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1、通信电子电路,文凤,书山有路勤为径 学海无崖苦作舟,第四章 正弦波振荡器,第四章 正弦振荡器的结构与实现,4.1 概述 4.2 反馈型正弦振荡器的原理 4.3 反馈型LC振荡电路分析 4.4 振荡器的频率稳定性分析 4.5 石英晶体振荡电路分析 4.6 RC电路的分析 4.7 振荡频率可调的压控振荡器,4.1 概述,第四章 正弦波振荡器,一、振荡器的概念,振荡器是一种将直流电能转换为所需的交流电能的能量转换器。放大器也是能量转换器，振荡器与放大器的区别在于：,放大器：它激，必须在输入信号控制下，才能把直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量。（应防止自激现象产生）,振荡器：自激，不
2、需要输入信号控制，自动地将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。 其输出信号的频率、波形和幅度仅由电路本身的参数决定。,二、正弦波振荡器的应用,1作信号源(本章将讨论),正弦波信号源：电子测量仪器；,载波信号：无线发射机；,本振信号：超外差接收机；,时钟信号：数字系统。,要求：振荡频率和振幅尤其是振荡频率的准确性和稳定性。,2正弦交变能源(本章不讨论),用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。,要求：功率足够大，高效。,三、振荡器的分类,第四章 正弦波振荡器,1.按振荡原理分类,反馈振荡器：利用正反馈原理构成，应用广泛。,负阻振荡器：利用负电阻效应抵消回路中的 损耗，以产生等幅
3、自由振荡。 工作于微波段。,2.按输出波形分类,本章主要讨论反馈型的正弦波振荡器。,反馈型振荡器的工作原理,正弦波振荡器,非正弦波振荡器：,矩形脉冲、三角波、锯齿波。,3.按选频回路元件分类,LC振荡器,RC振荡器,晶体振荡器,4.按振荡频率分类,低频振荡器,高频振荡器,二、 振荡条件分析及平衡条件,第四章 正弦波振荡器,闭环电压放大倍数,反馈系统的环路增益,在某频率fosc处，若T=A(jfosc)F(jfosc)=1，即vf=vi，此时有Af(jfosc)，即表明没有外加信号，也可以维持振荡输出。,维持振荡的基本条件：,_振荡的平衡条件,振幅平衡条件：,相位平衡条件：,平衡条件,(n =
4、0，1，2，),该闭合环路产生等幅持续振荡的条件。,(1) 刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程；,(2) 进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持在相应的平衡值上。,(3) 当外界不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会产生突变或停止振荡。,闭合环路成为反馈振荡器(Feedback Oscillator)的三个条件：,(1) 起振条件保证接通电源后从无到有地建立起振荡。,(2) 平衡条件保证进入平衡状态后能输出等幅持续振荡。,(3) 稳定条件保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏。,4.2.1 起振条件,第四章 正弦波振荡器,返回,在刚接通电源时，电路中的各部分存在着各种电
5、的扰动ui，这些扰动(电流突变或管子、电路中的固有噪声)具有很宽的频谱。,(2) 谐振回路具有选频功能，只有角频率为 osc 的分量(osc 0) 才能在谐振回路两端产生较大的电压。,(3) 变压器绕向正确可保证反馈信号vf 和输入信号vi同相， 且vf vi ，经放大和反馈的循环振荡电压的振幅不断增长。,振荡器接通电源后，能够从小到大地建立起振荡的条件是：,振幅起振条件：,相位起振条件：,起振条件,(起振条件),振荡开始时应为增幅振荡！,稳定条件之振幅稳定条件,要维持振荡器稳定工作，只满足起振条件和平衡条件是不够的，还得保证平衡状态是稳定的。,因振荡电路中存在干扰(内部固有噪声、外部电源、温
