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1、第4章 正弦波振荡器,4.1 反馈型振荡器 4.2 三点式LC振荡器 4.3 石英晶体振荡器 4.4 RC正弦波振荡器 4.5 集成电路振荡器 4.6 实训4：LC与晶体振荡器,第4章 正弦波振荡器,振荡器是指在没有外加信号作用下的一种自动将直流电源的能量转换为具有一定波形参数的交流振荡信号的装置。正弦波振荡器在电子技术领域里有着广泛的应用。例如，在无线电通信、广播、电视发射机中用来产生所需的载波和本机振荡信号;在电子测量仪器中用来产生各种频段的正弦信号等。对这些振荡器的主要要求是振荡频率和振荡幅度的准确性和稳定性，其中振荡频率的准确性和稳定性最为重要。,下一页,返回,第4章 正弦波振荡器,振
2、荡器的种类很多。从所采用的分析方法和振荡器的特性来看，可以把振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器两大类。根据振荡器所产生的波形，又可以把振荡器分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。,返回,上一页,4.1 反馈型振荡器,4.1.1反馈型振荡器的工作原理反馈型振荡器是通过正反馈连接方式实现等幅正弦振荡的电路。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。图4一1所示为反馈型振荡器的组成方框图及相应电路。,下一页,返回,4.1 反馈型振荡器,作为反馈型振荡器，当它刚接通电源时，振荡电压是不会立即建立起来的，而
3、必须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程，直到进入平衡状态，使振荡电压的振幅和频率维持在相应的平衡值上。即使有外界不稳定因素的影响，振幅和频率仍应稳定在原平衡值附近，而不会产生突变或者停止振荡。因此要保证闭合环路成为反馈振荡器的条件是:保证接通电源后从无到有建立起振荡的起振条件，保证进入平衡状态、输出等幅持续振荡的平衡条件以及保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏的稳定条件。,下一页,返回,上一页,4.1 反馈型振荡器,4.1.2平衡条件、起振条件和稳定条件1.平衡条件当反馈信号uf等于放大器的输入信号ui，或者反馈信号uf等于产生输出电压uo所需的输入电压ui，这时振荡电路的输出电压
4、不再发生变化，电路达到平衡状态，因此将ui=uf称为振荡的平衡条件。因这是一个复数方程，可见，振荡的平衡条件应包括振幅平衡条件和相位平衡条件两个方面。,下一页,返回,上一页,4.1 反馈型振荡器,振幅平衡条件AF=1 (4. 1)相位平衡条件(4. 2) 式中,下一页,返回,上一页,4.1 反馈型振荡器,式(4.1)说明，由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路中，其环路传输系数应等于1，以使反馈电压与输入电压相等。式(4. 2)说明，放大器与反馈网络的总相移必须等于 的整数倍，使反馈电压与输入电压相位相等，以保证环路构成正反馈。反馈型振荡器要稳定振荡，其振幅条件和相位条件必须同时满足，利用相位平
5、衡条件确定振荡频率振幅，利用平衡条件确定振荡输出信号的幅值。,下一页,返回,上一页,4.1 反馈型振荡器,2.起振条件上面讲的振荡平衡条件是假定振荡已经产生，而为了维持振荡平衡所需的要求。但是刚一开机时振荡是如何产生的呢?振荡器闭合电源后，各种扰动，如晶体管电流的突然增长、电路的热噪声，是振荡器起振的初始激励。突变的电流包含着许多谐波成分，扰动噪声也包含各种频率分量，它们通过LC谐振回路，在它两端产生电压，由于谐振回路的选频作用，只有接近于LC回路谐振频率的电压分量才能被选出来，但是电压的幅度很微小，不过由于电路中正反馈的存在，经过反馈和放大的循环过程，幅度逐渐增长，这就建立了振荡。图4 -2
