1、第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.1 概述概述4.2 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理4.3 LC正弦振荡器正弦振荡器4.4 晶体振荡器晶体振荡器4.5 压控振荡器压控振荡器4.6 集成电路振荡器集成电路振荡器4.7 实用振荡器电路实用振荡器电路正弦波振荡器：正弦波振荡器：能自动将直流电能转换成（具有一定能自动将直流电能转换成（具有一定频率和振幅的）正弦交流电能的电路。它与放大器的区频率和振幅的）正弦交流电能的电路。它与放大器的区别在于这种转换不需外部信号的控制。振荡器输出的信别在于这种转换不需外部信号的控制。振荡器输出的信号频率、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。号频率、波
2、形、幅度完全由电路自身的参数决定。应用：应用：通信电路中作载波，本振信号；信号源及无线通信电路中作载波，本振信号；信号源及无线电测量仪表中。电测量仪表中。产生方式：产生方式：反馈式振荡器和负阻式振荡器反馈式振荡器和负阻式振荡器分类：分类：频率：频率：低频，高频，微波振荡器低频，高频，微波振荡器 输出波形：输出波形：正弦振荡器和非正弦振荡器正弦振荡器和非正弦振荡器要求：要求：输出功率大，效率高，波形失真小，频率稳定度高输出功率大，效率高，波形失真小，频率稳定度高4.1 概述概述4.2 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理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右上
3、图是一个并联谐振回路与一个直流右上图是一个并联谐振回路与一个直流电压源电压源US的连接图。的连接图。e0是并联回路的是并联回路的谐振电阻。在谐振电阻。在t以前开关以前开关S接通接通1,使使uc()=Us。在。在t=时时,开关开关S很快断开很快断开1,接通接通2。根据电路分析基础知识。根据电路分析基础知识,可以求可以求出在出在e0 的情况下的情况下,t以后以后,并联回路两端电压的表达式并联回路两端电压的表达式,即回即回路在欠阻尼情况下的零输入响应：路在欠阻尼情况下的零输入响应：当谐振电阻较大时当谐振电阻较大时,并联谐振回路两端并联谐振回路两端的电压变化是一个振幅按指数规律衰的电压变化是一个振幅按
4、指数规律衰减的正弦振荡。其振荡波形如右下图减的正弦振荡。其振荡波形如右下图所示所示。在在 处断开，并定义环路增益为，处断开，并定义环路增益为，这时这时:Uo=AUi。Uf=UoF=UiAF 若若AF=1，则，则Uf=Ui，没有输入也能维持输出，构成了振荡电路。，没有输入也能维持输出，构成了振荡电路。回归比：回归比：T=AF为反馈放大器的为反馈放大器的环路增益。环路增益。T1：增幅振荡；增幅振荡；T1，则每循环一次，幅度就则每循环一次，幅度就增大一次，产生增幅振荡，如图所增大一次，产生增幅振荡，如图所示。示。增幅振荡增幅振荡等幅振荡等幅振荡起振和稳幅过程T1 T=1AUiUiA0U0QT1振幅起
5、振条件：振幅起振条件：T=AF 1 相位起振条件：相位起振条件：T（）=A+F=2n (n=0,1,2,3)二、振荡条件二、振荡条件3、振荡稳定条件振荡稳定条件 当振荡器受到外部因素的干扰失去平衡后，当振荡器受到外部因素的干扰失去平衡后，能自动恢复到原来的平衡状态，或能够在原平衡能自动恢复到原来的平衡状态，或能够在原平衡状态附近重建平衡的，称为稳定的平衡。状态附近重建平衡的，称为稳定的平衡。稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件，稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件，振幅稳定条件是指当外界因素造成振荡幅度变化振幅稳定条件是指当外界因素造成振荡幅度变化后，振荡器能够自动恢复原来振荡幅度所需满足
6、后，振荡器能够自动恢复原来振荡幅度所需满足的条件。相位稳定条件是指相位平衡条件被破坏的条件。相位稳定条件是指相位平衡条件被破坏时，电路能够重新建立相位平衡的条件。相位稳时，电路能够重新建立相位平衡的条件。相位稳定条件同时也是频率稳定条件，因为相位的变化定条件同时也是频率稳定条件，因为相位的变化必然引起频率的变化必然引起频率的变化。综上所述综上所述振幅稳定条件：振幅稳定条件：图中图中A、B均为平衡点，其中均为平衡点，其中A点为稳定平衡点，当某中扰动使电点为稳定平衡点，当某中扰动使电路离开路离开A点（点（T1）时，电路会自动）时，电路会自动回到回到A点；点；B点是非稳定平衡点，受点是非稳定平衡点，
