1、第五章第五章 正弦波振荡器正弦波振荡器第第1节节 概述概述第第2节节 反馈型反馈型LC振荡电路振荡电路2.1节节 反馈型反馈型LC振荡原理振荡原理2.2节节 反馈型反馈型LC振荡器振荡器2.3节节 振荡器的频率稳定措施振荡器的频率稳定措施2.4节节 高稳定度的高稳定度的LC振荡器振荡器第第3节节 晶体振荡电路晶体振荡电路教学基本要求教学基本要求1.掌握掌握反馈式正弦波振荡器的基本工作原理。反馈式正弦波振荡器的基本工作原理。2.掌握掌握LC振荡器、晶体振荡器的电路组成、工振荡器、晶体振荡器的电路组成、工作原理和性能特点。作原理和性能特点。3.了解了解频率稳定度的概念和影响频率稳定度的频率稳定度的
2、概念和影响频率稳定度的因素，因素，掌握掌握改善频率稳定度的措施。改善频率稳定度的措施。振荡器的应用：振荡器的应用：载波发生器载波发生器 本地振荡器本地振荡器 测量仪器信号源（时间测量仪器信号源（时间/频率标准）频率标准）5.1 概述概述振荡器的主要技术指标：振荡器的主要技术指标：振荡频率振荡频率 频率稳定度频率稳定度 振荡幅度振荡幅度 振荡波形振荡波形与谐振功率放大器区别在于它激与自激。与谐振功率放大器区别在于它激与自激。5.2.1 反馈型反馈型LC振荡原理振荡原理实际中的反馈振荡器是由反馈放实际中的反馈振荡器是由反馈放大器演变而来的，如右图。大器演变而来的，如右图。可见，反馈性自激振荡器电路
3、可见，反馈性自激振荡器电路构成由三部分组成：构成由三部分组成：1 包含两个（或以上）储能元包含两个（或以上）储能元件的振荡回路。件的振荡回路。2 有补充回路损耗的能量来源。有补充回路损耗的能量来源。（直流电源）（直流电源）3 使能量在正确时间内补充到使能量在正确时间内补充到电路中的控制设备。（有源器电路中的控制设备。（有源器件）件）若开关若开关K拨向拨向“1”时，该电路则时，该电路则为谐振放大器，当输入信号为正为谐振放大器，当输入信号为正弦波时，放大器输出负载互感耦弦波时，放大器输出负载互感耦合变压器合变压器L2上的电压为上的电压为Uf，调整，调整互感互感M及同名端以及回路参数，及同名端以及回
4、路参数，可以使可以使Ui=Uf。此时，若将开关快速拨向此时，若将开关快速拨向“2”点，点，则集电极电路和基极电路都维持则集电极电路和基极电路都维持开关开关K接到接到“1”点时的状态，即点时的状态，即始终维持着与始终维持着与Ui相同频率的正弦相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。自激振荡器。suiufuou()()()()()()()()()()()1()()11()()()ooioofffoifoiiou su su sA sA sA su su su su su sA s F su su s u s 放大器放大器A0(s)反馈网络反馈网络F(s)s
5、uiufuou放大器放大器A0(s)反馈网络反馈网络F(s)21，0(21，nnAFFA()()1()()ofoA sA sA s F s 为了得到自激振荡的输出电压，使振荡能够为了得到自激振荡的输出电压，使振荡能够建立建立起来，需满足：起来，需满足：)21，0(210，nnFAFA为振荡器的为振荡器的起振条件起振条件，其中：，其中：A0是电源接通时的电压增益。是电源接通时的电压增益。增幅振荡增幅振荡正反馈正反馈3 3 振荡建立的振荡建立的起振条件起振条件?2 2 自激振荡器，满足维持振荡条件，振荡能否建立起来？自激振荡器，满足维持振荡条件，振荡能否建立起来？(a)通电后，集电极电流产生跃变在
6、谐振回路中激起振荡。通电后，集电极电流产生跃变在谐振回路中激起振荡。(b)谐振回路选频作用。谐振回路选频作用。(c)因为：因为：Uo（n+1）=AUi=AUf=AFUo（n）所以：所以：Uo（n+1）=AFUo（n）数值很小，不可能得到振荡输出电压。数值很小，不可能得到振荡输出电压。因为：因为：Uo(n+1)=A0FUo(n)所以：所以：Uo(n+1)Uo(n)1 如何自激？如何自激？Vcc闭合的脉冲电流；基极的噪声电流闭合的脉冲电流；基极的噪声电流起振过程起振过程:微小的电压脉冲微小的电压脉冲选频选频 反馈反馈 放大放大 再选频再选频 再反馈再反馈 如此循如此循环，振荡电压就会增长起来，建立
7、了振荡。环，振荡电压就会增长起来，建立了振荡。4 4 起振后，振荡是否无限增大下去？起振后，振荡是否无限增大下去？（A0F1为增幅震荡）为增幅震荡）由于晶体管的非线性，振荡从线性放大进入失真的非线性状态。由于晶体管的非线性，振荡从线性放大进入失真的非线性状态。波形失真，其电流的直流分量产生负反馈，使工作点向负变化。波形失真，其电流的直流分量产生负反馈，使工作点向负变化。A，直到，直到AF=1达到等幅震荡。达到等幅震荡。tUVuVubmbbbbbBEcos波形失真，其电流的直流分量波形失真，其电流的直流分量产生负反馈，使工作点向负变产生负反馈，使工作点向负变化。化。A，直到，直到AF=1达到等幅
