5-1 5-1 振振荡荡电电路路如如图图(a)a)所所示示，试试画画出出交交流流等等效效电电路路，并并判判断断电电路在什么条件下起振，属于什么形式的振荡电路？路在什么条件下起振，属于什么形式的振荡电路？2)2)根根据据交交流流等等效效电电路路可可知知，因因为为x xebeb为为容容性性电电抗抗，为为了了满满足足三三端端电电路路相相位位平平衡衡判判断断准准则则，x xcece也也必必须须呈呈容容性性。同同理理，x xcbcb应应该该呈呈感性。感性。(b)b)(a)a)解解 1)1)根据画交流等效电路原则，将所有偏置视为开路，将耦合根据画交流等效电路原则，将所有偏置视为开路，将耦合电容、交流旁路电容视为短路，则该电路的交流等效电路如图电容、交流旁路电容视为短路，则该电路的交流等效电路如图(b)b)所示。所示。根根据据并并联联谐谐振振回回路路的的相相频频特特性性，当当振振荡荡频频率率f f0 0f f1 1(回回路路L L1 1C C1 1的固有频率的固有频率)时，时，L L1 1C C1 1呈容性。根据呈容性。根据x xbebe+x+xcece+x+xbcbc=0=0，L L3 3C C3 3回路应呈感性，振荡电路才能正常工作。由图可知，回路应呈感性，振荡电路才能正常工作。由图可知，f f0 0f f3 3时时可可以以振振荡荡，等等效效为为电电容容三三端端振振荡荡电电路路。其其条条件件可可写写为为即即L L1 1C C1 1L L3 3C C3 3并联谐振回路的相频特性并联谐振回路的相频特性例例5-2 5-2 有有一一振振荡荡器器的的交交流流等等效效电电路路如如图图所所示示。已已知知回回路路参参数数L L1 1C C1 1L L2 2C C2 2L L3 3C C3 3，试试问问该该电电路路能能否否起起振振，等等效效为为哪哪种种类类型型的的振振荡荡电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率之间有何关系？电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率之间有何关系？解解 ：该该电电路路要要振振荡荡必必须须满满足足相相位位平平衡衡判判 断断准准则则。先先假假定定x xcece、x xbebe均均为为电电感感，则则x xcbcb应应为为电容。电容。根据已知条件根据已知条件L L1 1C C1 1L L2 2C C2 2L L3 3C C3 3，则则有有f f1 1f f2 2f f3 3，若若要要x xcece、x xbebe为为电电感感，则则应应该该f f0 0f f1 1，f f0 0f f2 2，同同时时f f0 0f f3 3，由由已已知知条条件件看出看出f f0 0不可能同时大于不可能同时大于f f3 3小于小于f f2 2，故不成立。故不成立。若若x xcece、x xbebe同同为为电电容容，则则f f0 0f f2 2f f1 1，同同时时应应该该f f0 0f f3 3，有有已已知知条条件件知知振振荡荡频频率率可可满满足足该该条条件件，即即f f1 1f f2 2f f0 0f f3 3，所所以以，该该电电路路应应为为电电容三端振荡器。容三端振荡器。频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。绝对准确度绝对准确度相对准确度相对准确度5.4振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题 振振荡器的器的实际工作工作频率率f f与与标称称频率率f f0 0之之间的偏差，称的偏差，称为振振荡频率的准确度。它通常分率的准确度。它通常分为绝对频率准确度与相率准确度与相对频率准率准确度两种，其表达式确度两种，其表达式为频率准确度频率准确度:5.4.1频率稳定度频率稳定度的的定义定义 指在一定指在一定时间间隔内，由于各种因素隔内，由于各种因素变化，引起的振化，引起的振荡频率相率相对于于标称称频率率变化的程度，如化的程度，如 t t时间内内测得得频率的最大率的最大变化化为 f fmaxmax，则频率率稳定度定度 定定义为:长期频率稳定度：长期频率稳定度：一般指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值。一般指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值。短期频率稳定度：一般指一天以内频率的相对变化最大值。一般指一天以内频率的相对变化最大值。瞬间频率稳定度：瞬间频率稳定度：指秒或毫秒内随机频率变化，即频率的瞬间无规则变化，指秒或毫秒内随机频率变化，即频率的瞬间无规则变化，通常称为振荡器的相对抖动或相位噪声。通常称为振荡器的相对抖动或相位噪声。