第4章正弦波振荡器

第 4 章正弦波振荡器

一、本章的基本内容

（1）掌握反馈正弦波振动器的工作原理及振荡的起振、平衡条件

（2）掌握LC振荡器、晶体振荡器的电路组成、工作原理及其性能特点（3）了解频率稳定度的概念，了解影响频率稳定度的主要因素及稳频措施。（4）了解RC振荡器的工作原理

二、重点和难点

重点：

（1）反馈正弦波振动器的工作原理及振荡的条件

（2）三点式LC振荡器电路组成原则、使用电路分析及振荡频率的计算。（3）石英晶体谐振特性、晶体振荡器构成特点及优点。

难点

（1）振动器的相位平衡条件的判断

（2）振荡条件与电路参数的关系，振幅起振条件的计算。

（3）使用振荡电路的分析。

引言

振荡器的作用：产生一定频率和幅度的信号

按振荡波形不同分

正弦波振荡器

非正弦波振荡器

按组成原理不同分

负阻振荡器

利用负阻器件的负阻效应产生振荡

反馈振荡器

利用正反馈原理构成,本质上也是负阻振荡器

4.1 反馈振荡器的工作原理

主要要求：

掌握反馈振荡器的组成和基本工作原理 理解反馈振荡器的起振条件和平衡条件， 了解其稳定条件。

掌握反馈振荡器能否振荡的判断方法。 4.1.1 反馈振荡器的组成与基本工作原理 一、 反馈振荡器的组成

无外加输入信号 正弦波振荡器由放大器、反馈网络和选频网络组成

图4-1 反馈振荡器构成框图

二、 反馈振荡器的工作原理 首要条件满足i f U U = 起始信号来自电扰动

输出信号大小满足要求时，要能自动稳定输出电压，实现i f U U =使电路进入稳定状态，输出幅度和频率都稳定的信号。故要有稳幅环节（正弦波还要有选频网络）。

4.1.2 振荡的平衡条件和起振条件 一、 振荡的平衡条件 由于i U U A 0

=

，0

U U F f = （4-1） 故 i f FAU U = （4-2）

有i f U U =，可得 AF=1 由于环路增益 T=AF 可得T=1

振荡器的振幅平衡条件

T=|AF|=1 （4-3） 相位平衡条件

Λ3,2,01,2==+=n n f a T π???（4-4） 振荡器要到达必须振幅条件和相位条件同时满足。 相位平衡条件确定振荡频率； 振幅平衡条件确定振荡输出信号的幅值 二、 振荡的起振条件 振幅起振条件

1||>=AF T （4-5） 相位平衡条件

Λ3,2,01,2==+=n n f a T π???（4-6） 相位平衡条件

Λ3,2,01,2==+=n n f a T π???（4-7） 三、振荡条件讨论与小结

振荡条件：同时满足起振条件和平衡条件，引入正反馈是构成振荡器的关键。同时T 必须具有随振荡电压U i 增大而下降的特性。

为获得这样的环路增益特性，反馈环路中要有非线性环节。

为获得正弦波，振荡电路中要有选频环节。振荡频率通常就由选频环节确定。

图4-2 满足起振和平衡条件的环路增益特性

4.1.3 振荡的稳定条件

干扰破坏原平衡状态后，振荡器自动回到原平衡状态所需条件。

图4-3 振荡的稳定条件

一、 振幅稳定条件

0

iA U U i

U T （4-8）

二、 相位稳定条件

00

f f T f

? （4-9）

指：相位平衡遭到破坏时，电路本身能重建相位平衡的条件 相位稳定条件也就是频率稳定条件

若T ? 具有随f 增大而减小的特性则可阻止上述频率的变化。通过不断的反馈，最终回到原平衡状态。际电路中T ?在0f 处的变化率主要由选频网络决定，通常能满足之。

LC 回路Q 值越高，相位稳定度越好，频率也越稳定

4.2 LC 正弦波振荡器

以LC 谐振回路作选频网络的反馈振荡器称为LC 正弦波振荡器 正弦波振荡器按选频网络不同分： A RC 振荡器 B LC 振荡器 C 石英晶体振荡器 LC 振荡器的分类 A 变压器反馈式 B 电感三点式 C 电容三点式 本节的主要要求：