8、达到等幅震荡。震荡。4 4 起振后，振荡是否无限增大下去？起振后，振荡是否无限增大下去？（A0F1为增幅震荡）为增幅震荡）5 5 平衡状态平衡状态（大信号工作）（大信号工作）平衡后工作在什么状态？平衡后工作在什么状态？平衡平衡时：时：PccpcccimpcCMimpmCiCRgRgURIURIUUA)()()cos1()(1111起振起振时为小信号放大，时为小信号放大，A=A0，甲类状态，甲类状态，c=180o，所以，所以A0=gcRp由于晶体管的非线性，振荡从线性放大进入失真的非线性状态。由于晶体管的非线性，振荡从线性放大进入失真的非线性状态。波形失真，其电流的直流分量产生负反馈，使工作点向
9、负变化。波形失真，其电流的直流分量产生负反馈，使工作点向负变化。A，直到，直到AF=1达到等幅震荡。达到等幅震荡。)(0cAA所以：所以：FAFAAFcc001)()(co13g11.02.022A0F1时，时，1(c)0.5，所以，所以180o c 90o，平衡后为，平衡后为甲乙类甲乙类；A0F=2时，时，(c)=0.5，所以所以 c=90o，平衡后为平衡后为乙类乙类；A0F2时，时，(c)0.5，所以所以 c 1，满足起振条件，满足起振条件 平衡时：平衡时：AF=A0(c)F=1 则：则：(c)=0.625=(1-cos c)a1(c)则：则：c=101.5o 则：则：平衡时放大器工作在甲
10、乙类状态平衡时放大器工作在甲乙类状态)(cos1/1)(10cccFAco13g11.02.02（2）A0=10，F=0.2时时分析：分析：起振时：起振时：A0F=21，满足起振条件，满足起振条件 平衡时：平衡时：AF=A0(c)F=1 则：则：(c)=0.5=(1-cos c)a1(c)则：则：c=90o 则：则：平衡时放大器工作在乙类状态平衡时放大器工作在乙类状态（3）A0=20，F=0.2时时分析：分析：起振时：起振时：A0F=41，满足起振条件，满足起振条件 平衡时：平衡时：AF=A0(c)F=1 则：则：(c)=0.25=(1-cos c)a1(c)则：则：c=66.3o 则：则：平
11、衡时放大器工作在丙类状态平衡时放大器工作在丙类状态振幅平衡条件振幅平衡条件：相位平衡条件：相位平衡条件：（n=0,1,2）11fepY Z F2YZFn2、平衡条件的另一种表示形式、平衡条件的另一种表示形式 由于电路中有源器件、寄生参量及阻隔元件的影响，由于电路中有源器件、寄生参量及阻隔元件的影响，为了，为了使电路工作在相位平衡状态，需使电路工作在相位平衡状态，需 ，因此振荡器的频率并不等于回，因此振荡器的频率并不等于回路的谐振频率。回路处于微小失谐状态。路的谐振频率。回路处于微小失谐状态。为简化问题，通常都近似地认为为简化问题，通常都近似地认为振荡频率就等于回路的谐振频率振荡频率就等于回路的
12、谐振频率0FY0Z )21，0(21，nnAFFA plfeimplmCiCZYUZIUUA11 晶体管晶体管 反馈网络反馈网络LC选频网络选频网络YjfeeYZjeZplFjFeuiic1uc1uf3.振荡平衡的稳定条件振荡平衡的稳定条件（1）稳定平衡定义：）稳定平衡定义：指某一外因的变化使指某一外因的变化使振荡的原平衡条件遭到破坏，振荡器能在新振荡的原平衡条件遭到破坏，振荡器能在新的条件下建立新的平衡。当外因去掉后，电的条件下建立新的平衡。当外因去掉后，电路能自动返回原平衡状态。路能自动返回原平衡状态。包括：包括：振幅稳定条件振幅稳定条件和和相位稳定条件相位稳定条件 上面所讨论的振荡平衡条
13、件只能说明振荡能在某一状态平上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平衡，但还不能说明这种平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立衡，但还不能说明这种平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持，振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持，还必须看平衡状态是否稳定。还必须看平衡状态是否稳定。1)振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件UcA0AUcQ2UcQ1UcQQQ2Q11/F假设电路在假设电路在Q点达到平衡态，即点达到平衡态，即AF=1。Uc(n+1)=AFUc(n)如果由于某种因素使振幅增大超过如果由于某种因素使振幅增大超过UcQ，
