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1、第5章 高频振荡器,5.1 概述 5.2 反馈振荡器 5.3 三点式振荡器 5.4 振荡器频率稳定度 5.5 石英晶体振荡器 5.6 振荡器中的几种现象 5.7 RC振荡器 5.8 负阻振荡器,振荡器就是自动地将直流能量转换为具有一定波形 参数的交流振荡信号的装置。和放大器一样也是能量转换 器。它与放大器的区别在于，不需要外加信号的激励，其输 出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。,振荡器 分类,正弦振荡,低频正弦振荡器 高频正弦振荡器 微波振荡器,非正弦波振荡器,矩形波振荡器 三角波振荡器 锯齿波振荡器,5.1 概 述,应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生 器）、计算机
2、、医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器 都有着广泛的应用。 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:,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。,5.2 反馈振荡器,正反馈是产生自激振荡的必要条件。 而正反馈只是反馈放大器的特殊形式，我们试图将振荡器与反馈放大器联系起来，如图所示。,根据反馈理论，整个反馈放大器的“闭环增益”Af(
3、s)为,（5.2.1）,其中,为放大器的电压增益 为反馈网络的反馈系数,为环路电压增益 为反馈放大器的特征多项式,由(5.3.1)式可知，若令Vs(s)=0，则Af(s)趋于无穷， 就是说在 没有输入信号激励的情况下，就能自动地将直流能量转换为交 流能量。因此，我们说振荡器是反馈放大器的特殊形式。,(5.2.2),这就是反馈放大器的特征方程。解此方程就可得振荡频 率、振幅平衡条件和起振条件。,欲满足振荡条件就必须,(5.2.3),当其,时，就会产生自激振荡。其,振幅条件为： 相位条件为：,要使振荡器能够起振，在刚接通电源后，,，当达,到平衡时，,。这就是振荡器振幅平衡条件。,即,例： 单管互感
4、耦合振荡器 互感耦合振荡器(或变压器反馈振荡器)又称为调谐型振 荡器，根据回路(选频网络)的三极管不同电极的连接点又可 分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。 这里我们只讨论集电极调谐型，而集电极调谐型又可 分为共射和共基两种类型，均得到广泛应用。两者相比，共 基电路的功率增益较小，输入阻抗较低，所以难于起振，但 截止频率较高。此外，共基电路内部反馈比较小，工作比较 稳定。,三种互感耦合振荡器,以上三种电路，变压器的同名端如图所示。它必须满足 振荡的相位条件，在此基础上适当调节反馈量M以满足振荡 的振幅条件。下面利用“切环注入法”判断电路是否满足相 位条件。 (1)在电路中某一个合适的位
5、置(往往是放大器的输入端)把电路断开，(用X号表示)； (2)在断开出的一侧(往往是放大器的输入端)对地引入 一个外加电压源 ,该电压源的频率从低到高覆盖回路的谐 振频率； (3)看经过放大器反馈网络之后转回到断开处另一侧对,地的电压 是否与 同相，为同相则其中必有某一个频率满 足自激振荡的相位条件(注意这里是实际方向)，电路有振荡 的可能。 如果电路又同时满足振幅条件就可以产生正弦振荡了。,5.3 三点式振荡器,什么叫三点式振荡器? 所谓三点式振荡器就是对于交流 等效电路而言，由LC回路引出三个端点分别与晶体管三个电 极相连的振荡器。 依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式 振荡器
