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1、第4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 频率稳定度 4.4 LC振荡器的设计 4.5 石英晶体振荡器 4.6 振荡器中的几种现象,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。,(4 1),(4 2),(4 3),(4 4),(4 5),(4 6),由,得,其中,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 5)还可知,形成增幅振荡,形
2、成减幅振荡,(4 8),4.1.2平衡条件 振荡器的平衡条件即为,也可以表示为,(4 9a),(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,(4 10),(4 10),式中, ZL为放大器的负载阻抗,(4 11),Yf(j)为晶体管的正向转移导纳。,(4 12),与F(j)反号的反馈系数F(j),(4 13),这样, 振荡条件可写为,(4 14),振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为,(4 15a),(4 15b),由K(j)F(j)1决定振幅大小和振荡频率的高低。振荡频率一般在回路谐振频率0附近。,4.1.3 起振条件 为了使
3、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：,称为自激振荡的起振条件, 也可写为,(4 16a),(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。,图 4 2 振幅条件的图解表示,4.1.4 稳定条件 振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件 振幅稳定条件为,(4 17),由于反馈网络为线性网络, 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),一个正弦信号的相位和它的频率之间的关系,(4 19a),(4 19b),相位稳定条件为,(4 20),图 4 4 互感耦合振
4、荡器,互感耦合式的反馈振荡器实际电路, 图中反馈网络由L和L1间的互感M担任, 又称为变压器耦合振荡器。,4.2 LC 振 荡 器,4.2.1振荡器的组成原则 基本电路：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,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, 有,(4 21),回路Q值很高, 回路电流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,(4 22a),(4 22b),因此X1、 X2应为同性质的电抗元件。,三端式振荡器组成原则：满足三端式振荡器的组成原则 (a) 电容反馈振荡器,
5、也称为考必兹(Colpitts)振荡器 (b) 电感反馈振荡器，也称为哈特莱（Hartley）振荡器,图 4 6两种基本的三端式振荡器,常见振荡器的高频电路, 判断它们是由哪种基本线路演变而来的,图 4 8 几种常见振荡器的高频电路,4.2.2 电容反馈振荡器 图(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。,电容反馈振荡器电路高频等效电路 简化Y参数模型:Yre=0，Yfe gm,图4 8电路的振荡频率为,(4 23),(4 24),C为回路的总电容,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
6、),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YfRLF1, 可以得到,(4 28),(4 29),4.2.3 电感反馈振荡器 电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路,图 4 10 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,振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示:,式中的L为回路的总电感:,(4 30),(4 31),由相位平衡条件, 振荡器的振荡频率表达式为,(4 32),工程上计算反馈系数不考虑gie影响, 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),两种振荡器特点之比较,(1) 线路简单，容易
7、起振。 (2)电容反馈振荡器的输出波形好。 （高次谐波在电容上产生的反馈压降较小） (3)电容反馈振荡器工作频率可以较高。 （极间电容与反馈支路并联影响） (4)改变电容调整工作频率。 电容反馈振荡器在许多场合得到了应用。,4.2.4 两种改进型电容反馈振荡器 1. 克拉泼振荡器,图 4 - 11 克拉泼振荡器电路 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),克拉泼振荡器振荡频率,(4 38),(4 39),2. 西勒振荡器 电感L并联一可变电容C4。,图 4 11 西勒振荡器电路 (a) 实际电路; (b) 交流等效电路,回路
8、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
