第2章正弦波振荡器课件

第第 2 章章正弦波振荡器正弦波振荡器概述概述2.1反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理2.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器2.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度2.4晶体振荡器晶体振荡器2.5RC 正弦波振荡器正弦波振荡器2.6负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器2.7寄生振荡、间歇振荡和频率占据寄生振荡、间歇振荡和频率占据本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量电路。一定频率和一定幅度的交变能量电路。振荡器的分类：振荡器的分类：按波形分：按波形分：正弦波振荡器正弦波振荡器和非正弦波振荡器和非正弦波振荡器按工作方式：负阻型振荡器和按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器反馈型振荡器按选频网络所采用的元件分类：按选频网络所采用的元件分类：LC振荡器、振荡器、RC振荡器和晶体振荡器振荡器和晶体振荡器等类型等类型概述概述一、与功放比较一、与功放比较(从能量角度从能量角度)1功率放大器功率放大器将将直直流流电电源源提提供供的的直直流流能能量量转转换换为为按按信信号号规规律律变变化化的的交交变能量。变能量。特点：特点：被动地被动地，需输入信号控制，需输入信号控制2正弦波振荡器正弦波振荡器(Sinewave Oscillator)将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。特点：特点：自动地自动地，无需输入信号控制。，无需输入信号控制。二、正弦波振荡器的应用二、正弦波振荡器的应用1作信号源作信号源(本章将讨论本章将讨论)载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。要求：要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。振荡频率和振幅的准确性和稳定性。2正弦交变能源正弦交变能源(本章不讨论本章不讨论)用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。要求：要求：功率足够大，高效。功率足够大，高效。三、三、分类分类(按组成原理按组成原理)1反馈振荡器反馈振荡器:利用正反馈原理构成，应用广泛。利用正反馈原理构成，应用广泛。2负负阻阻振振荡荡器器:利利用用负负阻阻效效应应抵抵消消回回路路中中的的损损耗耗，以以产产生等幅自由振荡。工作于微波段。生等幅自由振荡。工作于微波段。实际中的反馈振荡器是由反馈实际中的反馈振荡器是由反馈放大器演变而来，如右图。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，该电路则时，该电路则为调谐放大器，当输入信号为正弦波为调谐放大器，当输入信号为正弦波时，放大器输出负载互感耦合变压器时，放大器输出负载互感耦合变压器L2上的电压为上的电压为vf，调整互感，调整互感M及同名及同名端以及回路参数，可以使端以及回路参数，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，则集电极电路和点，则集电极电路和基极电路都维持开关基极电路都维持开关K接到接到“1”点时的状态，即始终维持点时的状态，即始终维持着与着与vi相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。振荡器。L2三、自激振荡建立的物理过程三、自激振荡建立的物理过程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振振荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端产荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端产生正弦波电压生正弦波电压vo，并通过互感耦合变压器反馈到基级回，并通过互感耦合变压器反馈到基级回路，这就是激励信号。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。要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足：要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足：起起振振条条件件刚刚通通电电时时，须须经经历历一一段段振振荡荡电电压压从从无无到到有逐步增长的过程有逐步增长的过程（接通电源后可从无到有建立起振荡）（接通电源后可从无到有建立起振荡）平平衡衡条条件件进进入入平平衡衡状状态态时时，振振荡荡电电压压的的振振幅幅和和频频率率要要能能维维持持在在相相应应的的平平衡衡值值上上（进进入入平平衡衡状状态态后后可可输输出出等等幅幅持续振荡）持续振荡）稳稳定定条条件件当当外外界界条条件件不不稳稳时时，振振幅幅和和频频率率仍仍应应稳稳定定，而而不不会会产产生生突突变变或或停停止止振振荡荡（平平衡衡状状态态不不因因外外界界不不稳稳定定因素的影响而受到破坏因素的影响而受到破坏）组成：组成：可可变变增增益益放放大大器器提提供供足足够够的的增增益益，且且其其增增益益随随输入电压增大而减小。