通信电路课件：第4章 正弦波振荡器

《通信电路课件：第4章 正弦波振荡器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信电路课件：第4章 正弦波振荡器（136页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、通信电路第4章 正弦波振荡器1(1) 低频部分：信息变换与放大(2) 高频部分：高频信号产生、放大、调制低频放大器高频振荡器高频谐振放大器振幅调制器高频功放换能器原始信息（1）发送设备无线模拟通信系统2超外差式无线电收信设备的组成（2）接收设备本地振荡器混频器中频放大器检波器(解调)低频放大器高频谐振放大器3. 概述概述. 反馈振荡原理反馈振荡原理. LC振荡器振荡器. 晶体振荡器晶体振荡器. 压控振荡器压控振荡器*. 集成电路振荡器集成电路振荡器*.实例介绍实例介绍.章末小结章末小结第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器44.1 概概 述述n振荡器是一种能自动地自动地将直流电源能量转换为一定波

2、形的交变振荡信号能量的转换电路转换电路。n它与放大器的区别在于, 无需外加激励信号无需外加激励信号, 就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。 5n根据所产生的波形不同, 可将振荡器分成q正弦波振荡器n产生正弦波q非正弦波振荡器n产生矩形波、 三角波、 锯齿波等n本章仅介绍正弦波振荡器。 6n常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络选频网络和维持振荡的正反馈放大器正反馈放大器组成, 这就是反馈振荡器反馈振荡器。n按照选频网络所采用元件的不同, 正弦波振荡器可分为振荡器、振荡器和晶体振荡器等类型。q振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波高频正弦波, q振荡器用于产生低频正弦波低频正

3、弦波。n正弦波振荡器的主要性能指标q频率稳定度频率稳定度7n另外还有一类负阻振荡器负阻振荡器, q利用负阻器件负阻器件所组成的电路来产生正弦波, q主要用在微波波段微波波段84.2 反馈振荡原理反馈振荡原理n 4.2.1并联谐振回路中的自由振荡现象并联谐振回路中的自由振荡现象n在反馈振荡器中, 并联谐振回路是最基本的选频网络, n所以先讨论并联回路的自由振荡现象, 并以此为基础分析反馈振荡器的工作原理。 9图 4.2.1 RLC电路与电压源的连接 10n图4.2.1是一个并联谐振回路与一个直流电压源US的连接图。e0是并联回路的谐振电阻。在以前开关S接通, 使uc()=Us。在时, 开关S很快

4、断开, 接通。11 n其特征方程为n其特征根12n过阻尼过阻尼，两个特征根为不相等的负实根n临界阻尼临界阻尼，两个特征根为相等的负实根n欠阻尼欠阻尼，两个特征根为共轭复数根13 根据电路分析基础知识, 可以求出在e0 的情况下, 以后, 并联回路两端电压的表达式, 即回路在欠阻尼情况下的零输入响应： (4.2.1)其中振荡角频率0=1 , 衰减系数=1/(2Re0C) 。14图 4.2.2 RLC欠阻尼振荡波形 15 可见, 当谐振电阻较大时, 并联谐振回路两端的电压变化是一个振幅按指数规律衰减的正弦振荡按指数规律衰减的正弦振荡。 并联谐振回路中自由振荡衰减的原因在于损耗电阻的存在。 若回路无

5、损耗, 即e0, 则衰减系数, 由式（421）可知, 回路两端电压变化将是一个等幅正弦振荡。 由此可以产生一个设想, 如果采用正正反反馈馈的方法, 不断地适时给给回回路路补补充充能能量量, 使之刚好与e0上损耗的能量相等, 那么就可以获得等幅的正弦振荡了。 164.2.2振荡过程与振荡条件振荡过程与振荡条件图 4.2.3 反馈振荡器的组成 17n一个反馈振荡器必须满足三个条件： q起振条件起振条件（保证接通电源后能逐步建立起振荡）q平衡条件平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）q稳定条件稳定条件（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏）。18 . 起振过程与起振条件起振过程与起振

6、条件 在图4.2.3所示闭合环路中, 在处断开, 并定义环路增益环路增益 其中 , , , 分别是反馈电压、输入电压、主网络增益和反馈系数, 均为复数。 19 在刚接通电源时, 电路中存在各种电扰动, 如接通电源瞬间引起的电流突变, 电路中的热噪声等等, 这些扰动均具有很宽的频谱。 如果选频网络是由并联谐振回路组成, 则其中只有角频率为谐振角频率0的分量才能通过反馈产生较大的反馈电压 。 如果在在谐谐振振频频率率处处, 与原输入电压 同相, 并且具有更大的振幅, 则经过线性放大和反馈的不断循环, 振荡电压振幅就会不断增大。所以, 要使振幅不断增长的条件使振幅不断增长的条件是:20也可分别写成：

7、即 T(0)=2n (n=, , , ) (4.2.5) 式（424）和（425）分别称为振幅起振条件和相位起振条件。在在起起振振过过程程中中, 直直流流电电源源补补充充的的能能量量大大于于整整个个环路消耗的能量环路消耗的能量。 (4.2.4)(4.2.3)21 平衡过程与平衡条件平衡过程与平衡条件 振荡幅值的增长过程不可能无止境地延续下去, 因为放大器的线性范围是有限的。 随着振幅的增大, 放大器逐渐由放大区进入饱和区或截止区, 工作于非线性的甲乙类状态, 其增益逐渐下降。 当当放放大大器器增增益益下下降降而而导导致致环环路路增增益益下下降降到到时时, 振振幅幅的的增增长长过过程程将将停停止

