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1、第四章 正弦波振荡器v高频正弦波振荡器在通信系统中起何作用？v反馈型正弦波振荡器如何构成？它的工作应满足什么条件？v如何识别常用正弦波振荡器类型并判断能否正常工作？v频率稳定度与哪些因素有关？如何提高频率稳定度？v为什么晶体振荡器的频率稳定度很高？它如何构成？u振荡器振荡器没有外加激励信号，而自动地将直流电源产生的能量转化为具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号。振荡器一般由晶体管等有源器件和具有选频能力的无源网络所组成。u放大器输入为外加激励信号，直流能量转换为按信号规律变化的交流能量的电路。4.1 反馈振荡器的振荡条件分析4.1.1 反馈振荡器振荡的基本原理反馈振荡器的原理框图如图4.
2、1所示。反馈振荡器是由放大器和反馈网络所组成的一个闭环环路，其中反馈网络由无源器件组成。图4.1 反馈振荡器的原理框图4.1.2 振荡器的起振条件和平衡条件在图4.1所示的电路中，在“”处断开，定义环路的闭环增益 为1起振条件振幅起振 条件相位起振 条件 在起振的开始阶段，振荡的幅度还很小，电路尚未进入非线性区，振荡器可以作为线性电路来处理，即可用小信号电路等效模型分析起振条件。2平衡条件振幅平衡 条件相位平衡 条件图4.2 满足起振与平衡条件的环路增益特性4.1.3 振荡平衡的稳定条件1振幅稳定条件2相位稳定条件图4.3 满足相位稳定条件的回路的相频特性相位稳定 条件4.1.4 反馈振荡器的
3、判断1、振幅条件放大器件一般都满足图4.2所示的平衡与稳定的振幅条件，仅需对起振的振幅条件进行讨论。(1) 在起振时，放大器应具有正确的直流偏置，开始时应工作在甲类状态。(2) 开始起振时，环路增益T应大于1；由于反馈网络F是一个常数，且小于1，因此要求放大器的增益A大于1/F；对于共射或者共基组态的放大器，负载设计合理，可以满足这一要求。(1) 对于放大器的起振与平衡的相位条件，都是要求环路是正反馈。2相位条件(2) 对于平衡的稳定条件，要求环路应具有负斜率的相频特性曲线。 相位平衡的稳定状态负斜率的相频特性取决于选频网络。对于 LC并联谐振网络的阻抗特性以及LC串联谐振回路的导纳特性都具有
4、负斜率的相频特性，而对于LC并联谐振网络的导纳特性以及LC串联谐振回路的阻抗特性都具有正斜率的相频特性。相位条件的判别: 起振和平衡时的相位条件是相同的。 相位条件是振荡器正常工作的必要条件。 瞬时极性判定方法：(1) 将环路断开，引入Vi(2) 观察Vf 的瞬时极性,当Vf 与Vi 瞬时极性一致，即满足相位条件，反之则不满足。【例4.1】 图4.4所示为一LC振荡器的实际电路，图中反馈网络是由电感 L和L1之间的互感M来实现，称之为LC互感耦合振荡器，其中电容Cb为 耦合电容，电容Ce为高频旁路电容，都为大电容。画出交流等效电路，分析该电路满足正反馈时其同名端的位置。图4.4 例4.1图根据
5、瞬时极性法，当电路满足正反馈时，其同名端如图 4.4(b)所示。频率稳定度在数量上通常用频率偏差来表示。频率偏差是指振荡器的实际频率和标称频率之间的偏差。它可分为绝对偏差和相对偏差。设f0是标称频率，f是实际工作频率，则定义绝对频率偏差为：4.1.5 频率稳定度1、频率稳定度的定义相对频率偏差为 ：测量时，要取多次测量结果的统计值。长期频率稳定度：一般指一天以上以致几个月的时间间隔内的相对变化，其主要取决于元器件的老化特性。短期频率稳定度：一般指一天以内，以小时、分钟或秒计的时间间隔内频率的相对变化。其主要取决于电源电压、环境温度的变化等。瞬时频率稳定度：一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变化