14、达到了，达到了Q1点，则此时出现点，则此时出现AF1，于是振幅就自动增强，于是振幅就自动增强，从而又回到从而又回到UcQ。因此。因此Q点是稳定平点是稳定平衡点。衡点。振荡特性振荡特性反馈特性反馈特性如果晶体管的静态工作点取得太低，如果晶体管的静态工作点取得太低，而且反馈系数而且反馈系数F又较小时，可能会出现又较小时，可能会出现另外一种振荡形式。这时另外一种振荡形式。这时A=f(Uc)的变的变化曲线不是单调下降的，而是先随化曲线不是单调下降的，而是先随Uc的增大而上升，达到最大值后，又随的增大而上升，达到最大值后，又随Uc的增大而下降。因此，它与的增大而下降。因此，它与1/F线可线可能出现两个交
15、点能出现两个交点B与与Q。这两个点都是。这两个点都是平衡点。平衡点。UcA0A1/FQ1BQB点的平衡态是不稳定的。当点的平衡态是不稳定的。当Uc0为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。即，在振荡频率发生变化的同时，振荡电路中位平衡的能力。即，在振荡频率发生变化的同时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化，以抵消由外因引起的能够产生一个新的相位变化，以抵消由外因引起的变化，因变化，因而这两者的符号应该相反，即相位稳定条件应为而这两者的符号应该相反，即相位稳定条件应为/0。写成偏微分形式，即写成偏微分形式，即0FZ
16、Y0ZZFZY为因此，相位稳定条件应由于 Y为为ic1与基极输入电压与基极输入电压ui的相的相角；角；Z为为LC谐振回路基波谐振阻谐振回路基波谐振阻抗的相角。抗的相角。相位稳定条件：相位稳定条件：c cc c0 0 YFYF YFYF z z YFYF0Z振荡器的相位稳定的条件说明只有谐振回路的相频特性曲线振荡器的相位稳定的条件说明只有谐振回路的相频特性曲线 Z=f()在工作频率附近具有负的斜率，才能满足频率稳定在工作频率附近具有负的斜率，才能满足频率稳定条件。事实上，并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率。条件。事实上，并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率。因而因而LC并联谐振回路不但是决
17、定振荡频率的主要角色，而并联谐振回路不但是决定振荡频率的主要角色，而且是稳定振荡频率的机构。且是稳定振荡频率的机构。002QarctgZYFFYZ纵坐标也表示与纵坐标也表示与 Z等值异号的等值异号的 YF相角相角如如 FY增大到增大到 FY，即产生了一个增量，即产生了一个增量 FY，从而破坏原来工作频率从而破坏原来工作频率 c的平衡条件。这种的平衡条件。这种不平衡促使不平衡促使 c升高。由于频率升高，使谐振升高。由于频率升高，使谐振回路产生负的相角增量回路产生负的相角增量 Z。当。当 Z=FY时，相位重新满足时，相位重新满足 =2n，振荡器在，振荡器在 c的的频率上再一次达到平衡。但新的平衡点
18、偏离频率上再一次达到平衡。但新的平衡点偏离原平衡点原平衡点 =c c。Q越大越大 越小。越小。4.振荡电路分析实例振荡电路分析实例VTRb1Rb2ReCeCL1LfECCbM主网络主网络反馈网络反馈网络+ui-ic-uo+uf-ifuu 有uiuoA1/F1iu 3iu 2iu 4iu 03u 02u 01u 04u 1fu 2fu 3fu 01121fifuuuu 232022fifiuuuuu 343033fifiuuuuu 123123,oooiiiuuuuuu 即即有有可见起振初期是一个增幅的振荡过程可见起振初期是一个增幅的振荡过程 丙丙类类状状态态乙乙类类甲甲乙乙类类甲甲类类总结总结
19、:)2,1,0(2nnFA0CQCUUcUA0CZ10FA1AF)2,1,0(2nnFA起振条件起振条件平衡条件平衡条件平衡的稳定条件平衡的稳定条件5.2.2 反馈型反馈型LC振荡器振荡器 电源电源有源器件有源器件 选频网络选频网络反馈网络反馈网络0.相关背景知识相关背景知识输入输出相位共射bc负共基ec正共集be正互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反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。互感耦合振荡器有三种
20、形式：调基电路、调集电路和互感耦合振荡器有三种形式：调基电路、调集电路和调发电路，这是根据振荡回路是在基极、集电极和发调发电路，这是根据振荡回路是在基极、集电极和发射极来区分的。射极来区分的。1.互感耦合振荡电路互感耦合振荡电路利用利用L1和和L2之间的互感来实之间的互感来实现正反馈，适用于短波段以现正反馈，适用于短波段以下下。优点：互感耦合振荡电路在优点：互感耦合振荡电路在调整反馈（改变调整反馈（改变M）时，基）时，基本不影响振荡频率本不影响振荡频率判断是否可能振荡的方法，以能否满足相位平衡条件，即是判断是否可能振荡的方法，以能否满足相位平衡条件，即是否构成正反馈为判断准则。否构成正反馈为判
