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1、第3章 正弦波振荡器,3.1 反馈式振荡的基本原理 3.2 LC正弦波振荡器 3.3 RC正弦振荡器 3.4 振荡器的频率稳定度 3.5 石英晶体振荡器 3.6 负阻型LC正弦波振荡器 3.7 振荡器中的寄生振荡和间歇振荡,3.1 反馈式振荡的基本原理,振荡器是一种无需外部输入信号而自行产生输出信号的电路。 图3.1示出的是一个反馈式放大器的框图。它由基本放大器A和反馈网络F组成，图中， 是放大器输出电压复振幅， 是基本放大器输入电压复振幅， 是反馈网络输出的反馈电压复振幅， 是反馈放大器输入电压复振幅，其中基本放大器增益,(3.11),图3.1 反馈放大器,反馈系数,(3.1-2),A为 超
2、前 的相角, F为 超前 的相角。,并且有，,(3.13),则, 反馈放大器的增益,当,因为Uo受电源电压限制为有限值, 故Ui趋于零, 说明此时 反馈放大器无需输入信号便有输出, 成为振荡器。,3.1.1 平衡条件 根据式(3.13)可见，振荡条件是 ，这是振荡的必要条件。它是一个复数方程，因此可以写成两个方程，一个是振幅方程式，称为振幅平衡条件，可表示为,(3.14a),另一个是相位方程式，称为相位平衡条件，可表示为,(3.14b),1.振幅平衡条件 振幅平衡条件AF=1中，A=Uo/Ui，即Uo=AUi，根据第2章所学知识可知，Uo与Ui的关系由放大特性曲线决定，如图3.2所示。反馈系数
3、F=Uf/Uo，由于反馈网络常由恒参数线性网络构成，所以，Uo、Uf的关系曲线为一直线，如图3.3所示。这组曲线称为反馈特性曲线。 根据A、F表示式，振幅平衡条件又可写成,即,图3.2 放大特性曲线,图3.3 Uo与Uf的关系曲线,这就是说，振幅平衡条件是反馈电压的幅值等于放大器输入电压幅值。由此将图3.2、图3.3画在一个坐标上，凡是满足Uf=Ui的点即为满足振幅平衡条件的平衡点，对应这些点的输出电压Uo值，就是振荡器产生的电压幅值，如图3.4所示。,图3.4 振荡器产生的电压幅值,90,90,2.相位平衡条件 根据相位平衡条件A+F=2n，（n为零和整数）说明反馈电压 与输入电压 同相，即
4、正反馈。当放大器是一个非线性工作的晶体管选频放大器时，输出电压为,(3.15),是集电极电流的基波分量, ZL 是集电极负载阻抗，则,(3.16),其中A=Y+Z, Y是晶体管集电极电流基波分 量 超前输入电压 的相角，Z是负载的相角， 即 超前 的相角。因此相位平衡条件（n取零） 又可写为,(3.17),若令Y+F=E，则,(3.18),相位是频率的函数，在晶体管的特征频率fT远大于振荡器工作频率时，可近似认为Y与频率无关，且数值很小。反馈网络的相移F通常在窄带范围内也可认为与频率无关，所以E为一常数。 负载的相角Z与负载的形式有关，若采用LC并联振荡回路，它的相角与频率的关系如图3.5中曲
5、线所示。,将E和LC并联振荡回路相频特性曲线同时画在一个坐标中，两条曲线的相交点即满足相位平衡条件。如图3.5所示，A点即为相位平衡点，对应的角频率g即为振荡器的工作频率，所以，相位平衡条件决定了振荡器的工作频率。正弦波振荡器的工作频率是唯一的，所以满足相位平衡条件的平衡点只能有一个。 另外注意，振荡器的工作频率g 在考虑了E这个因素之后，不等于 LC回路的谐振频率0,图3.5 LC并联振荡回路负载相角与频率的关系,3.1.2 稳定条件 由于振荡电路中存在各种干扰，如温度变化、电压波动、噪声、外界干扰等，这些干扰会破坏振荡的平衡条件，因此，为使振荡器的平衡状态能够存在，只有使它成为稳定的平衡具
