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1、第 3 章正弦波振荡器,3.1反馈振荡器的工作原理,3.2LC 正弦波振荡器,3.3LC 振荡器的频率稳定度,3.4晶体振荡器,3.5RC 正弦波振荡器,3.6负阻正弦波振荡器,3.7寄生振荡、间歇振荡和频率占据,概述,一、与功放比较(从能量角度),1功率放大器,将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。,特点：被动地，需输入信号控制,2正弦波振荡器(Sinewave Oscillator),将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。,特点：自动地，无需输入信号控制。,二、正弦波振荡器的应用,1作信号源(本章将讨论),载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机； 正弦波信号
2、源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。,要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。,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。,3.1 反馈振荡器的工作原理,1组成,主网络与反馈网络构成闭合环路。,(2)反馈网络,与 L 相耦合的线圈 Lf 。,(1)主网络,负载为谐振回路的谐振放大器。,2等幅持续振荡的条件, 刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程。, 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。, 当外界条件不稳时，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的三个条件：,
3、 起振条件接通电源后可从无到有建立起振荡。, 平衡条件进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。, 稳定条件平衡状态不因外界不稳定因素的影响 而受到破坏。,3.1 反馈振荡器的工作原理,3.1.1平衡和起振条件,3.1.2稳定条件,3.1.3基本组成及其分析方法,3.1.1平衡和起振条件,一、起振条件,1分析, 刚通电时，电路中存在电的扰动(电流突变或管子、电路中的固有噪声)，具有很宽的频谱。, 谐振回路的选频功能，只允许角频率为 osc 的分量(osc 0)在谐振回路两端产生较大的电压。, 变压器绕向正确，可保证反馈信号 与输入信号 同相，经放大和反馈循环，使振荡电压振幅不断增长。,2起振条件,(1
4、)振幅起振条件,，或环路增益,(2)相位起振条件,T(osc) = A(osc) + f(osc) = 2n (n = 0，1，2，),二、平衡条件,1分析, 主网络将输出正弦振荡电压 ，角频率为 。, 所需输入电压 全部由反馈电压 提供，无需外加输入电压。,2平衡条件,由,则： 振幅平衡条件：环路增益的模 T(osc) = 1, 相位平衡条件：环路增益的相角,T(osc) = 2n(n = 0，1，2，),3讨论,反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：, 起振时，T(osc) 1，Vi 迅速增长；, 随后，T(osc)下降，Vi 的增长速度变慢；, 到 T(osc) = 1 时，Vi 停止
5、增长，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅 ViA 上维持等幅振荡。, 而环路增益的相角 T(osc) 则必须维持在 2n 上。,环路增益特性,平衡条件多利用放大器的非线性实现。,变压器耦合反馈振荡器：,刚通电时，Vi 很小，放大器小信号工作，增益较大，相应的 T(osc) 为大于 1 的水平线。,当 Vi 增大到一定数值后，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 增大而减小，相应地 T(osc) 也就随着 Vi 的增大而下降。,符合起振与平衡条件对 T(osc) 的要求。,3.1.2稳定条件,一、问题的提出,1振荡电路中存在干扰, 外部：电源电压、温度、湿度的变化，
6、引起管子和回路参数的变化。, 内部：存在固有噪声(起振时的原始输入电压,进入平衡后与输入电压叠加引起波动)。,均造成 T(osc) 和 T(osc) 的变化，破坏平衡条件。,2干扰对平衡状态的影响(两种),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，应避免。, 振荡器有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。,二、振幅稳定条件,右图环路增益特性满足振幅稳定条件。,1稳定过程,最后达到新的平衡。,2环路增益存在两个平衡点的情况,右图所示，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
7、？,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ViB 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。,3振幅稳定条件,可见，要使平衡点稳定，T(osc) 必须在 ViA 附近具有随 Vi 增大而下降(负斜率变化)的特性，即,斜率越陡，则 Vi 的变化而产生的 T(osc) 变化越大，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。,三、相位(频率)稳定条件,1T(osc) 的偏移对
8、振荡频率的影响, 由相位平衡条件,T(osc) = 2n(n = 0，1，2，)，表明每次放大和反馈后的电压与原输入电压同相。, 若某种原因使 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。由 = /t ，因此，这种相位的不断超前表明振荡器的角频率 osc。, 若某种原因使 T(osc) 0，则由于每次放大和反馈后的电压相位都要滞后于原输入电压相位，因而振荡频率 osc 。,2相位(频率)稳定的讨论,若T()的特性如右图所示(在osc 附近有负斜率变化), 若某种原因使 T(osc) 0(即 osc)，由特性，T() 0， Vi 的超前势必受到阻止。, 若某种原
