正弦波振荡器1

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Hz
kHz
MHz
GHz
THz
RC振荡器
微波半导体
2、振荡器分类

LC振荡器 晶体振荡器
负阻振荡器
按振荡波形分类

正弦波振荡器、非正弦波振荡器

按工作机理分类

反馈振荡器、负阻振荡器
LC振荡器、RC振荡器、晶体振荡器 压控振荡器、压控晶体振荡器 集成振荡器、开关电容振荡器
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按选频网络分类

C
IC 晶体管转移导纳：Y f ( j ) Y f e j f Ub T ( j ) Y f ( j ) Z L F ( j ) Y f ( j ) Z L F ( j ) 1 Y f RL F 1 f L F 2n
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只有当反馈放大器的反馈增益为无穷大时，它才能成为一个振荡器 反馈振荡器到达反馈平衡，满足k(j)F(j)=1

反馈振荡器的工作原理

带有反馈的放大器
U o (s) U S (s)
Ku
U o (s) K (s) U i (s) U (s) F (s) i U o (s) U i ( s ) U s ( s ) U i ( s )
F
起振初始，放大器工作于小信号状态 线性工作状态，可用晶体管小信号等效电路计算其增 益A

为了获得较高的增益A，要适当设置晶体管工作点

振荡建立过程中，环路增益T恒大于1，放大器的输入Ui 不断增大，放大器从小信号工作状态进入大信号工作 状态 如果外界不加任何措施，放大器将从线性进入非线性 工作（出现饱和与/或截止） ，此时放大器增益A的估 算一般采用大信号平均参数（如平均跨导）
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4、振荡器应用

通信系统中有广泛的应用


混频器的本振信号 调制的载波信号，解调的本地载波信号 时钟、定时电路，电子测量设备的基准信号

工业生产部门广泛应用的高频电加热设备

微波炉，电疗设备
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5、对正弦波振荡器的分析


为便于定性分析阐明振荡器的振荡特性，本章 正弦波振荡器是一个含有非线性元件和 在进行电路分析时，采用电路参数的准线性分 储能元件的闭环系统，它是一个非线性 析法
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4.1


反馈振荡器的工作原理
反馈振荡器的工作原理
以互感耦合LC振荡器为例，根据反馈振荡器的工作 原理，说明反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的三 个基本条件


起振条件：首先，要让振荡器自己振起来（自激振荡） 平衡条件：其次，保证振荡器环路中的能量补充恰好抵消 能量消耗，达到环路平衡 稳定条件：最后，还要保证振荡器是稳定的，如果外加干 扰使得振荡器偏离了环路平衡状态，振荡器系统应能自动 恢复到原来的平衡状态

实际的放大器都有非线性限幅作用，使得振荡幅度不会无限大。 也可外加具有自动调节振荡强度的非线性元件，以保证获得需要的输出波形
3、振荡器构成

振荡器正常工作，必须有以下四个部分



放大器：至少有一个有放大作用的有源器件 正反馈通路或负阻：必须有一个能够补充元器件能量损 耗的正反馈通路或负阻器件，以保证有稳定的振荡 频率决定元件或回路：振荡器必须有频率决定元件或回 路，如电阻、电容、电感、和晶体，以及它们构成的选 频回路、相移网络、或延时网络 电源：为振荡器提供能源

准线性方法

大信号非线性工作，晶体管集电极有丰富的谐波分量， 输出信号有波形失真
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相位平衡条件决定振荡频率 振幅平衡条件决定振荡幅度

T
T KF T 1
Ui
稳幅措施

U
i
平衡
反馈振荡器起振条件为T=KF>1，保证了输出信 号幅度的不断增长，但随后必须限制其增长， 使其达到平衡，即满足平衡条件T=KF=1

T j K j F j 2n (n 0,1,2,...)
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起振过程中的 信号分析

j j U i j K j K je
K
U o j
U F j Fj Fjej j
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振荡频率与谐振回路中心频率

反馈振荡器的相位平衡条件，决定了它的振 荡频率

反馈振荡器的相频特性由环路中的选频回路决定


选频回路的Q值越大，相频特性的斜率越陡，选频回 路的选频功能就越好，反馈振荡器的振荡频率OSC就 越接近于选频回路的中心频率0 振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率
Rb1 Cb
VCC
T
Rb 2 Re Ce