21、断准则。瞬时极性法瞬时极性法来判断是否为正反馈。来判断是否为正反馈。振荡频率的估算：振荡频率的估算：共基放大电路为同向放大。共基放大电路为同向放大。L1和和L2的的同名端同名端接法决定是接法决定是否满足正反馈的要求。否满足正反馈的要求。CLf1021共基调集共基调集共射调基共射调基共基调射共基调射注意：注意：1 L1和和L2的同名端接法，从而满足相位平衡条件；的同名端接法，从而满足相位平衡条件；2 由于输入由于输入阻抗低，采用部分接入法，不影响阻抗低，采用部分接入法，不影响Q值；值；3 由于高频时由于高频时L会有分布电会有分布电容，所以互感耦合方式工作频率不宜过高；容，所以互感耦合方式工作频率
22、不宜过高；4 M越大，越易起振。越大，越易起振。其它电路形式其它电路形式+-+-+-三端式三端式LC振荡器振荡器 三端式三端式LC振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几MHz到几百到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，约为电路高一些，约为10-310-4量级，采取一些稳频措施后，还量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。可以再提高一点。三端式三端式LC振荡器有多种形式，主要有：振荡器有多种形式，主要有：电感三端式，又称哈特莱振荡器（电感三端式，又称哈特莱振荡器（Hartley）电容三端式，又
23、称考毕兹振荡器（电容三端式，又称考毕兹振荡器（Coplitts）串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器（串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器（Clapp）并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器（并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器（Selier）LC三端式振荡器组成法则（相位平衡条件的判断准则）三端式振荡器组成法则（相位平衡条件的判断准则）C1C2LLECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc2.电容反馈振荡电路电容反馈振荡电路(Colpitts Oscillators)+uce-+ube -LECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc典型的电容三端式振荡电路。满典型的电容三端式振荡电路。满足相位
24、平衡条件，只要适当选取足相位平衡条件，只要适当选取C1与与C2的比值，并使放大器有足的比值，并使放大器有足够的放大量，电路就能产生振荡。够的放大量，电路就能产生振荡。=C1+Coe=C+Ceg 0是电感是电感L的内电导的内电导g0折合到折合到ce两端的电导两端的电导值值g 0=p12 g0,其中其中p1=(C 1+C 2)/C 2 bceC2C1LyieRLyoe-Uc+ube-yfeubebecC 2C 1giegLgoeyfeube-Uc+ube-gieg 0Lbec31feceobeyUUg.A电压增益电压增益LgiegLyfeubegoe+uf-uce+g 0C 1C 2其中，其中，2
25、012/1/oeLieLLggggp gpCCgR102.1feyCA FgC2200111()()feoeLieoeLieCyggggp ggggFgCFF起振条件起振条件 得得C 2C 1giegLgoeyfeube-Uc+ube-gieg 0总结：总结：（1）满足起振条件是选取晶体管的）满足起振条件是选取晶体管的（2）晶体管一旦选定）晶体管一旦选定(参数参数 一定一定)可以改变可以改变F和和 来保证起振。来保证起振。F一般选取一般选取0.1-0.5。即适当选择。即适当选择C1和和C2的值的值（3）由于晶体管输入电导的影响，）由于晶体管输入电导的影响，F并不是越大越容易起振。并不是越大越容
