第七章 正弦波振荡器

第七章 正弦波振荡器基础知识：- LC回路的相位特性- 高频小信号放大器- 高频功放本章主要内容 § 7.1 概述 § 7.2 振荡的起振、平衡、稳定条件 § 7.3 电感耦合型反馈振荡器 § 7.4 三端式反馈振荡器 § 7.5 振荡器的频率稳定性问题 § 7.6 晶体振荡器 § 7.7 振荡器中的几种常见的现象 § 7.8 其他形式的振荡器简介重点§ 7.1 概述 1、什么是振荡器 2、振荡器在无线通信中的作用 3、振荡器的发展趋势 4、稳定振荡的要素 5、振荡器的主要类型1、什么是振荡器？ 振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路 它与放大器的区别在于 , 无需外加激励信号 , 就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号振荡器Vcc2、振荡器在无线通信中的作用 在发射端负责生成载波（即用来承载有用信息的高频正弦波） 在接收端负责生成本振信号（用于混频）音频放大器调制器 激励放大输出功率放大载波振荡器天线开关高频放大混频器中频放大与滤波解调器音频放大器话筒本地振荡器扬声器变频器3、振荡器的发展趋势 振荡器的发展经历了以下几个阶段 机电式振荡（机械振荡带动电子开关） LC/RC振荡器 晶体振荡器 激光振荡器 总的说来，其发展趋势是 精确化、稳定化、小型化4、稳定振荡的要素 想象一个单摆，如何让它在有能量消耗的环境中稳定振荡？ （ 1）最初的一个激励 使振荡器从静态到动态（即起振） （ 2）能量源 补偿振荡中的能量消耗 （ 3）控制设备 在适当的时候 (即适当的相位 )补充能量 使振荡达到足够的幅度并能使之稳定下来（防止自激）5、振荡器的主要类型 按输出振荡波形分 正弦波振荡器 非正弦波振荡器 (如方波、锯齿波等 ) 按工作原理分 反馈式振荡器 (如给电台打时的自激现象 ) 负阻式振荡器 (如“海盗船” ) 按器件分 LC/RC振荡器 石英晶体振荡器 陶瓷振荡器（等）我们重点学习的是§ 7.2.1 反馈型振荡器的原理 由放大器与反馈网络构成一个环路 最初激励信号 us与反馈信号 uf 叠加进入放大器 放大后信号经反馈网络反馈 激励信号逐渐消失，而 uf作为输入信号§ 7.2 振荡的起振、平衡、稳定条件su iufuou放大器A（ jω）反馈网络F（ jω）Σ起振 平衡当 AF=1时，振荡进入平衡状态§ 7.2.2 起振条件 在实际电路中，最初的那个激励信号往往是加电过程中自动产生的，所以其振幅往往很小。

tui对应频谱ωF(ω ))(j1振荡器工作频率点振荡器输出频率越高，最初的激励就越小若想让振荡器输出一定幅度（如 3V），起振的过程幅度必须逐渐增大mv甚至 uV级§ 7.2.2 起振条件（续） 若使信号逐步增大，需要满足两个条件 振幅方面， |A||F|必须大于 1（否则信号会逐渐衰减至消失） 相位方面，（否则信号不是标准的正弦波，甚至相互抵消F n2环路其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度要一次比一次大 ;而相位起振条件则要求环路保持正反馈A§ 7.2.3 平衡条件 所谓“平衡”指起振一定时间后 ,输出振幅达到额定值时 ,恒定不变 此时不必再进行增幅振荡，而要维持等幅振荡FA 1 FA因此平衡的振幅条件是相互干扰甚至抵消否则输入与反馈信号会相位仍然要满足若想输出标准的正弦波环路  n2,§ 7.2.4 稳定条件 所谓“稳定”是指振荡器具有如下的特点： 当外界因素（如温度）导致输出振幅（或相位）增大时，振荡器内部机制可自动使输出振幅（或相位）减小，从而恢复到平衡状态； 反之亦然 用放在凹或凸面上的小球来比喻最为恰当：不稳定状态稳定状态用数学语言描述 “ 振幅稳定的机制 ”omV为记振荡器输出信号振幅FAomV增加如果外界偶然因素导致 omV电压振荡器将无法输出额定输出将持续增大增加来遏制制如果振荡器没有内部机,,omV),( 下文有电路的分析至于这个机制如何实现增加一定的内部机制来遏制必定有所以一个稳定的振荡器omV0,  omVAF 种机制即所以用数学语言表示这通常无法改变因为这就是振荡器的振幅稳定条件 ,即 A随着 Vom增大而减小软自激（软激励） 软自激指振荡器不需要额外的大振幅激励源即可起振并自动达到平衡并稳定状态；omVAF10A软自激,很小起振时 omV 满足起振条件即 1,100  FAFA不断增加所以输出振幅有在这段区间内由于始终omVAF 1,01,  omVAAF 且到达这一点后omQV的振荡波形为振荡器稳定地输出振幅 o m QV硬自激（硬激励） 硬自激指必须向振荡器提供一个额外的大振幅激励源，才能使振荡器达到平衡并稳定的状态。