6、所示为振荡的建立过程。,下一页,返回,上一页,4.1 反馈型振荡器,振荡器起振条件是指为产生自激振荡所需放大倍数A和反馈系数F的乘积最小值。必须满足:振幅起振条件AF1 (4. 3)相位起振条件(4. 4)相位条件是构成振荡电路的关键，振荡闭合环路必须是正反馈。相位起振条件和相位平衡条件是一致的。,下一页,返回,上一页,4.1 反馈型振荡器,3.稳定条件振荡器的稳定条件是说在某种扰动下，使振荡器的原平衡条件遭到破坏时，能在原平衡点附近重新建立新的平衡状态，当扰动消失后，能自动恢复原来的平衡状态时电路所要满足的条件。稳定条件分为振幅和相位条件。(1)振幅平衡稳定条件振幅平衡的稳定条件为(4. 5
7、),下一页,返回,上一页,4.1 反馈型振荡器,图4一3所示为输入电压与电压增益A及1/F之间的关系曲线，曲线的左半部反映了当uo较小时，随着uo的增大电压增益A增大，达到最大值后又将随着uo增大而减小。曲线与1/F有两个交点B与Q。在这两个点都满足振幅平衡条件AF=1，所以，都是平衡点。但B点为不稳定平衡点。假若在B点，由于某种因素使uo增大，A增大，此时A1,即AF1，振荡会越来越强。再看Q点，假定由于某种因素使uo增大，而增益A反而下降，使A1,即AF1，振荡会自动减弱，从而使振荡稳定。所以，Q点为稳定的平衡点。在曲线B处的斜率为正，Q处的斜率为负。,下一页,返回,上一页,4.1 反馈型
8、振荡器,(2)相位平衡稳定条件相位平衡的稳定条件为(4. 6),下一页,返回,上一页,4.1 反馈型振荡器,在振荡器的振幅平衡条件受到破坏的同时，相位平衡条件也会遭到破坏，从而使振荡器不能正常工作。要保持振荡器的相位平衡的稳定，就必须保证当外界的扰动引起振荡频率发生变化从而产生新的相移时，振荡器应该有恢复相位平衡的能力。也就是说，在振荡频率发生变化时，振荡器能够产生一个相移，该相移若与扰动引起的相移大小相等，方向相反，则可以保证电路的相位平衡条件。图4 -4所示为振荡器相频特性曲线。,下一页,返回,上一页,4.1 反馈型振荡器,假设初始的振荡频率为c，由于外界干扰产生新的相移时，破坏了原来工作
9、于c的平衡条件，使频率提高到c ，频率的变化量为 c ，该变化量 c引起的相位的变化量为该相移若完全抵消干扰产生的相移，则振荡器c达到新的平衡。可见，相位平衡的稳定条件是振荡器的相频特性具有负的斜率。,返回,上一页,4.2 三点式LC振荡器,LC振荡器就是采用LC谐振回路做选频网络的一类振荡器。在振荡频率的稳定度不是很高的情况下，此类振荡器应用非常广泛。三点式LC振荡器是指LC回路的3个端点与晶体管的3个电极分别连接而组成的一种振荡器，它可分为电容三点式振荡器和电感三点式振荡器两种基本类型。,下一页,返回,4.2 三点式LC振荡器,4. 2. 1三点式振荡器的基本工作原理三点式振荡器的基本结构
10、如图4一5所示。图中放大器采用晶体管三极管， 3个电抗元件X1、X2、X3组成LC谐振回路，回路3个引出端分别与晶体管3个电极相连，谐振回路既是晶体管的集电极负载，又是正反馈选频网络。,下一页,返回,上一页,4.2 三点式LC振荡器,电路要产生振荡，首先满足相位平衡条件，即电路应构成正反馈。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。 当X1、X2、X3组成的谐振回路谐振时，即X1 + X2 + X3 =0，回路等效阻抗为纯电阻，放大器的输出电压uo与ui反相，电抗X2上的压降uf必须与uo反相， uf才会与ui同相，使电路满足相位平衡条件。由此可知三点式振荡电路的反馈系数。,下
11、一页,返回,上一页,4.2 三点式LC振荡器,综上所述， X1与X2的电抗性质必须相同， X3与X1、 X2的电抗性质必须相异。即与发射极相连的为同性质电抗，不与发射极连接的为异性质电抗。根据这个法则，构成电感三点式和电容三点式振荡器，如图4一6所示。,下一页,返回,上一页,4.2 三点式LC振荡器,4. 2. 2电感三点式振荡器电感三点式振荡器又称哈脱莱(Hartley)振荡器，其原理电路如图4一7(a)所示。交流通路如图4一7(b)所示。电路由L1、L2及C组成的谐振回路作为集电极的负载。晶体管的3个电极接LC回路的3个端点，反馈电压取自电感，也叫电感反馈振荡器。电阻RB1 、 RB2为基