26、易起振。（5）振荡频率的估算）振荡频率的估算01LC1222C CCCC01()feoeLieygggFgFieoefeggy、Lg其中其中：LgiegLyfeubegoe+uf-uce+g 0C 1C 2LgiegLyfeubegoe+uf-uce+g 0C 1C 2AF=uf/ube，谐振时，谐振时AF的满足相位平衡条件，即的满足相位平衡条件，即AF虚部为虚部为0。ceieceieiefuCjgLjuCjgLjCjgu111122222111CjgLjCjgCjguyuieiebefece22211111CjgLjCjgLjCjgCjgyuuieieiefebef01ggggLoe其中21
27、121121211CCggLCCCggCCLCCieieciecgLgCCCCL121212令虚部为零令虚部为零前一项为谐振频率，后一项远小于第一项，即都满足前一项为谐振频率，后一项远小于第一项，即都满足iegCgC20110;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）。、电容反馈三端电路的优点是振荡波形好（电容反馈）。2、电路的频率稳定度较高，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
28、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。它的工作频率荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作频率可以做到几十可以做到几十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：调整调整C1或或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。造成来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。造成对不同频率信号幅度的改变。对不同频率信号幅度的改变。L1L2CECL1L2CRb1Rb2CbCeRe3.电感三端式振荡电路电感三端式振荡电路(Hartly Oscillators)L2L1CgLgoegmubep2giegL=gL+gO|yfe|=g
29、m（3 3）振荡频率的估算）振荡频率的估算122LLLMLCMLLggggLCieLoec112210其中：其中：21()()beceui LMFui LM L2L1CgLgoegmubep2gie+ube-+uce-i要求要求 ，忽略，忽略 、的影响，可得：的影响，可得：01()feoeLieygggFgFieC01A F oeCgL=gL+gO|yfe|=gm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；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、C的改变基本上不影响电路
30、的反馈系数。的改变基本上不影响电路的反馈系数。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，而电感、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，因此对高次谐波的反馈较强，使波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；形失真大；2、电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这是因为、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，分布参数的影响太大。频率太高，分布参数的影响太大。三端式振荡器的原理电路三端式振荡器的原理电路 假定假定LC回路由纯电抗元件组成回路由纯电抗元件组成,其电抗值其电抗值分别为分别为ce，be和和bc
31、，同时不考虑晶体，同时不考虑晶体管的电抗效应管的电抗效应,则当回路谐振则当回路谐振(=0)时时,回回路呈纯阻性路呈纯阻性,有：有：ce+bebc=0，因此：，因此：cebebc由于由于Uf 是是Uo在在XbeXbc支路分配在支路分配在Xbe上的电压上的电压,有有ocebebcbeobefUXXXXjUjXU)(因要求是一个正反馈反相放大器因要求是一个正反馈反相放大器,Ui与与Uf 同相同相,Uo与与Ui反相反相,所以所以 0cebeXX即即Xbe与与Xce必须是同性质电抗必须是同性质电抗,因而因而Xbc必须是异性质电抗。必须是异性质电抗。4.LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则三端式振荡器相