6、，这种频率变化一般都具有随机性质。其主要取决于元器件的内部噪声。中波广播电台发射机的频率稳定度为电视发射机的频率稳定度为普通信号发生器的频率稳定度为 标准信号发生器的频率稳定度为 2.提高频率稳定度的措施1)减小外界因素变化的影响采用高稳定度直流稳压电源以减少电源电压的变化；采用恒温或者温度补偿的方法以抵消温度的变化；采用金属罩屏蔽的的方式减小外界电磁场的影响；采用密封、抽空等方式以削弱大气压力和湿度变化的影响等。2)提高回路的标准性谐振回路在外界因素变化时保持其谐振频率不变的能力称为谐振回路的标准性，回路的标准性越高，频率稳定度越好。回路的品质因数Q值越大，则回路的相频特性曲线在谐振点的变化
7、率越大，其相位越稳定，从相位与频率的关系可得，此时的稳频效果越好，因此需选择高Q值的回路元件。4.2 LC三点式正弦波振荡器以LC谐振回路为选频网络的反馈振荡器称为LC正弦波振荡器，常用的电路有互感耦合振荡器和三点式振荡器。互感耦合振荡器是以互感耦合方式实现正反馈，其振荡频率稳定度不高，且由于互感耦合元件分布电容的存在，限制了其振荡频率的提高，只适合于较低频段。三点式振荡器是指LC回路的三个电抗元件与晶体管的三个电极组成的一种振荡器，使谐振回路既是晶体管的集电极负载，又是正反馈选频网络，其工作频率可达到几百兆赫兹，在实际中得到了广泛的应用。4.2.1 三点式振荡器的电路组成法则 三个电抗元件不
8、能同时为感抗或容 抗，必须由两种不同性质的电抗元件 组成。图4.5 三点式电路结构要产生振荡，电路应满足相位平衡 条件，即电路构成正反馈，此时LC回路中三个电抗元件的性质应满足 一定的条件。为了便于分析，这里 略去晶体管的电抗效应。设LC回路由三个纯电抗元件构成，其电抗值 分别为Xbe、Xce和Xbc，当回路谐振时，回路等效阻抗为纯电阻，则为便于说明，忽略电抗元件的损 耗及管子输入、输出阻抗的影响 。 时 ，当Xbe + Xce + Xbc = 0回路谐振，回路等效为纯电阻，得到 与 反相。因此必须与 反相，才能构成正反馈 。通常Q值很高，故回路谐振电流远大于b、c、e极电流故，为使 和 反相
9、， 要求Xbe和Xce 必须同性质。而Xbc必须与Xbe、Xce异性质 。 为了便于记忆，可将上述规则简单的记为“射同它异”。三点式振荡器有两种基本的电路形式：与发射极相连同为电容的，称为电容三点式振荡器，也称考必兹(Colpitts)振荡器，如图4.6(a)所示；与发射极相连同为电感的，称为电感三点式振荡器，也称哈特莱(Hartley)振荡器，如图4.6(b)所示。(a)(b)图4.6 三点式振荡器的两种基本形式【例4.2】 在图4.7所示电路中，两个LC并联回路的谐振频率分别是和 ，求振荡频率f0与f1、f2的关系。图4.7 例4.2图解：要使电路能够正常振荡，需满足三点式电路的组成原则。
10、而根据图4.7，由于连接基极与集电极的为电容，故电路只能组成电感三点式振荡器，即L1C1、L2C2回路应呈感性。由于LC并联回路谐振频率f1、f2大于工作频率f0时，回路呈感性，即应满足：4.2.2 电容三点式振荡器图 4.8 电 容 三 点 式 振 荡 器图 4.8 (b)一般来讲，高频旁路电容与耦合电容都比回路电容大一个数量级以上，对于高频电路来讲，可视为短路；高频扼流圈LC比回路电感大一个数量级以上，对于高频电路来讲，可视为断路。由于Rb1/Rb2比晶体管的输入电阻大很多，这里作为断路处理。4.8(b)是其交流等效电路。 下面分析该电路的起振条件。由于起振时晶体管工作在小信号线性放大区，
11、因此可用Y参数等效电路，下图是高频小信号等效电路。 在图中，忽略Yre、Cie、Coe，忽略晶体管正向传输导纳的相移，用跨导gm表示。gp表示除晶体管外的电路中所有电导折算到ce两端的总电导。反馈系数：将gie折算到ce端，有因此放大器总的负载电导为环路谐振时的增益为振荡器的振幅起振条件为 为了使电容三点式振荡器易于起振，应选择跨导gm大、输入输出电阻大的晶体管；反馈系数要合理选择，其一般选择为0.10.5；实践表明，如果选用特征频率fT大于振荡频率5倍以上的晶体管作为放大器，负载电阻不要太小，反馈系数选择合理，其一般都是满足起振条件的。为保证放大器有一定大小的幅度且波形失真小，起振时环路增益