7、受到扰动时电路会停振（左移）或过到扰动时电路会停振（左移）或过渡到渡到A点（右移）。点（右移）。上图的电路中起始扰动电压必须上图的电路中起始扰动电压必须大于大于UiB，称为硬激励；下图的电路，称为硬激励；下图的电路开机即可振荡，称为软激励。振荡开机即可振荡，称为软激励。振荡电路应避免硬激励状态。电路应避免硬激励状态。ABUiTUiBUiA1硬激硬激励励T1AUiUiA软激软激励励（1）振幅稳定条件）振幅稳定条件相位稳定条件：相位稳定条件：负载回路负载回路相频相频特性：特性：增大增大，T 减小减小 相位条件的稳定是靠相位条件的稳定是靠 增大增大，T降低来降低来实现的实现的回路回路Q值越高稳定性越
8、好值越高稳定性越好 AT()ABT()（2）相位稳定条件）相位稳定条件 图中图中A点为稳点为稳定平衡点，定平衡点，B点点为非稳定平衡点。为非稳定平衡点。4.2.3反反馈振振荡电路判断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三个条件,判断一个反馈振荡电路能否正常工作判断一个反馈振荡电路能否正常工作,需考虑以下几点：需考虑以下几点：（1）可变增益放大器件）可变增益放大器件(晶体管晶体管,场效应管或集成电路场效应管或集成电路)应有正确的直流应有正确的直流偏置偏置,开始时应工作在甲类状态开始时应工作在甲类状态,便
9、于起振。便于起振。（2）开始起振时开始起振时,环路增益幅值环路增益幅值A(0 0)F(0)应大于应大于1。由于反馈网络通。由于反馈网络通常由无源器件组成常由无源器件组成,反馈系数反馈系数F小于小于1,故故A(0)必须大于必须大于1。共射、共基电路。共射、共基电路都可以满足这一点。都可以满足这一点。为了增大为了增大A(0),负载电阻不能太小。负载电阻不能太小。（3）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,即环路应是正反馈。即环路应是正反馈。（4）选频网络应具有负斜率的相频特性。因为在振荡频率点附近）选频网络应具有负斜率的相频特性。因为在振荡频率点附近,可以可
10、以认为放大器件本身的相频特性为常数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、电阻分而反馈网络通常由变压器、电阻分压器或电容分压器组成压器或电容分压器组成,其相频特性也可视为常数其相频特性也可视为常数,所以相位稳定条件应该所以相位稳定条件应该由选频网络实现。注意由选频网络实现。注意LC并联回路阻抗的相频特性和并联回路阻抗的相频特性和LC串联回路导纳的串联回路导纳的相频特性是负斜率相频特性是负斜率,而而LC并联回路导纳的相频特性和并联回路导纳的相频特性和LC串联回路阻抗的相串联回路阻抗的相频特性是正斜率。频特性是正斜率。以上第（以上第（1）点可根据直流等效电路进行判断）点可根据直流
11、等效电路进行判断,其余其余3点可根据交流等效电点可根据交流等效电路进行判断。路进行判断。例例4.14.1判断下图所示各反馈振荡电路能否正常工作。判断下图所示各反馈振荡电路能否正常工作。其中（其中（a a）、）、（b b）是交流等效电路）是交流等效电路,（）是实用电路。）是实用电路。解解:图示三个电路均为两级反馈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且两级中至少有一级是共射电路或共基电路或共基电路,所以只要其电压增益足够大所以只要其电压增益足够大,振荡的振幅条件容易满振荡的振幅条件容易满足。而相位条件：足。而相位条件：1 1、要求正反馈、要求正反馈,2,2、是选频网络应具有负斜率
12、特、是选频网络应具有负斜率特性。性。（a）图由两级共射反馈电路组成）图由两级共射反馈电路组成,其瞬时极性如图中所标注其瞬时极性如图中所标注,所以是正反所以是正反馈。馈。LC并联回路同时担负选频和反馈作用并联回路同时担负选频和反馈作用,且在谐振频率点反馈电压最强。且在谐振频率点反馈电压最强。在讨论选频网络的相频特性时在讨论选频网络的相频特性时,一定要注意应采用其阻抗特性还是导纳特一定要注意应采用其阻抗特性还是导纳特性。对于（性。对于（a）图）图,LC并联回路输入是并联回路输入是V2管集电极电流管集电极电流ic2,输出是反馈到输出是反馈到V1管管b、e两端的电压两端的电压ube1,所以应采用其阻抗
