第3章 正弦波振荡器3
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LC三点式振荡电路
(a) Cb c
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
几种常见振荡器的高频电路
第九讲 LC三点式振荡器 1/22/2019 9:20 AM 4
第3章 正弦波振荡器
电容反馈三点式振荡器(Colpitts
1. 电路结构
(1)直流等效电路 (2)交流等效电路
EC Rb1 Lc
Oscillators)
C1 Rb2 Re Ce C2 L + ube C2 L
1 g ie jC 2 1 jL g ie jC 2
1 g ie jC 2 1 jL g ie jC 2
L i + C1 uce C2 + u'be
-
ube ube
gm g oe g L 1 jC 1 1 j L 1 g ie jC 2
第九讲 LC三点式振荡器 1/22/2019 9:20 AM 22
第3章 正弦波振荡器
Z
0
o
( A F )
1•
0'
• •
1'
•
Q'
1
故可看出提高频率稳定度的方法:
减 少 0 减 少 ( A F ) 增 大Q值
Q
1' 1 1
Z ( A F )
u i : 为反馈系数 u o 的相角
Z
1
•
1/22/2019 9:20 AM
19
第3章 正弦波振荡器
定性分析 1,外界因素仅使谐振回路固
有频率 0 变化,
§4.3 振荡器的频率稳定性
Z
o
第3章 正弦波振荡器答案
第3章 正弦波振荡器3.1 为什么振荡电路必须满足起振条件、平衡条件和稳定条件？试从振荡的物理过程来说明这三个条件的含义。
答：（1）在刚接通电源时，电路中会存在各种电扰动，这些扰动在接通电源瞬间会引起电路电流的突变（如晶体管b i 或c i 突变），这些突变扰动的电流均具有很宽的频谱，由于集电极LC 并联谐振回路的选频作用，其中只有角频率为谐振角频率o ω的分量才能在谐振回路两端产生较大的电压()o o u j ω。
通过反馈后，加到放大器输入端的反馈电压()f o u j ω与原输入电压()i o u j ω同相，并且有更大的振幅，则经过线性放大和正反馈的不断循环，振荡电压振幅会不断增大。
故要使振荡器在接通电源后振荡幅度能从小到大增长的条件是：()()()()f o o i o i o u j T j u j u j ωωωω=>即： ()1o T j ω> ……起振条件 （2）振荡幅度的增长过程不可能无休止地延续下去。
随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区截止区，其增益逐渐下降。
当因放大器增益下降而导致环路增益下降至1时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡状态，即进入等幅状态。
振荡器进入平衡状态后，直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。
故平衡条件为：()1o T j ω=（3）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、噪声干扰等。
这些会破坏原来的平衡条件。
如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能产生回到原平衡点的趋势，并且在原平衡点附近建立新的平衡状态，则表明原平衡状态是稳定的。
振荡器在其平衡点须具有阻止振幅变化、相位变化的能力，因此：振幅平衡状态的稳定条件是：()0i iAo iU U T U ω=∂<∂;相位平衡状态的稳定条件是：()0oT o ωωϕωω=∂<∂3.2 图题3.2所示的电容反馈振荡电路中，1100pF C =，2300pF C =，50μH L =。
正弦波振荡器-PPT
2
2001年9月--12月
6
导致振荡频率不稳定得原因(续2)
2、 影响环路 Q 值得因素
o
Q1 Q2
2
Q2
Q1
f01 f02
f0
f
▪ 器件输入、输出阻抗中得有功 部分。
▪ 负载电阻得变化。
▪ 回路损耗电阻尤其就是电抗元 件 得高频损耗,环路元器件得高频 响应等。
2
2001年9月--12月
7
导致振荡频率不稳定得原因(续3)
• 泛音晶体振荡器:利用石英谐振器得泛音振动特性对频率 实行控制得振荡器称为泛音晶体振荡器。这种振荡器可以将 振荡频率扩展到甚高频以至超高频频段。
2001年9月--12月
19
1、 并联型晶体振荡电路
(1)皮尔斯(C-B)电路
RFC
Rb1
C
B
VCC
Rb 2
E
C1
Cb Re C2
JT
C
C1
E
C2
B
Lq