12、一般取35倍。该振荡器的振荡频率为 4.2.3 电感三点式振荡器图4.10(a) 是电感三点式振荡器原理图，4.10(b)是其交流等效电路。通常电感绕在同一磁芯的骨架上，它们之间存在互感M。(a) 实用电路 (b) 交流等效电 路图4.10 电感三点式振荡器类似于电容三点式振荡器的分析方法，可求得电感三点式振荡器起振时的条件电容三点式的一致，其：反馈系数为振荡频率为电容三点式振荡器与电感三点式振荡器的特点比较如下：1电容三点式振荡器优点：其反馈电压取自反馈电容，而电容对高频电流呈现低阻抗，可以滤除反馈电压中由于晶体管的非线性所产生的高次谐波，输出波形好；晶体管的输入、输出电容同回路电容并联，不
13、会改变回路的电抗性质，工作频率可以较高。缺点：调整频率较困难，因为当改变回路电容时，势必改变反馈系数，影响起振和波形质量。2电感三点式振荡器优点：L1和L2间存在互感M，比较容易起振，调节回路电容，可以方便地改变振荡频率。 缺点：反馈电压取自电感L2，而电感对高频电流呈高阻抗，不易滤去高次谐波，输出波形不够好；晶体管的输 入、输出电容并联在Ll与L2两端，在频率较高时其影响很大，可能使电抗性质发生变化而不满足三点式振荡器的相位条件，所以这种振荡器适用在工作频率不太高的场合，一般为数十兆赫。4.2.4 改进型电容三点式振荡器由于晶体管的输入、输出电容与电容三点式振荡器和电感三点式振荡器的回路并联
14、，影响回路的等效电抗元件参数。而晶体管的输入、输出电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以上述两种振荡器的频率稳定度不高，一般在10-3数量级。为了提高频率稳定度，需要对电路作改进以减少晶体管输入、输出电容对回路的影响，可以采用削弱晶体管与回路之间耦合的方法，在电容三点式振荡器的基础上，得到两种改进型电容反馈式振荡器克拉泼(Clapp)振荡器和西勒(Siler)振荡器。1克拉泼振荡器电容值取值规定如下：C3Cq，石英谐振器的串联谐振频率与并联谐振频率间隔很小 。 石英谐振器的标称频率fN位于串联谐振频率fq与并联谐振频率fp之间，是指晶体谐振器两端并接某一规定的负载电容CL时石英谐振器的
15、振荡频率。负载电容CL值标于厂家的产品说明书，通常为30pF或标为“”(指无须外接负载电容，常用于串联型晶体振荡器)。在高Q值条件下忽略rq，石英谐振器的等效电抗为石英谐振器呈容性 ；石英谐振器的电抗特性曲线如图4.19所示。图4.19 石英谐振器的电抗特性曲线当石英谐振器呈感性时， 其等效电感为石英谐振器呈感性。这里需要注意的是，石英谐振器的等效电感L与石英谐振器的动态电感Lq的概念完全不同，前者是频率的函数，后者是与工作频率无关。当=q时，L=0；当=p时，L。由于q与p区间很窄，而谐振器的等效电感又从0变化到无穷大，说明在此区间内等效电感的电抗曲线非常陡峭，这对于稳频是非常有利的。若外部
16、因素使谐振频率增大，则根据石英谐振器的电抗特性，必然会使等效电感L增大，但由于振荡频率与L的平方根成反比，因而又促使谐振频率下降，趋近于原来的频率。石英谐振器比一般LC振荡器频率稳定度高，具体表现如下：(1) 石英谐振器具有很高的标准性。 (2) 外接元件对石英谐振器的接入系数为 故接入系数很小，一般为10-410-3，因此大大削弱了外电 路不稳定因素对石英谐振器的影响。(3)石英谐振器的品质因数为 品质因数Q很大，可达104106。而一般 LC振荡器的品质因数只有几百，因此石英 谐振器具有很强的稳频作用。4.3.2 串联型石英晶体振荡器串联型晶体振荡器一般是将石英谐振器用于正反馈中，利用 其串联谐振时等效为短路元件，电路反馈最强，满足振幅起 振条件，使振荡器在石英谐振器串联谐振频率fq上起振。(a) 原理电