13、特性所以应采用其阻抗特性.根据并联回路的阻抗相频根据并联回路的阻抗相频特性是负斜率。特性是负斜率。综上所述综上所述,(a)图电路也满足相位条件图电路也满足相位条件,因此能够正常工作因此能够正常工作（能振荡）。（能振荡）。（b）图由共基）图由共基共集两级反馈组成。根据瞬时极性判断法共集两级反馈组成。根据瞬时极性判断法,如把如把LC并联并联回路作为一个电阻看待回路作为一个电阻看待,则为正反馈。但则为正反馈。但LC并联回路在谐振频率点阻抗趋并联回路在谐振频率点阻抗趋于无穷大于无穷大,正反馈最弱。正反馈最弱。同时对于此同时对于此LC并联回路来说并联回路来说,其输入是电阻其输入是电阻e2上的电压上的电压
14、,输出是电流输出是电流,所以应采用其导纳特性。所以应采用其导纳特性。由于并联回路导纳的相由于并联回路导纳的相频特性是正斜率频特性是正斜率,所以不满足相位稳定条件。综上所述所以不满足相位稳定条件。综上所述,（b）图电路不能）图电路不能正常工作（不能振荡）。正常工作（不能振荡）。（c）图与（）图与（b）图不同之处在于用串联回路置换了并联回路。由于）图不同之处在于用串联回路置换了并联回路。由于LC串串联回路在谐振频率点阻抗趋于零联回路在谐振频率点阻抗趋于零,正反馈最强正反馈最强,且其导纳的相频特性是负斜且其导纳的相频特性是负斜率率,满足相位稳定条件满足相位稳定条件,所以（所以（c）图电路能正常工作（
15、能振荡）。）图电路能正常工作（能振荡）。(c)图中图中在在V2的发射极与的发射极与V1的基极之间增加了一条负反馈支路的基极之间增加了一条负反馈支路,用以稳定电路的输用以稳定电路的输出波形。出波形。4.2.4 LC振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度设实际工作频率为设实际工作频率为f1，标称频率为标称频率为f0绝对频率偏差：绝对频率偏差：相对频率偏差：相对频率偏差：频率稳定度：频率稳定度：在一定时间间隔内振荡频率的相对变化在一定时间间隔内振荡频率的相对变化量，即量，即 频率稳定度是振荡器最重要的性能指标之一。频率稳定，频率稳定度是振荡器最重要的性能指标之一。频率稳定，频率稳定是指当外界条件发生变
16、化时，振荡器的实际工作频率频率稳定是指当外界条件发生变化时，振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差尽可能小。与标称频率间的偏差尽可能小。1 频率稳定度的概念频率稳定度的概念 对频率稳定度的要求视用途而异，一般的对频率稳定度的要求视用途而异，一般的短波、超短波发射机的相对频稳度为短波、超短波发射机的相对频稳度为10-410-5数量级；电视发射机为数量级；电视发射机为10-7数量级；卫星通信数量级；卫星通信发射机为发射机为10-910-11数量级。普通信号发生器为数量级。普通信号发生器为10-410-5数量级，高精度信号发生器为数量级，高精度信号发生器为10-710-9数量级。用于国家时间标准的频
17、率源，要求在数量级。用于国家时间标准的频率源，要求在10-12数量级。数量级。2 提高频率稳定度的措施提高频率稳定度的措施二、提高振荡回路的标准性二、提高振荡回路的标准性一、减小外界因素的变化一、减小外界因素的变化 采用恒温槽减小温度变化的影响；采用屏蔽措施减小磁采用恒温槽减小温度变化的影响；采用屏蔽措施减小磁场变化的影响；加入减振装置减小机械振动的影响；采用隔场变化的影响；加入减振装置减小机械振动的影响；采用隔离电路减小负载变化的影响等离电路减小负载变化的影响等。选用参数高度稳定的选用参数高度稳定的L、C元件，如用石英晶体替代谐振元件，如用石英晶体替代谐振回路的回路的L，或者采用温度补偿来减
18、小温度变化对元件带来的影，或者采用温度补偿来减小温度变化对元件带来的影响。响。已知：已知：与谐振回路元件参数与谐振回路元件参数L、C的关系为：的关系为：，则，则三、选取合理的电路形式减小晶体管对振荡三、选取合理的电路形式减小晶体管对振荡频率的影响频率的影响 选取合理的电路形式或采用自动调整电路来提高频率选取合理的电路形式或采用自动调整电路来提高频率稳度是一项很重要的技术措施稳度是一项很重要的技术措施,如下一节介绍的改进型电容如下一节介绍的改进型电容三点式电路和第三点式电路和第7章将要介绍的自动频率控制和锁相环技术章将要介绍的自动频率控制和锁相环技术都是普遍应用的例子。都是普遍应用的例子。也可采
19、用加大回路总电容的方法可也可采用加大回路总电容的方法可以减小极间电容的相对影响，但是大电容会使频率调谐范以减小极间电容的相对影响，但是大电容会使频率调谐范围变窄，使振荡变弱；减弱三极管与回路之间的耦合，也围变窄，使振荡变弱；减弱三极管与回路之间的耦合，也就是将三极管以部分接入方式接入回路，也可以减小极间就是将三极管以部分接入方式接入回路，也可以减小极间电容对谐振回路的影响；通过稳定晶体管的工作点可以减电容对谐振回路的影响；通过稳定晶体管的工作点可以减小小gm的变化，从而减小的变化，从而减小f的变化，也能够稳定振荡频率等的变化，也能够稳定振荡频率等方法。方法。利用互感耦合实现反馈振荡利用互感耦合
