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1、第四章 正 弦 振 荡 器第六节 RC 振 荡 器第一节 反 馈 振 荡 器 的 基 本 原 理第二节 三 点 式 L C 振 荡 器第三节 石 英 晶 体 振 荡 器第四节 压 控 振 荡 器第五节 集 成 电 路 振 荡 器概 述以前学过的放大器都是在外界激励信号的作用下，将信号能量转换成交流能量。我们设想，如果从输出反馈到输入（正反馈）作为激励信号，也能完成直流能量转换为交流能量，这就是本章要讲的振荡器。振荡器分类：分为正弦振荡器 和非正弦振荡器一、按振荡波形分：分为高频振荡器 和低频振荡器二、按频率分：三、按振荡原理分：分为反馈型振荡器和负阻型振器分为LC振荡器、RC振荡器和石英晶体振
2、荡器四、按选频回路分：对振荡器性能的要求：1振荡频率和频率稳定度高2振荡幅度和振荡稳定度高3波形纯度好振荡器的组成（三部分）：1控制能量转换的有源器件（放大器）2具有正反馈的选频网路3稳幅的限幅电路（通常由有源器件本身完成）下面首先分析振荡器的基本理论，然后据前述性能要求对 各种振荡器进行讨论。第一节 反馈振荡器的基本原理一、振荡的必要条件一般情况下，反馈振荡的框图可 表示为：此即著名的巴克豪森条件。将上式分解为幅值条件和相位条件： 表明补充能量等于消耗能量表明正反馈因此正反馈是振荡的必要条件。显然 当即产生自激振荡反馈振荡器方框图幅值条件相位条件下面以互感耦合LC振荡器为例来具体讨论：如果不
3、看反馈电路， 它就是典型的调谐放 大器。输入信号Ui经 过放大在LC两端输出 Uo。当谐振时Uo与Ui反相，经过互感耦合 在次级得到反馈电压 Uf。按图示同名端， Uf=Ui,形成了正反馈环路，构成了自激振 荡器。图4-3 互感耦合LC振荡器振荡建立过程的波形二、振荡器的起振过程和起振条件起振过程：起振之初，当电源一闭合，电流呈阶跃信号， 它包含有各种频率成分。通过LC回路的选频作用，只有 和回路谐振频率相同的成分被放大，产生Uf，当电压回输到输入，再进一步放大，如此下去便由小到大的振荡起来。 这个振荡不断增长的过程即是起振过程。根据以上分析，可直接写出振荡器的起振条件：即AB1,表明补充能量
4、消耗能量表明是正反聩分解后得：三、平衡过程和平衡条件起振之初是增幅振荡，但这种增幅不会一直“增”下去。这 主要是由于管子非线性和限幅作用，使A随Ui增长而下降 ，直到|AB|=1，进入等幅状态为止。大信号情况下，振荡器工作在丙类，按折线性分析法，有显见其中称平均跨导三、平衡过程和平衡条件当下降到AB=1（平衡状态）时，振荡器满足Ui=Uf，保持等幅振荡。振荡平衡的幅值条件和相位条件为：应该指出的是|AB|=1A+B=2n (n=0,1,2)表明：补充的能量=消耗的能量表明：是正反馈Au起Au平四、振荡器的稳定条件上述的平衡条件，只能说明能等幅振荡，并不说明这种平 衡状态是否稳定。实际上，不稳定
5、因素总是存在的，如Ec、T、 RL、Gm、L、C的变化破坏了平衡，最终导致Uo、fo、A的变化。如果不稳定因素去掉后，振荡器仍能回到原来的平衡状态， 则称是稳定的，否则称非稳定的。下面我们设法找出稳定平衡 的振幅条件和相位条件。平衡时 AB=1 或 A=1/B ,B一般与Ui 无关 。所以1/B为一条水平线，如图：Au (Gm)UiQUiQ1/BUiAu关系曲线如图所示交点在平衡点Q我们考察一下，A在Q点附近变化的情况：若从Q点向右变若从Q点向左变增幅减幅Au (Gm)UiQUiQ1/B所以我们称Q点为稳定平衡点，显然要使Uo、Ui稳定，必 须在振荡平衡点有阻止幅度变化的能力，即A（或Gm）的
