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1、第四章 正弦波振荡器,4.1 反馈振荡器的原理 4.2 LC振荡器 4.3 振荡器的频率稳定度 4.4 石英晶体振荡器,4.1 反馈振荡器的原理,4.1.1 反馈振荡器的原理分析 反馈型振荡器的原理框图如图 4-1 所示。由图可见： 反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路。 放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载, 是一调谐放大器。反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。 为了能产生自激振荡，必须保证是正反馈（反馈到输入端的信号和放大器输入端的信号相位相同,图 4-1 反馈型振荡器原理框图,图中，K（S）为放大器的电压放大倍数；F（S）为反馈网络的电压反馈系数。 在上图中，
2、放大器的电压传输系数为：,(4-1),(4-2),(4-3),(4-4),(4-5),所以,其中,反馈环的闭环增益,反馈环的开环增益,电压反馈系数,因为,称反馈系统的环路增益,以 带入上式得稳态下的传输系数和环路增益：,自激振荡的条件就是环路增益为 1, 即,(4-7),通常又称为振荡器的平衡条件， 由式(4-6)还可知,形成增幅振荡,形成减幅振荡,(4-8),即，当T(j0)为小于1的正实数时，总有 Ku(j0)K(j0),即闭环增益Ku(j0) 比开环增益 K(j0) 大的时候正反馈,(4-6),讨论： ,这种情况下，输出为等幅正弦波。,这种情况下，输出为减幅振荡，这是我们所不希望的。,这
3、种情况下，输出为增幅振荡。,结论：为了能获得稳定的正弦波输出，对给定的频率0，必须满足： 即,其中， 决定了平衡状态下振荡电压的振幅； 决定了平衡状态下振荡器准确的振荡频率。,4.1.2 振荡器的平衡条件 振荡器的平衡条件即为,也可以表示为,(4-9a),(4-9b),式(4-9a)和(4-9b)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。 现以单调谐谐振放大器为例来看K(j)与F(j)的意义。若 由式(4-2)可得,(4-10),式中, ZL 为放大器的负载阻抗,(4-11),Yf ( j) 为晶体管的正向传输导纳。,(4-12),与F( j)反号的反馈系数F ( j),(4-13),这样, 振荡条
4、件可写为,(4-14),振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为,(4-15a),(4-15b),4.1.3 振荡器的起振条件 为了使振荡过程中输出幅度不断增加, 应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大, 即振荡开始时应为增幅振荡, 因而由式(4-8)可知,称为自激振荡的起振条件, 也可写为,(4-16a),(4-16b),式(4-16a)和(4-16b)分别称为起振的振幅条件和相 位条件, 其中起振的相位条件即为正反馈条件。,振荡器的起振是幅值增长的过程，但不可能是无止境地延续。因为随着振幅的增加，放大器逐渐由线性区进入非线性区，其增益逐渐下降（限幅特性），当放大器增益下降而导致环路增益 T(
5、 j0) = 1 时，振荡器输出的幅值为等幅平衡状态。,结论： 振荡器由增幅振荡到稳幅振荡，是由于放大器的非线性来完成的。,图 4-2 振幅条件的图解表示,0,U,o,U,b,A平衡点,反馈特性,放大特性,0,U,o,U,b,F,1,A,K,UbA,1,由图 4-2 可见，当Uf 1振荡器为增幅振荡；当Uf=UbA时，T(0) = 1振荡器为等幅振荡；,4.1.4 稳定条件 振荡器在工作过程中难免地要受到各种干扰，当扰动去除后振荡器能回到原稳定状态，则原平衡点是稳定的，否则原平衡点为不稳定平衡点。 在其平衡点上必须具有阻止振幅变化的能力为振幅稳定，其条件为,(4-17),由于反馈网络为线性网络