（1）了解变压器反馈式振荡器的工作原理和分析方法 （2）掌握三点式振荡器的组成原则和工作原理

（3）掌握电感三点式和电容三点式振荡器的典型电路、工作原理、工作特点和分析方法。

（4）了解集成LC 振荡器 4.2.1变压器反馈式振荡器 一、电路组成

三极管、LC 谐振回路构成选频放大器，变压器Tr 构成反馈网络。放大器在小信号时工于甲类，以保证起振时有较大的环路增益。

图4-4 变压器耦合LC 振荡器

图4-5 变压器反馈式振荡器交流通路

在回路谐振频率上构成正反馈，满足了振荡的相位条件。

起振时放大器工作于甲类，T>1。随着振荡幅度的增大，放大器进入非线性状态，且由于自给偏置效应进入乙类或丙类非线性工作状态，使T 减小，直至T=1，进入平衡状态。 二、振荡条件的分析

Z Y U Z

I U U A fe i

c i -=-==

0 （4-10） Y fe 为晶体管的正向传输导纳

f j f e F L

j r M j U U F ?

ωω||0

-=+-=

=

（4-11）

4.2.2 三点式振荡器的基本工作原理

三个电抗元件组成LC 谐振回路 谐振回路既是负载，又构成正反馈选频网络。

图4-6 三点式振荡器的基本结构

三点式振荡器组成原则：与放大器同相输入端相连的为同性质电抗，不与同相输入端相连的为异性质电抗。与E 相连的为同性质电抗，不与E 端相连的为异性质电抗。只有这样，才能构成正反馈！

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X 1 + X 2 + X 3 = 0路谐振，回路等效为纯电阻，得到i U 与0U 反相。因此f U 必须与0U 反相，才能构成正反馈通常Q 值很高，故回路谐振电流远大于B 、C 、E 极电流 因为并联谐振回路谐振时，回路电流为输入电流的Q 倍。 有电感三点式和电容三点式两种

4.2.3 电感三点式振荡器 (Hartley —哈脱莱)

M

L M

L I M L j I M L j U U F f ++-=++-=

=12

120

)()(ωω （4-12）

电感三点式振荡器优点和缺点 优点：

易起振，频率易调（调C ） 缺点：

高次谐波成分较大，输出波形差。 4.2.4 电容三点式振荡器 (Colpitts —考毕兹)

)

134( )2(π21210-++=

C

M L L f

图4-7 电感三点式振荡器 （a ）原理电路 （b ）交流通路

图4-8 电感三点式振荡器 （a ）原理电路 （b ）交流通路

式中 2

12

1C C C C C +=

为并联谐振回路的总电容值

211

2011

C C C j I

C j I

U U F f -=-≈=ωω

增大 C 1/ C 2 ，可增大反馈系数，提高输出幅值，但会使三极管输入阻抗的影响增大，使Q 值下降，不利于起振，且波形变差，故C 2/ C 1不宜过大，一般取0.1~0.5 。

电容三点式振荡器优点和缺点 优点：

高次谐波成分小， 输出波形好。 缺点

频率不易调 （调L ，调节范围小） 4.2.5 改进型电容三点式振荡器

图4-9 克拉波振荡器

C 3 << C 1 ， C 3 << C 2

33211111

C C C C C ≈++≈

（4-14）

实际振荡频率必定略高于 f 0，因为要使L 、C 3支路呈感性说明极间电容的影响很小，且调节反馈系数时基本不影响频率接入C3使 三极管输出 端（C 、E ）与回路的耦合减弱，三极管等效负载阻抗减小，放大器放大倍数下降，振荡器输出幅度减小。 C3越小，放大倍数越小，如C3过小则振荡器不满足振幅起振条件而停振。

克拉泼电路的改进——西勒（Seiler ）振荡器

15)

-(4 π213

0LC f ≈

图4-10 西勒（Seiler ）振荡器

调频率时，不调C 3，调C 4 。故调频率时谐振回路反映到晶体管C 、E 间的等效阻抗变化很小，对放大器增益影响不大，从而保持振荡幅度的稳定。 一般C 4与C 3相同数量级，且都远大于C 1、C 2 ，故

4.3 振荡器的频率和振幅稳定度

主要要求：

理解频率和振幅稳定度的概念

了解影响频率稳定度的主要因素和提高频 率稳定度的措施。 4.3.1 频率稳定度 一、频率稳定度的概念

指在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频率的相对变化量。

频率的绝对偏差，又称绝对频率准确度为

16)

-(4 )

(π21430

C C L f +≈)