6、，又称考毕兹振荡器。 依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式 振荡器，又称哈特莱振荡器。 构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电 压。,5.3.1 构成三点式振荡器的原则(相位判据) 假设: (1)不计晶体管的电抗效应； (2)LC回路由纯电抗元件组成，即 为了满足相位条件，回路引出的三个端点应如何与晶体管的三个电极相连接？ 如图所示，振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振频率，（谐振回路谐振时呈现纯电阻性），于是有,即,（5.3.2）,（5.3.3）,（5.3.1）,三点式振荡器的相位判据,放大器已经倒相,即 与 差180，所以要求反馈电 压 必须与 反相才能满足相位条件。,
7、5.3.4,因此，Xbe必须与Xce同性质，才能保证 与 反相。 由5.3.3和5.3.4式，归结起来，Xbe和Xce性质相同；Xcb 和Xce、Xbe性质相反。这就是三点式振荡器的相位判据。也 可以这样来记忆，与发射极相连接的两个电抗性质相同，另 一个电抗则性质相反。,5.3.2 电容三点式振荡器考毕兹振荡器 图所示电路是电容三点式的典型电路。LC回路的三个端点分别与三个电极相连，且Xce和Xbe为容抗，Xcb为感抗。故属电容反馈三点式振荡器，又称考毕兹振荡器。,电容三点式振荡器,其中ZL为高频扼流圈，防止高频交流接地。Rb1、Rb2、Re为偏置电阻。下面分析该电路的振荡条件，图 (a)画了
8、交流等效电路。(b)为Y参数等效电路。,电容三点式振荡器的等效电路,容易判断振荡器属并-并联接，电压取样电流求和的反 馈放大器。设其信号源电流为 ，负载电流为 ，显然,5.3.5,式中，yi网络aa-bb的大信号输入导纳； yr网络aa-bb的大信号反向传输导纳； yf网络aa-bb的大信号正向传输导纳； yo网络aa-bb的大信号输出导纳。,实际上， 只不过是虚构的。因为振荡器工作时无须外加信号激励电流，即 由于未接负载，故 ， 而 。意味着式5.3.5是线性齐次方程。即,其系数行列式为0，即,5.3.6,5.3.7,因网络aa-bb是两个网络(有源和无源)并-并联接，所 以,式中，e表示晶
9、体管，n表示无源网络。即,5.3.8,这就是反映振荡器满足平衡条件。使用上述方法时，应 使两个网络的电压、电流方向符合电压取样、电流求和的条 件。 5.3.9式中ye是晶体管参数，可以测得和计算出；yn则 可以由具体网络根据y参数的定义求得。 假设，振荡器的工作频率远低于fT，且忽略内部反馈的 影响和不计晶体管的电抗效应，有,（5.3.9）,（5.3.10）,由下图，根据y参数的定义，可求得无源网络|yn|为,（5.3.11）,将式 5.3.10和5.3.11代入式5.3.9得,整理得,无源网络,5.3.12,令其虚部等于0,可求得振荡频率为,5.3.13,式中,可见，电容三点式振荡器的振荡频
10、率略高于回路的谐振 频率，且与晶体管的参数有关。,令其实部等于0，并近似认为 ，可求得其振幅平 衡条件为,（5.3.14）,用微变参数代替平均参数，可求得起振时所要求的最小 跨导(gm)min，其起振条件为,（5.3.15）,因,（5.3.16）,代入上式得,从图（a）可以看出，反馈电压 不仅取决于电容C2 ， 还与晶体管的输入导纳gie有关。,（5.3.17）,不能简单地认为反馈系数越大，就越易起振，而应该有一定范围。另外反馈系数的大小还会影响振荡波形的好 坏，反馈系数过大会产生较大的波形失真。通常F0.011 且一般取得较小。,5.3.3 电感三点式振荡器哈特莱振荡器 电感三点式振荡器电路
11、如图所示。通常L1、L2同绕在一个骨架上，它们之间存在着互感，且耦合系数M1。,电感三点式等效电路,电感三点式振荡器的等效电路如下， 是从L2取得的, 故称为电感反馈三点式振荡器。,电感三点式等效电路,下面利用基尔霍夫定律列出网孔方程来分析其振荡条件. 由图 (c)列出回路方程：,5.3.19,令上面方程组系数行列式D的虚部等于零，得,得,5.3.20,可见，g略低于回路谐振角频率0，且振荡频率与晶 体管参数有关。通常,故,5.3.21,式中L=L1+L2+2M,为求起振条件，令5.3.19式的系数行列式的实部等于0，即,可得振荡平衡条件,5.3.22,因此振荡条件是,5.3.23,故起振条件