输入电压增大而减小。相相移移网网络具具有有负斜斜率率变化化的的相相频特特性性，为环路路提供合适的相移，保提供合适的相移，保证在在谐振振频率上的相移率上的相移为 2n。2.1.1平衡和起振条件平衡和起振条件一、起振条件一、起振条件(1)振幅起振条件振幅起振条件(2)相位起振条件相位起振条件 T(osc)=A(osc)+f(osc)=2n(n=0，1，2，)物理意义：振幅起振条件要求反馈电压幅度物理意义：振幅起振条件要求反馈电压幅度vf要一次要一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。二、平衡条件二、平衡条件1分析分析同相又等幅，即同相又等幅，即若在某一若在某一频率率 上，上，与与当当环路闭合环路闭合后：后：主网主网络将将输出正弦振出正弦振荡电压 ，角，角频率率为 。所需所需输入入电压 全部由反全部由反馈电压 提供，无需外提供，无需外加加输入入电压。2平衡条件平衡条件由由则：则：振幅平衡条件：振幅平衡条件：环路增益的模环路增益的模 T(osc)=1 相位平衡条件：相位平衡条件：环路增益的相角环路增益的相角 T(osc)=2n(n=0，1，2，)3讨论讨论反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：起振起振时，T(osc)1，Vi 迅速增迅速增长；随随后后，T(osc)下降，下降，Vi 的增的增长速度速度变慢；慢；到到 T(osc)=1 时，Vi 停止增停止增长，振，振荡器器进入平衡状入平衡状态，在相在相应的平衡振幅的平衡振幅 ViA 上上维持等幅振持等幅振荡。环路增益路增益 特性特性如如图所示所示。而而环路路增增益益的的相相角角 T(osc)则必必须维持在持在 2n 上。上。平平衡衡条条件件多多利利用用放放大大器的非线性实现。器的非线性实现。三、稳定条件三、稳定条件1振荡电路中存在干扰振荡电路中存在干扰 外外部部：电电源源电电压压、温温度度、湿湿度度的的变变化化，引引起起管管子子和和回路参数的变化。回路参数的变化。内内部部：存存在在固固有有噪噪声声(起起振振时时的的原原始始输输入入电电压压,进进入入平衡后与输入电压叠加引起波动平衡后与输入电压叠加引起波动)。均造成均造成 T(osc)和和 T(osc)的的变化，破坏平衡条件。化，破坏平衡条件。2干扰对平衡状态的影响干扰对平衡状态的影响(两种两种)通过放大和反馈的反复循环：通过放大和反馈的反复循环：振振荡荡器器离离开开原原平平衡衡状状态态，导导致致停停振振或或突突变变到到新新的的平平衡状态衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免。原平衡状态是不稳定的，应避免。振振荡荡器器有有回回到到平平衡衡状状态态的的趋趋势势。当当干干扰扰消消失失后后，能能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。3、环路增益特性要求、环路增益特性要求左图左图环路增益特性，还满足振幅稳定条件，过程如下：环路增益特性，还满足振幅稳定条件，过程如下：若若，干扰使：，干扰使：最后在新的最后在新的 上重新上重新满足平衡条件足平衡条件 T(osc)=1最后达到新的平衡。最后达到新的平衡。硬激励：硬激励：靠外加冲击靠外加冲击而产生振荡的方式。而产生振荡的方式。软激励：软激励：接通电源接通电源后自动进入稳定平后自动进入稳定平衡状态衡状态的方式的方式。4振幅稳定条件振幅稳定条件 可可见见，要要使使平平衡衡点点稳定定，T(osc)必必须在在 ViA 附附近近具具有有随随 Vi 增大而下降增大而下降(负斜率变化负斜率变化)的的特性特性，即，即斜斜率率越越陡陡，则 Vi 的的变化化而而产生生的的 T(osc)变化化越越大大，系系统回到回到稳态的的时间越短，越短，调节能力越能力越强强。工作于非工作于非线性状性状态的有源器件的有源器件(晶体管、晶体管、电子管等子管等)正正好具有好具有这一性能，因而它一性能，因而它们具有具有稳定振幅的功能。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上是一回事。因是一回事。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，所以当化率，所以当振振荡器的相位器的相位变化化时，频率也必然率也必然发生生变化。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，产生了一个生了一个很小的相位增量很小的相位增量+，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,频率不断地提率不断地提高。反之，如果高。