最典型的直流负反馈是晶体管振荡器的自偏置效 应

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反馈振荡器的 稳定条件

U i j
K j K je jK j
U o j
U ' i j
F j F jejF j
自然界中处于平衡状态 的物体都有稳定平衡和 不稳定平衡之分
T jOSC K jOSC F jOSC 2n
n 0,1,2,...
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相位平衡条件：UF与 Ui同相，满足正反馈

相位平衡条件决定振荡频率
Uo 放大器增益：K ( j ) Y f ( j ) Z L Ui UC 集电极阻抗：Z L RL e j L I
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稳幅措施：

用差分对管代替单管 采用自动电平控制电路 引入负反馈

——晶体管振荡器的自偏置效应
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负反馈

刚起振时，正反馈占优， 使得振荡幅度增大 起振过程中，随着幅度的 增加，负反馈随之增加， 从而放大器的增益降低， 最终达到平衡状态
负反馈可以是直流负反馈， 也可以是交流负反馈
0


随着振荡幅度加大，放大器增益（以及环路增益）将 自动降低；反之，放大器增益增大，以保证T=KF=1 有自偏置效应的振荡器，振幅稳定性更好

并非所有的平衡点都是稳定的
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T
OSC
0
相位稳定条件

正弦振荡的角频率是相位随时间的变化率，相位的变化 必然引起频率的变化 d 相位超前，意味频率上升；反之，… dt 相位稳定条件即是频率稳定条件 在频率OSC处，经过一个循环，反馈电压与输入电压相 位差2（2n） 2
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2.反馈振荡器 的起振条件

U i j
K j K je jK j
U o j
U ' i j
F j F jejF j
反馈振荡器的平衡输出，是靠振荡器接通电源 瞬间产生的电流突变以及电路内各种微弱噪声 通过振荡环路内的选频回路的频率选择，循环 送入放大器放大、反馈回路反馈而形成的
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4.0 引言
1、振荡器定义

振荡器是一种不需外加信号激励而能自 动将直流能量变换为周期性交变能量的 装置


从能量的观点看，放大器是一种在输入信号 控制下，将直流电源提供的能量转变为按输 入信号规律变化的交变能量的电路 而振荡器是不需要输入信号控制，就能自动 地将直流电源的能量转变为特定频率和幅度 的交变能量的电路
（开环）环路增益 平衡条件

U i(s) T ( s) K ( s) F ( s) U i ( s)
T jOSC K jOSC F jOSC 1

（巴克好森准则） 振幅平衡条件：开环 增益的模为1
T jOSC K jOSC F jOSC 1
为此，在振荡回路中， 必须有选频网络或移相 网络给予保证 这个选频网络的选频 特性越好，振荡器频谱 就越纯

Uo Ui
UF
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1.反馈振荡器 的平衡条件

U i j
K j K je jK j
U o j
U 'i
j
F j F jejF j



假设外界扰动，使得振荡器的输入幅度增大，经环路一周后， 反馈电压应减小，才能使外界干扰影响消除
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T U i

U i U i 平 衡
0
T
T AF T 1 Vi
振幅稳定条件的讨论
dK dVi
Vi Vi 平 衡
如果反馈F不随输入变化而变化，则
Vi 不稳定平衡 Vi 稳定平衡

振荡器进入平衡状态后， 假设受到外界的扰动， 那么将会破坏其原来的 平衡状态


干扰消失后，振荡器若能 自动恢复到原来的平衡状 态，则称之为是稳定的 否则，称之为是不稳定的
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T U i
U i U i 平 衡
0
U i j K j K je j j
高频电子线路
第四章 正弦波振荡器
说 明

本章主要讨论反馈振荡器的基本工作原理 ，LC正 弦波振荡器、晶体振荡器、RC振荡器，对负阻振荡 器和一些特殊振荡现象作一简要介绍。 要求：



！熟练掌握振荡器的起振条件和平衡条件，！熟练掌握三 点式振荡器的组成法则，能计算振荡器的环路增益 掌握晶体的电抗特性及晶体振荡器的基本电路形式 了解三种RC振荡器 了解负阻振荡器的分析方法。
K (s) K (s) K u (s) 1 K (s) F (s) 1 T (s) U i( s ) T (s) K (s) F (s) U i (s) 9
正弦波振荡器 需要 频率决定网络


反馈振荡器中，放大器单元的输入就是反馈网络的 输出电压（反馈电压） 正弦波振荡器要求输出角频率为osc的正弦波，即 只能在频率osc上满足K(josc)F(josc)=1