6、, 即反馈系数大小F不随输入信号改变, 故振幅稳定条件又可写为,(4-18),对式（4-17）或（4-18）的理解是不难的，即： 当扰动使振荡器输出的幅度时，环路增益T(0)，形成减幅振荡，从而阻止幅度的平衡。 当扰动使振荡器输出的幅度时，环路增益T(0)，形成增幅振荡，从而阻止幅度的 平衡。 相位稳定条件： 欲保证相位稳定，即要求振荡器的相频特性T(0)在振荡频率上具有阻止相位变化的能力，即T(0)在0附近应为负斜率。,(4-20),解释：设振荡器在=1处是相位平衡点（A点），即有 Z +f +F = 0,回路阻抗幅角,正向传输导纳幅角,反馈系数幅角,由图（4-3）可见，在A点是相位平衡点，
7、频率为1，很接近回路谐振频率0；若某种因素使0变化时， T(0)也左右移动， 1也跟着变化；振荡频率由回路参数决定：,值越大，相位稳定性越好。,结论：回路的Q值越高、,图4-3 振荡器稳定时回路的相频特性曲线,若因外界因素使振荡器的频率1 （A点），提高到2（A点），如图4-3所示。当外界因素消失后， 2处不满足相位平衡条件。由于 f +F 不变，那么Z 要下降才能保证相位稳定。 1 随外界各种因素而变化： LC变化f1 ； f +F 变化f1 ； f1 / f1越小，稳定性越高。,相位条件又可改写为 Z = -（ f +F ）,4.1.5 振荡线路举例-互感耦合振荡器 图4-4是一 LC振荡
8、器的实际电路, 图中反馈网络由 L和 L1 间的互感 M 担任, 因而称为互感耦合式的反馈振荡器, 或称为变压器耦合振荡器。设振荡器的工作频率为回路的谐振频率，当基极加有信号b时，因集电极输出电压c与输入电压b反相 ，根据图中两线圈上所标的同名端，可以判断出反馈线圈L1两端的电压b与c反相，故b与b同相，该反馈为正反馈。只要在工作时满足b= b，在输出端就会获得正弦波输出。,图 4-4 互感耦合振荡器,4.2 LC 振 荡 器,4.2.1 振荡器的组成原则 基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器, 即 LC 回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路, 如图 4-5 所示。
9、,图 4-5 三端式振荡器的组成,根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性, 因而有,(4-21),一般情况下, 回路Q值很高, 因此回路电流İ 远大于晶体管的基极电流 İb 、集电极电流 İ c以及发射极电流 İe，由图4-5可见，b与c反相，为保证i与b同相，则必须使c与b反相，即：,(4-22a),(4-22b),因此X1、 X2应为同性质的电抗元件时，即能使c与b反相 。,组成原则-射同余异,三端式振荡器有两种基本电路, 如图4-6所示。在图 (a)中 X1和 X2为容性, X3 为感性, 满足三端式振荡器的组成原则, 反馈网络是由电容元件完成的, 称为电容反馈振荡器, 也称为考必
10、兹(Colpitts)振荡器；在图 (b)中 X1和 X2为感性, X3 为容性,称为电感反馈振荡器。,图 4-6 两种基本的三端式振荡器 (a) 电容反馈振荡器; (b) 电感反馈振荡器,图 4-7是一些常见振荡器的高频电路, 读者不妨 自行判断它们是由哪种基本线路演变而来的。,图 4-7 几种常见振荡器的高频电路,4.2.2电容反馈振荡器 图 4-8(a)是一电容反馈振荡器的实际电路, 图(b) 是其交流等效电路。,图 4-8 电容反馈振荡器电路 实际电路; (b) 交流等效电路; (c) 高频等效电路,图4-8电路的振荡频率为,(4-23),(4-24),C为回路的总电容,由图4-8(c
11、)可知, 当不考虑gie的影响时, 反馈系 数F( j)的大小为,(4-25),(4-26),将gie折算到放大器输出端, 有,(4-27),因此, 放大器总的负载电导gL为,则由振荡器的振幅起振条件 Yf RLF1, 可以得到,(4-28),(4-29),4.2.3 电感反馈振荡器 图4-9是一电感反馈振荡器的实际电路和交流等 效电路。,图 4-9电感反馈振荡器电路 (a) 实际电路; (b) 交流等效电路; (c) 高频等效电路,同电容反馈振荡器的分析一样, 振荡器的振荡频率 可以用回路的谐振频率近似表示, 即,式中的L为回路的总电感, 由图4-9有,(4-30),(4-31),由相位平衡
