《正弦波振荡器》PPT课件

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1、第3章 正弦波振荡器 3.1 概述 3.2 振荡器的基本工作原理 3.3 LC正弦波振荡电路 3.4 振荡器的频率稳定度3.1 概述一.自激振荡的概念自激振荡的概念 自激振荡：是指在没有外加信号的作用下，电路能自动产生交流信号的现象。 可以将直流电源的能量自行转换为交流振荡的能量，不需要外界激励就能自动的将直流电能转换为具有一定频率和一定振幅的正弦的交流电能的电路就称为自激振荡电路。 二二.振荡器和放大器的异同振荡器和放大器的异同 共性： 二者都是变直流能为交流能的部件。它们 的输出交流能量都来自供给晶体管集电极的直流电源。因此，二者都是能量转换器。 不同：放大器需要一个外来的输入信号源激励。

2、振荡器需要的激励电压则取自输出电压的 一部分，不靠外界供给。 三三. .振荡器的分类振荡器的分类 按输出波形分按输出波形分 按选频回路元件分按选频回路元件分 按原理、性质分按原理、性质分 四四.振荡器的用途振荡器的用途 1.在信息传输系统中的应用在信息传输系统中的应用在发射机中产生“载波”在接收机中产生“本地振荡”2.在各种无线电测量仪器中应用在各种无线电测量仪器中应用正弦波信号发生器各种数字式测量仪定时系统中用作时间基准信号3.医用电疗仪中，用高频加热医用电疗仪中，用高频加热 3.2 振荡器的基本原理n自激振荡的基本原理n反馈振荡原理n反馈振荡器的振荡条件自激振荡的基本原理LC回路中的振荡现

3、象等幅振荡S接“1”：电源E向回路电容C充电S接“2”：电容C通过L放电u问题 怎样才能维持持续的等幅振荡呢？采用“负电阻”；从外部能源中获取 ：放大器的输出反馈至输入；u 结论 内因 LC的自由振荡 外因 采用能量补充的方法，以抵消或补 偿回路的损耗3.2.2 反馈振荡原理通过调谐放大器的工作过程分析其能量是如何补充的。将放大器改为振荡器，理解反馈振荡器的工作原理。反馈振荡器的组成方框图3.2.3 反馈振荡器的振荡条件 利用正反馈方法获得等幅的正弦波振荡，这就是反馈振荡器的基本原理。反馈振荡器由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路，如图。反馈网络一般由无源器件组成。 一个反馈振荡器必须满足三个

4、条件：起振条件（保证接通电源后能建立起振荡），平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）和稳定条件（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏）。一、振荡的建立过程一、振荡的建立过程电路中的初始扰动将产生微弱的电信号电路中的初始扰动将产生微弱的电信号 ，利用，利用如此周而复始下去，其过程可以用下列循环表示如此周而复始下去，其过程可以用下列循环表示反馈，产生的反馈，产生的 反送到放大器的输入端作为新的反送到放大器的输入端作为新的 ，放大后，主网络输出放大后，主网络输出 ，再经过反馈网络，再经过反馈网络 放大器放大器当当 增加到一定值时，增加到一定值时，放大器的放大倍数放大器的放大倍数 降低

5、，从而出现下面的循降低，从而出现下面的循环过程环过程晶体管将出现饱和截止，使晶体管将出现饱和截止，使最终将使最终将使 保持恒定不变，保持恒定不变，从而形成等幅持续振荡。从而形成等幅持续振荡。 根据左图知，根据左图知，各信号电压具有如各信号电压具有如下关系下关系 所以所以 环路增益：环路增益： 反馈型振荡器组成框图二、起振条件二、起振条件 由振荡建立过程的起振循环得出，使振幅不断增由振荡建立过程的起振循环得出，使振幅不断增长的条件（起振条件）是长的条件（起振条件）是 即即起振条件为：起振条件为：或 或表示为或表示为 或 （n=0,1,2,） 三、平衡条件三、平衡条件持续振荡。所以，维持等幅振荡的

