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1、第四章 正弦波振荡器 1 第四章 正弦波振荡器 4.1 概述 4.2 反馈振荡原理 4.3 LC振荡器 4.4 晶体振荡器 4.5 压控振荡器 4.6 集成电路振荡器 4.7 实例介绍 第四章 正弦波振荡器 2 4.1 概述 振荡器是一中能自动地将直流能源转换为一定波形的交 变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于，无需 外加激励信号，就能产生具有一定频率、一定波形和一定振 幅的交流信号。 根据所产生的波形不同，可将振荡器分成正弦波振荡器和 非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波，后者能产生矩 形波、三角波、锯齿波等。 按照选频网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为LC 振荡器、RC振
2、荡器和晶体振荡器等类型。其中LC振荡器和晶 体振荡器用于产生高频正弦波，RC振荡器用于产生低频正 弦波。 按照产生振荡的方法，分为反馈振荡器和负阻振荡器。 各个频段的振荡器（举例） 第四章 正弦波振荡器 3 4.2 反馈振荡原理 4.2.1并联谐振回路中的自由振荡现象 图 4.2.1 RLC电路与电压源的连接 图 4.2.2 RLC欠阻尼振荡波形 第四章 正弦波振荡器 4 4.2反馈振荡原理 4.2.2 振荡过程及其中的三个振荡条件 一个反馈振荡器必须满足三个条件：起振条件（保证 接通电源后能逐步建立起振荡），平衡条件（保证进入维 持等幅持续振荡的平衡状态）和稳定条件（保证平衡状态 不因外界不
3、稳定因素影响而受到破坏）。 反馈振荡器的组成 第四章 正弦波振荡器 5 1.起振过程与起振条件 要使振幅不断增长的条件： 环路增益： 也可写成： （n=0,1,2,） 第四章 正弦波振荡器 6 2.平衡过程与平衡条件 反馈振荡器的平 衡条件为： 又可写成： （n=0,1,2,） 满足起振和平衡条件的环路增益特性 第四章 正弦波振荡器 7 3.平衡状态的稳定性和稳定条件 相位的稳定条件： 动画演示 第四章 正弦波振荡器 8 4.2.3 反馈振荡电路的判断方法 根据上述反馈振荡电路的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.可变增益放
4、大器件（晶体管，场效应管或集成电路） 应有正确的直流偏置，开始时应工作在甲类状态，便于起 振。 2.开始起振时，环路增益幅值AF(0)应大于1。由于反 馈网络通常由无源器件组成，反馈系数F小于1，故A(0)必 须大于1。共射、共基电路都可以满足这一点。为了增大 A(0) ，负载电阻不能太小。 第四章 正弦波振荡器 9 3.环路增益相位在振荡频率点应为2的整数倍，即环 路应是正反馈。 4.选频网络应具有负斜率的相频特性。因为在振荡频 率点附近，可以认为放大器件本身的相频特性为常数， 而反馈网络通常由变压器、电阻分压器或电容分压器组 成，其相频特性也可视为常数，所以相位稳定条件应该 由选频网络实现
5、。 请看例题： 第四章 正弦波振荡器 10 例4.1 判断图例4.1所示各反馈振荡电路能否正常工作 。 其中（）、（）是交流等效电路, （）是实用电 路。 图例4.1 第四章 正弦波振荡器 11 第四章 正弦波振荡器 12 1. LC并联回路阻抗的相频特性和LC串联回路 导纳的相频特性是负斜率。 2. LC并联回路导纳的相频特性和LC串联回路 阻抗的相频特性是正斜率。 注 意 第四章 正弦波振荡器 13 串联谐振曲线并联谐振曲线 第四章 正弦波振荡器 14 4.2.4 振荡器的频率稳定度 1、频率稳定度定义 反馈振荡器如满足起振、平衡、稳定三个条件 ，就能 够产生等幅持续的振荡波形。当受到外界