8、止, 振振荡荡器器达达到到平平衡衡, 进进入入等等幅幅振振荡荡状状态态。 振荡器进入平平衡衡状状态态以后, 直直流流电电源源补补充充的的能能量量刚刚好好抵抵消消整整个个环路消耗的能量环路消耗的能量。 所以, 反馈振荡器的平衡条件为:22 T(0)=2n n=, , , (4.2.8)式（427）和（428）分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。 (4.2.6)也可分别写成：(4.2.7)23 根据振幅的起振条件和平衡条件, 环路增益的模值应该具环路增益的模值应该具有随振幅有随振幅Ui增大而下降的特性增大而下降的特性, 如图4.2.4所示。由于一般放大器的增益特性曲线均具有如图4.2.4所示的形状

9、, 所以这一条件很容易满足, 只要保证起振时环路增益幅值大于即可只要保证起振时环路增益幅值大于即可。而环路增益的相位T（0）则必须维持在上, 保证为正反馈正反馈。 24图 4.2.4 满足起振和平衡条件的环路增益特性 25 平衡状态的稳定性和稳定条件平衡状态的稳定性和稳定条件 振荡器在工作过程中, 不可避免地要受到各种外界因素变化的影响, 如电源电压波动、 温度变化、 噪声干扰等。 这些不稳定因素将引起放大器和回路的参数发生变化, 结果使（0）或T（0）变化, 破坏原来的平衡条件。 如果通过放大和反馈的不断循环, 振荡器越来越偏离原来的平衡状态, 从而导致振荡器停振或突变到新的平衡状态, 则表

10、明原来的平衡状态是不稳定的。反反之之, 如如果果通通过过放放大大和和反反馈馈的的不不断断循循环环, 振振荡荡器器能能够够产产生生回回到到原原平平衡衡点点的的趋趋势势, 并并且且在在原原平平衡衡点点附附近近建建立立新新的的平平衡衡状状态态, 则则表表明明原原平平衡衡状态是稳定的状态是稳定的。 26 要要使使振振幅幅稳稳定定, 振振荡荡器器在在其其平平衡衡点点必必须须具具有有阻阻止止振振幅幅变变化化的的能能力力。具体来说, 在平衡点UiUiA附近, 当不稳定因素使输入振幅Ui增大时, 环路增益幅值(0)应该减小, 使反馈电压振幅Uf减小, 从而阻止Ui增大；当不稳定因素使Ui减小时, T(0)应该

11、增大, 使Uf增大, 从而阻止Ui减小。这就要求在平衡点附近, T(0)随Ui的变化率为负值, 即: (4.2.9) 式（429）就是振幅稳定条件。对照图424可以看到, 满足这个条件的环路增益特性与满足起振和平衡条件所要求的环路增益特性是一致的。 27 振荡器的相位平衡条件是T（0）。在振荡器工作时, 某些不稳定因素可能破坏这一平衡条件。如电源电压的波动或工作点的变化可能使晶体管内部电容参数发生变化, 从而造成相位的变化, 产生一个偏移量。由由于于瞬瞬时时角角频频率率是是瞬瞬时时相相位位的的导导数数, 所所以以瞬瞬时时角角频频率率也也将将随随着着发发生生变变化化。为为了了保保证证相相位位稳稳

12、定定, 要要求求振振荡荡器器的的相相频频特特性性T（）在在振振荡荡频频率率点点应应具具有有阻阻止止相相位位变变化化的的能能力力。具体来说, 在平衡点=0附近, 当不稳定因素使瞬时角频率增大时, 相频特性T（0）应产生一个-, 从而产生一个-, 使瞬时角频率减小； 28 当不稳定因素使减小时, 相频特性T（0）应产生一个, 从而产生一个, 使增大, 即T（）曲线在0附近应为负斜率, 如图4.2.5所示。 数学上可表示为： 式（4.2.10）就是相位的稳定条件。 (4.2.10)29图4.2.5 满足相位稳定条件的相频特性 图 4.2.4 满足起振和平衡条件的环路增益特性 30 4.2.3反馈振荡

13、电路判断反馈振荡电路判断 根据上述反馈振荡电路的基本原理和应当满足的起振、 平衡和稳定三个条件, 判断一个反馈振荡电路能否正常工作, 需考虑以下几点： 可变增益放大器件(晶体管, 场效应管或集成电路)应有正确的直流偏置, 开始时应工作在甲类状态开始时应工作在甲类状态, 便于起振便于起振。 开始起振时, 环路增益幅值AF(0)应大于1。由于反馈网络通常由无源器件组成, 反反馈馈系系数数F小小于于1, 故故A(0)必必须须大大于于1。共共射射、共共基基电电路路都可以满足这一点。 为了增大A(0),负载电阻不能太小。 环路增益相位在振荡频率点应为环路增益相位在振荡频率点应为2的整数倍的整数倍, 即环