振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 指在一定时间间隔内指在一定时间间隔内,频率准确度变化的最大值频率准确度变化的最大值.短期频率稳定度主要与温度变化、电源电压变化和电路参短期频率稳定度主要与温度变化、电源电压变化和电路参数不稳定性等因素有关。数不稳定性等因素有关。长期频率稳定度主要取决于有源器件和电路元件及石英晶长期频率稳定度主要取决于有源器件和电路元件及石英晶体和老化特性，与频率的瞬间变化无关。体和老化特性，与频率的瞬间变化无关。瞬间频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的频率瞬间频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的频率起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度1.1.振荡回路参数对频率的影响振荡回路参数对频率的影响因为振荡频率因为振荡频率其相对频率变化量为其相对频率变化量为2.2.回路品质因素回路品质因素Q Q值对频率的影响值对频率的影响如右图，如右图，Q Q值越高，则相同的相角变值越高，则相同的相角变化引起频率偏移越小。化引起频率偏移越小。5.4.2影响频率稳定度的因素影响频率稳定度的因素3.有源器件的参数对频率的影响有源器件的参数对频率的影响 振荡管为有源器件，若它的工作状态振荡管为有源器件，若它的工作状态(电源电压电源电压或周围温度等或周围温度等)有所改变，则由式有所改变，则由式 如果晶体管参数如果晶体管参数 h h与与h hi i将发生变化，即引起振荡频率的改变。将发生变化，即引起振荡频率的改变。另外，另外，当外界因素当外界因素(如电源电压、温度、湿度等如电源电压、温度、湿度等)变化时，这变化时，这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。1.1.减小外因变化，根除减小外因变化，根除“病因病因”1)1)减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；另使振减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；另使振2)2)荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的L L、C C，抵，抵消消 L L、C C。2)2)减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采取单独供电。取单独供电。3)3)减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。4)4)减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。5.4.3振荡器稳定频率的方法振荡器稳定频率的方法5)5)消除机械振动的影响消除机械振动的影响 通常可加橡皮垫圈作减振器。通常可加橡皮垫圈作减振器。6)6)减小负载的影响减小负载的影响:7)7)在振荡器和下级电路之间加缓冲器，提高回路在振荡器和下级电路之间加缓冲器，提高回路Q Q值；值；8)8)本级采用低阻抗输出本级采用低阻抗输出;9)9)本级输出与下一级采取松耦合；本级输出与下一级采取松耦合；10)10)采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路之之 间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高回路标准性，提高频率稳定度。提高回路标准性，提高频率稳定度。2.2.提高回路的标准性提高回路的标准性 所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持其固有谐振频率不变的能力。其固有谐振频率不变的能力。要提高回路标准性即要减小要提高回路标准性即要减小 L L和和 C C，因此可采取优质材，因此可采取优质材料的电感和电容。料的电感和电容。3.3.减小相角减小相角 YFYF及其变化量及其变化量YFYF 为使振荡器的频率稳定度高，则为使振荡器的频率稳定度高，则要求要求 YFYF的数值小，且变化量小。的数值小，且变化量小。可使振荡器的工作频率比振荡管的特性频可使振荡器的工作频率比振荡管的特性频率低很多，即率低很多，即fff Cq，所以，Pcb很小，约为104。电路中的不稳定参数对振荡回路影响很小，提高了回路的标准性。，CCb=Co+CL(2)(2)振荡频率几乎由石英晶振的振荡频率几乎由石英晶振的参数决定，而石英晶振本身的参参数决定，而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。