omVAF10A硬自激不满足起振条件即起振时 1,1 00  FAFA使振荡器起振幅度输入信号此时需要一个外加的大 ,B Q1AFQB 点都满足平衡条件点和不满足稳定条件点的但 0 omVAB满足稳定条件点的而 0 omVAQ点使振荡器到达一定要足够大所以外加输入信号幅度 Q,Flash演示“放大器的放大倍数 A随着 Vom的增加而减小 ” ------这一稳定机制是如何实现的 ? 措施一：选择合适的直流工作偏置点，使刚起振时的 A0足够大；并且在输出端使用 LC回路BEvCi起振时输入信号很小 由于 |A0F|>1，所以信号逐渐增大必然进入非线性区，信号开始失真所以必须采用 LC回路滤出标准正弦信号在滤波的过程中，由于能量的损失，导致放大倍数的下降“放大器的放大倍数 A随着 Vom的增加而减小 ” ------这一稳定机制是如何实现的 ? 措施二：引入负反馈电路形成负反馈负反馈越强而且输出电流越大 ,omVAF10AomQV相位的稳定性分析 1、相位不稳定会导致什么后果？ 2、相位稳定条件 3、 LC回路的相位特性（第三章内容） 4、以 LC回路为负载的振荡器的相位自动稳定功能1、相位不稳定会导致什么后果？相位平衡时 当外界因素打破了相位的平衡状态，假设相位提前（ Δφ>0）显然频率加快了2、相位稳定条件 由上面的分析可知，相位超前导致频率加快； 因此如果想让频率恢复成振荡器额定频率（具有稳定性），振荡器内部应有这样的机制：当输入信号频率加快时，会形成相位的延迟。

 用符号表示这一稳定过程：),0()( 相位超前即增加导致如温度外部因素 环路  )0(  即输出信号频率加快)0(  即也加快经反馈后输入信号频率)( 即相位延迟减小内部机制应使 环路 n2环路恢复相位0环路这一内部机制为用数学语言描述3、 LC回路的相位特性（第三章内容） 以并联谐振回路为例)(110 pppjQVV第三章讲过),( 变化时引起的相位变化现在需要讨论当时只关心其模值 SI0V0,0  Zp VV  时当)(a r c t a n pppZ Q 该复数的相角为Zp SZp IV 落后于时当 ,0 pV pV SZp IV 超前于时当 ,0 4、以 LC回路为负载的振荡器的相位自动稳定功能由三极管电路实现如果振荡器中的放大器由三极管组成的放大器 载并联谐振回路作为其负以 LC络以耦合回路作为反馈网Y的相位变化为设三极管放大电路引起YZLC 位变化为并联谐振回路引起的相设ZF变化为设反馈网络引起的相位FFZY  环路变化则环路引起的总的相位振荡器可实现相位稳定当前面已知 环路 ,0,  ZFY  关键看基本不变与 ,4、以 LC回路为负载的振荡器的相位自动稳定功能（续）Zp性可知并联谐振回路的相位特由前面讨论的 LC环路若外部因素导致点附近在  ,p则 ZLC  上升时必然导致谐振回路特性由 ,)2n(  恢复成的降低进而导致 环路 FZY ),2( 相位超前略大于环路  n反馈型振荡器起振、平衡、稳定条件的总结（重要知识点）振幅条件 相位条件起振（由静到动）平衡（振幅恒定）稳定（维持平衡）1 FA  n2环路1 FA  n2环路0omVA 0 环路§ 7.3 电感耦合型反馈振荡器 互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦合量 M，使之满足振幅起振条件很重要。

 互感耦合振荡器有三种形式： 调基电路 调集电路 调发电路是根据振荡回路所在的位置来区分的1、调基电路 V CC R b1 R b2 CbCeM C L 1 L 2 ReL 调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较平衡由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的 Q值，故在调基电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合交流接地 n2, 环路即形成正反馈则振荡器可顺利起振使与偏置电压调节适当只要互感 1 ) ,FA( 0 M2、调集电路v1Rb1Rb2ReCbCeVCCC M 调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成分较小 n2, 环路即形成正反馈则振荡器可顺利起振使与偏置电压调节适当只要互感 1 ) ,FA( 0 M3、调发电路VCCRb1Rb2RoCbCeM C L2L1由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的 Q值，故在调发电路中，晶体管与振荡回路也作部分耦合 n2, 环路即形成正反馈则振荡器可顺利起振使与偏置电压调节适当只要互感 1 ) ,FA( 0 M互感反馈型电路例题分析判断下图所示两极互感耦合振荡电路能否起振。

解：在1T的发射极与2T之间断开这是一个共基 — 共集反馈电路振幅条件是可以满足的，所以只要相位条件满足，就可以起振利用瞬时极性判断法，根据同名端位置，可以得到：1 1 2 2 1()e c b e e          可见电路是负反馈，不能产生振荡如果把变压器次级同名端位置换一下，则可改为正反馈而变压器初级1T回路是并联 LC回路，作为 的负载，考虑其阻抗特性满足相位稳定条件，因此电路有可能产生振荡采用瞬时极性法判断互感耦合 LC振荡器相位时的注意事项： （ 1）先看清是共基、共射还是共集电路； （ 2）把正确的信号输入端标上“ +”，把地标上“ ― ”； （ 3）通过瞬时电流的流向帮助中间点的极性判断； （ 4）有抽头电路时，先找到接地那一端，抽头处的极性与不接地的那一端极性相同 （ 5）循环一圈后，仍为“ +”则符合起振相位条件，否则就不可能起振§ 7.4 三端式反馈振荡器 三端式振荡器的优点 其工作频率约在几 MHz到几百 MHz的范围，频率稳定度也比互感耦合振荡电路高一些，约为 10–3~10–4量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。

 本节的主要内容： § 7.4.1 电感反馈式三端振荡器（ Hartley Oscillator） § 7.4.2 电容反馈式三端振荡器（ Colpitts Oscillator） § 7.4.3 三端振荡器相位平衡条件判断准则 （重要）§ 7.4.1 电感反馈式三端振荡器（ Hartley Oscillator）v1Rb1Rb2Cb＋ VCCC L L1L2CeRe电感反馈三。