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1、第3章 正弦波振荡器,3.1 反馈振荡器原理,3.2 LC振荡电路,3.4 振荡器的频率稳定性,3.5 晶体振荡器,振荡器分类,主要技术指标： 1.振荡频率f及频率范围: 2.频率稳定度:调频广播和电视发射机要求:10-510-7左右 标准信号源:10-610-12 要实现与火星通讯:10-11 要为金星定位:10-12 3.振荡的幅度和稳定度:,4. 频谱(残波辐射):,讨论内容:从振荡原理入手研究振荡器判据、寻求振荡条件的分析方法，讨论各种振荡电路，基本线索是振荡器的频率稳定度。,用途：,凡是从输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入信号，无需外部提供激励信号,能产生等幅正弦波输出称为正反
2、馈振荡器,电子设备,高频加热设备,医疗仪器,发射机(载波频率fC）,接收机（本地振荡频率fL）,仪器仪表振荡源,数字系统时钟信号,反馈振荡器的含义与用途,3.2 反馈振荡器原理,二 正弦波反馈振荡器的电路组成,3.3 振荡条件的分析,ui,ic1,uc1,uf,在电源接通时，电路中必然存在着各种电的扰动，如电流的变化、管子和器件的固有噪声等，而这些噪声都是广谱的，因此必有一频率分量是与LC谐振回路的谐振频率相等。这一频率分量即被放大输出，并由反馈网络反馈到放大器的输入端，此信号又被进一步地放大，反馈到输入端，如此反复，输出端不断地得到一个增大的自激振荡，且反馈信号的相位与前一输入信号的相位是同
3、相的，即形成正反馈。从而完成了起振的目的。,可见起振初期是一个增幅的振荡过程,仿真,当环路增益下降到1时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡状态，即进入等幅振荡状态。,2 振荡器平衡状态的稳定条件,|T(o)|,在平衡点Ui=UiA附近，当不稳定因素使ui的振幅Ui增大时，环路增益减小，使反馈电压振幅Uf减小，从而阻止Ui增大；反之，当不稳定因素使ui的振幅Ui减小时，环路增益增大，使反馈电压振幅Uf增大，从而阻止Ui减小。,如果环路增益特性存在着两个平衡点A和B，其中，A点是稳定的，而B是不稳定点，如右图所示。,若某种原因使Ui大于UiB，则|T(o)|随之增大，势必使Ui进一步增大，从而
4、更偏离平衡点B，最后到达平衡点A；,反之，若某种原因使Ui小于UiB，则|T(o)|随之减小，从而进一步加速Ui减小，直到停止振荡。,通过上述讨论可见，要使平衡点稳定，|T(o)|必须在UiA附近具有负斜率变化,相位稳定条件,可见，以上两种情况，不论 发生怎样的变化，都会回到原来 这一点上。因此（A）图的相位特性是稳定的。,（A）,如， 时增大, 即 会向 靠近；,如， 时减小, 即 会向 靠近；,可见，以上两种情况，不论 发生怎样的变化，都不会回到原来 这一点上。因此（B）图的相位特性是不稳定的。,如， 时增大, 即 不会向 靠近；,如， 时减小, 即 不会向 靠近；,根据上述反馈振荡电路的
5、基本原理和应当满足的起振、平衡和稳定三个条件，判断一个反 馈振荡电路能否正常工作，需考虑以下几点：,(1)振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。 (2)相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。 (3)振荡幅度的稳定是由器件非线性保证的，所以振荡器是非线性电路。 (4)振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。 (5)振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网络，它们必须能够完成选频、稳频、稳幅的功能。 (6)利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工作状态转换
6、成丙类工作状态。,4 反馈振荡电路的判断,例1 判断图示反馈振荡电路能否正常工作。,电路由两级共发射极反馈电路组成，其瞬时极性如图中所标注，所以是正反馈。LC并联回路同时担当选频和反馈作用，且在谐振频率点上反馈电压最强。在讨论选频网络的相频特性时，一定要注意应采用其阻抗特性还是导纳特性。,对于图(a)，LC并联回路输入的是VT2的集电极电流ic2，输出的是反馈到VT1发射结的电压ube1，所以应采用其阻抗特性。根据图可知, 并联回路的阻抗相频特性在谐振频率点上具有负斜率。综上所述，图(a)所示电路满足相位条件及其相位稳定条件，因此能够正常工作。,3.2 LC振荡电路(LC Oscillator
7、 CirCuits),一 互感耦合振荡器,二 构成LC振荡器的基本原则,三 电容反馈三点式振荡器,四 电感三点式振荡器,五 两种改进型的电容反馈振荡器,正弦波振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。,一、互感耦合振荡器,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，选择合适的耦合量M，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：调基电路、调集电路和调发电路，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。,由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q值，故在调
8、基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。,调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较平衡。,(a) 调基电路,调基电路,Re,L,调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成分较小。,（b）调集电路,由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q值，故在调基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。,（c）调发电路,例1 判断图示各反馈振荡电路能否正常工作。,由于并联回路导纳的相频特性在谐振频率点上是正斜率，所以不满足相位稳定条件。,根据瞬时极性判断法，如把LC并联回路作为一个电阻看待，则为正反馈。,但LC并联回路在谐振频率点的阻抗趋于无穷