6、不稳定因素影响 时，振荡器的相位或振荡频率可能发生变化，虽然能自动 回到平衡状态，但振荡频率在平衡点附近随机变化这一现 象却是不可避免的。 通常所讲的频率稳定度一般指短期频稳度，定义为： 第四章 正弦波振荡器 15 2、提高LC振荡器频率稳定度的措施 （1）减少外界因素变化的影响 （2）提高电路抗外界因素变化影响的能力 其中 是第i次测试时的绝对频率偏差。 是绝对频率偏差的平均值，也就是 绝对频率准确度。 可见，频率稳定度是用均方误差值来表示的相对频率 偏差程度。 第四章 正弦波振荡器 16 4.3 LC振荡器 定义 采用LC谐振回路作为 选频网络的反馈振荡器 统称为LC振荡器 LC振荡器可以
7、用来产生几十千 赫到几百兆赫的正弦波信号 第四章 正弦波振荡器 17 本节介绍以单个晶体管作为放大器，以LC分立 元件作为选频网络的LC振荡器。其中晶体管也可以 改用场效应管，工作原理基本相同。 LC振荡器按其 反馈网络的不同 互感耦合 电容耦合 自耦变压器耦合 统称为 三端式振荡器 第四章 正弦波振荡器 18 4.3.1互感耦合振荡器 此电路采用共发射极组态，LC回路接在集电极上。 互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈 ，所以，应注意耦合线圈同名端的正确位置。同时，耦合 系数M要选择合适，使之满足振幅起振条件。 集电级调谐型互感耦合 振荡电路如图示: 请看例题： 第四章 正弦波振
8、荡器 19 【例4.2】 判断图例4.2所示两级互感耦合振荡电路能否 正常工作。 图 例4.2 第四章 正弦波振荡器 20 第四章 正弦波振荡器 21 4.3.2三端式振荡器 电路组成法则 三端式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三 个电极分别连接而组成的一种振荡器。 三端式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替 互感耦合，可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点 ，是一种广泛应用的振荡电路，其工作频率可达到几百 兆赫。 三端式振荡器的原理电路 如动画所示 第四章 正弦波振荡器 22 图4.3.2 三端式振荡器的原理电路 第四章 正弦波振荡器 23 假定LC回路由纯电抗元件组成，其电抗值分
9、别为Xce、 Xbe和Xbc，同时不考虑晶体管的电抗效应，则当回路谐振 (=0)时，回路成纯阻性，有：Xce+Xbe+Xbc=0，因此- Xce=Xbe+Xbc，由于Uf是Uc在Xbe、Xbc支路分配在Xbe上的电 压，有 因为这是一个由反相放大器组成的正反馈电路，Ui与Uf 同相，Uc与Ui反相，所以 即Xbe与Xce必须是同性质电抗，因而Xbc必须是异性质电 抗。 第四章 正弦波振荡器 24 结论： 在三端式电路中，LC回路中与发射极相连接的 两个电抗元件必须为同性质，另外一个电抗元件必须 为异性质。这就是三端式电路组成的相位判据或称为 三端式电路的组成法则。 与发射极相连接的两个电抗元件
10、同为电容时的三 端式电路，称为电容三端式电路，也称为考毕兹电 路。 与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三 端式电路，称为电感三端式电路，也称为哈特莱电 路。 第四章 正弦波振荡器 25 电容三端式（考毕兹电路） 电感三端式（哈特莱电路） 第四章 正弦波振荡器 26 2.电容三端式电路（又称为考毕兹电路，Coplitts） (a) (b) 高频等效电路 第四章 正弦波振荡器 27 (a) (b) (c) 电容三端式振荡器的交流等效电路 本电路的反馈系数： 第四章 正弦波振荡器 28 在图.（）中的双电容耦合电路里, 可把次级 电路元件re、Re、Cbe等效到初级中, 如图.（） 所示。 其