• 温度隔离法:将关键电抗元件置于特制得恒温槽内,使槽内得 温度基本上不随外界环境温度得变化。
▪ 利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成得电 磁谐振系统,她就是高稳频率源得一个重要形式。 由于这种谐振系统构成得振荡器,不但频率稳定性、频率准确 度高,而且体积、耗电均很小,因此,在许多领域已被广泛地 采用。
0
2 L C
▪ 等号右边得负号表示频率变化得方向与电抗变化得方向刚好 相反。如电感量加大,振荡频率将降低。
2001年9月--12月
9
主要稳频措施(续1)
▪ 温度补偿法和温度隔离法:引起电抗元件电感量和电容量 变化最明显得环境因素就是温度得变化。
第三章正弦波振荡器3
+ C1 Vo T RE RL +L +C
+ Vo -
e
/ re Cb e
C
Vi
-
2
gm V i
Vf
-
b 共基极等效电路
Zi
+ C1 + T RE RL C2 + Zi L Reo Vo
gi
/ L
g
Z1
1 RE
1 Reo
1 re
Zi
/ 2
1 gi
//
1 jwC
b/e
1 RL
T（wosc）
1
若Vi很小时，|T（jwosc）|＜1，即Vf ＜Vi且同相 无法得到Vo，即停振。 满足起振和 平衡条件时，只能说明电路是 正反馈；不能说明输出的稳定性。 （Vcc、T） （V f 、（ wosc）） T
A
T（wosc） 破坏平衡条件 T（wosc） T（wosc）=1 停振 达到新的平衡点 A B 平衡状态 1 回到原平衡点：稳定
⑵相位稳定条件
①稳定条件
（ T w） w w wo sc
2n 相位平衡条件：（ T wosc） 当温度变化或外界干扰时
相频特性 （ T w）
（ T wosc）＞0 / wosc
w
|
＜ 0 w ＞0
t
在w=wosc处具有 负斜率特性
②不稳定条件
（ // T wosc）＞ 0 V f 超前Vi wosc wos W＞wosc c t 不稳定 （ T wosc）＜ 0 （ w ） ＜ 0 落后 V V T osc f i
/ 1 2
第3章正弦波振荡电路.
.
.
F ()
V
.
f
V0
jM
r jL1
A( )
.
F
( )
1
jMgm 2L1C jrC
rC
Mg m j(1
2 L1C)
00:56
21
.
根据相位平衡条件，A() F() 的模值应该为实数，则可以得到：
1
1 2 L1C 0 振荡角频率o为： o = L1C
9
振荡平衡条件: A( j )F( j ) 1
它是维持振荡的基本条件，通常也称为振荡的平衡条件。
A ( j ) Ae j A
又由于
F
(
j
)
Fe
j F
所以振荡平衡条件的约束方程可以分为两个方程:
AF 1
A F 2n (n 0，1，2)
一、开环法
开环法是先假定将振荡环路在某一点处断开，计算它的开环传递函数
.
A() F()
，然后用巴克豪森准则确定平衡条件，从而确定电路的
振荡频率和起振条件。
00:56
18
开环法步骤
1．画出振荡电路的交流通路，判别其是否能构成正反馈电路，即 是否有可能满足振荡的相位平衡条件。
2．画出微变等效电路，并在某一点（一般取晶体管输入端）开环。
3．计算开环传递函数
.
A() F ()
4．利用相位平衡条件确定振荡角频率0。
5．利用o角频率下的幅度平衡条件，确定维持振荡幅度所需要的gm值gmo。
6．选择晶体管的gm使gm ＞gmo 。此时电路就能够满足起振条件。
00:56
通信电子电路正弦波振荡器分析课件
RC振荡器自由振荡频率 计算公式
f = 1/(2πRCБайду номын сангаас，其中R为电阻 值，C为电容值。
LC振荡器自由振荡频率计 算公式
f = 1/(2π√(LC))，其中L为电 感值，C为电容值。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
01
LC振荡器特点
02
1. 输出频率高，适用于高频应用；
2. 输出波形质量好；
03
设计实例：LC振荡器
1
3. 需要高品质因数的元件，成本较高。
LC振荡器设计要点
2
3
1. 选择合适的电感、电容和放大器；
设计实例：LC振荡器
2. 调整反馈系数和负载电阻；
3. 考虑元件参数的误差和温度稳定性 。
05 正弦波振荡器在通信电子 电路中的应用
设计实例：RC振荡器
RC振荡器特点 1. 电路简单，易于实现；
2. 输出频率稳定，适用于低频应用；
设计实例：RC振荡器
3. 输出波形质量较差。 RC振荡器设计要点 1. 选择合适的电阻、电容和放大器；
设计实例：RC振荡器
2. 调整反馈系数和负载电阻；
3. 考虑元件参数的误差和温度稳定性。
设计实例：LC振荡器
调试方法：如何调试一个RC振荡器
确定元件参数