反之，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断降低。率的不断降低。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 5、相位、相位(频率频率)稳定条件稳定条件相位稳定条件相位稳定条件斜率越陡，斜率越陡，则稳定性越灵敏。则稳定性越灵敏。图 3-1-4 为了保持振了保持振荡器相位平衡点器相位平衡点稳定，振定，振荡器本身器本身应该具有具有恢复相位平衡的能力。恢复相位平衡的能力。换句句话说，就是在振，就是在振荡频率率发生生变化化的同的同时，振，振荡电路中能路中能够产生一个新的相位生一个新的相位变化，以抵消由化，以抵消由外因引起的外因引起的变化，因而化，因而这二者的符号二者的符号应该相反，亦即相位相反，亦即相位稳定条件定条件应为 4举举例例说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。T()由由两部分两部分组成：成：(1)放大器放大器输出出电压 对输入入电压 的相移的相移 A()(2)反馈网络反馈电压反馈网络反馈电压 对 的相移的相移 f()即即 T()=A()+f()T()=A()+f()A()放大管放大管(可略可略)并联谐振回路相移并联谐振回路相移 Z()f()，随随 的的变化十分化十分缓慢，可慢，可认为它与它与 无关。无关。故故 Z()随随 变化的特性可代表化的特性可代表 T()随随 变化的特性。化的特性。(a)并联谐振回路并联谐振回路图图 3-1-5谐振回路的相频特性曲线谐振回路的相频特性曲线并并联谐振回路，其相振回路，其相频特性特性 0 谐振振频率率 Qe 有有载品品质因数因数 可可见见在在实实际际振振荡荡电电路路中中，是是依依靠靠具具有有负负斜斜率率相相频频特特性性的的谐谐振振回回路路来来满满足足相相位位稳稳定定条条件件的的，且且 Qe 越越高高，Z()随随 的的变化斜率越大，化斜率越大，频率率稳定度越高。定度越高。3.1.3基本组成及其分析方法基本组成及其分析方法 要要产产生生稳稳定定的的正正弦弦振振荡荡，振振荡荡器器必必须须满满足足起起振振、平平衡衡、稳定稳定三项条件。三项条件。1组成组成 可可变变增增益益放放大大器器提提供供足足够够的的增增益益，且且其其增增益益随随输入电压增大而减小。输入电压增大而减小。相相移移网网络具具有有负斜斜率率变化化的的相相频特特性性，为环路路提供合适的相移，保提供合适的相移，保证在在谐振振频率上的相移率上的相移为 2n。或：四个环节或：四个环节2种类种类 根据可变增益放大器和相移网络的不同：根据可变增益放大器和相移网络的不同：(1)可变增益放大器可变增益放大器 按放大管按放大管晶体管放大器晶体管放大器场效应管放大器场效应管放大器差分对管放大器差分对管放大器集成运算放大器等集成运算放大器等 按实现可变增益的方法按实现可变增益的方法内稳幅内稳幅(Self Limiting)：利用放大管固有的非线性利用放大管固有的非线性 外外稳稳幅幅(External Limiting)：放放大大器器线线性性工工作作，另另外外插插入非线性环节，共同组成。入非线性环节，共同组成。(2)相移网络相移网络具有负斜率变化的相移具有负斜率变化的相移 LC 谐振回路谐振回路 RC 相移和选频网络相移和选频网络 石英晶体谐振器石英晶体谐振器3分析方法分析方法反反馈馈振振荡荡器器为为包包含含电电抗抗元元件件的的非非线线性性闭闭环环系系统统，用用计计算机可对其进行近似数值分析。但工程上广泛采用：算机可对其进行近似数值分析。但工程上广泛采用：首首先先，检检查查环环路路是是否否包包含含可可变变增增益益放放大大器器和和相相频频特特性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。其其次次，分分析析起起振振条条件件。起起振振时时，放放大大器器小小信信号号工工作作，可可用用小小信信号号等等效效电电路路分分析析方方法法导导出出 T(j)，并并由由此此求求出出起起振振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。若若振振荡荡电电路路合合理理，又又满满足足起起振振条条件件，就就能能进进入入稳稳定定的的平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。最后，最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。第第 2 章正弦波振荡器章正弦波振荡器2.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器2.2.1三点式振荡电路三点式振荡电路2.2.2差分对管振荡电路差分对管振荡电路 2.2.3举例举例 三点式三点式LC振振荡电路是路是经常被采用的，其工作常被采用的，其工作频率率约在在几几MHz到几百到几百MHz的范的范围，频率率稳定度也比定度也比变压器耦合振器耦合振荡电路高一些，路高一些，约为103104量量级，采取一些，采取一些稳频措施后，措施后，还可以再提高一点。可以再提高一点。