6、度等变化）,通过放大和反馈的反复循环，振荡器离开原平衡状态，导致停振或突变到新的平衡状态。原平衡状态是不稳定的。,通过放大和反馈的反复循环，振荡器能够产生回到平衡状态的趋势。当干扰消失后，能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。,要使振幅稳定，振荡器在平衡点必须具有阻止振幅变化的能力，即在平衡点Vi=ViA附近，当不稳定因素使Vi的振幅Vi增大时，环路增益幅值|T(o)| 减小，使反馈电压振幅Vf减小，从而阻止Vi增大；反之，当不稳定因素使Vi的振幅Vi减小时，环路增益幅值|T(o)| 增大，使反馈电压振幅Vf增大，从而阻止Vi减小。,即要平衡点稳定，|T(o)| 须在ViA附近具有负斜率变化，即
7、随Vi增大而下降的特性，,即振幅稳定条件为：,当Vi增加到一定数值后，放大器进入大信号工作，由于放大特性非线性，放大器的增益将随Vi的增大而减小，从而T或A随Vi的增大而减小。自然具有稳定幅度的功能。,斜率越陡，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。,环路增益存在两个平衡点的情况,第四章 正弦波振荡器,环路增益存在两个平衡点的情况,如图所示，振荡器存在着两个平衡点 A 和 B，其中 A 是稳定的，B 点是否稳定？,分析：若使Vi ViB ，则T(osc) 随之增大，导致Vi 进 一步增大，从而更远离平衡点B。最后到达平衡点A。,可见，这种振荡器不满足振幅起振条件，必须加大的电冲击，产生大于Vi
8、B 的起始扰动电压，才能进入平衡点A，产生持续等幅振荡。,硬激励：靠外加冲击而产生振荡。,软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。,返回,第四章 正弦波振荡器,稳定条件之相位（频率）稳定条件,即相位稳定条件为：,返回,若某原因使 T(osc) 0，则通过每次放大和反馈后的电压相位都将超前于原输入电压相位。这种相位的不断超前表明振荡器的角频率osc。,即要保证相位平衡点稳定, 振荡电路内部产生一个的相位变化, 与外因引起的相位变化 的符号应相反,以消弱或抵消由外因引起的变化。,若某原因使 T(osc) 0，则通过每次放大和反馈后的电压相位都将滞后于原输入电压相位。这种相位的不断滞后表明振荡器的角
9、频率 osc。,若此时振荡器本身的T() 0， Vi 的超前势必受到阻止。,若此时振荡器本身的T() 0， Vi 的滞后势必受到阻止。,由于 即相位变化时,频率也变化,故相位稳定条件也就是频率稳定的条件。,相位平衡的稳定条件要求选频网络的相频特性曲线在osc附近应具有负斜率, 斜率越陡，干扰引起的频率波动越小。,实际中的并联LC谐振回路正好具有这种相频特性,故可自然满足.,第四章 正弦波振荡器,3. 1.2 反馈振荡器的基本组成及其分析方法,总之，要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足: 起振条件、平衡条件和稳定条件，缺一不可。,1. 闭合环路组成,A.可变增益放大器:提供足够的增益，且其增益随
10、输入电压增大而减小。,B. 相移网络:具有负斜率变化的相频特性，为环路提供合适的相移，保证 在谐振频率上的相移为:2n,2. 分析方法,或四个环节：放大环节、选频环节、正反馈环节、稳定环节。,(1) 首先检查环路是否包含可变增益放大器和相频特性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。,(2) 其次，分析起振条件。起振时，放大器小信号工作，可用小信号等效电路分析方法导出T(j)，并由此求出起振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。,若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。,(3) 最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。,第四章