6、平衡条件为或表示为 当 时（非线性阶段），电路维持等幅则必必须维持在持在上，即保上，即保证为正反正反馈。 满足起振条件和平衡 条件的环路增益特性 根据振幅起振条件和平衡条件，环路增益的模值根据振幅起振条件和平衡条件，环路增益的模值应该具有随振幅应该具有随振幅 由于一般放大器的由于一般放大器的增益特性曲线均具有如图增益特性曲线均具有如图所示的形状，所以这一条所示的形状，所以这一条件很容易得到满足，只要件很容易得到满足，只要保证起振时环路增益幅值保证起振时环路增益幅值大于即可。而环路增益大于即可。而环路增益的相位的相位 增大而下降的特性增大而下降的特性, 如图所示。如图所示。结论：振：振荡器起振器

7、起振时， 迅速增迅速增长，而后，而后 振荡建立过程的波形下降，下降， 的增的增长速度速度变慢，直到慢，直到 时，停止增停止增长，振，振荡器器进入平衡状入平衡状态。在相。在相应的振幅在的振幅在 上维持等幅振荡。如图所示。上维持等幅振荡。如图所示。四、振荡器平衡状态的稳定条件四、振荡器平衡状态的稳定条件 平衡状态的稳定是指当平衡条件遭到破坏后，是指当平衡条件遭到破坏后，电路能路能够在原平衡点附近重新建立起新的平衡。在原平衡点附近重新建立起新的平衡。1.振幅稳定条件：在平衡点在平衡点A处， 由由A点知点知 当外界因素的影响，使当外界因素的影响，使 时，由，由图知，知， 造成造成 下降，从而下降，从而

8、 降低，降低， 满足起振条件和平衡 条件的环路增益特性 降低而回到降低而回到 点。点。最终最终所以，得到振所以，得到振荡器振幅器振幅稳定的条定的条件是：件是： 即在平衡点附近，环路增益的幅频特性具有负即在平衡点附近，环路增益的幅频特性具有负斜率变化的规律。斜率变化的规律。同理，当外界因素的影响，使同理，当外界因素的影响，使 时，由，由图知，知， 造成造成 增加，从而增加，从而 升高，最升高，最终 增加而回到增加而回到 点。点。 满足起振条件和平衡条件的环路增益特性2、相位（频率）稳定条件、相位（频率）稳定条件在讨论相位稳定条件之前，有两点需要说明： 任何正弦振荡 的角频率与相位 的内在关系是：

9、 这就是说，相位变化必然引起频率变化。在相同时间内，相位超前，意味着频率必然上升；相位滞后，必然是频率下降，因此振荡器的相位稳定条件也就是振荡器的频率稳定条件。 一个正弦波振荡器的角频率 值是根据其相位平衡条件求出的，也就是说在此频率 处，经过一个循环，反馈振荡器的反馈电压 与 相位相差 ，环路增益的相位为 （或者为 , =0,1,2.3）。 相位（频率）稳定条件是指当相位平衡条件遭到破坏时，电路本身能重建新的平衡的条件。 （1）设在）设在 处处 （2）由于外界因素的影响，使）由于外界因素的影响，使 A、当、当 0时，说明时，说明 超前超前 一个一个 相角，使每次相角，使每次经过放大和反馈后，

10、经过放大和反馈后， 一次比一次超前一次比一次超前 ，振荡周期缩短，振荡周期缩短振荡频率升高。振荡频率升高。 所以振荡频率随所以振荡频率随 的变化关系为：的变化关系为： 又知：又知： 本身是频率的函数，当本身是频率的函数，当 变化化时， 变化，若使变化，若使 随随 的的变化具有化具有则可抵消外界因素的影响。可抵消外界因素的影响。 负斜率变化的特性，即负斜率变化的特性，即B、当、当 0 时，说明时，说明 一个一个 相角，相角，滞后滞后 使每次经过放大和反馈后使每次经过放大和反馈后 一次比一次滞后一次比一次滞后 ，使，使振荡周期增长，频率降低。振荡周期增长，频率降低。 特性 满足相位稳定条件的 在振