三点式三点式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，又称西勒振荡器并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器(Selier)。LC 正弦波振荡器：正弦波振荡器：采用采用 LC 谐振回路作振回路作为相移网相移网络的振的振荡。种类：种类：变压器耦合振器耦合振荡电路、路、三点式振三点式振荡电路路 差分差分对管振管振荡电路（主要用在集成路（主要用在集成电路中）路中）2.2.1三点式振荡电路三点式振荡电路一、电路组成法则一、电路组成法则图 3-2-1-1三点式振荡的原理电路三点式振荡的原理电路1电路电路两两种种基基本本类类型型三三点点式式振振荡器的原理电路荡器的原理电路(交流通路交流通路)。2组成法则组成法则交交流流通通路路中中，晶晶体体管管的的三三个个极极与与谐谐振振回回路路的的三三个个引引出出端端相相连连接接。其其中中，与与发发射射极极相相接接的的为为两两个个同同性性质质电电抗抗，接接在在集集-基间的为基间的为异性异性电抗。电抗。二、三点式振荡器电路基本电路二、三点式振荡器电路基本电路(1)电路电路图 3-2-2电容三点式振器电路（电容三点式振器电路（考毕兹振荡器考毕兹振荡器）RB1、RB2 和和 RE：分分压式式偏偏置置电阻阻；CC、CB、CE：旁旁路路和和隔隔直直流流电容容；RC：集集电极极直直流流负载电阻阻；RL：输出出负载电阻阻；L、C1、C2：并并联谐振回路振回路。图 3-2-2电容三点式振器电路电容三点式振器电路(2)组成组成可可变变增增益益器器件件：晶晶体体管管 T；相相移移网网络络：并并谐谐；发发射射极极：为为两两同同性性质容性电抗；集质容性电抗；集-基：感性电抗。基：感性电抗。2电感三点式振荡器电路（哈特莱电路）电感三点式振荡器电路（哈特莱电路）(1)电路与元件作用电路与元件作用(2)组成法则判断组成法则判断 图图 3-2-6例例题题三、电容三点式振荡电路的起振条件三、电容三点式振荡电路的起振条件(相位与振幅相位与振幅)1等效电路等效电路 以图以图 3-2-2(b)为例为例 推推导环路增益路增益 T(j)时，应将将闭合合环路断开。路断开。(1)改画电路改画电路 图 3-2-3对应图对应图 3-2-2 电路的交流通路电路的交流通路断点左面加环路的输入电压断点左面加环路的输入电压 Vi(j)断点右边断点右边(与与C2 并联并联)接入自断点向左看接入自断点向左看进去的阻抗去的阻抗 Zi Re0：L、C1、C2 并联谐振回路的固有谐振电阻并联谐振回路的固有谐振电阻。(2)用混合用混合 型等效电路表示型等效电路表示设设 fosc 1 (gm A)可求得三点式振荡器的相位可求得三点式振荡器的相位起振条件起振条件为为(3-2-3)振幅振幅起振条件起振条件为为(3-2-4)讨论：讨论：1振荡角频率振荡角频率 osc 振荡频率振荡频率 osc 由相位起振条件决定，解由相位起振条件决定，解(3-2-3)求得求得(3-2-5)式中，式中，：LC 回路回路总电容容，：固有固有谐振角振角频率。率。osc 与与 0(LC)有有关关，还还与与 gi(Ri)、g L(Re0、RL)有有关，且关，且 osc 0；在实际电路中，一般在实际电路中，一般满足满足 工程估算时，工程估算时，osc 0=1/(3-2-6)2振幅起振条件振幅起振条件 工程估算时，令工程估算时，令 =osc 0，代入，代入(3-2-4)式，即式，即(3-2-4)振幅起振条件可简化为振幅起振条件可简化为设(3-2-7)n 为电容分压比为电容分压比，上式改写为，上式改写为gm(3-2-8a)或或 (3-2-8b)若若 gi ，则由由图 3-2-7 可可见，n2gi 便便是是 gi 经电容容分分压器折算到集器折算到集电极上的极上的电导值。因因而而回回路路谐谐振振时时集集电电极极上上的的总总电电导导为为(+n2gi)，gm 除除以以这这个个总总电电导导就就是是回回路路谐谐振振时时放放大大器器的的电电压压增增益益 Av(0)*，而而 n 则是反馈网络则是反馈网络(C1、组成组成)的反馈的反馈系数系数 kfv。这样，式这样，式(3-2-8b)又可表示为又可表示为 Av(0)kfv 1图 3-2-7 推导推导 T(j)的等效电路的等效电路图 3-2-7 推导推导 T(j)的等效电路的等效电路讨论：讨论：为满足振幅起振条件，应增大为满足振幅起振条件，应增大 Av(0)和和 kfv。增增大大 kfv(=n)，n2gi 增增大大，Av(0)减减小小；减减小小 kfv，虽提高虽提高 Av(0)，但但受限于受限于回路增益回路增益 T(0)，故故 n 取值应适中。取值应适中。提提高高 ICQ，可可以以增增大大 gm，从从而而提提高高 Av(0)，但但不不宜宜过过大大，否否则则，gi(1/re=gm/)会会过过大大，造造成成回回路路有有载载品品质质因数下降，影响频率稳定性。因数下降，影响频率稳定性。ICQ 一般取一般取 1 5 mA。(a)(b)图 3-2-3对应图对应图 3-2-2 电路的交流通路电路的交流通路结结论论：若若振振荡荡管管 fT 5fosc，RL 又又不不太太小小(1 k)，且且 n(两电容两电容)取值适中，一般都满足起振条件。取值适中，一般都满足起振条件。