14、路应是即环路应是正反馈正反馈。 31 选频网络应具具有有负负斜斜率率的的相相频频特特性性。因为在振荡频率点附近, 可以认为放大器件本身的相频特性为常数, 而反馈网络通常由变压器、 电阻分压器或电容分压器组成, 其相频特性也可视为常数, 所以相位稳定条件应该由选频网络实现相位稳定条件应该由选频网络实现。 注意LC并并联联回回路路阻阻抗抗的的相相频频特特性性和和LC串串联联回回路路导导纳纳的的相相频特性是负斜率频特性是负斜率, 而而LC并并联联回回路路导导纳纳的的相相频频特特性性和和LC串串联联回回路路阻阻抗抗的的相相频频特性是正斜率特性是正斜率。 以上第点可根据直流通路进行判断, 其余3点可根据

15、交流等效电路进行判断。 32图1.1.5 阻抗特性(a) 串联谐振回路的阻抗特性；(b) 并联谐振回路的阻抗特性 回路回路Q值越高，曲线越陡峭，频率稳定性越好值越高，曲线越陡峭，频率稳定性越好33 例例 4.1 判断图例4.2.6所示各反馈振荡电路能否正常工作。 其中（）、（）是交流等效电路, （）是实用电路。图例4.2.6 两级共射反馈共基共集两级反馈34 解解: 图示三个电路均为两级反馈, 且两级中至少有一级是共射电路或共基电路, 所以只要其电压增益足够大, 振荡的振幅条件容易满足。 而相位条件一是要求正反馈, 二是选频网络应具有负斜率特性。35两级共射反馈对于晶体管来说，利用利用转移特性

16、，输入是电压，转移特性，输入是电压，输出是电流输出是电流36共基共集两级反馈37共基共集两级反馈384.2.4 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 1. 频率稳定度定义频率稳定度定义 反馈振荡器若满足起振、平衡、稳定三个条件, 就能够产生等幅持续的振荡波形。 当受到外界不稳定因素影响时, 振荡器的相位或振荡频率可能发生些微变化, 虽然能自动回到平衡状态, 但振荡频率在平衡点附近随机变化这一现象却是不可避免的。 为为了了衡衡量量实实际际振振荡荡频频率率相相对对于于标标称称振振荡荡频频率率0变变化化的的程程度度, 提出了频率稳定度这一性能指标提出了频率稳定度这一性能指标。 39n频率稳定度是将振

17、荡器的实测数据代入规定的公式中计算后得到的。n根据测试时间的长短, 将频率稳定度分成q长期频稳度长期频稳度: 长期频稳度主要取决于元器件的老化特性q短期频稳度短期频稳度: 短期频稳度主要取决于电源电压和环境温度的变化以及电路参数的变化等等q瞬时频稳度瞬时频稳度:瞬时频稳度则与元器件的内部噪声有关n测试时间分别为一天以上、 一天以内和一秒以内。时间划分并无严格的界限, 它是按照引起频率不稳定的因素来区别的。40通常所讲的频率稳定度一般指短期频稳度短期频稳度, 定义为 (4.2.11)其中， (f0)i=|fif0|是第次测试时的绝对频率偏差； 是绝对频率偏差的平均值, 也就是绝对频率准确度。 可

18、见, 频率稳定度是用均方误差值均方误差值来表示的相对频率偏差程相对频率偏差程度度。 41 2. 提高提高LC振荡器频率稳定度的措施振荡器频率稳定度的措施n各种环境因素如温度、 湿度、 大气压力等的变化会引起回路元件、 晶体管输入输出阻抗以及负载的微小变化, 从而对回路值和振荡频率产生影响, 造成频率不稳定。n反馈振荡器的振荡频率通常主要由选频网络中元件的参数决定, 同时也和放大器件的参数有关。n针对这些原因, 主要可采取两类措施来提高振荡器的频率稳定度。q减小外界因素变化的影响q提高电路抗外界因素变化影响的能力42n(1) 减小外界因素变化的影响减小外界因素变化的影响。可以采用q稳压或振荡器单

19、独供电的方法来稳定电源电压, q采用恒温或温度补偿的方法来抵消温度变化的影响,q还可以预先将元器件进行老化处理q采取屏蔽、密封、抽真空方法减弱外界磁场、湿度、压力变化等等的影响。n(2) 提高电路抗外界因素变化影响的能力提高电路抗外界因素变化影响的能力。这类措施包括两个方面： q一是提高回路的标准性,q二是选取合理的电路形式。43n回路的标准性回路的标准性是指外界因素变化时, 振荡回路保持其谐振频率不变的能力。回路标准性越高, 则频率稳定度越高。q采用温度系数小或温度系数相反的电抗元件组成回路q注意选择回路与器件、负载之间的接入系数, q实现元器件合理排队以尽可能减小不稳定的分布电容和引线电感

20、的影响n这些措施都有助于提高回路的标准性。如果采如果采用回路用回路Q值很高的石英晶体谐振器值很高的石英晶体谐振器,则可组成频则可组成频率稳定度很高的晶体振荡器率稳定度很高的晶体振荡器。44n选取合理的电路形式合理的电路形式或者采用自动调整电路自动调整电路来提高频率稳定度是一项很重要的技术措施。q改进型三点式电路（4.3节）q自动频率控制技术（7章）q锁相环技术（8章）454.3 LC 振振 荡荡 器器nLC振荡器可以产生几kHz到几百MHz的正弦波信号。nLC振荡器按其反馈网络的不同，可分为q互感耦合q三点式振荡器n电容三点式（考毕兹电路）n电感三点式（哈特莱电路）464.3.1 互感耦合振荡

21、器互感耦合振荡器图 4.3.1 集电极调谐型互感耦合振荡器电路47n互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈, 所以, 应注意耦合线圈同名端的正确位置应注意耦合线圈同名端的正确位置。同时, 耦合系数要选择合适, 使之满足振幅起振条件。 n互感耦合振荡器的频率稳定度不高频率稳定度不高, 且由于互感耦合元件分布电容的存在, 限制了振荡频率的提高, 因此只因此只适用于较低频段适用于较低频段。 n另外，因高次谐波的感抗大高次谐波的感抗大，故取自变压器次级的反馈电压中高次谐波振幅较大，所以导致输出振荡信号中高次谐波分量较大，波形不理想高次谐波分量较大，波形不理想。48 【例4.2】 判断图例4.