20、实现反馈振荡4.3 LC振荡器振荡器改变同名端的位置，则反馈极改变同名端的位置，则反馈极性改变性改变4.3.1 互感耦合振荡器互感耦合振荡器发射极调谐发射极调谐R1R2ReCeCbCLUCCM集电极调谐集电极调谐MCbR2R1CLCcReUCCMR2UCCCLReCeR1基极调谐基极调谐Cb 根据根据LC回路与三极管不同电极的连接方式分为集电极调回路与三极管不同电极的连接方式分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型电路，如图所示谐型、发射极调谐型和基极调谐型电路，如图所示 三种电路相比较，集电极调谐型电路在高频输出方面比三种电路相比较，集电极调谐型电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且输
21、出幅度大，谐波成分小。而基极其它两种电路稳定，而且输出幅度大，谐波成分小。而基极调谐型电路的振荡频率可以在较宽的范围内变化，仍能保持调谐型电路的振荡频率可以在较宽的范围内变化，仍能保持振荡幅度平稳。振荡幅度平稳。互感耦合振荡器一般工作于工作频率不太高的中、短波波段。互感耦合振荡器一般工作于工作频率不太高的中、短波波段。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,所以所以,应注意耦合线圈同名端的正确位置。为了满足正反馈条件，必须正应注意耦合线圈同名端的正确位置。为了满足正反馈条件，必须正确地设置初，次级绕组的同名端。根据晶体三极管三个电极上输
22、出确地设置初，次级绕组的同名端。根据晶体三极管三个电极上输出与输入的相位关系，即射极与基极和集电极与射极为同相关系，而与输入的相位关系，即射极与基极和集电极与射极为同相关系，而集电极与基极则为反相关系。因此，我们以射极为准，当变压器初、集电极与基极则为反相关系。因此，我们以射极为准，当变压器初、次级绕组与晶体管相接时，其同名端设置应遵照如下规则：次级绕组与晶体管相接时，其同名端设置应遵照如下规则：对于有抽头的绕组，由于绕组有一端接地，因而电极与抽头相对于有抽头的绕组，由于绕组有一端接地，因而电极与抽头相接处的同名端，可移至另一不接地的绕组端处。以上规则是我们在接处的同名端，可移至另一不接地的绕
23、组端处。以上规则是我们在实际判断变压器耦合振荡器作为判别是否满足相位条件的依据。同实际判断变压器耦合振荡器作为判别是否满足相位条件的依据。同时时,耦合系数耦合系数要选择合适要选择合适,使之满足振幅起振条件。使之满足振幅起振条件。互感耦合振荡器电路正反馈的判断方法互感耦合振荡器电路正反馈的判断方法 射极相接的绕组端与基极或集电极相接的绕组端应为同名端，射极相接的绕组端与基极或集电极相接的绕组端应为同名端，否则不满足正反馈条件。这一规则也可以概括为否则不满足正反馈条件。这一规则也可以概括为“射基（集）同名射基（集）同名”。对于场效应管，根据两管电极间的对应关系，则为。对于场效应管，根据两管电极间的
24、对应关系，则为“源栅（漏）源栅（漏）同名同名”例例4.2判断下图所示互感耦合振荡电路能否正常工作。判断下图所示互感耦合振荡电路能否正常工作。解解:图图(a)、(b)分别为射、基同名分别为射、基同名和源、漏同名，满足相位条件，和源、漏同名，满足相位条件，(c)由于是抽头，因而电极与抽头相接由于是抽头，因而电极与抽头相接处的同名端，可移至另一不接地的处的同名端，可移至另一不接地的绕组端处，所以射、基同名，满足绕组端处，所以射、基同名，满足相位条件。相位条件。(d)在在V1的发射极与的发射极与V2的发射极之间断开。从断开处向左的发射极之间断开。从断开处向左看看,将将V1的的eb结作为输入端结作为输入
25、端,V2的的ec结作为输出端结作为输出端,可知这是一个共基可知这是一个共基共集反馈电路共集反馈电路,振幅条件是可以振幅条件是可以满足的满足的,所以只要相位条件满足所以只要相位条件满足,就就可起振。可起振。利用瞬时极性判断法利用瞬时极性判断法,根据同名端位根据同名端位置置,有有ue1uc1ub2ue2（ue1）,可可见是负反馈见是负反馈,不能起振。不能起振。如果把变压器次级同名端位置换一如果把变压器次级同名端位置换一下下,则可改为正反馈。则可改为正反馈。而变压器初而变压器初级回路是并联级回路是并联LC回路回路,作为作为V1的负的负载载,此处应考虑其阻抗特性，此处应考虑其阻抗特性，由于由于满足相位