分分析析表表明明，闭闭合合环环路路不不论论何何处处断断开开，它它们们的的振振幅幅起起振振条条件件都都是是一一样样的的。但但断断开开点点不不同同，主主网网络络和和反反馈馈网网络络的的组组成成就就不同，相应的不同，相应的放大器增益放大器增益和和反馈系数反馈系数也就不同。也就不同。四、用工程估算法求起振条件四、用工程估算法求起振条件 将闭合环路断开，画出开环等效电路。将闭合环路断开，画出开环等效电路。求出固有求出固有谐振振频率率 0，并令，并令 osc 0。将将谐谐振振回回路路的的电电导导折折算算到到集集电电极极上上，求求放放大大器器回回路路谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。例：指出下面振荡电路中错误例：指出下面振荡电路中错误 电感三点式振荡器的优点是容易起振，另外，改电感三点式振荡器的优点是容易起振，另外，改变谐振回路的电容变谐振回路的电容C，可以方便地调节振荡频率。但由，可以方便地调节振荡频率。但由于反馈信号取自电感于反馈信号取自电感L2两端压降两端压降，而，而L2对高次谐波呈对高次谐波呈现高阻抗，故不能抑制高次谐波的反馈，因此，振荡现高阻抗，故不能抑制高次谐波的反馈，因此，振荡器输出信号中的高次谐波成份较大，信号波形较差。器输出信号中的高次谐波成份较大，信号波形较差。电感三点式振荡器的优缺点：电感三点式振荡器的优缺点：电容三点式振荡器的反馈信号取自电容电容三点式振荡器的反馈信号取自电容C2两端，因为两端，因为电容对高次谐波呈现较小的容抗，反馈信号中高次谐波分电容对高次谐波呈现较小的容抗，反馈信号中高次谐波分量小，故振荡输出波形好。但当通过改变量小，故振荡输出波形好。但当通过改变C1或或C2来调节振来调节振荡频率时，同时会改变正反馈量的大小，因而会使输出信荡频率时，同时会改变正反馈量的大小，因而会使输出信号幅度发生变化，甚至会使振荡器停振。所以电容三点式号幅度发生变化，甚至会使振荡器停振。所以电容三点式振荡电路频率调节很不方便，故适用于频率调节范围不大振荡电路频率调节很不方便，故适用于频率调节范围不大的场合。的场合。电容三点式振荡器的优缺点：电容三点式振荡器的优缺点：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远远小于远远小于C C1和和C C2，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、C C2无关。无关。4讨论讨论接接入入 C3 后后，虽反反馈系系数数不不变，但接在但接在 A、B 两端的两端的电阻阻折折算算到到集集电极极间的的数数值 减小，减小，C1，2 是是 C1、C2 极极间间电电容容的的总总和和，因因而而环环路路增增益益减减小小。C3 越越小小，环环路路增增益益越越小小。可可见见，在在这这种种振振荡荡电电路路中中，减减小小 C3 提提高高标标准准性性是是以以牺牺牲牲环环路路增增益益为为代代价价的的。C3 过过小小，就就不不会会满足振幅起振条件，而停振。满足振幅起振条件，而停振。2.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度(1)定义：定义：频频率率稳稳定定度度又又称称为为频频稳稳度度，为为振振荡荡器器最最重重要要的的指指标标，指指在在规规定定时时间间内内，规规定定的的温温度度、湿湿度度、电电源源电电压压等等变变化化范范围内，围内，振荡频率的相对变化量振荡频率的相对变化量。(2)种类种类 按规定按规定时间的长短时间的长短不同，频稳度可分为：不同，频稳度可分为：长长期期频频稳稳度度：一一天天以以上上乃乃至至几几个个月月内内因因元元器器件件老老化化而而引引起的频率相对变化量。起的频率相对变化量。短短期期频频稳稳度度：一一天天内内因因温温度度、电电源源电电压压、负负载载等等外外界界因因素变化素变化而引起的频率相对变化量。而引起的频率相对变化量。瞬瞬时时(秒秒级级)频频稳稳度度：极极短短时时间间内内由由振振荡荡信信号号和和噪噪声声间间相相互作用而引起频率相对变化量。互作用而引起频率相对变化量。通常指短期频稳度。通常指短期频稳度。将将规规定定时时间间划划分分为为 n 个个等等间间隔隔，各各间间隔隔内内实实测测的的振振荡荡频频率为率为 fi，短期频稳度的定义：短期频稳度的定义：式中，式中，(fosc)i=fi-fosc，第，第 i 个间隔内实测的绝对频差；个间隔内实测的绝对频差；为为绝绝对对频频差差的的平平均均值值，越越小小，频率准确度就越高。频率准确度就越高。fosc为标称频率为标称频率(4)对频稳度的不同要求对频稳度的不同要求 高精度信号高精度信号 发生器发生器用用 途途中波电台中波电台电视发射机电视发射机信号发生器信号发生器频稳度频稳度10-510-4 10-510-710-7 10-9(3)表达式表达式 由相位平衡条件由相位平衡条件 T(osc)=0即即说明：说明：A()主主要要取取决决于于并并联联谐谐振振回回路路的的相相移移 z()，它它在在谐振频率附近随谐振频率附近随 的变化十分剧烈；的变化十分剧烈；f()随随 的的变变化化相相对对要要缓缓慢慢得得多多，可可近近似似认认为为它它是是与频率无关的常数，用与频率无关的常数，用 f 表示。表示。