9、因使 T(osc) 0， Vi 滞后必受阻。,3相位稳定条件,4举例,说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。,T() 由两部分组成：,(1)放大器输出电压 对输入电压 的相移 A(),(2)反馈网络反馈电压 对 的相移 f(),即T() = A() + f(),T() = A() + f(), f()，随 的变化十分缓慢，可认为它与 无关。,故 Z() 随 变化的特性可代表 T() 随 变化的特性。,并联谐振回路，其相频特性,0 谐振频率,Qe 有载品质因数,可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性的谐振回路来满足相位稳定条件的，且 Qe 越高，Z() 随 的变化斜率越大，频率稳定度越
10、高。,3.1.3基本组成及其分析方法,要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足起振、平衡、稳定三项条件。,1组成, 可变增益放大器提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。, 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。,或：四个环节,2种类,(1)可变增益放大器, 按放大管,晶体管放大器,场效应管放大器,差分对管放大器,集成运算放大器等, 按实现可变增益的方法,内稳幅：利用放大管固有的非线性,外稳幅：放大器线性工作，另外插入非线性 环节，共同组成。,(2)相移网络具有负斜率变化的相移, LC 谐振回路, RC 相移和选频网络, 石英晶体谐振器,3分
11、析方法, 首先，检查环路是否包含可变增益放大器和相频特性有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。, 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。, 最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。,3.2LC 正弦波振荡器,3.2.1三点式振荡电路,3.2.2差分对管振荡电路,3.2.3举例,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：变压器耦合振荡电路 三点式振荡电路和差分
12、对管振荡电路。,3.2.1三点式振荡电路,一、电路组成法则,1原理电路（右图）,2组成法则,交流通路中，晶体管的三个极与谐振回路的三个引出端相连接。其中，与发射极相接的为两个同性质电抗，接在集-基间的为异性电抗。,二、三点式振荡器电路,(1)电路,电容三点式振器电路,RB1、RB2 和 RE ：分压式偏置电阻； CC、CB、CE ：旁路和隔直流电容；RC ：集电极直流负载电阻； RL ：输出负载电阻 ； L、C1、C2 ：并联谐振回路。,1电容三点式振荡器电路,电容三点式振器电路,(2)组成,可变增益器件：晶体管 T； 相移网络：并联谐振网络； 发射极：为两同性质容性电抗； 集-基：感性电抗。
13、,(3)讨论 起振与平衡,T 为可变增益器件，偏置电路设置合适 Q 点同时，随 vi 的增大产生自给偏置效应，加速放大器增益的下降。,其直流偏置电路如图所示。刚起振时，发射结直流偏置为静态偏置电压，VBE0= VBEQ = VBB - IBQRB - IEQRE 。,反馈 vi vi 一部分进入截止区 iC为失真的脉冲波，其平均值 IC0 ICQ VBE0 增益 平衡,所以，振荡振幅增大时，加在发射结上的偏置电压将自静态值向截止方向移动，导致环路增益进一步下降，从而提高了振荡振幅的稳定性。,2电感三点式振荡器电路,(1)电路与元件作用,(2)组成法则判断,三、电容三点式振荡电路的起振条件(相位
14、与振幅),1等效电路,(1)改画电路,断点左面加环路的输入电压 Vi(j),断点右边(与C2 并联)接入自断点向左看进去的阻抗 Zi,Re0 ： L、C1、C2 并联谐振回路的固有谐振电阻。,Q0：固有品质因数。,(2)用混合 型等效电路表示,设 fosc fT (管子的特性频率)，忽略 rbb 、ree 和 Cbc ，得简化的等效电路：,可见，在 处呈现的输入阻抗：,Zi = RE / re /(1/jCbe)，其中re = 26 mV/IEQ,令,且设,Z1,Z2,Z3,将 Z1、Z2、Z3 表达式代入，整理得,(3-2-2a),其中,式中，,谐振时满足虚部为 0，即 B = 0，T(os
15、c) = 0,起振时满足 T(osc) 1 (gm A),可求得三点式振荡器的相位起振条件为,(3-2-3),讨论：,振荡角频率 osc,振荡频率 osc 由相位起振条件决定，解(3-2-3)求得,(3-2-5),osc 与 0 (LC) 有关，还与 gi (Ri)、gL ( Re0、 RL) 有关，且 osc 0 。,在实际电路中，一般满足,工程估算时，osc 0 = (3-2-6),振幅起振条件,工程估算时，令 = osc 0 ，代入(3-2-4)式，即,(3-2-4),振幅起振条件可简化为,n 为电容分压比 ，上式改写为,若 gi ，则由下图可见，n2gi 便是 gi 经电容分压器折算到
16、集电极上的电导值。,讨论：为满足振幅起振条件，应增大 Av(0) 和 kfv 。, 增大 kfv (= n) ，n2gi 增大，Av(0) 减小；减小 kfv ，虽提高 Av(0)，但回路增益 T(0) 受限。故 n 取值应适中。, 提高 ICQ，可以增大 gm，从而提高 Av(0) ，但不宜过大，否则，gi( 1/re = gm/)会过大，造成回路有载品质因数下降，影响频率稳定性。ICQ 一般取 1 5 mA。,结论：若振荡管 fT 5fosc，RL 又不太小( 1 k)，且 n(两电容)取值适中，一般都满足起振条件。,分析表明，闭合环路不论何处断开，它们的振幅起振条件都是一样的。但断开点不同，主网络和反馈网络的组成就不同，相应的放大器增益和反馈系数也就不同。,若闭合环路在基极处开断，三极管接成共发组态。,图中用工程估算法将gib 和 折算到集射极间，分别为,在基极处开断的等效电路,在基极处开断的等效电路,gib 折算到集射极间的计算,折算到集射极间的计算,四、用工程估算法求起振条件, 将闭