26、稳定条件满足相位稳定条件,因此可以正常因此可以正常工作。工作。4.3.2 三端式振荡器三端式振荡器一、三端式振荡器构成原则：一、三端式振荡器构成原则：构成原则构成原则：射同它反射同它反，即与发射极相连的两电抗，即与发射极相连的两电抗Xbe、Xce性质相同；性质相同；Xbc与与Xbe、Xce的电抗性质相反。的电抗性质相反。若为场效应管，则管脚对应关系为：若为场效应管，则管脚对应关系为：b e cg s d Xbe、Xce、Xbc组成谐振回路组成谐振回路谐振时：谐振时：Xbe+Xce+Xbc=0回路电流处处相同回路电流处处相同I构成正反馈：构成正反馈：Xbe、Xce为同性质电抗同性质电抗XceXb
27、eXbcufucIui两种典型的三端式振荡器的简化电路：两种典型的三端式振荡器的简化电路：左图：左图：电容三端式电路电容三端式电路，又称为，又称为考毕兹电路考毕兹电路，它的反馈，它的反馈电压取自电压取自C1和和C2组成的分压器；组成的分压器；右图：右图：电感三端式电路电感三端式电路，又称为，又称为哈特莱电路哈特莱电路，它的反馈，它的反馈电压取自电压取自L1和和L2组成的分压器。组成的分压器。Xce(C1)Xbe(C2)Xbc(L)ufucIuiXce(L1)Xbe(L2)Xbc(C)ufucIui二、二、电容三端式振荡器电容三端式振荡器Rb1、Rb2、Re 为为直流偏置电阻；振荡直流偏置电阻；
28、振荡产生后作为自偏压电阻，稳幅作用。产生后作为自偏压电阻，稳幅作用。Lc高频扼流圈，防止电源旁路高频扼流圈，防止电源旁路Ce旁路电容旁路电容、Cb 隔直流电容隔直流电容L、C1、C2 构成谐振回路，决定振构成谐振回路，决定振荡频率：荡频率：CbRb2Rb1ReCeC1C2LLCUCC这是一个共基是一个共基电路。路。利用晶体管共基利用晶体管共基组态简化等效化等效电路可以将路可以将电容三点式容三点式电路画成如路画成如图（a）所示的形式）所示的形式,其中虚其中虚线框内是晶体管框内是晶体管共基共基组态简化等效化等效电路。路。晶体管晶体管输出出电容未考容未考虑。在在上图上图（a）中的双电容耦合电路里）中
29、的双电容耦合电路里,可把次级电路元件可把次级电路元件re、Re、Cbe等效到初级中等效到初级中,如图（如图（b）所示。其中接入系数：）所示。其中接入系数：(因为因为reRe)其中：其中：图（b）又可以）又可以进一步等效一步等效为图（c）。）。其中等效其中等效电导G=gL+ge,式中，式中，等效电纳等效电纳B=C-1(L),：因因为所以环路增益：所以环路增益：振荡角频率：振荡角频率：由此可求得振幅起振条件为：由此可求得振幅起振条件为：即：即：其中：其中：电路的反馈系数：电路的反馈系数：的取值一般为的取值一般为1/81/2。为了使电容三点式电路易于起振为了使电容三点式电路易于起振,应选择跨导应选择
30、跨导m较大、较大、r be较大的晶体管较大的晶体管,其负载其负载L和回路谐振电阻和回路谐振电阻Re0也要大也要大,而接入系而接入系数数n要合理选择。实践表明要合理选择。实践表明,如果选用截止频率如果选用截止频率fT大于振荡频率大于振荡频率五倍以上的晶体管作放大器五倍以上的晶体管作放大器,负载负载L不要太小（不要太小（k以上）以上）,接入系数接入系数n取值合适取值合适,一般都能满足起振条件。一般都能满足起振条件。电容三端式振荡器的特点：电容三端式振荡器的特点：优点：优点：输出波形较好，工作频率较高，主要是由于输出波形较好，工作频率较高，主要是由于其反馈支路采用了电容元件，高频时电抗小，能较其反馈
31、支路采用了电容元件，高频时电抗小，能较好的滤除高次谐波。若直接采用极间电容代替回路好的滤除高次谐波。若直接采用极间电容代替回路电容，工作频率可以提高很多。电容，工作频率可以提高很多。缺点：缺点：频率不易调整，因为改变回路电容会同时改频率不易调整，因为改变回路电容会同时改变反馈系数，甚至可能造成回路停振。变反馈系数，甚至可能造成回路停振。三、电感三端式振荡器三、电感三端式振荡器 （又称哈特莱电路又称哈特莱电路 Hartlay）L1,L2是回路电感是回路电感,C是回是回路电容路电容,Cc和和Ce是耦合电是耦合电容容,Cb是旁路电容是旁路电容,L3和和L4是高频扼流圈。是高频扼流圈。电感三点式振荡器