数具有高度的稳定性。其中其中CL是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值，即根据是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值，即根据产品要求的负载电容。产品要求的负载电容。振荡频率：振荡频率：(4)(4)由于晶振的由于晶振的Q Q值和特性阻抗值和特性阻抗 都很高，所以晶振的谐振都很高，所以晶振的谐振 电阻也很高，一般可达电阻也很高，一般可达10101010 以上。这样即使外电路接以上。这样即使外电路接 入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗 仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。(3)(3)由于振荡频率由于振荡频率f f0 0一般调谐在标称一般调谐在标称频率频率f fN N上，位于晶振的感性区间，电上，位于晶振的感性区间，电抗曲线陡峭，稳频性能极好。抗曲线陡峭，稳频性能极好。2.2.密勒密勒(Miller)(Miller)振荡电路振荡电路 密勒振荡电路密勒振荡电路右图是场效应管密勒振荡电路。右图是场效应管密勒振荡电路。石英晶体作为电感元件连接在栅极石英晶体作为电感元件连接在栅极和源极之间。和源极之间。LCLC并联回路在振荡频并联回路在振荡频率点等效为电感，作为另一电感元率点等效为电感，作为另一电感元件连接在漏极和源极之间，极间电件连接在漏极和源极之间，极间电容容C Cgdgd作为构成电感三点式电路中的作为构成电感三点式电路中的电容元件。由于电容元件。由于C Cgdgd又称为密勒电容，又称为密勒电容，故此电路有密勒振荡电路之称。故此电路有密勒振荡电路之称。密勒振荡电路通常不采用晶体管，原因是正向偏置时晶密勒振荡电路通常不采用晶体管，原因是正向偏置时晶体管发射结电阻太小，虽然晶振与发射结的耦合很弱，但也体管发射结电阻太小，虽然晶振与发射结的耦合很弱，但也会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性，所以采会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性，所以采用输入阻抗高的场效应管。用输入阻抗高的场效应管。3.3.泛音晶体振泛音晶体振荡电路电路 并并联型泛音晶体振型泛音晶体振荡电路，假路，假设泛音晶泛音晶振振为五次泛音，五次泛音，标称称频率率为5MHz，基，基频为1MHz，则LC1回路必回路必须调谐在三次和在三次和五次泛音五次泛音频率之率之间。在在5MHz频率上，率上，LC1回路呈容性，振回路呈容性，振荡电路路满足足组成法成法则，而，而对于基于基频和三次泛和三次泛音音频率来率来说，LC1回路呈感性，回路呈感性，电路不符路不符合合组成法成法则，不能起振。而在七次及其以，不能起振。而在七次及其以上泛音上泛音频率，率，LC1回路回路虽呈呈现容性，但等容性，但等效容抗减小，从而使效容抗减小，从而使电路的路的电压放大倍数放大倍数减小，减小，环路增益小于路增益小于1，不，不满足振幅起振足振幅起振条件。条件。LC1回路的回路的电抗特性如抗特性如(b)图所示。所示。(b)LC1回路的回路的电抗特性抗特性(a)并联型泛音晶体振荡电路并联型泛音晶体振荡电路 4.4.串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器串联型晶体振荡电路串联型晶体振荡电路 串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反是将石英晶振用于正反馈支路中，利用其串联馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件，谐振时等效为短路元件，电路反馈作用最强，满足振电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶幅起振条件，使振荡器在晶振串联谐振频率振串联谐振频率f fq q上起振。上起振。这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶振。馈支路上增加了一个晶振。解解 先画出先画出V V1 1管高频交流等效电路，如图管高频交流等效电路，如图(b)b)所示，所示，0.010.01 F F电容较大，电容较大，作为高频旁路电路，作为高频旁路电路，V V2 2管是射随器。管是射随器。由高频交流等效电路可以看到，由高频交流等效电路可以看到，V V1 1管的管的c c、e e极之间有一个极之间有一个LCLC回路，其谐振频回路，其谐振频率为率为所以在晶振工作频率所以在晶振工作频率5 5MHzMHz处，此处，此LCLC回路等效为一个电容。