高频电子线路第章培训资料

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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 振荡器的分析方法 5.4 互感耦合振荡器 5.5 三点式振荡器 5.6 振荡器频率稳定度 5.7 石英晶体振荡器 5.8 振荡器中的几种现象 5.9 RC振荡器 5.10 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

2、：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生 器）、计算机、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(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。,相位条件为,而振荡器往往直接引入的正反馈，如 上图 (+)号所示。 此时式5.2.1式变为,5.2.2,当其,时，就会产生

3、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。,5.3 振荡器的分析方法,分析振荡器有两种方法：即瞬态分析法和稳态分析法。 这里只介绍稳态分析法。 稳态分析方法考虑问题的基础是：振荡器在起振时是小 信号，属于线性电路。因此，可按线性电路的分析方法来初 理。而振荡器在平衡时虽属大信号非线性电路，但是对基波 而言则属准线性电路，当引入平均参数后，即可按线性电路 来近似处理，使问题的分析得到简化。所以稳态分析法是适 应在线性理论基础之上的。由前面分析可知，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

4、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(s)为,5.3.1,其中,为放大器的电压增益 为反馈网络的反馈系数,反馈放大器,为开环电压增益（环路增益） 为反馈放大器的特征多项式,由(5.3.1)式可知，若令Us(s)=0，则Af(s)趋于无穷, 就是说 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。这 是稳态分析方法的基本依据。,5.3.2,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,5.4 互感耦合振荡器,振荡器分

5、类,互感耦合振荡器 石英晶体振荡器 三 点 式 振 荡 器,电感反馈振荡器 电容反馈振荡器,基本型 克拉泼振荡器 西勒振荡器,5.4.1 单管互感耦合振荡器 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。如图5.4-1 所示。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

6、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。 下面分析集电极调谐型反馈振荡器的振荡条

7、件。 设工作频率远小于振荡器的特征频率，忽略其内部反馈 的影响，用平均参数画出了图(a)的大信号等效电路，如图 所示。它与变压器耦合放大器区别在于次级负载就是放大器 输入端的Gie。其 为,故,5.4.1,式中,其中,互感耦合振荡器大信号等效电路,而,5.4.2,根据起振条件,，即,5.4.3,可得,5.4.4,即,5.4.5,（实部为零）,（虚部为零）,解上述方程组得,5.4.6,起振时，应用微变参数代替平均参数，因此互感耦合振 荡器的起振条件是：,5.4.7,上式说明，回路的损耗越大（r大），耦合越弱（M越小），电路起振所需要的跨导gm就越大。当M=0时，起振需要的跨导gm为无穷大。这表明

8、电路已不再是振荡器了。,（振荡频率）,（起振条件）,由式5.4.6还可以看出，振荡器的频率和晶体管的参数有 关。（G=Goe+2Gie）实际上，管子的极间电容对高频振荡 频率影响较大，这一点是不希望的。因为这些参数与温度有 关。,5.4.2 差分对管互感耦合振荡器 如图所示。两差分对管的集电极分别接有由L1、C1、R1和L2、C2、R2组成并联谐振回路。反馈电压 和输出电压 分别由两管的集电极取出。振荡器的闭环回路由BG1,差分振荡器,的集电极经互感线圈耦合到BG2的基极，然后通过共发耦合 电路回到BG1的集电极。图中A与D同相，环路满足正反馈特性。 再调节互感M使之满足振幅平衡条件，电路便可

9、进入振荡状 态。 与单管振荡器比较，差分对管振荡器更为优越： 1.输出回路不在反馈环路内，只要BG2不工作在饱和区内，负 载与环路就处于隔离状态，振荡器的频率稳定度和幅度稳定 度都会有所提高； 2.输出不含有偶次谐波，且奇次谐波成分比较小，故失真大 为减小。,5.5 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，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

10、件的正反馈电 压。,5.5.1 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回路由纯电元件组成，即 为满足相位条件，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,5.5.2,5.5.3,5.5.1,三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。,5.5.4,因此，Xbe必须与Xce同性质，才能保证 与 反相。 由5.5.3和5.5.4式，归结起来，Xbe和Xce性质相同；Xcb 和Xce、X

11、be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。,5.5.2 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

12、 ，负载电流为 ，显然,5.5.5,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5.5.5是线性齐次方程。即,其系数行列式为0，即,5.5.6,5.5.7,因网络aa-bb是两个网络(有源和无源)并-并联接，所 以,式中，e表示晶体管，n表示无源网络。即,5.5.8,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

13、。 5.5.9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,5.5.9,5.5.10,由下图，根据y参数的定义，可求得无源网络|yn|为,将式 5.5.10和5.5.11代入式5.5.9得,整理得,无源网络,5.5.12,令其虚部等于0,可求得振荡频率为,5.5.13,式中,可见，电容三点式振荡器的振荡频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 ，可求得其振荡平 衡条件为,5.5.14,用微变参数代替平均参数，可求得起振时所要求的最小

14、跨导(gm)min，其起振条件为,5.5.15,因,5.5.16,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。当gie较小时，gie的分路作 用可以忽略，此时第一项起主要作用,5.5.17,当,，利于起振。,当gie较大时，gie的分流作用不能忽略，此时第二项起主,要作用，,则,，难于起振。,所以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。 以上的讨论，没有考虑线圈的损耗，如考虑到r的影响, 则起振条件应该修正，如

15、图（b）所示。 将r经过两次折算，折算到ce两端和goe并联，所以起振 条件应修正为,5.5.18,图（a）影响起振因素,图（b）起振条件修正,5.5.3 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：,5.5.19,令上面方程组系数行列式D的虚部等于零，得,得,5.5.20,可见，g略低于回路谐振角频率0，且振荡

16、频率与晶 体管参数有关。通常,故,5.5.21,式中L=L1+L2+2M 为求起振条件，设式5.5.20第三个方程中 的系数为0, 此时令5.5.19式的系数行列式的实部等于0，即,可得振荡平衡条件,5.5.22,因此振荡条件是,5.5.23,故起振条件可写成：,5.5.24,5.5.25,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。,5.5.4 电容三点式与电感三点式振荡器比较 电容三点式: 优点：1.输出波形好，接近于正弦波； 2.因晶体管的输入输出电容与回路电容并联，可 适当增加回路电容提高稳定性； 3.工作频率可以做得较高（利用极间电容） 缺点：调整频率困难，起振困难。 电感三点式： 优点：起振容易，调整方便； 缺点：输出波形不好，在频率较高时，不易起振。,5.5.5 改进型电容三点式振荡器