得：得：Z(osc)=-f故故：Z()曲曲线线与与高高度度为为 f 水水平平线线相相交交点点上上所所对对应应的的角角频频率率振荡角频率振荡角频率 osc。一、影响频率稳定性的因素一、影响频率稳定性的因素可可知知：影影响响振振荡荡频频率率 osc 的的参参数数是是 0 0、Qe 和和 f。故故讨讨论论频频稳稳度度就就是是分分析析外外界界因因素素通通过过这这三三个个参参数数对对振振荡荡频频率率变变化化的的影影响。响。(1)谐振频率谐振频率 0 0 变化变化若若 L、C 变变化化，0 0 产产生生 0 0 的的变变化化，则则 z z()曲曲线线沿沿横横坐坐标标平平移移 0 0，曲线形状不变。，曲线形状不变。osc=0 0(2)Qe 变化变化 若若负负载载和和管管子子参参数数变变化化，使使谐谐振振回回路路 Qe增增加加 Qe，则则 z z()曲曲 线线 变变 陡陡。Qe 引引 起起 振振 荡荡 频频 率率 的的 变变 化化 量量 与与 f f 大大 小小 有有 关关 。(3)若若 f f 产产生生 f f，则则 z z()曲曲线线形形状状不不变变，而而交交点点移移动动。f f 引引起起振振荡荡频频率率的的变变化化与与 f f(同同条条曲曲线线)、Qe 的的大小有关。大小有关。减减小小 0、Qe 和和 f，故故应应减减小小外外界界因因素素变变化化引引起起 0、Qe 和和 f 的变化。的变化。减减小小 f 和和增增大大 Qe，以以减减小小由由 Qe、f 引引起起的的振振荡频率变化量。荡频率变化量。二、提高频稳度的基本措施二、提高频稳度的基本措施1减小外界因素的变化减小外界因素的变化 外外界界因因素素：温温度度、湿湿度度、大大气气压压、电电源源电电压压、周周围围磁磁场、机械振动及负载变化等，其中以温度的影响最严重。场、机械振动及负载变化等，其中以温度的影响最严重。措措施施：减减振振、恒恒温温、密密封封(湿湿度度、大大气气压压)、高高稳稳定定度度电源、屏蔽罩、振荡器与负载间插入跟随器。电源、屏蔽罩、振荡器与负载间插入跟随器。综上，提高综上，提高LC振荡器的频率稳定度的途径：振荡器的频率稳定度的途径：2提高振荡回路标准性提高振荡回路标准性(1)标准性标准性 LCLC振振荡荡回回路路标标准准性性是是指指振振荡荡回回路路在在外外界界因因素素变变化化时时保保持持固有谐振频率不变的能力。固有谐振频率不变的能力。标准性越高，外界因素变化引起的标准性越高，外界因素变化引起的 0 0 就越小。就越小。(2)0 0 与与 L、C 的关系的关系将此式展开，忽略高阶小量，化简为将此式展开，忽略高阶小量，化简为 可可见见，为为提提高高回回路路标标准准性性，必必须须减减小小 L、C 的的相相对对变变化化量，可采取的措施：量，可采取的措施：温温度度补补偿偿。电电感感和和部部分分寄寄生生参参量量有有正正值值的的温温度度系系数数，选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补偿。选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补偿。缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。增增加加回回路路总总电电容容，减减小小管管子子与与回回路路间间的的耦耦合合，均均能能有有效效降降低低管管子子极极间间不不稳稳定定的的寄寄生生量量在在 L、C 中中的的比比重重，及及管子输入和输出阻抗对回路管子输入和输出阻抗对回路Q Q的影响。的影响。（如克拉泼振荡电路）（如克拉泼振荡电路）2.4晶体振荡器晶体振荡器 频稳度频稳度晶体振荡器：超过晶体振荡器：超过 10 5LC 振荡器：振荡器：10 3 10 5晶晶体体振振荡荡器器是是采采用用石石英英谐谐振振器器控控制制和和稳稳定定振振荡荡频频率率的的振振荡荡器器。石石英英谐谐振振器器是是利利用用石石英英晶晶体体(Quartz-Crystal)的的压压电电效应制成的一种谐振器件。效应制成的一种谐振器件。石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造），化学成石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造），化学成分是分是S Si iO O2 2。一、石英晶体的物理特性一、石英晶体的物理特性正压电效应正压电效应若对石英晶片施加外力使其发生机械形若对石英晶片施加外力使其发生机械形变，则在石英晶片两面引出的两个电极上就会产生符号变，则在石英晶片两面引出的两个电极上就会产生符号相反、数值相等的电荷，其值与形变大小成正比。相反、数值相等的电荷，其值与形变大小成正比。负压电效应负压电效应当在与之相接的两个电极上施加电压时，当在与之相接的两个电极上施加电压时，石英晶片产生机械形变，形变的大小与两电极间的电场石英晶片产生机械形变，形变的大小与两电极间的电场强度成正比。强度成正比。压电转换性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效压电转换性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高；率最高；将其接到振荡器的闭合环路中，利用其将其接到振荡器的闭合环路中，利用其固有频固有频率率，能有效地控制和稳定，能有效地控制和稳定振荡频率。