首先需要确定电阻R和电容C的值 ，以确保振荡器能够产生所需频
率的正弦波。
观察振荡幅度
调整电阻和电容的值，观察振荡 幅度是否达到预期值。如果振荡 幅度不足，可以增加电阻或电容
的值来调整。
01
03
02 04
调整频率
如果振荡幅度正常但频率不准确 ，可以通过改变电容C的值来调 整频率。增加电容的值将降低振 荡频率，反之则会增加振荡频率 。
正弦波振荡器(3)
四、实验步骤
1．根据图3－1在实验板上找到振荡器位置并 熟悉各元件及作用。
2．LC振荡器静态工作点，反馈系数 以及负载对振荡幅度的影响。
1）将S2置于1，S4置于3，S3开路，改变偏 置电位器VR2，记下Ieo填入表3－1中，用示 波器测量对应点的振荡幅度Vp-p（峰－峰值） 填于表中。（Ieo＝Ve/Re）记下停振时的静态 工作点电流。
实验三
正弦波振荡器
一、实验目的：
1．掌握三端式振荡电路的基本原理，起振条 件，振荡电路设计及电路参数计算。 2．通过实验掌握晶体管静态工作点、反馈 系数大小、负载变化对起振和振荡幅度的影响。 3．研究外界条件对振荡器频率稳定度的影 响。 4．比较LC振荡器和晶体振荡器的频率稳定 度。
将Ｓ4置于2、4重复以上步骤
2）S2置于1，S4中1，2，3，4分别置于 “ON” 用示波器记下振荡幅度与开始起振以及 停振时的反馈电容值。
3)S2置于1，S4置于2，S3中1，2，3， 4分别置于“ON”从而改变负载电阻 大小，记下振荡幅度及停振时的负载 电阻。
4．LC振荡器的频率稳定度与晶体振 荡器频率稳定度的研究与比较。
(1)跟射极相连的两个电抗X1、X2性质
相同。
(2)X3与X1、X2的电抗性质相反。
L2 X2 X1 C2 C1
L1
X3
L
C (c)
(b)
(a)
三点式振荡器的组成
振荡器的频率稳定度指在指定的时间间隔内，
由于外界条件的变化，引起振荡器的实际工作
频率偏离标称频率的程度。一般用下式表示：
交流等效图（西勒振荡器）
将S2分别置于1或4，进行以下实验并进行比 较。 负载变化引起的频率漂移 S2置于1或4，S3波段开关顺次由1－4拨动， 测量S2开关在LC振荡器及晶体振荡器的频率， 比较所得结果。
06.正弦波振荡
第三章 正弦波振荡器学习目标在电子线路中，正弦波是一种非常重要的波形，为什么会这么重要呢?原因在于电子线路中几乎所有的交流信号，不管它的形状如何怪异，都是由各种不同频率和不同强度的正弦波信号组成的，所以在电路中，需要正弦波信号的时候是非常多的，我们现在要给大家介绍的正弦波振荡器不仅可以用来做下面介绍的两种小玩意，更是不少电路的重要组成部分，希望读者能通过下面这些制作对正弦波振荡器有一个清楚的了解。
1、重点掌握串联LC 和并联LC 电路的频率特性，以及LC 电路的振荡器的工作原理，了解RC 振荡器的电路构成。
2、通过制作，理解正弦波振荡器的电路特点和调试方法。
第一节 正弦波振荡器的电路组成正弦波是一种与圆周运动关系很紧密的一种波形，这与荡秋千是非常相似的。
如图3-1所示，我们在秋千的漏斗里装上细沙，当这个小秋千在振动的时候拉动下面的纸看到一个正弦波了，而秋千就是一种振荡器，当然，这个正弦波的幅度会越来越小。
在电路中，也有与秋千相类似的振荡器，这就是LC 电路和RC 电路。
请读者注意了，这样的电路要振荡，不是让电路板随着通电而上下抖动（那样会将电路板损坏），而是在电感和电容内有一个大小和方向不断来回变化的电压或电流，这就是振荡——即是电流和电压的振荡。
为什么用一个电感和一个电容就会产生电流或电压的振荡呢?原因在于电容有电压不能突变的特性，而电感则有电流不能突变的特性。
如图3-2所示的电路，假如在电容上已经充有电，也就是说电容上存储有电压，于是电容上的电压就会形成—个流过电感的电流，但由于有碍于电感的脾气，这个电流不能突然产生，它只能逐渐地增大，并且随着这个过程的进行．电容上的电压会越来越低，当这个电压用完的时候，就不能再对电感进行放电了，于是电感上的电流不再增大了，但这个电流也不会因为电容上没电了就消失，这同样是电感的脾气所致。
图3-1 用一个沙漏斗的振荡来画出一个正弦波电感上的电流要逐渐减少，但这个逐渐减少的电流又会对电容形成充电，当这个电流减少为零时，电容上的电压也增加到了—个足够的值，于是电容又会对电感放电，于是周而复始，形成了电容对电感放电后，电感又对电容放电（皇帝轮流做，奴隶换着当），于是振荡图3-2 LC 电路中电压和电流的变化就形成了。
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放大特性
A B ①
Ui
②
F 0 Uo
0
C
Uic
Ui ＝Uf
Uo与Uf 的关系曲线
振荡器产生的电压幅值
Ui , Uf
2. 相位平衡条件 输出电压
U o I c1 Z L
. . . .