11、荡器的平衡条件的分析中，已知在振荡器的平衡条件的分析中，已知 由由两部两部 分组成：放大器输出电压分组成：放大器输出电压 对输入电压对输入电压 的相移的相移 放大管产生的相移，放大管产生的相移， 并联谐振回路的相移）并联谐振回路的相移）对对 的相移的相移 ，即，即 反馈网络的反馈电压反馈网络的反馈电压 其中其中 和和 几乎不随频率而变，所以有几乎不随频率而变，所以有因此，因此， 随随 的变化特性可代表的变化特性可代表 随随 或者说，只要选频网络具有负斜率变化的相频特或者说，只要选频网络具有负斜率变化的相频特性，即性，即的变化特性。的变化特性。振荡电路就可满足相位稳定条件。振荡电路就可满足相位稳

12、定条件。3.3 LC正弦波电路 互感耦合LC振荡电路 三点式LC振荡电路 3.3.1 3.3.1 互感耦合式振荡电路互感耦合式振荡电路 LC振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。 互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈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。，使之满足振幅起振条件很重要。 互感耦合振

13、荡器有三种形式：互感耦合振荡器有三种形式：调基电路调基电路、调集电路调集电路和和调发调发电路电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射极，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射极电路来区分的。电路来区分的。 本部分内容重点介绍不同型式的反馈型本部分内容重点介绍不同型式的反馈型LC振荡器，以振荡器，以三点式振荡器作为重点。三点式振荡器作为重点。 由于基极和发射极由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回路的路的Q值，故在调基和值，故在调基和调发这两个电路中，晶调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分体管与振荡回路作部分耦

14、合。耦合。 调基电路振荡频率调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，在较宽的范围改变时，振幅比较平衡。振幅比较平衡。调基电路调基电路(a) 调基电路调基电路调集电路在高频输出方调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成而且幅度较大，谐波成分较小。分较小。（b）调集电路）调集电路调集电路调集电路 由于基极和发射极由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回路的路的Q值，故在调基和值，故在调基和调发这两个电路中，晶调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分体管与振荡回路作部分耦合。耦合。（c）调发电路）调发

15、电路调发电路调发电路n优点：易起振，输出电压较大，结构简单，调优点：易起振，输出电压较大，结构简单，调频方便，且调频时输出电压变化不大，常用于频方便，且调频时输出电压变化不大，常用于收音机中本振。收音机中本振。n缺点：缺点：互感耦合振荡器在调整反馈互感耦合振荡器在调整反馈( (改变改变M)M)时，时，基本上不影响振荡频率。基本上不影响振荡频率。由于互感耦合元件分由于互感耦合元件分布电容的存在，使高频时分布电容影响大，输布电容的存在，使高频时分布电容影响大，输出波形不好，频率稳定性差，出波形不好，频率稳定性差，在频率较高时，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工难于做出稳定性高的

16、变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段。3.3.2 三点式LC振荡电路 LC三端式振荡器组成法则三端式振荡器组成法则 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路三端式振荡器组成法则三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则相位平衡条件的判断准则)三端式振荡器的原理电路三端式振荡器的原理电路三端式三端式LC振荡器是一种反馈式振荡器是一种反馈式LC振荡器。振荡器。当回路元件的电阻很小，可以当回路元件的电阻很小，可以忽略其影响，同时也忽略三极忽略其影响，同时也忽略三极管的输入阻抗与输出阻抗的影管的输入阻抗与

17、输出阻抗的影响，则电路要振荡必须满足条响，则电路要振荡必须满足条件：件： xbe+xce+xcb=0电路特点简言之就是电路特点简言之就是“ce，be同抗件，同抗件，cb反抗件反抗件”。以此准。以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。也可用于则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡现象。分析复杂电路与寄生振荡现象。 (a) (a) 共发电感反馈三端式振荡器电路共发电感反馈三端式振荡器电路(b) 等效电路等效电路电感三端式振荡电路电感三端式振荡电路由由Y参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件电感反