32、电路电感三点式振荡器电路共基组态交流等效电路共基组态交流等效电路利用类似于电容三点式振利用类似于电容三点式振荡器的分析方法荡器的分析方法,也可以求也可以求得电感三点式振荡器振幅得电感三点式振荡器振幅起振条件和振荡频率起振条件和振荡频率,区别区别在于这里以自耦变压器耦在于这里以自耦变压器耦合代替了电容耦合。合代替了电容耦合。振荡角频率：振荡角频率：0=其中：其中：L=L1+L2+2M,M为互感系数，互感系数，起振条件：起振条件：其中：接入系数：其中：接入系数：电路反馈系数：电路反馈系数：的取值一般为的取值一般为1/101/2。电容三点式振荡器和电感三点式振荡器各有其优缺点。电容三点电容三点式振荡
33、器和电感三点式振荡器各有其优缺点。电容三点式振荡器的优点是：式振荡器的优点是：反馈电压取自反馈电压取自C2,而电容对晶体管非线性特而电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗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所以反馈电压中高次谐波分量很小小,因而输出波形好因而输出波形好,接近于正弦波。缺点是：反馈系数因与回路接近于正弦波。缺点是：反馈系数因与回路电容有关电容有关,如果用改变回路电容的方法来调整振荡频率如果用改变回路电容的方法来调整振荡频率,必将改变必将改变反馈系数反馈系数,从而影响起振。从而影响起振。电感三点式振荡器的优点是便于用改变电容的方法来调整振荡频电感三点式振
34、荡器的优点是便于用改变电容的方法来调整振荡频率率,而不会影响反馈系数而不会影响反馈系数,缺点是反馈电压取自缺点是反馈电压取自2,而电感线圈对而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗高次谐波呈现高阻抗,所以反馈电压中高次谐波分量较多所以反馈电压中高次谐波分量较多,输出波输出波形较差。形较差。两种振荡器共同的缺点是：晶体管输入两种振荡器共同的缺点是：晶体管输入/输出电容分别和两个回输出电容分别和两个回路电抗元件并联路电抗元件并联,影响回路的等效电抗元件参数，从而影响振荡影响回路的等效电抗元件参数，从而影响振荡频率。由于晶体管输入频率。由于晶体管输入/输出电容值随环境温度、电源电压等因输出电容值随环境温度、电
35、源电压等因素而变化素而变化,所以三点式电路的频率稳定度不高所以三点式电路的频率稳定度不高,一般在一般在10-3量级。量级。两种振荡器的比较两种振荡器的比较电容三点式电容三点式电感三点式电感三点式改变改变 C1、C2比值来改变比值来改变F能够振荡的最高频率较高：能够振荡的最高频率较高：极间电容与极间电容与C1、C2并联。并联。输出电压波形好：输出电压波形好：c、e间接间接C2，高次谐波阻抗，高次谐波阻抗小，谐波电压小。小，谐波电压小。改变抽头位置来改变改变抽头位置来改变F能够振荡的最高频率较低：能够振荡的最高频率较低：极间电容与极间电容与L1、L2并联并联,高频时高频时会改变电抗性质。会改变电抗
36、性质。输出电压波形差：输出电压波形差：c、e间接间接L2，高次谐波阻抗大，高次谐波阻抗大，谐波电压大。谐波电压大。解解:由图可知由图可知,只要满足三点式组成法则只要满足三点式组成法则,该振荡器就能正常工作。该振荡器就能正常工作。若组成电容三点式若组成电容三点式,则在振荡频率则在振荡频率f01处处,11回路与回路与22回路应呈现容回路应呈现容性性,33回路应呈现感性。回路应呈现感性。所以应满足所以应满足f1f2f01f3或或f2f1f01f3。若组成电感三点式，则在振荡频率若组成电感三点式，则在振荡频率f02处，处，11回路与回路与22回路应呈现回路应呈现感性感性,33回路应呈现容性。所以应满足
37、回路应呈现容性。所以应满足f3 f02f2f1或或f3 f02f1f2。例例4.3在下在下图所示振所示振荡器交流等效器交流等效电路中路中,三个三个LC并并联回路的回路的谐振振频率分率分别是是：，试问f1、f2、f3满足什么条件足什么条件时该振振荡器能正常工作？且相器能正常工作？且相应的振的振荡频率是多少率是多少？在两种情况下在两种情况下,振振荡频率的表达式均率的表达式均为：两种改进型电容反馈式振荡器两种改进型电容反馈式振荡器引入：引入：晶体管各个电极与电抗元件并联，极间电容对振荡晶体管各个电极与电抗元件并联，极间电容对振荡器的影响很大，为提高频率稳定性，要尽量减小晶体管与器的影响很大，为提高频
38、率稳定性，要尽量减小晶体管与回路的耦合。回路的耦合。四、克拉泼振荡器四、克拉泼振荡器晶体管以部分接入方式与回路连接晶体管以部分接入方式与回路连接C3小，小，C主要由主要由C3决定，决定，C3小，频率可调范围小。小，频率可调范围小。C1C2C3LR1R2ReLRCUCCC1C2C3CbCbR1R2ReLRCUCCC1C2C4C3五、西勒振荡器五、西勒振荡器振荡频率主要振荡频率主要C4由决定，可调范围大。由决定，可调范围大。C4的变化对三极管对回路接入系数的变化对三极管对回路接入系数n1和和F都不改变，展宽都不改变，展宽了工作频带，常用于频率可调的振荡器。了工作频带，常用于频率可调的振荡器。接入系