.
.
.
A
其中
.
Uo
.
I c1 Z L Ui
g m e jY Z L e jZ A e j A
＋ Ui －
·
＋ RE Uo － (b)
·
Re0L
C1 ＋ C2 · Uf － RL
(a)
图3.10 电容三点式振荡器
振荡器性能分析
1）画出该振荡器的交流等效电路，判断其电路类型。 2）求该振荡器的工作频率。
g 0
1 C1C2 L C1 C2
3）求反馈系数F。
C1 F C1 C2 Cb'e Cb'e C2 C1 F C1 C2
Ui
A Y Z A F Y Z F 0 Y F E Z E
相位平衡条件又可写成
设 则
①
Z
0 g
A
－E
图3.5 LC并联振荡回路 负载相角与频率的关系
相位是频率的函数，因此相位平衡条件决定了振荡 器的工作频率。
3.1.2
稳定条件 1. 振幅稳定条件
Uo UoA Uo3 Uo2 Uo1 A
0(O) U U i f1
Uf2
Uf3
Ui, Uf
图3.6 θ≥900 时的放大特性与反馈特性
时，三个平衡点O、B、 C，O、B是稳定平衡点，C点是 不稳定平衡点。由于O点是稳定 平衡点，因此必须有一个较大的 激励，其幅度大于C点对应的激 励电压Uic才能建立振荡，这种振 荡方式叫硬激励。
一般情况下, 回路Q值很高, 因此回路电流远大于晶体 管的基极电流 İb 、集电极电流 İ c以及发射极电流 İe,
故由图可得：
U i jX 2 I U o jX 1 I
X1、 X2应为同性质的电抗元件时为正反馈。
所以，三点式振荡器能否振荡的原则为： (1) X1和X2的电抗性质相同； (2) X3与X1、X2的电抗性质相反。 即 “射同基反”， 对于场效应管，为“源同栅反”
第3章 正弦波振荡器
任务：正弦波振荡器。 目标：产生频率/幅值准确(频率可调)/ 稳定的正弦信号。 原理：反馈式振荡器的原理组成；
如何实现自行产生---起振条件 信号 频率 幅值 的确定---平衡条件； 如何保证输出频率准确稳定---稳定条件。
实现：能满足上条件的电路形式---LC，RC型和石英晶体 评价：技术指标。
＋ ＋· Ui －
· Uo
Tr
＋ ＋ · Ui · － Uf －
＋
· Uo
Tr ＋
· Uf
Tr ＋ · Uf － (c)
＋ · Ui －
＋ Uo －
·
－ (a)
－ (b)
－
图中反馈网络由L和L1间的
互感M担任, 因而称为互感耦合
式的反馈振荡器, 或称为变压器 耦合振荡器。互感耦合反馈振
荡器的正反馈是由互感耦合回
路中的同名端来保证。
互感耦合振荡器
主要内容回顾： 1. 目标：频率精确度高，幅值稳定 2. 输出幅值和频率的大小：平衡条件 3. 输出幅值和频率的稳定度：稳定条件：
F U i 0
P
A U i
0
P
Z
0
P
4. 起振条件：AF>1, UF>Ui, 起振时，小信号线性状态 5. 利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工 作状态转换成丙类工作状态。 6. 采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器
F
.
Uf
.
Uo U i U U f U F Uo
' i . . .
Af
.
Uo U
' i
A 1 A F
. .