6、有返回原先平衡状态能力的平衡。鉴于此，除了平衡条件外还必须有稳定条件。稳定条件同样分成振幅稳定条件和相位稳定条件。,1. 起振过程与起振的幅度条件 从图3.6可以看出，当90时，放大特性与反馈特性有两个交点O、A。当电源接通瞬间， =0, =0，由于外界电磁感应或者在电路的瞬态电流冲击下,在放大器输入端产生一个微小的Ui1电压，此电压经放大后，输出为Uo1，经过反馈网络，反馈电压为Uf1，如果Uf1与Ui1同相并且大于Ui1，则放大器又产生幅度大于Uo1的第二 次输出Uo2,如此不断循环,振荡器就会脱离开原点而振荡起来。 可见起振的幅度条件为 UfUi 即FA1,图3.6 90时的放大特性与反
7、馈特性,起振过程,稳定过程: 在Uo到达A点后(Uo=UoA),若振荡器受到干扰后 UoUi,故Uo要增大或者说减少了Uo小于UoA的程度;反之则Uo要减小或者说减少了Uo大于UoA的程度,可见A点是一个稳定平衡点。 观察到在该点有放大特性斜率小于反馈特性斜率的特点，即,Uf=AFUi，两边对Ui求偏导得,1. 当F=常数时，振幅稳定条件为,在平衡点P上AF|P=1,则,根据此条件可知，要使振幅稳定，在稳定平衡点附近，放大器的增益应随输入电压的增大而减小。,当输出电压Uo增加时，因F=常数，故反馈电压Uf增加，由于Uf=Ui, Ui增加，A减小，使Uo的增加受到抑制，达到稳幅。要使放大器增益A
8、随Ui变化，放大器需要工作在非线性状态。 如果振幅稳定是由放大器的非线性工作实现的，称这种振幅稳定方式叫内稳幅方式。 2. 当A=常数时，振幅稳定条件为,根据这个条件可知，要使振幅稳定，在稳定平衡点上，反馈网络的反馈系数应随输入电压的增大而减小。当Ui增加时，因A=常数，故Uo增加，F减小，Uf减小，由于Uf=Ui，Ui减小，使输出的增加受到抑制，达到振幅稳定。 如果反馈网络的反馈系数F随输入电压Ui变化，则反馈网络只能是非线性网络或时变网络。称这种振幅稳定方式叫外稳幅方式。,2. 相位稳定条件 维持 或者说维持 与 同相的条件。方法：如果能实现的变化引起的变化与外界因素引起的变化相反，则相位
9、稳定平衡就可实现。以n=0为例，这一过程可用如下流程关系表示：,由此可得相位稳定条件为,(3.112),在窄带情况下，均可认为 则相位稳定条件为,(3.113),3.1.3 起振条件 电源刚一接通的瞬间，振荡器起始振荡，起始振荡的条件应为,(3.114a),(3.114b),式(3.114a)为振幅起振条件，式(3.114b)为相位起振条件。由于UfUi，所以在极其微小的电磁感应激励下，通过选频网络就可取出振荡信号电压，形成增幅振荡，直至在稳定平衡点工作。,根据振荡器的振荡条件，可归纳如下： (1)振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的
10、稳定。 (2)相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。 (3)在F为常数的条件下，振荡幅度的稳定是由放大器件的非线性保证的，所以许多振荡器是非线性电路。,(4)振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。 (5)振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网络，它们必须能够完成选频、稳频、稳幅的功能。 (6)利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工作状态转换成丙类工作状态。,另外，根据振荡条件，振荡器应包括放大器、选频网络，反馈网络。放大器采用的有源器件， 可以是晶体三极管、场效应管、差分放大器、运算放大器等。选频网络可以是L
11、C并联谐振回路，也可以是RC选频网络，还可以是晶体滤波器等。反馈网络可以是RC移相网络，也可以是电容分压网络、电感分压网络、变压器耦合反馈网络或电阻分压网络等。 由此可见，振荡器电路形式不胜枚举，本章将对LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器的电路组成、工作原理分别予以介绍。,3.2 LC正弦波振荡器,3.2.1 LC正弦波振荡器电路构成的原则 凡采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为LC正弦波振荡器。LC振荡电路的形式很多，按反馈网络的形式来分，有变压器耦合反馈式及电感或电容反馈式振荡电路两种。,1.变压器耦合振荡器 变压器耦合反馈振荡器采用LC谐振回路作为选频网络，并利用变压器耦合电路