9、 E1648单片集成振荡器,图 4 15 E1648内部原理图及构成的振荡器,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 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。 长期稳定度、短期稳定度与瞬时稳定度(相位噪声),(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可以近似表示为,因此相位平衡条件可以表示
10、为,(445),(446),(447),考虑到QL值较高,即1/01,有,(448),图416 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, 要考虑回路的线圈电感、调谐电容和反馈电路元件,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,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
11、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 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 相位稳定条件,要使相位稳定,回路的相频特性应具有负的斜率,斜率越大,相位越稳定。 根据LC回路的特性,回路的Q值越大,回路的相频特性斜率就越大,即回路的Q值越大,相位越稳定。从相位与频率的关系可得,此时的频率也越稳定。,4. 减少电源、负载等的影响 电
12、源电压的波动,会使晶体管的工作点、电流发生变化,从而改变晶体管的参数,降低频率稳定度。 振荡器电源应采取必要的稳压措施。负载电阻并联在回路的两端,这会降低回路的品质因数, 使振荡器频率稳定度下降。,4.4 LC振荡器的设计考虑,1振荡器电路选择 一般工作在几百KHZ至几百MHZ范围。 振荡器线路根据工作频率范围及波段宽度来选择。 在短波范围,电感、电容反馈振荡器都可以采用。 在中、短波收音机中,为简化电路常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。,2晶体管选择 从稳频的角度出发,应选择fT 较高的晶体管,这样晶体管内部相移较小。 通常选择fT (310)f1max。 希望电流放大系数大些, 既容易振荡
13、,也便于减小晶体管和回路之间的耦合。,3直流馈电线路的选择 为保证振荡器起振的振幅条件,起始工作点应设置在线性放大区; 从稳频出发,稳定状态应在截止区,而不应在饱和区,否则回路有载品质因数QL降低 晶体管静态偏置点通常设置在小电流区,电路应采用自偏压。,4振荡回路元件选择 从稳频出发,振荡回路中电容C应尽可能大,但C过大,不利于波段工作; 电感L也应尽可能大,但L大后,体积大,分布电容大,L过小,回路的品质因数过小,因此应合理地选择回路的C、L。 在短波范围,C一般取几十至几百pF, L一般取0.1至几十H。,5反馈回路元件选择 静态工作点通常应选择:保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振,(
14、451),当静态工作点确定后,Yf的值就一定,对于小功率晶体管可以近似为,(451),反馈系数的大小应在下列范围选择,石英晶体谐振器 1) 物理特性 由天然或人工生成的石英晶体切片制成。 2) 等效电路及阻抗特性 晶体谐振器是一串并联的振荡回路, 其串联谐振频率fq和并联谐振频率f0分别为,4.5 石英晶体振荡器,图 2 22 晶体谐振器的等效电路 (a) 包括泛音在内的等效电路; (b) 谐振频率附近的等效电路,(2 42),(2 43),图 2 23 晶体谐振器的电抗曲线,4.5 石英晶体振荡器,4.5.1 石英晶体振荡器频率稳定度 石英晶体谐振器具有很高的标准性。 石英晶体谐振器与有源器
15、件的接入系数p很小,一般为10-310-4。 石英晶体谐振器具有非常高的Q值。,4.5.2 晶体振荡器电路 晶体振荡器归为两大类:并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。 1并联型晶体振荡器 图417是一种典型的晶体振荡器电路,当振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时晶体呈感性,该电路满足三端式振荡器的组成原则,而且该电路与电容反馈的振荡器对应,通常称为皮尔斯(Pierce)振荡器。,皮尔斯振荡器的工作频率应由C1、C2、C3及晶体构成的回路决定,图418 并联型晶体振荡器稳频原理,反馈系数F的大小为 由于晶体的品质因数Qq很高,故其并联谐振电阻Ro也很高,虽然接入系数p较小,但
16、等效到晶体管CE两端的阻抗RL仍较高,所以放大器的增益较高,电路很容易满足振幅起振条件。,(456),图419 并联型晶体振荡器的实用线路,图420 密勒振荡器,图421 泛音晶体皮尔斯振荡器,图422 场效应管晶体并联型振荡器线路,图423一种串联型晶体振荡器 (a)实际线路;(b)等效电路,2串联型晶体振荡器 在串联型晶体振荡器中,晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间,通常接在反馈电路中。,3使用注意事项 石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前,在石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的,实际使用时也必须外加负载电容,并经微调后才能获得标称频率。 石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。 在并联型晶