6、 变化趋势必须同Ui相反。此即振幅平衡的稳定条件。或（二）相位稳定条件不稳定因素也会破坏相位平衡条件，而相位的变化会导致f的变化，这是因为当 ，U f超前Ui相当于提前向LC补偿能量，使要使振荡器的相位得到稳定，必须在f变化时，产生反方向的相位变化，以便补偿原来的相位变化，所以相位稳 定条件是：实际上，LC回路具有补偿相位变化的作用，为了说明这 一点，看其相频特性:当 ， U f滞后Ui相当于滞后向LC补偿能量，使当外界干扰引入 （提前补偿能量）回路引入相移 （滞后补偿能量）使 f 不再增长，当外界干扰撤去 反之亦然。应该指出：稳定平衡不应理解 为在不稳定因素影响下振幅、 相位不变，而是一种振
7、幅和相 位上的动态平衡。综合以上分析，可得结论：（1）影响振幅平衡的主要不稳定因素是电阻性的（2）影响相位平衡的主要不稳定因素是电抗性的1长期稳定度：我们通常讲的稳定度是指短期稳定度，它定义为:（三）振荡器的频稳度频率稳定度是衡量振荡器的重要指标，根据测试时间的长短 分为：其中 第i次测试时的绝对频率偏差绝对频率偏差的平均值用于天文台或计量单位 用于评价通信测量设备 用于衡量设备的瞬时稳定度2短期稳定度： 3瞬间稳定度：提高稳定度的措施，主要从两方面着手： 减小外界因素的变化； 提高电路本身抵抗外界因素影响的能力。1减小外界因素变化的影响：可采用稳压、温补、恒温、屏蔽等方法。 2提高电路抵抗外
8、界因素变化影响的能力：（1）提高电路的标准性（2）选取合理的电路形式。第二节 三点式LC振荡器前述的LC互感耦合振荡器具有电路简单，易起振等特点但其频稳度较低（和晶体管参数有关），振荡频率不高。目前分离电路中采用较多的是三点式LC振荡器。本节就典型的三点式振荡器进行分析和讨论。一、三点式电路的组成法则三点式振荡器：指LC回路的三个端点分别接在晶体管三个极而组成的振荡器。IIbIc我们首先分析在满足正反馈时， LC回路中三个电抗元件应具有什 么性质。 为简单起见，假设： （1）晶体管的内部附加相移忽略不计 （2）谐振时，谐振电流IIc、Ib （3）LC回路中的损耗可略由图可见三点式振荡器的原理图
9、如图：谐振时Uo与Ui反相，所以为了满足正反馈Uo与Uf也反相。则：IIb IC在三点式电路中，LC回路中与发射极 相连的两个电抗元件 (Xbe、Xce)必须为同 性质；另一个电抗元件必须为异性质。 这是三点式电路的组成法则，有时也称 为三点式振荡器的相位平衡法则。谐振时放大器的负载为纯阻，即Xbe+Xce+Xbc=0或Xbc=-(Xbe+Xce)即Xbc与Xbe、Xce的性质相反。当Xbe、Xce为电容时，称电容三点式振荡器，也称科皮兹 （Colpits）振荡器； 当Xbe、Xce为电感时，称电感三点式振荡器，也称哈特莱 （Hartley）振荡器。二、电容三点式振荡器各元件作用： Lc高频扼
10、线圈，通直隔交；CB通交隔直。 使交、直流不致相互短路。1交流通路（如图）由于满足相位平衡准则，只要再满足 振幅条件，即可正常工作。2振荡频率和振荡条件 振荡器平衡状态下，其可采用大信 号等效电路， 如图电路如图：LC2C1C2C1LGieGoeGmIb/GieGoeIIb IcEc Rb1Rb2ReCBC2C1Ce LLc其中，电流源由图列出回路方程上式为线性齐次方程组，所以Ib、 Ic、 I不为0的充分必要条件 是系数行列式D=0，这就是待求的特征方程式。D=0，它的实 部和虚部均为0。转换成压源C2C1LGieGoeGmIb/GieGoeIIb Ic令D的虚部等于0，可求出振荡频率显然，