174(0

--=?f f f

f 指实际频率，f0 指标称频率

长期频率稳定度: 一天以上乃至几个月内振荡频率相对变化量 短期频率稳定度；一天之内振荡频率的相对变化量 瞬时频率稳定度: 秒或毫秒内振荡频率的相对变化量 二、导致频率不稳定的因素

振荡频率主要取决于谐振回路参数，也与其它元器件参数有关。当外界因素变化影响这些参数，而电路本身稳频能力差时，就导致频率不稳定。 外因:温度、电源电压和负载等外界因素的影响

影响回路电感线圈的电感量和电容器的电容量；改变晶体管结电容、结电阻；影响晶体管工作点和工作状态，使晶体管等效参数发生变化。影响晶体管工作点和工作状态，使晶体管等效参数发生变化 内因：影响回路Q 值和振荡频率 三、提高频率稳定度的主要措施 1. 减小外界因素变化的影响

将决定振荡频率的主要元件或整个振荡器置于恒温槽、采用高稳定度直流稳压电源、采用密封工艺减小大气压力和湿度的影响、在振荡器和负载之间加缓冲器 2. 提高谐振回路的标准性

选用高质量的参数稳定的回路电感器和电容器。选用具有不同温度系数的电感和电容构成谐振回路、改进按照工艺，缩短引线、加强引线机械强度。 4.3.2 振幅稳定度 振幅稳定度表示为

U U

? Uo 为输出电压的标称值， ?U 为实际输出电压与标称值之差。

4.4 石英晶体振荡器

主要要求：

了解石英谐振器的结构和特性

掌握典型石英晶体振荡器的组成和工作原理

定义：以石英谐振器作选频网络的反馈振荡器称为石英晶体振荡器。其频率稳定度可达9610~10--，而LC 回路的一般不超过510-

4.4.1 石英谐振器及其特 1. 石英谐振器的结构

石英是一种各向异性的结晶体，其化学成分是SiO2 。从一块晶体上按一定的方位角切割成的薄片称为晶片。在晶片的两面涂上银层作为电极，电极上焊出两根引线固定在管脚上，就构成了石英晶体谐振器。 2. 石英谐振器的基本特性与等效电路

极板间加电场会使晶体机械变形，极板间加机械力会使晶体产生电场

当交变电压频率 = 固有频率时，共振，振幅最大，产生的交变电流最大。类似串联谐振。

3. 石英谐振器的基本特性与等效电路

图4-11 石英晶体的等效电路

（a ）代表符号 （b ）等效电路

串联谐振频率

LC

f s π21=

（4-18）

并联谐振频率

C

C C C L f q

P +=

0021π （4-19）

4. 石英谐振器的使用注意事项

1) 要接一定的负载电容C L (微调)，以达标称频率。高频晶体通常标CL 为30pF 或∞

2) 要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、 振坏晶片；过小会使噪声影响大，输出减小，甚至停振。 5. 泛音晶体

机械振动的谐波称为泛音。利用基频振动称为基频晶体，利于泛音振动

称为泛音晶体。石英晶体基频越高，晶片越薄，加工难并易碎，故要求频率高时使用泛音频率。多用三次和五次的。利用泛音晶体时，要注意抑制低次谐波分量。

图4-12 含泛音频率的等效电路

4.4.2 晶体振荡器

并联型晶体振荡器

f s < f < f p，晶体呈感性。晶体作为高Q电感元件与其它元件并联构成振动所需的并联谐振回路

串联型晶体振荡器

f = f s，晶体工作在串联谐振状态，在振荡器中用作高选择性短路元件。

一、并联型晶体振荡器

（a）皮尔斯晶体振荡电路（b）交流电路

图4-13 并联型晶体振荡器

C1～C3串联组成CL振荡器。调节C3可微调振荡频率。

（a）5MHz五次泛音晶体振荡器（b）L1C1电抗曲线

图4-14 泛音晶体振荡器

L1C1回路调谐在三次（3MHz）和五次（5MHz）泛音之间，故回路对五次泛音频率呈容性，使电路构成电容三点式振荡器。而对基频和三次泛音，回路呈感性，使电路不满足振荡的相位条件，不能产生振荡。对七次及以上泛音，电路虽也构成电容三点式，但L1C1回路的等效电容太大，不能满足振幅起振条件，也不能产生振荡。

二、串联型晶体振荡器

（a）串联型晶体振荡器（b）交流通路

图4-15 串联型晶体振荡器

为了减小L、C1、C2回路对频率稳定性的影响，应将该回路调谐在晶体的串联谐振频率上。