振荡频率。振动振动具有多谐性：具有多谐性：基频振动、奇次谐波的泛音振动。基频振动、奇次谐波的泛音振动。石英谐振器：石英谐振器：利用上述压电效应制成的一种谐振器件。利用上述压电效应制成的一种谐振器件。（1 1）等效电路）等效电路 C0：静态电容和支架引线分布电容之和；静态电容和支架引线分布电容之和；Lq1、Cq1、rq1：晶体基频等效电路；晶体基频等效电路；Lq3、Cq3、rq3：晶体三次泛音等效电路晶体三次泛音等效电路 二、石英谐振器的电特性二、石英谐振器的电特性（2 2）石英谐振器的特点）石英谐振器的特点等等效效电电感感Lq特特别别大大、等等效效电电容容Cq特特别别小小，因因此此石石英英晶晶体体的的Q值值 很很大大，一一般般为为几几万万到到几几百百万万。这这是是普普通通LC电电路路无无法法比比拟拟的的；由由于于 ，这这意意味味着着等等效效电电路路中中的接入系数很小，因此外电路对晶体电特性的影响很小。的接入系数很小，因此外电路对晶体电特性的影响很小。（3 3）石英）石英谐振器的等效振器的等效电抗（阻抗特性）抗（阻抗特性）石石英英晶晶体体有有两两个个谐谐振振角角频频率率。一一个个是是右右边边支支路路的的串串联联谐谐振振角角频频率率 q，即即石石英英片片本本身身的的自自然然角角频频率率。另另一一个个为为石石英谐振器的并联谐振角频率英谐振器的并联谐振角频率 p。串联谐振频率串联谐振频率 并联谐振频率并联谐振频率 （3 3）石英）石英谐振器的等效振器的等效电抗（阻抗特性）抗（阻抗特性）可证：忽略可证：忽略 rq 时，晶体两端呈现纯电抗，其值近似为时，晶体两端呈现纯电抗，其值近似为图图 3-4-3晶体的阻抗曲线晶体的阻抗曲线讨论：讨论：在在 s p 之之间间为为正正值值，呈呈感感性性；其他频段内为负值，呈其他频段内为负值，呈容性。容性。在在 s 上上 Xcr=0，为为串串联联谐谐振振；在在 p 上上 Xcr ，为，为并联谐振。并联谐振。又又因为因为 C0 Cq，所以，所以 p 很靠近很靠近 s 晶振体只能工作于上述两种方式，而不能工作在低于晶振体只能工作于上述两种方式，而不能工作在低于fs 和高于和高于fp呈容性的频段内呈容性的频段内，否则频稳度下降。，否则频稳度下降。三、并联型晶体振荡电路三、并联型晶体振荡电路皮尔斯皮尔斯(Pirece)晶体振荡电路晶体振荡电路(a)实际电路实际电路(b)交流通路交流通路图图 3-4-1皮尔斯振荡电路皮尔斯振荡电路RB1、RB2 和和 RE：分压偏置电路分压偏置电路，LC：高频扼流圈高频扼流圈，CB：旁路电容旁路电容，CC：耦合电容耦合电容。是指工作在略高于是指工作在略高于f fs s呈感性的频段内，晶体等效为一呈感性的频段内，晶体等效为一个高个高Q Q值得电感，与外电路电容构成并联谐振回路。值得电感，与外电路电容构成并联谐振回路。C C1 1和和C C2 2是晶体管的负载电容，如果其值等于晶体规定的是晶体管的负载电容，如果其值等于晶体规定的数值，则振荡电路的振荡频率就是晶体的标称频率。数值，则振荡电路的振荡频率就是晶体的标称频率。四、串联型晶体振荡电路四、串联型晶体振荡电路1电路电路 1当当 f =fs 时时，晶晶体体串串联联谐谐振振，等等效效为为短短路路元元件件，T1、T2管管和和外外接接晶晶体体构构成成正正反反馈馈放放大大器器，满满足足相相位位平平衡衡条条件件，且且反反馈最强，满足馈最强，满足起振条件起振条件。图图 3-4-9XK76 集成晶体振荡的内部电路集成晶体振荡的内部电路谐振频率谐振频率 fsf fs 时时，晶晶体体呈呈高高阻阻抗抗，反反馈馈显显著著减减弱弱，不不能能满满足足振振幅幅和和相相位位起起振振条条件件，所所以以这这种种振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率受受晶晶体体串串联谐振频率的控制，具有很高的频稳度。联谐振频率的控制，具有很高的频稳度。2电路电路 2 晶体串联谐振，等效为短路元件，电路符合晶体串联谐振，等效为短路元件，电路符合三点式组成三点式组成法则法则，为电容三点式电路。，为电容三点式电路。偏离串联谐振频率，晶体阻抗迅偏离串联谐振频率，晶体阻抗迅速增大，电路不能振荡。速增大，电路不能振荡。振荡频率取决于振荡频率取决于晶体的串联谐振晶体的串联谐振频率频率。为提高频稳度，可将。为提高频稳度，可将 L、C1、C2、C3 回路调谐在串谐频率附近。回路调谐在串谐频率附近。2.5RC 正弦波振荡器正弦波振荡器1概念概念采用采用 RC 电路作为移相网络的振荡器电路作为移相网络的振荡器振荡频率：振荡频率：低频段，几低频段，几赫兹至赫兹至 1 MHz 之间。之间。移相网络移相网络 RC 导前移相网络导前移相网络RC 滞后滞后移相网络移相网络 RC 串、并联串、并联选频网络选频网络 由由RC导导前前移移相相网网络络或或RC滞滞后后移移相相网网络络构构成成的的振振荡荡器器称为称为RC(Phase Shift)相移振荡器相移振荡器。由由RC串串、并并联联选选频频网网络络构构成成的的振振荡荡器器称称为为串串、并并联联 RC 振荡器振荡器。