22、3.2所示两级互感耦合振荡电路能否正常工作。图4.3.249 4.3.2三点式振荡器三点式振荡器 电路组成法则电路组成法则 三点式振荡器是指回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。 可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点, 是一种广泛应用的振荡电路, 其工作频率可达到几百兆赫。 三点式振荡器三点式振荡器1.电容三点式（考毕兹电路） 电容三点式改进电路：1.克拉泼电路；2.西勒电路2.电感三点式（哈特莱电路） 50图4.3.3 三点式振荡器的原理电路 51 假定回路由纯电抗元件组成, 其电抗值分别为ce, be和bc, 如果不考虑晶体管的电抗效应, 则当回路谐振（0）时, 回

23、路呈纯阻性, 有：ce+bebc=0,因此 cebebc 由于 是 在be, bc支路分配在Xbe上的电压, 有52因为可以看成一个由反相放大器组成的正反馈正反馈电路 与 同相, 与 反相, 所以 即即be与与ce必须是同性质电抗必须是同性质电抗, 而而Xbc必必须是异性质电抗。须是异性质电抗。 53 由上面的分析可知, 在三点式电路中, 回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质, 另外一个电抗元件必须为异性质。这就是三点式电路组成的相位判据, 或称为三三点点式电路的组成法则式电路的组成法则。 与发射极相连接的两两个个电电抗抗元元件件同同为为电电容容时的三点式电路, 称为电容三点式电路电

24、容三点式电路, 也称为考毕兹电路。 与发射极相连接的两两个个电电抗抗元元件件同同为为电电感感时的三点式电路, 称为电感三点式电路电感三点式电路, 也称为哈特莱电路。 54用工程估算法求起振条件用工程估算法求起振条件n将将闭合环路闭合环路断开断开，画出推导的，画出推导的开环等效电路开环等效电路；n求出谐振回路的固有求出谐振回路的固有谐振角频率谐振角频率；n将接在谐振回路各部分的电导（或电阻）折算到集将接在谐振回路各部分的电导（或电阻）折算到集电极上，分别求出放大器回路谐振时的增益和反馈电极上，分别求出放大器回路谐振时的增益和反馈系数，便可得到系数，便可得到振幅起振条件振幅起振条件。55电容三点式

25、电路电容三点式电路图 4.3.4 电容三点式振荡电路 56n图中1、2是回路电容, 是回路电感, b和c分别是高频旁路电容和耦合电容。n一般来说, 旁路电容和耦合电容的电容值至少要比回路电容值大一个数量级以上。n有些电路里还接有高频扼流圈, 其作用是为直流提供通路而又不影响谐振回路工作特性。n对于高频振荡信号, 旁路电容和耦合电容可近似为短旁路电容和耦合电容可近似为短路路, 高频扼流圈可近似为开路高频扼流圈可近似为开路。57n分析三点式电路性能时分析三点式电路性能时，即可以将其看成共基即可以将其看成共基电路，也可以看成是共射电路电路，也可以看成是共射电路n不过一般情况下采用共基电路共基电路形式

26、比较方便。582.6.3三种基本组态的比较三种基本组态的比较大大( (数数值值同同共共射射电路，但同相电路，但同相) )小小( (小于、近于小于、近于 1 ) )大大( (十几十几 一几百一几百) ) 小小 大大( (几十几十 一百以上一百以上) ) 大大( (几十几十 一百以上一百以上) )电电路路组态组态性能性能共共 射射 组组 态态共共 集集 组组 态态共共 基基 组组 态态C1C2VCCRb2Rb1+_ReCbRLC1Rb+VCCC2RL+Re+C1Rb+VCCC2RL+Rc592.6.3三种基本组态的比较三种基本组态的比较 频率频率响应响应大大( (几百千欧几百千欧 几兆欧几兆欧)

27、)小小( (几欧几欧 几十欧几十欧) )中中( (几十千欧几十千欧几百千欧几百千欧) )rce小小( (几欧几欧 几十欧几十欧) )大大( (几十千欧以上几十千欧以上) )中中(几百欧几百欧几千欧几千欧) rbe组态组态性能性能共共 射射 组组 态态共共 集集 组组 态态共共 基基 组组 态态差差较好较好好好6061 在图.5（）中的双电容耦合电路里, 可把次级电路元件e、e、be等效到初级中, 如图.5（）所示。其中接入系数(因为reRe)62图 4.3.5 电容三点式振荡器的交流等效电路 本电路的反馈系数 63图 4.3.5 电容三点式振荡器的交流等效电路 64 图4.3.（）又可以进一步