11、中接入系数n= (因为reRe) 第四章 正弦波振荡器 29 因为 图4.3.（）又可以进一步等效为图4.3.4（）。 其 中等效电导G=gL+g e。等效电纳B=C-1(L), 第四章 正弦波振荡器 30 振荡角频率 由此可求得振幅起振条件为: 所以环路增益 第四章 正弦波振荡器 31 即 其中 本电路的反馈系数 的取值一般为1/81/2。 第四章 正弦波振荡器 32 由式（4.3.1）可知, 为了使电容三端式电路易于起振, 应选择跨导gm较大、rbe较大的晶体管, 其负载RL和回路 谐振电阻Re0也要大, 而接入系数要合理选择。 实践表明, 如果选用截止频率fT大于振荡频率五倍以 上的晶体
12、管作放大器, 负载RL不要太小（k以上）, 接 入系数取值合适, 一般都能满足起振条件。 第四章 正弦波振荡器 33 3.电感三端式电路（也称为哈特莱电路，Hartley） 本电路的反馈系数： (a) (b) 第四章 正弦波振荡器 34 两种三端式振荡电路优缺点的比较： 1.电容三端式振荡器 优点是：反馈电压取自C2,而电容对晶体管非线性特 性产生的高次谐波呈现低阻抗，所以反馈电压中高次谐 波分量很小，因而输出波形好，接近于正弦波。 缺点是：反馈系数因与回路电容有关，如果用改变回 路电容的方法来调整振荡频率，必将改变反馈系数，从 而影响起振。 第四章 正弦波振荡器 35 电感三端式振荡器 优点
13、:便于改变电容的方法来调整振荡频率，而不会影响 反馈系数； 缺点：反馈电压取自L2,而电感线圈对高次谐波呈现高阻 抗，所以反馈电压中高次谐波分量很多，输出波形较差 两种振荡器共同的缺点是：晶体管输入输出电容分别 和两个回路电抗元件并联，影响回路的等效电抗元件参 数，从而影响振荡频率。 由于晶体管输入输出电容值随环境温度、电源电压等 因素而变化，所以三点式电路的频率稳定度不高，一般 在10-3量级。 第四章 正弦波振荡器 36 例. 在图例4.3所示振荡器交流等效电路中, 三个并 联回路的谐振频率分别是： , 试问1、2、3满足什么条件时该振荡器 能正常工作？且相应的振荡频率是多少？ 解: 由图
14、可知, 只要满足三端式组成法则, 该振荡器就能正常工 作。 若组成电容三端式, 则在振荡频率01处, 11回路与22 回路应呈现容性, L3C3回路应呈现感性。 所以应满足1201 3或21013。 第四章 正弦波振荡器 37 图例4.3 第四章 正弦波振荡器 38 在两种情况下, 振荡频率的表达式均为: 第四章 正弦波振荡器 39 4.克拉波(Clapp)电路 (a)克拉波电路的实用电路(b)高频等效电路 电容三端式电路比电感三端式电路性能要好些, 但如何减小 晶体管输入输出电容对频率稳定度的影响仍是一个必须解决的问 题, 于是出现了改进型的电容三端式电路克拉泼电路。 第四章 正弦波振荡器
15、40 各电容取值必须满足：31, 3 2, 这样可使电路的振荡频率近似只与3、有关。 先不考虑晶体管输入输出电容的影响。 因为3远远小于1或 2, 所以1、2 、3三个电容串联后的等效电容 结论： 克拉泼电路的振荡频率几乎与1、2无关。 振荡角频率 第四章 正弦波振荡器 41 现在分析晶体管结电容ce、be 对振荡频率的影响。 由图4.3.6（）可以看到, ce与谐振回路的接入系数 第四章 正弦波振荡器 42 与电容三点式电路中ce与谐振回路的接入系数n=C2 (C1+C2)比较, 由于31, 3 2, 所以。 由于ce的接入系数大大减小, 所以它等效到回路两端 的电容值也大大减小, 对振荡频
16、率的影响也大大减小。 同理,be对振荡频率的影响也极小。 因此, 克拉泼电路的频率稳定度比电容三点式电路要好 。 在实际电路中,根据所需的振荡频率决定、3的值, 然后取1、2远大于3即可。但是3不能取得太小,否则 将影响振荡器的起振。 第四章 正弦波振荡器 43 晶体管c 、b两端与回路A、B两端之间的接入系数 所以，A、B两端的等效电阻 RL=RL/Re0 ，折算到c、 b两端后为： 第四章 正弦波振荡器 44 5.西勒(Seiler)电路 (a)实用电路 (b)高频等效电路 第四章 正弦波振荡器 45 针对克拉泼电路的缺陷, 出现了另一种改进型电容三端 式电路西勒电路。图4.3.7（）是其实用电路, （） 是其高频等效电路。 西勒电路