可见，这是一个皮尔回路等效为一个电容。可见，这是一个皮尔斯振荡电路，晶振等效为电感，容量为斯振荡电路，晶振等效为电感，容量为3-103-10pFpF的可变电容起微调作用，使振荡器的可变电容起微调作用，使振荡器工作在晶振的标称频率工作在晶振的标称频率5 5MHzMHz上。上。例例5-3 5-3 图图(a)a)是一个数字频率计晶振电路，试分析其工作情况。是一个数字频率计晶振电路，试分析其工作情况。(b)b)(a)a)1)1)画出振荡器的高频等效电路，并指出电路的振荡形式；画出振荡器的高频等效电路，并指出电路的振荡形式；2)2)若把晶体换为若把晶体换为1MHz1MHz，该电路能否起振，为什么？，该电路能否起振，为什么？3)3)求振荡器的振荡频率；求振荡器的振荡频率；4)4)指出该电路采用的稳频措施。指出该电路采用的稳频措施。例例5-4已知石英晶体振荡电路如图所示，试求：已知石英晶体振荡电路如图所示，试求：3）因为石英晶体的标称频率为）因为石英晶体的标称频率为7MHz所以该振荡器的工作所以该振荡器的工作频率即为频率即为7MHz。4）该电路采用的稳频措施有：）该电路采用的稳频措施有：(a)采用晶体振荡的克拉波电路；采用晶体振荡的克拉波电路；(b)振荡与射级跟随器是松耦合；振荡与射级跟随器是松耦合；(c)用射级跟随器进行隔离；用射级跟随器进行隔离；(d)电源进行稳压，以保晶体管参数的稳定性电源进行稳压，以保晶体管参数的稳定性 要想电路起振，要想电路起振，ce间必须呈现容性，间必须呈现容性，4.7 H和和330pF并联回路并联回路的谐振频率为，的谐振频率为，4MHz=f01MHz，回路对于，回路对于1MHz呈现感性，不满足三点法呈现感性，不满足三点法则，所以把晶体换为则，所以把晶体换为1MHz，该电路不能起振。，该电路不能起振。6.6.1压控振荡器压控振荡器(VCO)6.6.2集成电路振荡器集成电路振荡器5.6其它形式的振荡器其它形式的振荡器 压压控控振振荡荡器器是是以以某某一一电电压压来来控控制制振振荡荡频频率率或或相相位位大大小小的的一一种种振振荡荡器器，常常以以符符号号VCO(Voltage VCO(Voltage Controlled Controlled OscOsci illator)llator)代之。代之。在在电电子子设设备备中中，压压控控振振荡荡器器的的应应用用极极为为广广泛泛，如如彩彩色色电电视视接接收收机机高高频频头头中中的的本本机机振振荡荡电电路路、各各种种自自动动频频率率控控制制(AFC)AFC)系系统统中中的的振振荡荡电电路路、锁锁相相环环路路(PLL)PLL)中中所所用用的的振振荡荡电电路路等等均均为为压压控控振荡器。振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。振荡器。振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。5.6.1压控振荡器压控振荡器(VCO)1.1.变容二极管压控振荡器的基本工作原理变容二极管压控振荡器的基本工作原理 在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件后，即可对振荡频率实行控制。受控电抗元件常用变容二极件后，即可对振荡频率实行控制。受控电抗元件常用变容二极管取代。管取代。变容二极管的电容量变容二极管的电容量C Cj j取决于外加控制电压的大小，控制电压的取决于外加控制电压的大小，控制电压的变化会使变容管的变化会使变容管的C Cj j变化，变化，C Cj j的变化会导致振荡频率的改变。的变化会导致振荡频率的改变。对于图中，若对于图中，若C C1 1、C C2 2值较大，值较大，C C4 4又是隔直电容，容量很大，则振荡又是隔直电容，容量很大，则振荡回路中与回路中与L L相并联的总电容为相并联的总电容为利利用用半半导导体体PNPN结结的的结结电电容容受受控控于于外外加加反反向向电电压压的的特特性性而而制制成成的的一一种种晶晶体体二二极极管管，它它属属于于电电压压控控制制的的可可变变电电抗抗器器件件，其其压压控控特特性性的的典典型型曲曲线线如如图图所所示示。图图中中，反反向向偏偏压压从从3 3V V增增大大到到3030V V时时，结结电电容容C Cj j从从1818pFpF减减小小到到3 3pFpF，电电容容变变化化比约为比约为6 6倍。倍。