28、等效为图4.5（）。 其中G(等效电导)=gL+g e, B(等效电纳)=C1(L)因为65振荡角频率由此可求得振幅起振条件为: 所以环路增益66即其中为了使电容三点式电路易于起振, 应选择跨导m及及r be较大较大的晶体管的晶体管, 其负载负载L和回路谐振电阻和回路谐振电阻e0也要大也要大, 而接入系数接入系数要合理选择要合理选择。实践表明, 如果选用截止频率T大于振荡频率五倍以上的晶体管作放大器, 负载L不要太小（k以上）, 接入系数取值合适, 一般都能满足起振条件。 67. 电感三点式电路电感三点式电路图 4.3.6 电感三点式振荡电路 68振荡角频率0=其中L=L1+L2+2M, M为

29、互感系数起振条件 式中(4.3.3)(4.3.4)69n电容三点式振荡器q优点优点： 反馈电压取自2, 而电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗, 所以反馈电压中高次谐波分量很小, 因而输出波形好输出波形好, 接近于正弦波。q缺点缺点：反馈系数因与回路电容有关, 如果用改变回路电容的方法来调整振荡频率, 必将改变反馈系数改变反馈系数, 从而影响起振。n电感三点式振荡器q优点优点：便于用改变电容的方法来调整振荡频率, 而不会影响反馈系数不会影响反馈系数q缺点缺点：反馈电压取自2, 而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗, 所以反馈电压中高次谐波分量较多, 输出输出波形较差波形较差。70n两种振荡

30、器共同的缺点共同的缺点是：q晶体管输入输出电容分别和两个回路电抗元件并联, 影响回路的等效电抗元件参数, 从而影响振荡频率影响振荡频率。由于晶体管输入输出电容值随环境温度、电源电压等因素而变化, 所以三点式电路的频率稳定度不高频率稳定度不高, 一般在10-3量级。71n例例. 在图例4.3所示振荡器交流等效电路中, 三个并联回路的谐振频率分别是：试问1、2、3满足什么条件时该振荡器能正常工作？图4.3.7 例4.3图 72电容三点式73电感三点式74n例例 4.4 在图例4.3.8所示电容三点式振荡电路中, 已知0.5H, 151pF, 23300pF, 312250pF, Lk, m30m,

31、 be20pF, 080, 试求能够起振的频率范围。图4.3.8例4.图 (同学自己练习同学自己练习) 75 克拉泼（克拉泼（Clapp）电路）电路n从上面分析可知, 电容三点式电路比电感三点式电路性能要好些, 但如何减小晶体管输入输出电容对频率稳定度的影响仍是一个必须解决的问题, 于是出现了改进型的电容三点式电路克拉泼电路克拉泼电路。图 4.3.9 克拉泼振荡电路 76n与电容三点式电路比较, 克拉泼电路的特点是在回路中增加了一个与串联的电容3。n各电容取值必须满足：q31, 3 2, n这样可使电路的振荡频率近似只与3、有关。77 先不考虑晶体管输入输出电容的影响。 因为3远远小于1或2,

32、 所以1、2 、3三个电容串联后的等效电容于是, 振荡角频率 由此可见, 克拉泼电路的振荡频率几乎与1、2无关。 78现在分析晶体管结电容ce。由图4.3.9（）可以看到, ce与谐振回路的接入系数79 和电容三点式电路中ce与谐振回路的接入系数n=C2(C1+C2)比较, 由于31, 3 2, 所以。 由于ce的接入系数大大减小, 所以它等效到回路两端的电容值也大大减小, 对振荡频率的影响也大大减小对振荡频率的影响也大大减小。 同理,be对振荡频率的影响也极小。 因此, 克克拉拉泼泼电电路路的的频频率率稳稳定定度度比比电电容容三三点点式式电电路路要要好好。 在实际电路中, 根据所需的振荡频率

33、决定、3的值, 然后取1、2远大于3即可。但是3不能取得太小,否则将影响振荡器的起振。 80 由图4.3.9(b)可以看到, 晶体管、两端与回路、两端之间的接入系数 所以, 、两端的等效电阻RL=RL/Re0, 折算到、两端后为:(4.3.7)81nC3越小，或者C1、C2越大，L越小, 则共基电路的电压增益越小, 从而环路增益越小, 越不越不易起振易起振。对于电容三点式电路而言, 共基电路的等效负载就是RL。n所以所以, 克拉泼电路是用牺牲环路增益的方法来克拉泼电路是用牺牲环路增益的方法来换取回路标准性的提高。换取回路标准性的提高。82n克拉泼电路的最大缺陷最大缺陷是不适合于作波段振荡器。q

34、波段振荡器要求在一段区间内振荡频率可变, 且振荡幅值保持不变。 q由于克拉泼电路在改变振荡频率时需调节3, 根据式(4.3.7),当3改变以后,L将发生变化, 使环路增益发生变化, 从而使振荡幅值也发生变化。q所以克拉泼电路只适宜于作固定频率振荡器或波段复盖系数较小的可变频率振荡器。n所谓波段复盖系数是指可以在一定波段范围内连续正常工作的振荡器的最高工作频率与最低工作频率之比。n一般克拉泼电路的波段复盖系数为1.21.3。83 西勒（西勒（Seiler）电路）电路图 4.3.10 西勒振荡电路 84n西勒电路是在克拉泼电路基础上西勒电路是在克拉泼电路基础上, 在电感两端并联了一个小电容C4,