39、数与克拉泼电路相同接入系数与克拉泼电路相同4.4 晶体振荡器晶体振荡器优点：优点：频率稳定度高。频率稳定度高。缺点：缺点：单频工作单频工作标称频率。标称频率。串联谐振频率：串联谐振频率：并联谐振频率：并联谐振频率：(CqC0)q 0X0感性感性容性容性容性容性C0CqLqRqiu+-JT4.4.1 石英晶体谐振特性石英晶体谐振特性 并并联联型型晶晶体体振振荡荡器器：含含有有石石英英晶晶体体的的电电容容三三端端式式振振荡荡器器，也也称称为为皮皮尔尔斯斯振振荡荡器器，如如图图所所示示。振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率在在晶晶体体的的串串联联谐谐振振与与并并联联谐谐振振频频率率之之间间，晶晶体体等等
40、效效为为一一个个非非线线性性电电感感。4.4.2 晶体振荡器电路晶体振荡器电路一、并联型晶体振荡器（皮尔斯振荡电路）一、并联型晶体振荡器（皮尔斯振荡电路）皮尔斯振荡电路皮尔斯振荡电路由图（由图（b）可以看出）可以看出,皮尔斯电路类似于克拉泼电路皮尔斯电路类似于克拉泼电路,但由于石英晶但由于石英晶振中振中Cq极小极小,Qq极高极高,所以皮尔斯电路具有以下一些特点：所以皮尔斯电路具有以下一些特点：（1）振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管）振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管c、b端端,c、e端和端和e、b端的接入系数分别是：端的接入系数分别是：三个接入系数一般均小于三个接入系数一
41、般均小于10-310-4,所以外电路中的所以外电路中的不稳定参数对振荡回路影不稳定参数对振荡回路影响很小响很小,提高了回路的标准提高了回路的标准性。性。（2）振荡频率几乎由石英晶振）振荡频率几乎由石英晶振的参数决定的参数决定,而石英晶振本身的而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。参数具有高度的稳定性。例例 4.5 下图为例下图为例4.5题：（题：（a）是一个数字频率计晶振电路）是一个数字频率计晶振电路,试试分析其工作情况。分析其工作情况。解解:先画出先画出V1管高频交流等效电管高频交流等效电路路,如图（如图（b）所示）所示,0.01F电容电容较大较大,作为高频旁路电路作为高频旁路电路,V2管作
42、管作射随器。由高频交流等效电路可射随器。由高频交流等效电路可以看到以看到,V1管的管的c、e极之间有一极之间有一个个LC回路回路,其谐振频率为其谐振频率为:所以在晶振工作频率所以在晶振工作频率5MHz处处,此此LC回路等效为一个电容。可见回路等效为一个电容。可见,这是一个皮尔斯振荡电路这是一个皮尔斯振荡电路,晶振晶振等效为电感等效为电感,容量为容量为3pF10pF的的可变电容起微调作用可变电容起微调作用,使振荡器使振荡器工作在晶振的标称频率工作在晶振的标称频率5MHz上。上。密勒振荡器：密勒振荡器：属于电感三端式电路。属于电感三端式电路。晶体和晶体和L1C1回路均等效为电感，因回路均等效为电感
43、，因此要求振荡器工作频率此要求振荡器工作频率 g低于低于L1C1回路的固有谐振频率回路的固有谐振频率 01。输。输出波形较好，但有载出波形较好，但有载Qe值低，与皮尔斯振荡器相比，频率稳定值低，与皮尔斯振荡器相比，频率稳定度较低，为了减少三极管输入电阻对石英晶体的影响，可以采度较低，为了减少三极管输入电阻对石英晶体的影响，可以采用场效应管代替三极管构成振荡电路。用场效应管代替三极管构成振荡电路。R1R2JTReCeL1C1UCC(a)密勒振荡器密勒振荡器C2L1C1C2JT(b)等效交流通路等效交流通路4.7 H200pF310PF20PF5MHZUCC0.010.120330pF20K5.6
44、Kuo4.7 H330pF200pF310pF20pF5MHz15MHzUCCC16.6 HL1220pF430pF20pF315pF6.6 H430pF220pF315pF20pF泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器 串联型晶体振荡器：串联型晶体振荡器：电路通过晶体形成正反馈，振荡器的电路通过晶体形成正反馈，振荡器的振荡频率等于晶体的串联谐振频率，即振荡频率等于晶体的串联谐振频率，即 o s，晶体等效为选频，晶体等效为选频开关（一小电阻或近似短路线）。晶体工作于开关（一小电阻或近似短路线）。晶体工作于fs附近，呈现低附近，呈现低阻抗，这时反馈最强且不带来附加相移，因此在这个频率上产阻抗，这时反馈最强