11、振荡器工作时，LC回路处于失谐状态，但通常令D的实部等于0，可得振幅平衡条件由此可求出起振条件(Gm)min起振所需的最小跨导。根据等效电路,可求得所以起振条件可改写为一般说来, 有利起振,但这是有条件的，其条件是Gie对 LC回路的作用小到可忽略的程度，同时r极小，此时; 如果Gie较大，则起振条件中的第二项不可忽略，此时 ，反而不易起振，那么最佳反馈系数应为多 少呢？C2C1LGieG0eGmIb/GieGoeIIb IcUfUo+-+令 求得最佳反馈系数在以上推导中，认为 r=0 ，若考虑r0 ，则起振条件应为其中其中rGPGPLC1C2例4-1 一Colpitts振荡器，L=50us
12、，C1=200pF ，C2=1000pF， LC回路的Q=80，在工作点的Gie=1ms，Goe=0.02ms， Gm=50ms，求振荡频率f和最小跨导(Gm)min.解：当Q时，Gp0, 需考虑固有损耗电感三点式振荡器电路三、电感三点式振荡器电路和交流通路如图交流通路L2L1振荡频率和振荡条件其分析方法与分析电容三点式相同令特征方程D的虚部为0，得振荡频率:显见，振荡频率略小于0，也处于略失谐状态。令D的实部为0，得起振条件：反馈系数因为L1 L2绕在同一骨架上，属全耦合,即K=1，代入上式为兼顾起振和波形，可取N2=(0.1-0.5)N1四、两种三点式振荡器的比较电容三点式电感三点式1、制
13、作简单（L无抽头）波形好（因为电容滤除高次谐波性能好）2、频稳度高3、振荡频率高，一般可达几百MHz4、调节f不便用途：用于固定f振荡器1、制作复杂（L有抽头）波形较差（电感对高次谐波呈高阻，滤波性能差）2、频稳度稍低3、振荡频率不高，一般可达几十MHz4、调节f方便5、当f不太高时，较易起振用途：用于可变f振荡器例 在例图所示振荡器交流等效电路中，三个LC并联回路的谐振频率分别是： 试问 、 、 满足什么条件时该振荡器能正常工作？ 解：由图可知，只要满足三点式组成法则，该振荡器就能正常工作。 若组成电容三点式， 则在振荡频率 处， 回路与 回路应呈现容性， 回路应呈现感性。所以应满足 或 若
14、组成电感三点式，则在振荡频率 处， 回路与 回路应呈现感性， 回路应呈现容性，所以应满足 或 五、改进型电容三点式电路从以上比较可知，电容三点式比电感三点式性能好，但如何 减小Cie、Coe对频稳度影响仍是需解决的问题，于是出现了 改进电路：克拉泼（clapp）振荡器；西勒（seiler）振荡器。在colpitts电路基础上在L支路上串 联C3，满足C3负反馈闭环增益当起振时，应满足|AfB|1这里加负反馈支路的作用有二： 降低增益，要满足Af=3，必须加负反馈。 自动稳幅，主要通过R1(t)来完成。 稳幅过程如下：起振后R1(t)的电流不断 R1(t) Af Af =3时 |AfB|=1 （稳定平衡条件）它与LC振荡器相比有以下优点和缺点： 优点： （1）波形失真小（运放本身工作在线性状态，且加有深度 负反馈），其非线性失真很小，可达0.10.01%。缺点：振荡频率很低，频稳度不高（10-2到10-3）（2）频率复盖系数大（3）振幅在全频内基本不随f而变（有深负反馈）本 章 小 结1振荡器的指标要求2振荡器的起振、平衡、稳定条件、起振条件、频稳度定义3三点式振荡器的构成准则、振荡频率、起振条件、性能比较4石英晶振的特点、分类及电路要求5压控振荡器的工作原理及指标要求6集成电路振荡器构成、特点7RC桥式振荡器的工作原理、振荡频率、起振条件、与LC振荡器的比较