12、可写成：,5.3.24,5.3.25,至于反馈系数的选取，为兼顾振荡的振荡波形，通常取 F=0.10.5。,5.3.4 电容三点式与电感三点式振荡器比较 1。电路结构与调试。 两者电路都简单。起振调试时，电感反馈振荡器只要改变线圈抽头的位置就可以改变反馈系数F，电容反馈振荡器需要改变C1、C2的比值。,5.3.4 电容三点式与电感三点式振荡器比较 2。输出波形质量。 振荡器在稳定振荡时，晶体管工作在非线性状态，在回路上会有高次谐波存在。对于电容三点式振荡器，由于反馈是由电容产生的，高次谐波在电容上产生的反馈压降较小；而对于电感三点式振荡器，反馈是由电感产生的，所以，高次谐波在电感上产生的反馈压
13、降较大。即电感三点式振荡器输出的谐波较电容三点式振荡器的大，因而电容三点式振荡器的输出波形比电感三点式振荡器的输出波形要好。,5.3.4 电容三点式与电感三点式振荡器比较 3。频率调整。 通过改变电容能够调整振荡频率。电容三点式振荡器在改变频率时，反馈系数也将改变，影响了振荡器的振幅起振条件，故一般工作在固定频率；电感三点式振荡器改变频率时，不影响反馈系数，因而工作频带较电容三点式振荡器要宽。但工作频带不会很宽，因为改变频率，将改变回路的谐振阻抗，可能是振荡器停振。,5.3.4 电容三点式与电感三点式振荡器比较 4。振荡频率。 由于晶体管存在极间电容，对于电感三点式振荡器，极间电容与回路电感并
14、联，在频率高时极间电容影响大，有可能使电抗的性质改变，故电感反馈振荡器的振荡频率不能过高；对于电容三点式振荡器，极间电容与回路电容并联，不存在电抗性质改变的问题，故振荡频率可以较高。 不管是电感三点式还是电容三点式振荡器，晶体管的输入输出电容（极间电容）分别与回路的两个电抗元件并联，影响回路的等效电抗元件参数，从而影响振荡频率。而极间电容随环境温度、电源电压等因素而变化，因而两种振荡器的频率稳定度都不高，约在10-3量级。那么如何提高频率稳定度呢?,5.3.5 改进型电容三点式振荡器 事实上，前面研究的两种振荡器，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
15、、 Cie)有关，而晶体管的参数又随环流温度、电源电压的变化 而变化，因此其频率稳定度不高。 以电容三点式振荡器为例，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,5.3.26,晶体管电容Coe、Cie 对振荡频率的影响,5.3.5 改进型电容三点式振荡器,如何减小晶体管电容Coe、Cie对频率的影响呢？ 加大回路电容C1和C2的值，但它限制了振荡频率的提高。 这种方法只适用于频率不高的场合。,同时减小接入系数pce和pbe，减小晶体管与回路之间的耦合， 而又不改变反馈系数，这就是下图所示的克拉泼(Clapp)振 荡器。这种电路就是在电容三点式的基础上进行了改进， 在L支
16、路中串接一个可变的小电容器C3，所以又叫做串联型 电容三点式反馈振荡器。,克拉泼振荡器,分析：,振荡频率为,则有,5.3.29,可见，g只取决于L、C3，而与C1、C2基本无关。于是可以通过增加C1、C2来减小晶体管极间电容对频率的影响，提高了频率稳定度，改变C3即可改变振荡频率而不影响反馈系数，改变C1、C2可调节反馈系数而不会影响振荡频率；同时， C1、C2只是回路的一部分，晶体管以部分接入的形式与回路连接，介入系数小，减弱了晶体管与回路之间的耦合。,但是， C1、C2不能过大。为什么？,回路的谐振电阻 等效到晶体管ce两端的负载电阻 为：,C1过大， 很小，放大器增益就较低，环路增益也就较低，可能使振荡器停振或输出信号幅度变化。 C2过大，反馈系数减小，也可能使振荡器停振。,克拉泼振荡器的回路总电容主要有C3 决定。改变C3 就可调整频率。但克拉泼振荡器存在的问题是：当增大C1和减小C