AF 1,
Af
自激振荡 即U f U i
Uo U f U f AF 1 Ui Uo Ui
3.1.1平衡条件 振荡器的平衡条件即为
' i
因此, 放大器总的负载为
' RL RL // R e o // Ri'
则由振荡器的振幅起振条件AF>1, 可以得到
' g m RL F 1
1 1 1 F gm ' RL F RL F Reo F ri 1 1 F F 1 1 F gm F RL F Reo F RE re RL F Reo F RE 1 1 F gm RL F (1 F ) Reo F (1 F ) RE (1 F )
i A F
AF AFe
AF 1 n 0,1,2, A F 2n
分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。
Hale Waihona Puke . 振幅平衡条件UoU0 U f U f AF . 1 Ui U0 Ui U f Ui
Uf
0
Uo
＞9 0° ＜9 0°
F AF P U i A U i
F A U i A F U i P
A Ui F U i P
0
P
1
P
当F＝常数时，振幅稳定条件为
A U i
F U i
0
P
内稳幅方式 外稳幅方式
当A＝常数时，振幅稳定条件为
0
P
为提高振荡器工作的稳定度，晶体管振荡器在θ＜90O状 态工作，在实际中采用自偏置电路。 2. 相位稳定条件
3.2 LC 正 弦 波 振 荡 器
采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为
LC正弦波振荡器。据反馈网络的形式可分为：变压器耦 合反馈式和电容（感）分压反馈式。
3.2.1 LC正弦波振荡器电路构成的原则
1. 变压器耦合振荡器
变压器耦合反馈振荡器采用LC谐振回路作为选频网络， 并利用变压器耦合电路作为反馈网络。
3.2.2 1.
三点式振荡器电路分析
电容三点式振荡器电路分析
图 3.10(a)是一电容反馈振荡器的实际电路, 图(b) 是其交流等效电路。
EC (＋1 5 V) R* B1 1 .3 H L 0 .0 3 3 F CC 1 00 0 p F CB 0 .0 3 3 F RB2 2 k RE 7 00 C1 C2 2 00 0 p F RL
若组成电容三点式, 则在振荡频率ｆg处, Ｌ1Ｃ1回路与Ｌ2Ｃ2 回路应呈现容性, Ｌ3Ｃ3回路应呈现感性。 所以应满足 Max{ｆ01,ｆ02}＜ｆg＜ｆ03。
若组成电感三点式, 则在振荡频率ｆg处, Ｌ1Ｃ1回路与Ｌ2Ｃ2 回路应呈现感性, Ｌ3Ｃ3回路应呈现容性, 所以应满足:
Min{ｆ01,ｆ02}＞ｆg＞ｆ03。
02 g 01
图3.9 多回路三点式振荡器组成
g M min (01 , 02 )
实际上电抗元件总有电阻损耗；管子各极间存在极间 阻抗，这些都影响振荡器的工作状态。工程中，振荡器工 作频率ωg近似等于回路谐振角频率ω0。
例3.1 在右图所示振
荡器交流等效电路中, 三 个ＬＣ并联回路的谐振频 率分别是f01, f02, f03， 试问 ｆ01、 ｆ02、ｆ03满足什么 条件时该振荡器能正常工 作？ 解: 只要满足三点式组成 法则, 该振荡器就能正常 工作。
Y F Z 2n
n 0,1, 2,
称为自激振荡的起振条件。分别称为起振的振幅条件 和相位条件, 其中起振的相位条件即为正反馈条件。 起振时，放大器一般处于小信号线性放大状态，因此 可用小信号微变等效电路法分析起振条件。
总结振荡器的振荡条件： （1）振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根据振 幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。 （2）相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根 据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。
本章内容
3.1 反馈式振荡的基本原理
3.2 LC 正弦波振 荡 器 3.3 RC正弦振荡器 3.4 振荡器的频率稳定度 3.5 石英晶体振荡器
3.6 负阻型LC正弦波振荡器
3.7 振荡器中的几种现象
3.1 反馈式振荡的基本原理
反馈型振荡器的原理框图如图3.1所示。 由图可见, 反馈型
振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路, 放大器通
90
o
Uo
A B C
① ②
0
Uic
Ui ＝Uf
Ui , Uf
稳定平衡点的特点： 在满足振幅稳定的平衡点P上，都具有放大特性斜率小 于反馈特性斜率。 U 0 U 0 U i P U f P
U 0 U i
P
U f U 0
P
1
U f U i
P
1
AF P 1
U f AFUi ,
V X1 C2 X3 L (a) X2 C1 L2 X1 X3
V L1 X2 C (b)
反馈网络是由电容元件完成的, 称为电容反馈振荡器, 也称
为考必兹(Colpitts)振荡器。图(b)称为电感反馈振荡器，也 称哈特莱(Hartley)振荡器。
X1、X2、X3三个电抗元件可以不是单一 性质的电抗元件，而是不同性质的组合。
e ＋
Ube (Ui) re
·
c ＋
Uo
·
C1 RL L C2 re RE