9、大，正反馈最弱。,同时对于此LC并联回路来说，其输入是电阻Re2上的电压，输出是电流，所以应采用其导纳特性。,综上所述，图(b)电路不能正常工作。,图(b)不同之处在于用串联回路置换了并联回路。由于LC串联回路在谐振频率点的阻抗趋于零，则VT1输入端的正反馈最强，且其导纳的相频特性在谐振频率点上是负斜率，满足相位稳定条件，所以图(c)所示电路能正常工作。另外，图(c)中在VT2的发射极与VT1的基极之间增加了一条负反馈支路，用以稳定电路的输出波形。,例2 下图所示为互感耦合反馈振荡器，画出其高频等效电路，并注明电感线圈的同名端。,+,+,+,习题3-1：下图所示为互感耦合反馈振荡器，画出其电感
10、线圈的同名端。,即：射同余异,多回路三点式振荡器组成，注意谐振回路的应用,例3 试将下图所示的几种振荡器交流等效电路改画成实际电路，对双回路振荡器须注明回路固有谐振频率的范围。,例4：下图是三个谐振回路振荡器的交流等效电路。如果电路参数之间的关系式为： （1）L1C1L2C2L3C3；（2）L1C1=L2C2L3C3. 试问电路能否起振？若能起振，则属于哪种类型的振荡电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率之间有什么关系？,解：该电路作为三点式振荡电路，它可能振荡的相位平衡条件是b-e，c-e间的电抗性质相同，b-c间为另一种性质的电抗, 即“射同余异”,（1） L1C1L2C2L3C3时，f0
11、1f02f03,三个回路的电抗曲线和合成曲线如右图所示。,可以满足x=x1+x2+x3=0, 且满足相位平衡条件的频率唯有f0， f02 f0 f03 ，此时c-e和b-e间呈容抗，b-c间呈感抗，电路属于电容三点式振荡器。,（2） L1C1=L2C2f03,三个回路的电抗曲线和合成曲线如右图所示。可以看到，满足x=x1+x2+x3=0的角频率为f0, 且在角频率上满足相位平衡条件，因而电路可能振荡在f0上。 此时： f03 f0 f02 ，c-e，b-e间呈现感抗，b-e间呈现容抗，是电感三点式振荡电路。,习题3-4：在振幅条件已满足的前提下,用相位条件去判断如图所示各振荡器哪些必能振荡?哪
12、些必不能振荡?哪去仅当电路元件参数之间满足一定的条件时方能振荡?并相应说明其振荡频率所处的范围以及电路元件参数之间应满足的条件。,习题3-4：在振幅条件已满足的前提下,用相位条件去判断如图所示各振荡器哪些必能振荡?哪些必不能振荡?哪去仅当电路元件参数之间满足一定的条件时方能振荡?并相应说明其振荡频率所处的范围以及电路元件参数之间应满足的条件。,习题3-4：在振幅条件已满足的前提下,用相位条件去判断如图所示各振荡器哪些必能振荡?哪些必不能振荡?哪去仅当电路元件参数之间满足一定的条件时方能振荡?并相应说明其振荡频率所处的范围以及电路元件参数之间应满足的条件。,三 电容反馈三点式振荡器(Colpit
13、ts Oscillators),+ uce -,+ ube -,仿真,CC,在工程设计的近似条件下，可认为振荡器的工作频率g等于由L、C1、C2组成的回路的谐振频率0。所以该振荡器的工作频率,Cbe,在负载和反馈系数已知的条件下，可以导出满足起振条件要求的晶体管跨导gm的范围：,在晶体管跨导和负载已知的条件下，同样可以导出满足起振条件的反馈系数范围：,在晶体管跨导和反馈系数已知的条件下，同样可导出满足起振条件的负载电阻RL的范围。,电容反馈（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。,2）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。,
14、3）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 频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。,电路的缺点：,调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。,三 电感三点式振荡器 (Hartly Oscillators),仿真,+ uce -,+ ube -,电感反馈（哈特莱）电路的优点：,1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；,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， 而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次
15、谐波的 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 是因为频率太高，L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C的大小即可。,3、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。,前面研究的LC振荡器，其振荡频率不仅取决于LC回路参数，还与晶体管的内部参数(goe、gie、Coe、Cie)有关，而晶体管的参数又随环境温度、电源电压的变化而变化，因此其频率稳定度不高。以电容三点式为例，如图所示,Cie和Coe分别与回路电容并联，其振荡频率可近似写成：,1.加大回路电容C1和C2的值，但它限制了振荡频率的提高，同时为确保的不变，减小了L的值，随之带来Q值下降，使振荡幅度下降甚至停振。这种方法只适用于频率不高的场合。,四、改进型电容三点式振荡器,如何减小晶体管电容Coe、Cie、Cbc对频率的影响呢？,2.同时减小接入系数p，而又不改变反馈系数。,晶体管电容Coe、Cie 等对振荡频率的影响,仿真,c、e两个电极间的接入系数,b、e两个电极间的接入系数,c、b两电极间的接入系数,RL,(1)由于Cce、Cbe的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。,(2)调整C1 C2的值可以改变反馈系数,但对谐振频率的影响很小。,由于放大倍数与频率的立方成反比，故随着放