12、作为反馈网络。 按照同样的分析方法可知，图3.7(b)、3.7(c)所示的振荡器电路中，变压器初、次级绕组应对地具有相同的同名端，才能满足相位平衡条件。可见，变压器耦合振荡器的相位平衡条件是依靠变压器的初、次级绕组具有合适的同名端来保证的。,图3.7 变压器耦合振荡器,共射接法,共基接法,2. 三点式振荡器 晶体管有三个电极c,b,e，由三个电抗元件x1、x2、x3构成的选频网络也有三个引出端，把它们对应连接起来构成反馈式正弦振荡器电路，如图3.8(a)所示。这种振荡器称为三点式振荡器。x1 、 x2、x3三个电抗元件应如何选取才能满足相位平衡条件呢?在晶体管特征频率fT远大于振荡器工作频率f
13、g和窄带工作频率的条件下，可认为E0，根据相位平衡条件E=-Z，则Z0。因此由x1、x2、x3构成的回路可认为是谐振工作状态。谐振工作的条件是回路的电抗之和等于零，即x1+x2+x3=0 (纯电阻) 。晶体三极管三个电极之间交流电压间的关系如图3.8(a)所示。,图3.8 三点式振荡器组成,I2,I1,Uf,Uce,忽略Ib,且 x2+x3=-x1 所以I1=-I2; Uf=Ube, Ube与Uce反相;,I1,I2,I1,I2,Uf,Uce,I1,I2,Uce,I2,I1,Uf,根据上述电压电流的矢量关系,可得到两种三点式震荡电路,如图3.8(b)(c)所示,分别叫做电容三点式( 使用两个电
14、容和一个电感)和电感三点式(使用两个电感和一个电容),它们必然满足起振的相位条件,由于射极接的是相同性质的电抗元件,而基极接的是相反性质的电抗元件,故概括为一句话“射同基反”,据此原则可判断三点式振荡电路是否满足相位起振条件。 *多回路三点式震荡电路的起振相位条件判断 根据“射同基反”的原则和所要求的振荡工作频率对各回路的电抗性质提出要求，或是容性失谐或是感性失谐。,图3.9 多回路三点式振荡器组成,3.2.2 三点式振荡器电路分析 1. 电容三点式振荡器电路分析 图3.10(a)示出某振荡器电路。下面从4个方面对该振荡器的性能加以分析。,图3.10 电容三点式振荡器 (a)电路图,1)画出该
15、振荡器的交流等效电路，判断其电路类型 图中RB1、RB2、RE为直流偏置电阻。CB是基极偏置的滤波电容，CC是集电极耦合电容，它们对振荡交流信号应当等效短路。直流电源EC对于交流等效短路接地。RB1、RB2被交流短路。由此可画出该电路的交流等效电路，如图3.10(b)所示。,图3.10 电容三点式振荡器 (b)交流通路,2) 求该振荡器的工作角频率g 在工程设计的近似条件下，可认为振荡器的工作频率g等于由L、C1、C2组成的回路的谐振频率0。所以该振荡器的工作频率,(3.21),3 )求反馈系数F 共基组态放大器从射极和基极之间输入，集电极和基极之间输出。输出电压 经由电容组成的反馈网络，从C
16、2两端取得反馈电压 ，把它加到放大器的输入端(晶体管的射极)，构成正反馈。放大器的输入电阻ri是放大器负载的一部分，放大器输入端的电容Cbe与C2并联。所以反馈网络是由C1和C2+Cbe分压构成。在忽略与反馈网络各端点相并联的电阻影响的条件下，反馈系数可近似为,(3.22a),当CbeC2时,(3.22b),4)起振条件分析 在直流电源刚刚接通的瞬间，振荡器应满足起振条件。由于起始振荡振幅很小，所以振荡器处于线性小信号状态下工作，通角=180。随振荡幅度的增加，振荡逐步进入到非线性大信号状态下工作，通角90。,随着振荡幅度的增加，放大器的增益A逐渐减小，从而由AF1达到AF=1，实现平衡。可以通过起振条件的研究，找到影响振荡器起振的各种因素，从而指导正确进行振荡器的设计、装配和调试。由于起振的一刻是线性小信号状态工作，所以晶体管