18、馈三端电路的振荡频率为电感反馈三端电路的振荡频率为2.电感反馈三端式振荡器电感反馈三端式振荡器( (哈特莱电路哈特莱电路) )哈特莱电路的优点：哈特莱电路的优点： 1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；之间有互感，反馈较强，容易起振；电路的缺点：电路的缺点：1、振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得， 而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的 反馈较强，使波形失真大；反馈较强，使波形失真大；2、电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这 是因为频率太高，是因

19、为频率太高，L L太小且分布参数的影响太太小且分布参数的影响太 大。大。2、振荡频率调节方便，只要调整电容、振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。的大小即可。3、而且、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。的改变基本上不影响电路的反馈系数。3.3.电容反馈三端振荡器电容反馈三端振荡器( (考毕兹电路考毕兹电路) )电容三端式振荡电路电容三端式振荡电路可推导电容反馈三端电路的起振条件可推导电容反馈三端电路的起振条件电容反馈三端电路的振荡频率电容反馈三端电路的振荡频率考毕兹电路的优点：考毕兹电路的优点：1）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。2）电路的

20、频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可 以减小不稳定因素对振荡频率的影响。以减小不稳定因素对振荡频率的影响。3）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振 荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作 频率可做到几十频率可做到几十MHz到几百到几百MHz的甚高频波段范围。的甚高频波段范围。电路的缺点：电路的缺点： 调调C1或或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在只要在L两端并上一个可变

21、电容器，并令两端并上一个可变电容器，并令C1与与C2为固定电为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。例例1 试判断下列各图所示的交流等效电路中，哪些可能试判断下列各图所示的交流等效电路中，哪些可能产生振荡？哪些不能产生振荡？产生振荡？哪些不能产生振荡？(a)(b)(c)(d)(e)(f)例例2 下图表示三回路振荡器的交流等效电路，假定有以下图表示三回路振荡器的交流等效电路，假定有以下六种情况，即：下六种情况，即： 试问哪几种情况可能振荡？等效为哪种类型的振荡试问哪几种情况可能振荡？等效为哪种类型的振荡电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率

22、之间有什电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率之间有什么关系？么关系？作业作业 利用相位平衡条件的判断准则，判断下图所示的三利用相位平衡条件的判断准则，判断下图所示的三点式振荡器交流等效电路，哪个不可能振荡，哪个有点式振荡器交流等效电路，哪个不可能振荡，哪个有可能振荡，属于哪种类型的振荡电路，有些电路应说可能振荡，属于哪种类型的振荡电路，有些电路应说明在什么条件下才能振荡。明在什么条件下才能振荡。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)3.4 振振荡器的器的频率率稳定定问题 频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求振荡器的实际

23、工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。 振荡器的频率稳定度则是指在一定时间间隔内，由于各振荡器的频率稳定度则是指在一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度。种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度。绝对准确度绝对准确度相对准确度相对准确度 短期频率稳定度主要与温度变化、电源电压短期频率稳定度主要与温度变化、电源电压变化和电路参数不稳定性等因素有关。长期频率变化和电路参数不稳定性等因素有关。长期频率稳定度主要取决于有源器件和电路元件及石英晶稳定度主要取决于有源器件和电路元件及石英晶体的老化特性

24、，与频率的瞬间变化无关。而瞬间体的老化特性，与频率的瞬间变化无关。而瞬间频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的频率起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。频率起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。一、影响频率稳定度的因素一、影响频率稳定度的因素1. 振荡回路参数对频率的影响振荡回路参数对频率的影响因为振荡频率因为振荡频率其相对频率变化量为其相对频率变化量为2. 回路品质因素回路品质因素Q值对频率的影响值对频率的影响如右图，如右图，Q值越高，则相同的相角变值越高，则相同的相角变化引起频率偏移越小。化引起频率偏移越小。3. 有源器件的参数对频率的影响