35、且满足满足C1 、C2远大于远大于C3 , C1 、C2远大于远大于C4, 所以其回路等效电容所以, 振荡频率 85n在西勒电路中, 由于4 与并联, 所以4的大小不影的大小不影响回路的接入系数响回路的接入系数, 其共基电路等效负载R”L仍同式（4.3.7）所示。 n如果使3固定, 通过变化通过变化4来改变振荡频率来改变振荡频率, 则R”L在振荡频率变化时基本保持不变, 从而使输出振幅稳定输出振幅稳定。n因此, 西勒电路可用作波段振荡器, 其波段覆盖系数为.左右。86 小结小结n以上所介绍的五种LC振荡器均是采用LC元件作为选频网络。n由于元件的标准性较差, 因而谐振回路的值较低, 空载值一般

36、不超过, 有载值就更低, 所以振荡器的频率稳定度不高, 一般为10-3量级, 即使是克拉泼电路和西勒电路也只能达到10-410-5量级。n如果需要频率稳定度更高的振荡器, 可以采用晶体振晶体振荡器荡器。874.4 晶晶 体体 振振 荡荡 器器n4.4.1 石英晶体及其特性石英晶体及其特性n石英晶体具有压电效应。图 4.4.1 石英晶体谐振器(a) 符号； (b) 基频等效电路； (c) 完整等效电路 88n 图4.4.1是石英晶振的符号和等效电路。其中： n安装电容C0约1pF10pFn动态电感Lq约10-3H102 Hn动态电容Cq约10-4pF10-1pFn动态电阻rq约几十欧到几百欧89

37、n由以上参数可以看到：n（） 石英晶振的值和特性阻抗 都非常高。值可达几万到几百万值可达几万到几百万, 因为n（ 2 ） 由于石英晶振的接入系数接入系数n=Cq(C0+Cq)很很小小, 所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。 n综合以上两点, 不难理解石英晶振的频率稳定度是非常高的。 90n石英晶振的固有频率十分稳定, 它的温度系数（温度变化所引起的固有频率相对变化量）在10-6以下。n另外, 石英晶振的振动具有多谐性, 即除了基频振动外, 还有奇次谐波泛音振动奇次谐波泛音振动。 对于石英晶振, 既可利用其基频振动, 也可利用其泛音振动。 前者称为基频晶体基频晶体, 后者称为泛音晶体泛音晶体

38、。n晶片厚度与振动频率成反比晶片厚度与振动频率成反比, 工作频率越高, 要求晶片越薄, 因而机械强度越差, 加工越困难, 使用中也易损坏。 n由此可见, 在同样的工作频率上, 泛音晶体的切片可以做得比基频晶体的切片厚一些。所以在工作频率较高时, 常采用泛音晶体。 n通常在工作频率小于小于20MHz时采用基频晶体时采用基频晶体, 大于大于20 MHz时采用泛音晶体时采用泛音晶体。91n由图4.4.1(b)可以看到, 石英晶振可以等效为一个串联谐振回路和一个并联谐振回路。q串联谐振频率q并联谐振频率92图 4.4.2 石英晶振的电抗频率特性 由于Cq/C0很小, 所以p与s间隔很小, 因而在sp感

39、性区间, 石英晶振具有陡峭的电抗频率特性, 曲线斜率大, 利于稳频。93n在实际使用时，石英晶振产品还有一个标称频率在实际使用时，石英晶振产品还有一个标称频率N。N的值位于s与p之间, 这是指石英晶振两端并接某一规定负载电容CL时石英晶振的振荡频率。nCL的电抗频率曲线如图4.4.2中虚线所示。n 负载电容CL的值载于生产厂家的产品说明书中, 通常为30pF(高频晶体高频晶体), 或100pF(低频晶体低频晶体), 或标示为(指无需外接负载电容, 常用于串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器)。944.4.2晶体振荡器电路晶体振荡器电路n将石英晶振作为高值谐振回路元件接入正反馈电路中, 就组成了晶体

40、振荡器。根据石英晶振在振荡器中的作用原理, 晶体振荡器可分成两类。n一类是将其作为等效电感元件等效电感元件用在三点式电路中, 工作在感性区, 称为并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器；q皮尔斯振荡电路（基于电容三点式）q密勒振荡电路（基于电感三点式）q泛音晶振电路n 另一类是将其作为一个短路元件短路元件串接于正反馈支路上, 工作在它的串联谐振频率上, 称为串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器。95. 皮尔斯（皮尔斯（Pierce）振荡电路）振荡电路图 4.4.3 皮尔斯振荡电路 96n皮尔斯电路类似于克拉泼电路, 但由于石英晶振中q极小, q极高, 所以皮尔斯电路具有以下一些特点： n(1) 振荡回路

41、与晶体管、负载之间的耦合很弱振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管c、b端, c、e端和e、b端的接入系数分别是: 以上三个接入系数一般均小于-3-4, 所以外电路中的不稳定参数对振荡回路影响很小, 提高了回路的标准性。 97 (2) 振振荡荡频频率率几几乎乎由由石石英英晶晶振振的的参参数数决决定定, 而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。 振荡频率 其中L是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值, 即根据产品要求的负载电容。在在实实用用时时, 一一般般需需加加入入微微调调电电容容, 用用以以微微调调回回路路的谐振频率的谐振频率, 保证电路工作在晶振外壳上所注明的标称频率保证电路工作在晶振