通通常常将将f fmaxmax和和f fminmin的的比比值值称称为为频频率率覆覆盖盖系系数数，以以符符号号K Kf f表表示示，上上述述振振荡回路的频率覆盖系数为荡回路的频率覆盖系数为 (V VR R为最小为最小)(V VR R为最大为最大)对于不同的对于不同的C Cj j，所对应的振荡频率为所对应的振荡频率为变容二极管的特性变容二极管的特性 某彩色电视接收机某彩色电视接收机VHFVHF调谐器中第调谐器中第6-126-12频段的本振电路如图所示频段的本振电路如图所示电路中，控制电压电路中，控制电压V VC C为为0.5-300.5-30V V，改变这个电压，就使变容管的结电改变这个电压，就使变容管的结电容发生变化，从而获得频率的变化。由图容发生变化，从而获得频率的变化。由图(b)b)可见，这是一典型的可见，这是一典型的西勒振荡电路，振荡管呈共集电极组态，振荡频率约为西勒振荡电路，振荡管呈共集电极组态，振荡频率约为170-220170-220MHz MHz，这种通过改变直流电压来实现频率调节的方法，通常称为电调谐，这种通过改变直流电压来实现频率调节的方法，通常称为电调谐，与机械调谐相比它有很大的优越性。与机械调谐相比它有很大的优越性。2.2.VCOVCO的实际电路的实际电路(a)(a)电视接收机电视接收机VHFVHF本振电路本振电路 (b)(b)5.6.2集成电路振荡器集成电路振荡器1.1.差分对管振荡电路差分对管振荡电路 在在集集成成电电路路振振荡荡器器里里，广广泛泛采采用用如如图图 (a)a)所所示示的的差差分分对对管管振振荡荡电电路路，其其中中V V2 2管管集集电电极极外外接接的的LCLC回回路路调调谐谐在在振振荡荡频频率率上上。(b)b)图图为为其交流等效电路。其交流等效电路。(b)b)图中图中R Rcece为恒流源为恒流源I I0 0的交流等效电阻。的交流等效电阻。这这是是共共集集共共基基反反馈馈电电路路。由由于于共共集集电电路路与与共共基基电电路路均均为为同同相相放放大大电电路路，且且电电压压增增益益可可调调至至大大于于1 1，根根据据瞬瞬时时极极法法判判断断，在在V V1 1管管基基极极断断开开，有有v vb1b1 v vbebe(v ve2e2)v vc2c2v vb1b1，所所以以是是正正反反馈馈。在在振振荡荡频频率率点点，并并联联LCLC回回路路阻阻抗抗最最大大，正正反反馈馈电电压压v vf f(v vo o)最最强强，且且满满足足相相位稳定条件。位稳定条件。(a)(b)由运算放大器代替晶体管可以组成运放振荡器，由运算放大器代替晶体管可以组成运放振荡器，2.2.运放振荡器运放振荡器 运放三点式电路的组成原则与晶体管三端式电路的组成原则运放三点式电路的组成原则与晶体管三端式电路的组成原则相似，即同相输入端与反相输入端、输出端之间是同性质电抗相似，即同相输入端与反相输入端、输出端之间是同性质电抗元件，反相输入端与输出端之间是异性质电抗元件元件，反相输入端与输出端之间是异性质电抗元件运放振荡器电路简单，调整容易，但工作频率受运放上限频运放振荡器电路简单，调整容易，但工作频率受运放上限频率的限制。率的限制。(a)a)(b)b)运放皮尔斯电路运放皮尔斯电路其振荡频率为其振荡频率为电感三点式运放振荡器电感三点式运放振荡器其其中中正正反反馈馈支支路路中中的的石石英英晶晶体体工工作作在在串串联联谐谐振振频频率率上上，作作短短路路元元件件使使用用。正正反反馈馈支支路路中中串串入入变变容容二二极极管管，其其电电容容量量随随控控制制电电压压V VC C的的变变化化而而变变化化，达达到到压压控控振振荡荡的的目目的的，但但为为了了使使振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率仍仍然然在在晶晶体体串串联联谐谐振振频频率率附附近近变变化化以以提提高高频频率率的的稳稳定定性性和和标标准准性性，所所以以串串入入一一电电感感L Ld d，使使L Ld d与与C Cj j的的谐振频率接近于晶体的串联谐振频率。谐振频率接近于晶体的串联谐振频率。集成运放压控振荡器的性能优良，但频率可调范围小。集成运放压控振荡器的性能优良，但频率可调范围小。集成运放压控振荡器集成运放压控振荡器集成运放压控振荡器集成运放压控振荡器1.1.振荡器是无线电发送设备和超外差接收机的心脏部分，振荡器是无线电发送设备和超外差接收机的心脏部分，也是各种电子测试仪器的主要组成部分，因此，学好本章十也是各种电子测试仪器的主要组成部分，因此，学好本章十分重要。分重要。2.2.反反馈馈型型正正弦弦波波振振荡荡器器主主要要由由决决定定振振荡荡频频率率的的选选频频网网络络和和维维持持振振荡荡的的正正反反馈馈放放大大器器组组成成，按按照照选选频频网网络络平平衡衡条条件件：所所采采用用元元件件的的不不同同，正正弦弦波波振振荡荡器器可可分分为为LCLC振振荡荡器器、RCRC振振荡荡器器和晶体振荡器等。和晶体振荡器等。本本 章章 小小 节节 3.3.反馈振荡器要正常工作必须满足起振条件、平衡条件、反馈振荡器要正常工作必须满足起振条件、平衡条件、平衡稳定条件。每个条件中都包含振幅和相位两个方面的要求。平衡稳定条件。每个条件中都包含振幅和相位两个方面的要求。