12、条件分析, 振荡器的振荡频率表达式为,(4-32),工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响, 反馈 系数的大小为,(4-33),由起振条件分析, 同样可得起振时的gm应满足,(4-34),4.2.4 两种改进型电容反馈振荡器 1. 克拉泼振荡器 图4-10是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路 。,图 4 - 10 克拉泼振荡器电路 (a) 实际电路; (b) 交流等效电路,由图4-10可知, 回路的总电容为,(4-35),(4-36),(4-37),(4-38),(4-39),2. 西勒振荡器 图4-11是西勒振荡器的实际电路和交流等效电 路。 它的主要特点, 就是与电感L并联一可变电容C
13、4。,图 4-11 西勒振荡器电路 (a) 实际电路; (b) 交流等效电路,由图4-11可知, 回路的总电容为,(4-40),(4-41),振荡器的振荡频率为,4.2.5 场效应管振荡器,图 4-12 由场效应管构成的振荡器电路 互感耦合场效应管振荡器; (b) 电感反馈场效应管振荡器; (c) 电容反馈场效应管振荡器,4.2.6 压控振荡器 压控振荡器的主要性能指标为压控灵敏度和线性度。 压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量, 用 S 表示, 即,(4-42),图 4-14 示出了一压控振荡器的频率-控制电压特性, 一般情况下, 这一特性是非线性的, 非线性程度与变容管变容指
14、数及电路形式有关。,图 4-13 压控振荡器线路,图 4-14 压控振荡器的 频率与控制电压关系,4.2.7 E1648单片集成振荡器,E1648单片集成振荡器的振荡频率是由10脚和12脚之间的外接振荡电路的L、C值决定, 并与两脚之间的输入电容Ci有关, 其表达式为,4.3 频率稳定度,4.3.1 频率稳定度的意义和表征 振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化, 引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度, 它是振荡器的一个很重要的指标。,(4-44),(4-43),4.3.2 振荡器的稳频原理 由式(4-9b)有,设回路Q值较高, 根据第2章的讨论可知, 振荡回路在0附近的幅角L可以近似
15、表示为,因此相位平衡条件可以表示为,(4-45),(4-46),(4-47),考虑到QL值较高,即1/01,有,(4-48),图4-16 从相位平衡条件看振荡频率的变化 (a)相位平衡条件; (b)0的变化; (c),1. 回路谐振频率0的影响 0由构成回路的电感L和电容C决定,它不但要考虑回路的线圈电感、调谐电容和反馈电路元件外,还应考虑并在回路上的其它电抗,如晶体管的极间电容,后级负载电容(或电感)等。设回路电感和电容的总变化量分别为L、C,则由 可得,(4-49),4.3.3 提高频率稳定度的措施 1. 提高振荡回路的标准性 振荡回路的标准性是指回路元件和电容的标准性。温度是影响的主要因素:温度的改变,导致电感线圈和电容器极板的几何尺寸将发生变化,而且电容器介质材料的介电系数及磁性材料的导磁率也将变化,从而使电感、电容值改变。,2. 减少晶体管的影响 在上节分析反馈型振荡器原理时已提到,极间电容将影响频率稳定度,在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另外,应选择 fT 较高的晶体管, fT 越高,高频性能越好,可以保证在工作频率范围内均有较高的跨导,电路易于起振;而且 fT 越高,晶体管内部相移越小。,3. 提高回路的品质因数 我们先回顾一下相位稳定条件,要使相位稳定,回路的相频特性应具有负