42、外壳上所注明的标称频率N上上。98 (3) 由于振荡频率0一般调谐在标称频率N上, 位于晶振的感性区内, 电抗曲线陡峭, 稳频性能极好稳频性能极好。 (4) 由于晶振的值和特性阻抗 都很高, 所以晶振的谐谐振振电电阻阻也也很很高高, 一般可达1010以上。这样即使外电路接入系数很小, 此谐振电阻等效到晶晶体体管管输输出出端端的的阻阻抗抗仍仍很很大大, 使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。 99. 密勒（密勒（Miller）振荡电路）振荡电路图4.4.5 密勒振荡电路 石英晶体作为电感元件连接在栅极和源极之间, LC并联回路在振荡频率点等效为电感等效为电感, 作为另一电感元件连接在漏极和

43、源极之间, 极间电容gd作为构成电感三点式电路中的电容元件。由于gd又称为密勒电容密勒电容, 因而此电路有密勒振荡电路密勒振荡电路之称。100n密勒振荡电路通常不采用晶体管, 原因是正向偏置时高频晶体管发射结电阻太小发射结电阻太小, 虽然晶振与发射结的耦合很弱, 但也会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性n所以采用输入阻抗高的场效应管输入阻抗高的场效应管。101. 泛音晶振电路泛音晶振电路 在工作频率较高的晶体振荡器中, 多采用泛音晶体振荡电路。泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。 在泛音晶振电路中, 为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上, 不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上

44、的寄生振荡 而且必须正确地调节电路的环路增益, 使使其其在在工工作作泛泛音音频频率率上略大于上略大于1, 满足起振条件, 而在更高的泛音频率上都小于1, 不满足起振条件。 102n在实际应用时, 可在三点式振荡电路中, q用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件, 使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则, 不能起振； q而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则, 达到起振。n即对于低于工作频率的不满足三点式振荡器法即对于低于工作频率的不满足三点式振荡器法则，而高于工作频率的不满足幅度的要求则，而高于工作频率的不满足

45、幅度的要求103图 4.4.6 并联型泛音晶体振荡电路及LC1回路的电抗特性(a) 并联型泛音晶体振荡电路； (b) LC1回路的电抗特性 104n假设泛音晶振为五次泛音, 标称频率为5MHz, 基频为1MHz, 则LC1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。n而在七次及其以上泛音频率， LC1回路虽然呈容性，但是等效容抗减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于1，不满足振幅起振条件。(2.2.12)所以只要使电压增益在工作泛音频率上略大于所以只要使电压增益在工作泛音频率上略大于1即可即可。105 串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器n串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中, 利用其

46、串联谐振时等效为短路元件短路元件, 电路反馈作用最强, 满足振幅起振条件, 使振荡器在晶振串联谐振频率串联谐振频率fs上起振。n这种振荡器与三点式振荡器基本类似, 只不过在在正反馈支路上增加了一个晶振正反馈支路上增加了一个晶振。, 1 , 2和3组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。106图4.4.7 串联型晶体振荡电路 1074.5 压压 控控 振振 荡荡 器器n有些可变电抗元件的等效电抗值能随外加电压变化，将这种电抗元件接在正弦波振荡器中，可使其振荡频率随外加控制电压而变化，这种振荡器称为压控正弦压控正弦波振荡器波振荡器。n其中最常用的压控电抗元件就是变容二极管变容二极管。n压控振荡器简称

47、VCO，在频率调制，频率合成，锁相环电路，电视调谐器，频谱分析仪等方面有着广泛的应用。1084.5.1变容二极管变容二极管图 4.5.1 变容二极管 (a) 符号； (b) 结电容-电压曲线 109变容二极管结电容可表示为:(4.5.1)其中n为变容指数为变容指数, 其值随半导体掺杂浓度和PN结的结构不同而变化, j（0）为外加电压u时的结电容值, UB为PN结的内建电位差。110n变容二极管必须工作在反向偏压状态反向偏压状态, 所以工作时需加负的静态直流偏压UQ。n若交流控制电压u为正弦信号, 变容管上的电压为:u=(UQ+u)=(UQ+U m cost)111代入式代入式(4.5.1),

48、则有:其中静态结构电容静态结构电容结电容调制度结电容调制度1124.5.2变容二极管压控振荡器变容二极管压控振荡器n将变容二极管作为压控电容压控电容接入振荡器中, 就组成了压控振荡器压控振荡器。一般可采用各种形式的三点式电路。n为了使变容二极管能正常工作, 必须正确地给其提供静态负偏压静态负偏压和和交流控制电压交流控制电压n而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰压的干扰q所以, 在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容、隔直流电容等。113n无论是分析振荡器还是压控振荡器都必须正确画出振荡器振荡器的直流通路直流通路和高频振荡回路高频振荡回路

49、。n对于后者, 还须画出变容二极管变容二极管的直流偏置电直流偏置电路路与低频控制回路低频控制回路。q根据直流通路和低频控制回路可以分别知道加在变容二极管上的直流偏压和交流控制信号的情况。114n画高频振荡回路与低频控制回路前, 应仔细分析每个电容与电感的作用。n对于高频振荡回路高频振荡回路, q小电容是工作电容小电容是工作电容, 大电容是耦合电容或旁路电容, 小电感是小电感是工作电感工作电感, 大电感是高扼圈。 当然, 变容二极管也是工作电容变容二极管也是工作电容。q保留工作电容与工作电感, 将耦合电容与旁路电容短路耦合电容与旁路电容短路, 高扼高扼圈开路圈开路, 直流电源与地短路直流电源与地