(2)滞后移相电路滞后移相电路(3)串、并联选频电路串、并联选频电路(1)导前移相电路导前移相电路 2RC 相移振荡电路相移振荡电路图图 3-5-2(a)为导前相移电路构成的为导前相移电路构成的 RC 相移振荡器电路相移振荡器电路。(a)(b)图图 3-5-2RC 相移振荡电路相移振荡电路集集成成运运放放：反反相相放放大大，相相移移 180，当当 RC 导导前前相相移移电路提供电路提供 180 相移时，环路满足相位平衡条件。相移时，环路满足相位平衡条件。一一节节 RC 电电路路提提供供最最大大相相移移小小于于 90(相相位位趋趋近近 90 时时，增益已趋于增益已趋于 0)，故需三节，故需三节 RC 电路才能提供电路才能提供 180 相移。相移。(a)(b)图图 3-5-2RC 相移振荡电路相移振荡电路将将其其在在处处断断开开，断断开开点点的的右右端端加加 ，左左端端接接运运放放的的输入电阻输入电阻(其值等于其值等于 R)，得图，得图 3-5-2(b)。可得出环路增益。可得出环路增益 由此可以得到由此可以得到振荡频率振荡频率和和振幅起振条件振幅起振条件分别为分别为由于由于 RC 相相移电路的选频特性不理想，因而它的输出波移电路的选频特性不理想，因而它的输出波形失真大，频稳度低，只能用在要求不高的设备中。形失真大，频稳度低，只能用在要求不高的设备中。3串、并联串、并联 RC 振荡电路振荡电路 (1)电路电路 图图 3-5-3(a)集成运放构成的电路集成运放构成的电路运放为同相输入，相移运放为同相输入，相移 A=0。(2)原理原理 相位条件相位条件：当当 osc=0 时，时，RC F=0，环路满足相位平衡条件。，环路满足相位平衡条件。起振条件：起振条件：谐振时，谐振时，环路增益为环路增益为 取取 值使值使 Rt 2R1，即，即 T(0)1，就可满足起振条件。，就可满足起振条件。图图 3-5-3(b)改画成电桥形式的电路改画成电桥形式的电路平平衡衡条条件件：Rt 为为具具有有负负温温度度系系数数的热敏电阻。的热敏电阻。刚刚起起振振时时，Rt 的的温温度度最最低低，相相应应的的电电阻阻最最大大，因因而而运运放放增增益益最最大大，使使 T(0)1。随随着着振振幅幅过过大大，Rt 上上消消耗耗的的功功率率增增加加，致致使使温温度度上上升升，阻阻值值减减小小，直直到到 T(0)=1，进入平衡状态。，进入平衡状态。负阻振荡器是采用负阻器件与负阻振荡器是采用负阻器件与 LC 谐振回路共同构成谐振回路共同构成的一种正弦波振荡器，主要工作在的一种正弦波振荡器，主要工作在 100 MHz 以上的超高频以上的超高频段。段。一、负阻器件一、负阻器件负阻器件是指它的负阻器件是指它的增量电阻为负的器件。增量电阻为负的器件。隧道二极管的伏安隧道二极管的伏安特性如图特性如图 2-6-1 所示。所示。2.6负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器图中图中vD=VQ+v=VQ+Vmsin t忽略失真的情况下忽略失真的情况下iD=IQ+i=IQ Imsin t i是增量电流是增量电流i=(gn)v=(gn)Vmsin t =Imsin t 加到器件上的平均功率加到器件上的平均功率vD=VQ+v=VQ+Vmsin t iD=IQ+i=IQ+Imsin t i=Imsin t 器件给出交流功率器件给出交流功率因为因为Vm VQ，Im 0 器件是将一部分直流功率转换为交流功率。器件是将一部分直流功率转换为交流功率。当器件工作在大信号时，定义器件的当器件工作在大信号时，定义器件的平均负增量电导平均负增量电导为为 g gn(av)n(av)。图图 3-6-2 给出了隧道二极管工作在大信号时的特性，给出了隧道二极管工作在大信号时的特性，图中电导图中电导式中：式中：I1m 基波电流振幅。基波电流振幅。二、负阻振荡原理及其电路二、负阻振荡原理及其电路 1、并联型负阻振荡器、并联型负阻振荡器 （电压控制型）（电压控制型）器件并接在谐振回路上器件并接在谐振回路上 根据根据LC回路自由振荡的原理，当负阻器件所呈现的回路自由振荡的原理，当负阻器件所呈现的负阻与负阻与LC振荡回路的等效阻抗电阻相等时，即负阻器件向振荡回路的等效阻抗电阻相等时，即负阻器件向振荡回路所提供的能量恰好补偿回路的能量损耗时，电路振荡回路所提供的能量恰好补偿回路的能量损耗时，电路就能维持稳定的等幅振荡，所以当正电导就能维持稳定的等幅振荡，所以当正电导ge0与负电导与负电导gn相相等时，就能产生正弦波振荡，其振荡频率由等时，就能产生正弦波振荡，其振荡频率由LC谐振回路参谐振回路参数决定。数决定。起振条件：起振条件：gn ge0 谐振频率为谐振频率为平衡条件：平衡条件：ge0=gn(av)振幅稳定条件：振幅稳定条件：相位稳定条件：相位稳定条件：依靠串联谐振回路具有负斜率变化的依靠串联谐振回路具有负斜率变化的相频特性予以保证。相频特性予以保证。2、串联型负阻振荡器、串联型负阻振荡器 （电流控制型）（电流控制型）负阻器件串接在谐振回路中负阻器件串接在谐振回路中采用同样的分析方法得到。采用同样的分析方法得到。起振条件：起振条件：rn re0 平衡条件平衡条件：re0=rn(av)振幅稳定条件振幅稳定条件：相位稳定条件：相位稳定条件：谐振回路的相频特性予以保证谐振回路的相频特性予以保证。