11、 正弦波振荡器,第四章 正弦波振荡器,4.3 LC 正弦波振荡器,LC 正弦波振荡器：采用 LC 谐振回路作为相移网络的振荡器,种类：两点式振荡电路：直接反馈和变压器耦合振荡电路 三点式振荡电路（电感三点式和电容三点式振荡电路）,4.3.1 变压器耦合振荡电路（举例）,互感耦合振荡器的LC回路作为整体运用于振荡环路，回路有两个引出端，因而也称为两点式振荡电路。,变压器振荡电路,根据相移网络的不同，将振荡器分为： LC 振荡器、RC振荡器、石英晶体振荡器等。,振荡环路内流动的信号是带方向性的，并且是无头无尾的环流信号，对这种信号的判断可以从环路中的任意信号位置开始，即并不一定非从放大器部分的vi
12、位置开始。,结合习题,第四章 正弦波振荡器,变压器耦合振荡电路,变压器振荡电路续,第四章 正弦波振荡器,振荡环路内流动的信号是带方向性的，并且是无头无尾的环流信号，对这种信号的判断可以从环路中的任意信号位置开始，即并不一定非从放大器部分的vi位置开始。,直接反馈型振荡电路,集成放大器组成的振荡器,4.3.2 直接反馈振荡器,第四章 正弦波振荡器,（属LC两点式振荡电路）,三点式振荡电路,第四章 正弦波振荡器,4.3.3 三点式振荡电路,变压器耦合振荡器的频率稳定度不高且由于互感耦合元件分布电容的存在，限制了振荡频率的提高，只适用于较低频段（中、短波波段），为了提高振荡频率，可采用无变压器的三点
13、式振荡器（几MHz和几百MHz之间）。,三点式电路：是指谐振回路引出的三个端点与非线性增益 元器件的三个信号端相连接而成的电路。,三点式振荡电路：只有满足相位平衡条件的三点式电路才可 能构成三点式振荡电路。,三点式判别原则,组成:,并联谐振回路：决定振荡频率。 反馈网络：构成正反馈。,三个电抗元件X1、X2、X3：,可以是三极管的基极B，或场效应管的栅极G,可以是三极管的发射极E，或场效应管的源极S,4.3.3 三点式振荡电路,变压器耦合振荡器的频率稳定度不高且由于互感耦合元件分布电容的存在，限制了振荡频率的提高，只适用于较低频段（中、短波波段），为了提高振荡频率，可采用无变压器的三点式振荡器
14、（几MHz和几百MHz之间）。,三点式电路：是指谐振回路引出的三个端点与非线性增益 元器件的三个信号端相连接而成的电路。,三点式振荡电路：只有满足相位平衡条件的三点式电路才可 能构成三点式振荡电路。,三点式判别原则,并联谐振回路：决定振荡频率。 反馈网络：构成正反馈。,三个电抗元件X1、X2、X3组成谐振回路,可以是三极管、场效应管、集成运放等 BG(或运放的反相输入端） ES(或运放的同相输入端） CD(或运放的输出端）,第四章 正弦波振荡器,（Vce与Vbe 反相）,第四章 正弦波振荡器,一、电路相位组成法则 （相位判别依据）,X1、X2 、X3为纯电抗元件，构成振荡回路。,X1 + X2
15、 + X3 = 0,谐振条件：,电路中三个电抗元件必须由两种不同性质的电抗元件组成。,相位平衡条件，即正反馈条件,X1、X2为同性质电抗元件,因为X1X2 X3，,即同为电容或同为电感,即若X1 、X2为电容元件，则X3应为电感元件，对应的振荡电路为电容三点式振荡电路；若X1 、X2为电感元件，则X3为电容元件，对应的振荡电路为电感三点式振荡电路。,与发射极（或源极，或集成运放的同相输入端）相连的为两同性质的电抗元件，集-基（或漏栅，或集成运放的反相输入端输出端）间接反性质的电抗元件。 三点式振荡电路相位组成法则（射同余反）。,可根据该组成法则，判断三点式振荡电路的连接是否正确。,电容三点式,
16、X3的电抗性质与X1 、X2的电抗性质相反。,例子,例子：图为三回路振荡器交流通路，,分别为三个回路的固有谐振频率，写出它们之间能满足相位平衡条件的两种关系式，并指出两种情况下振荡频率处在什么范围内。,解：已知串、并联谐振回路在忽略回路损耗时电抗特性曲线如图,并联中， 0，X 0，呈感性,1若构成电容三点式电路,L1C1、L2C2 回路呈容性失谐，L3C3 回路呈感性失谐。,容性失谐：fosc f02 ；感性失谐：fosc f03 。,2若构成电感三点式电路,L1C1、L2C2 回路呈感性失谐，L3C3 回路呈容性失谐。,感性失谐：fosc f01，fosc f03 。,第四章 正弦波振荡器,返回,二、三点式振荡器电路,1. 电容三点式,RB1、RB2、 RE 分压式偏置电阻，,第四章 正弦波振荡器,（发射极：为两同性质的容性电抗，集-基：