50、短路, 即可得到高频振荡回路。115n判断判断工作电容和工作电感q一是根据参数值大小q二是根据所处的位置。n电路中数值最小的电容(电感)和与其处于同一数量级的电容(电感)均被视为工作电容(电感), n耦合电容与旁路电容的值往往要大于工作电容几十倍以上, 高扼圈的值也远远大于工作电感。116n在电路中所处位置不同q工作电容与工作电感是按照振荡器组成法则设置的q耦合电容起隔直流和交流耦合作用, 旁路电容对电阻起旁路作用q高扼圈对直流和低频信号提供通路, 对高频信号起阻挡作用117n对于低频控制通路低频控制通路, n只需将与变容二极管有关的电感和高扼圈短路电感和高扼圈短路(由于其感抗相对较小), n

51、除了数值较大数值较大的低频耦合和低频旁路电容短路外, 其它电容开路其它电容开路n直流电源与地短路即可直流电源与地短路即可n由于此时变容二极管的等效容抗和反向电阻均很大, 所以对于其它其它电阻可作近似处理电阻可作近似处理。118 例例 4.6 画出4.5.2(a)所示中心频率为360MHz的变容二极管压控振荡器中晶体管的直流通路和高频振荡回路, 变容二极管的直流偏置电路和低频控制回路。 119直流通路120高频交流通路121变容二极管的直流偏置电路122变容二极管低频控制回路123n 压控振荡器的主要性能指标是压控灵敏度压控灵敏度和线性度线性度。q其中压控灵敏度压控灵敏度定义为单位控制电压引起的

52、振荡频率的增量, 用S表示, 即(4.5.3)124图4.5.3 变容二极压控振荡器的频率电压特性 一般情况下，频率电压特性是非线性的，其非线性程度与变容指数n和电路结构有关。在中心频率附近较小区域在中心频率附近较小区域内线性较好，灵敏度也较高内线性较好，灵敏度也较高。125n【例 4.7】 在图例4.5.2()所示电路中, 若调整2使变容二极管静态偏置电压为-6, 对应的变容二极管静态电容jQ20pF, 内建电位差UB0.6V, 变容指数3。求振荡回路的电感和交流控制信号u为振幅Um=1V的正弦波时对应的压控灵敏度。f0=360MHz126因为中心振荡频率所以当u0时127又128所以由12

53、9可求得压空灵敏度 可见, 正向和负向压控灵敏度略有差别, 说明压控特性压控特性是非线性的是非线性的。 1304.5.3晶体压控振荡器晶体压控振荡器(自学自学)n为了提高压控振荡器中心频率稳定度, 可采用晶体压控振荡器。n在晶体压控振荡器中, 晶振或者等效为q一个短路元件, 起选频作用； q一个高值的电感元件, 作为振荡回路元件之一。 n通常仍采用变容二极管作压控元件。1314.8 章末小结章末小结n本章介绍了反馈振荡原理和反馈型正弦波振荡器的几种常用电路类型, 要点如下：n() 反馈振荡器是由放大器和反馈网络组成的具有选频能力的正反馈系统。 反馈振荡器必须满足起振、平起振、平衡和稳定衡和稳定

54、三个条件, 每个条件中应分别讨论其振幅和相位两个方面的要求。q在振荡频率点, 环路增益的幅值在起振时必须大于1, 且具有负斜率的增益振幅特性, 这是振幅方面的要求振幅方面的要求。 q在振荡频率点, 环路增益的相位应为2的整数倍, 且具有负斜率的相频特性, 这是相位方面的要求相位方面的要求132n() 三点式振荡电路三点式振荡电路是正弦波振荡器的主要形式, 可分成电容三点式和电感三点式两种基本类型。 n频率稳定度频率稳定度是振荡器的主要性能指标之一。 为了提高频率稳定度, 必须采取一系列措施, 包括减小外界因素变化的影响和提高电路抗外界因数变化影响的能力两个方面。n克拉泼电路克拉泼电路和西勒电路

55、西勒电路是两种较实用的电容三点式改进型电路, 前者适合于作固定频率振荡器, 后者可作波段振荡器。133n(3) 晶体振荡器晶体振荡器的频率稳定度很高, 但振荡频率的可调范围很小。n泛音晶振泛音晶振可用于产生较高频率振荡, 但需采取措施抑制低次谐波振荡, 保证其只谐振在所需要的工作频率上。n(4)变容二极管变容二极管组成的压控振荡器可使振荡频率随外加电压而变化, 这在调频和锁相环路里有很大的用途。134n（4） 在压控振荡器中， 既有低频控制信号输入， 又有高频振荡信号产生， 所以， 要正确分析它的工作状况和性能指标， 必须首先分别正确画出有关的直必须首先分别正确画出有关的直流通路，流通路， 低频等效电路和高频等效电路低频等效电路和高频等效电路。 掌握这一点对于以后学习调制解调电路也是必不可少的。n （5） 学习本章内容之后, 要能够识别识别常用正弦波振荡器的类型并判断其能否正常工作。 n（6）在明确各种类型振荡器优缺点优缺点和适用场合适用场合的基础上, 既要掌握实用振荡电路的分析和参数计算,也要学会常用振荡电路的设计和调试。135课后习题4.3，4.5136