12、极偏置电阻，使电路便于起振，并具有较高的电压增益。 CB为旁路电容， CE为藕合电容，防止直流时电感将发射极对地短路。,下一页,返回,上一页,4.2 三点式LC振荡器,由图4 -7 ( b)所示的交流通路图可见，当L1、L2及C组成谐振回路时，输出电压uo与输入电压ui反相，而反馈电压uf与uo反相，所以uf与ui同相，电路在回路谐振频率上构成正反馈，满足振荡的相位条件。由此可得电路的振荡频率为反馈系数为,下一页,返回,上一页,4.2 三点式LC振荡器,电感三点式振荡器的优点是电路便于起振。其次用改变电容的方法调整振荡频率时，小会改变反馈系数，因而也基本不会影响输出电压的幅度，故调整振荡频率方
13、便。其缺点是由于反馈信号取自电感，而电感对于高次谐波呈现高阻抗，故输出波形的高次谐波成分较多，输出波形不够好。其次由于L1、L2上的分布电容及晶体管的结电容都与它们并联，当工作频率很高时，分布参数的影响会很严重，甚至可能使F衰减到不满足起振条件。因此，振荡频率不宜过高。,下一页,返回,上一页,4.2 三点式LC振荡器,4. 2. 3电容三点式振荡器电容三点式振荡器又称考毕兹(Colpitts)振荡器，其原理电路如图4一8(a)所示交流通路如图4-8 (b)所示。晶体管的3个电极分别接LC回路，反馈电压取自电容C2,故也叫电容反馈振荡器。,下一页,返回,上一页,4.2 三点式LC振荡器,由图可见
14、C1 、 C2 、 L并联谐振回路构成反馈选频网络，其中C1相当于如图4一5所示的X1, C2相当于X2, L相当于X3 ，并联谐振回路3个端点分别与晶体管的3个电极相连接，且X1与X2为同性质电抗元件， X3与X1、 X2为异性质电抗元件，符合三点式振荡电路组成法则，满足振荡的相位平衡条件。由此可得电路的振荡频率为电路的反馈系数为,下一页,返回,上一页,4.2 三点式LC振荡器,电容三点式振荡器的优点是输出波形好。这是由于反馈电压取自电容支路，而电容对高次谐波的阻抗很小，因而输出波形中因非线性产生的高次谐波的成分较小。当振荡频率较高时，可以直接利用晶体管的输入电容及输出电容作为回路元件，但振
15、荡频率的稳定度不会太高。该类振荡器的振荡频率高于电感三点式振荡电路的振荡频率。其缺点是改变电容来调节振荡频率时，反馈系数F也会随之改变，严重时，还会影响输出电压的稳定和起振条件。,下一页,返回,上一页,4.2 三点式LC振荡器,4. 2. 4改进型电容三点式振荡器由于晶体管极间存在寄生电容，它们均与谐振回路并联，会使振荡频率发生偏移，而且晶体管极间电容的大小会随晶体管工作状态的变化而变化，这将引起振荡频率的不稳定。为了减少晶体管极间电容的影响，可采用克拉泼电路(Clapp )，它为改进型电容三点式振荡电路。与电容三点式振荡电路相比较，仅在谐振回路电感支路增加了一个电容C3 ，其取值比较小，要求
16、 。,下一页,返回,上一页,4.2 三点式LC振荡器,从图4一9(b)所示的交流通路可知，Cce、 Cbe、Ccb分别为晶体管C、E和B、 E和C、B之间的极间电容，它们都并接在C1、C2上，而不影响C3的值，因此，谐振回路的总电容上量为式中，略去晶体管极间电容的影响，则得并联谐振回路的谐振频率，即振荡频率为,下一页,返回,上一页,4.2 三点式LC振荡器,由此可见， C1、C2对振荡频率的影响显著减小，那么与C1、C2并接的晶体管极间电容的影响也就很小， C3越小，振荡频率的稳定度就越高。但为了满足相位平衡条件，L、 C3串联支路应呈感性，所以实际振荡频率稳定度提高了，改变C3 ，反馈系数可保持不变，但谐振回路接入C3后，使晶体管输出端(C、 E)与回路的藕合减弱，晶体管的等效负载减小，放大器的放大倍数下降，振荡器输出幅度减小。 C3越小，放大倍数越小，如C3过小，那么振荡器因不满足振幅起振条件而会停止振荡。,