25、有源器件的参数对频率的影响 振荡管为有源器件，若它的工作状态振荡管为有源器件，若它的工作状态(电源电压或周电源电压或周围温度等围温度等)有所改变，则由式有所改变，则由式 如果晶体管参数如果晶体管参数 h与与hi将发生变化，即引起振荡频将发生变化，即引起振荡频率的改变。率的改变。 另外，另外， 当外界因素当外界因素(如电源电压、温度、湿度等如电源电压、温度、湿度等)变化变化时，这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。时，这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。二、振荡器稳定频率的方法二、振荡器稳定频率的方法1. 减小外因变化，根除减小外因变化，根除“病因病因”1)减小温度的变化，

26、可将振荡器放在恒温槽内；另使振减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；另使振 荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的L、C，抵消抵消 L、 C。2)减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采取单独供电。器采取单独供电。3) 减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。4) 减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。5) 消除机械振动的影响消除机械振动的影响 通常可加橡皮垫圈作减振器。通常可加橡皮垫圈作减

27、振器。6)减小负载的影响，在振荡器和下级电路之间加缓冲减小负载的影响，在振荡器和下级电路之间加缓冲 器，提高回路器，提高回路Q值；本级采用低阻抗输出，本级输出与值；本级采用低阻抗输出，本级输出与下一级采取松耦合；采取克拉泼或西勒电路，减弱晶下一级采取松耦合；采取克拉泼或西勒电路，减弱晶 体管与振荡回路之间耦合，使折算到回路内的有源器件体管与振荡回路之间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高回路标准性，提高频率稳定度。参数减小，提高回路标准性，提高频率稳定度。 2. 提高回路的标准性提高回路的标准性 所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化

28、时保持其固有谐振频率不变的能力。其固有谐振频率不变的能力。 要提高回路标准性即要减小要提高回路标准性即要减小 L L和和 C C，因此可采取优质材，因此可采取优质材料的电感和电容。料的电感和电容。 3. 减小相角减小相角 AF及其变化量及其变化量AF 为使振荡器的频率稳定度高，则要求为使振荡器的频率稳定度高，则要求 AF的数值小，且的数值小，且变化量小。变化量小。 可使振荡器的工作频率比晶体管的的特性频率低很多，可使振荡器的工作频率比晶体管的的特性频率低很多，即即ffT并选用电容三端式振荡电路，使振荡波形良好。并选用电容三端式振荡电路，使振荡波形良好。串联型改进电容三端式振荡器串联型改进电容三

29、端式振荡器( (克拉泼电路克拉泼电路) )（a a）克拉泼电路的实用用电路）克拉泼电路的实用用电路（b b）高平等效电路）高平等效电路因为因为C3远远小于远远小于C1或或C2，所以三电容串联后的等效电容，所以三电容串联后的等效电容振荡角频率振荡角频率故克拉泼电路的振荡频率几乎与故克拉泼电路的振荡频率几乎与C1、C2无关。无关。(1)由于由于Cce、Cbe的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。(2)调整调整C1 C2的值可以改变反馈系数的值可以改变反馈系数,但对谐振频率的影响很小。但对谐振频率的影响很小。 由于放大倍数与频率的立方成反比，故随着放大频

30、率的由于放大倍数与频率的立方成反比，故随着放大频率的升高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。故升高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。故: :(3)调整值可以改变系统的谐振频率调整值可以改变系统的谐振频率,对反馈系数无影响。对反馈系数无影响。(1) 克拉泼电路的波段覆盖的范围窄。克拉泼电路的波段覆盖的范围窄。(2) 工作波段内输出波形随着频率的变化大。工作波段内输出波形随着频率的变化大。克拉泼电路的特点克拉泼电路的特点: :反馈系数：反馈系数：接入系数：接入系数：并联型改进电容三端式振荡器并联型改进电容三端式振荡器(西勒西勒(Seiler)电路电路)(a)(a)实际电路实际电路(b)(b)高频等效电路高频等效电路其回路等效电容其回路等效电容振荡频率振荡频率 工作频率上升时放大倍数线性上升工作频率上升时放大倍数线性上升, ,电流放大电流放大倍数下降。倍数下降。其特点：其特点：(1) 波段覆盖率宽。波段覆盖率宽。(2) 工作波段内工作波段内,输出波形随频率变化。输出波形随频率变化。接入系数：接入系数：