45、且不带来附加相移，因此在这个频率上产生振荡。生振荡。二、串联型晶体振荡器二、串联型晶体振荡器12V0.01 F0.03 FC1C2C3R1RcLReCbR2JT 图所示电路，是一个图所示电路，是一个电容三端式振荡器，在谐电容三端式振荡器，在谐振回路与三极管之间的反振回路与三极管之间的反馈支路中接入了一个具有馈支路中接入了一个具有选频能力的晶体。选频能力的晶体。L、C1、C2、C3组成并联谐振回路，组成并联谐振回路，振荡频率调谐在串联谐振振荡频率调谐在串联谐振频率处，石英谐振器阻抗频率处，石英谐振器阻抗最小为，相移为最小为，相移为0，形成正，形成正反馈，满足振幅和相位条反馈，满足振幅和相位条件，
46、产生振荡。件，产生振荡。+24V2.4k2k1.5k2k3.9k4.3k2.4k680JT100pF10 10 0.04 10 20 F20 FL 下图是某通信机用的下图是某通信机用的9kHz串联晶体振荡器。串联晶体振荡器。9kHz石英谐石英谐振器串接在两级放大器的反馈支路上，只有在晶体和负载电振器串接在两级放大器的反馈支路上，只有在晶体和负载电容容CL所决定的串联谐振频率上，正反馈最强，才产生振荡。所决定的串联谐振频率上，正反馈最强，才产生振荡。第一级放大器采用谐振回路作负载，利用它的选频作用，输第一级放大器采用谐振回路作负载，利用它的选频作用，输出端可以得到波形较好的正弦波。出端可以得到波
47、形较好的正弦波。4.5 压控振荡电路压控振荡电路4.5.14.5.1变容二极管容二极管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，这种振荡器被称为压控正弦波振荡器而变化，这种振荡器被称为压控正弦波振荡器压控振荡器简称为压控振荡器简称为VCO(Voltage Controlled Oscillator)，在频，在频率调制、频率合成、锁相环路、电视调谐器、频谱分析仪等方率调制、频率合成、锁相环路、电视调谐器、频谱分析仪等
48、方面有着广泛的应用面有着广泛的应用最常用的压控电抗元件是变容二极管最常用的压控电抗元件是变容二极管变容二极管简介变容二极管简介变容二极管原理变容二极管原理变容二极管结电容变容二极管结电容n为变容指数为变容指数,其值随半导体掺杂浓度和其值随半导体掺杂浓度和N结的结构不同结的结构不同而变化而变化,j（0）为外加电压）为外加电压u时的结电容值时的结电容值,UB为为结的内建电位差。结的内建电位差。静态结构电容静态结构电容变容二极管必须工作在反向偏压状态变容二极管必须工作在反向偏压状态,所以工作时需加负的静态直所以工作时需加负的静态直流偏压流偏压u=-(UQ+u)=-(UQ+U m cost)设：设：结
49、电容调制度结电容调制度:将变容二极管作为压控电容接入将变容二极管作为压控电容接入LC振荡器中，就组成了振荡器中，就组成了LC压压控振荡器；一般可采用各种形式的三点式电路控振荡器；一般可采用各种形式的三点式电路4.5.24.5.2变容二极管容二极管压控振控振荡器器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和交流控制电压，而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低压和交流控制电压，而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰，所以在电路设计时要适当采用高频扼流圈、频控制电压的干扰，所以在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容、
50、隔直流电容等旁路电容、隔直流电容等.在分析压控振荡器时，除正确画出振荡器的直流通路和高频振在分析压控振荡器时，除正确画出振荡器的直流通路和高频振荡回路外，还需画出变容二极管的直流偏置电路与低频控制回荡回路外，还需画出变容二极管的直流偏置电路与低频控制回路路例例 4.6 画出下图画出下图(a)所示中心频率为所示中心频率为360MHz的变容二极管压控振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变容二极管的直流偏置电路和低频控制回路。置电路和低频控制回路。解：解：直流通路：直流通路：直流偏置电路直流偏置电路高频振荡电路高频振荡电路低