32、位平衡条件的判断准则注意注意：（：（1）电感三端式与电容三端式振荡电路的比较电感三端式与电容三端式振荡电路的比较电容三端式电容三端式电感三端式电感三端式波形波形较好较好较差较差频率频率较高较高较低较低频率稳定度频率稳定度较好较好较差较差起振、调节起振、调节较难较难较易较易这是用来判断三端式振荡器这是用来判断三端式振荡器有没有可能振荡的基本原则有没有可能振荡的基本原则（2）LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则三端式振荡器相位平衡条件的判断准则 Xce与与Xbe的电抗性质相同；的电抗性质相同；Xcb与与Xce、Xbe的电抗性质相反；的电抗性质相反；对于振荡频率，满足对于振荡频率，满足Xce+Xb
33、e+Xcb=0。5.2.振荡器的频率稳定措施振荡器的频率稳定措施短短 波波 发发 射射 机：机：10-410-5军用大型通信：军用大型通信：10-8 放大器放大器LC选频选频 反馈网络反馈网络YZ F uiic1ZLuouf()ZYFYF Z)(FY由图看出：由图看出：Z和和 YF两条曲线的交点决定了振荡器的两条曲线的交点决定了振荡器的振荡频率振荡频率 c。0 c ()ZYFYF 0arctan2ZQ 0arctan20YFQ0tan2YFQ0tan2YFQ001(1tan)2cYFQ00ccccYFYFQQ011tan2cYFQ 0212coscYFYFQ02tan2cYFQQ 000221
34、tan2cos2cYFYFYFQQQ 1tan12YFQ02200tan12cos2cYFYFYFQQQ其中：其中：且：且：QQQYFYFYFcc22002tancos21Z YF0 1 0 1 1 1 QQ1 1 0Y FQo 1 1 当当-yf变化时变化时 yf曲线上下平移曲线上下平移 1（1）减小外因的变化）减小外因的变化 温度变化可以采用恒温措施；温度变化可以采用恒温措施；湿度变化采用将电感线圈密封或固化；湿度变化采用将电感线圈密封或固化；电源电压变化采用稳压电源、或单独供电；电源电压变化采用稳压电源、或单独供电；机械振动采用减震措施；机械振动采用减震措施；负载变化采用射随器隔离。负载
35、变化采用射随器隔离。（2）提高电路参数抗外因变化的能力）提高电路参数抗外因变化的能力 选用正温度系数的电感和负温度系数的电容组成谐振回路进行选用正温度系数的电感和负温度系数的电容组成谐振回路进行 温度补偿。温度补偿。减小晶体管极间电容不稳定量减小晶体管极间电容不稳定量 Coe、Cie对回路总电容对回路总电容C 的影响的影响，可采用部分接入方式的克拉泼电路、西勒电路。，可采用部分接入方式的克拉泼电路、西勒电路。选用高选用高Q的元件。的元件。选用选用 YF 小的电容三点式振荡电路形式。小的电容三点式振荡电路形式。CCLL2100 4.5 高稳定度的高稳定度的LC振荡器振荡器1.一般电容三端式振荡电
36、路频率稳定性的分析一般电容三端式振荡电路频率稳定性的分析22ieCCC当当Coe、Cie没变化时，回路总没变化时，回路总电容电容 对应振荡对应振荡频率为频率为:11oeCCC1LC2121CCCCC而而Cie、Coe与晶体管工作状态和外与晶体管工作状态和外界条件有关。界条件有关。当当Coe变化变化Co，Cie变化变化Ci时，总时，总电容的增量电容的增量:21211CCCCCp21122CCCCCpiOCpCpC2221结论：结论：一般电容三端式振荡电路一般电容三端式振荡电路 p1、p2 不可能同时减小，不可能同时减小，故频率稳定度不可能做得较高。故频率稳定度不可能做得较高。2.克拉泼（克拉泼（
37、Clapp）振荡电路）振荡电路在电感支路串接小电容在电感支路串接小电容C3满足满足C3C1，C3C2 回路总电容为：回路总电容为：(1)电路特点电路特点3313221321CCCCCCCCCCC(2)相位平衡条件（正反馈）相位平衡条件（正反馈）Xce为容抗，为容抗，Xbe为容抗同性质。为容抗同性质。Xcb可等可等效为感抗，与效为感抗，与 Xce、Xbe反性质。反性质。满足电容三端式振荡器相位平衡条件判满足电容三端式振荡器相位平衡条件判断准则，为电容三端式振荡电路。断准则，为电容三端式振荡电路。(3)振荡频率振荡频率因为因为C C3，所以振荡频率为：所以振荡频率为：3021LCfLCf210(4
38、)稳频原理稳频原理3111CCpCC3222CCpCCiOCpCpC2221总的电容增量为：总的电容增量为：其中其中p1、p2可以同时减小，可以同时减小，C 可很小，故频率稳定度比一般电容三端式高。可很小，故频率稳定度比一般电容三端式高。结论结论：考虑到考虑到g0 会影响电路起振条件，故频率稳定度不可能很高。会影响电路起振条件，故频率稳定度不可能很高。克拉泼电路主要用作克拉泼电路主要用作固定频率振荡器。固定频率振荡器。（C1、C2不能很大，故不能很大，故C3的范围的范围有限）有限）调整调整C1C2的值可以改变反馈系数，但对谐振频率的影响很小。调整的值可以改变反馈系数，但对谐振频率的影响很小。调
39、整C3值可以改变系统的谐振频率，对反馈系数无影响。值可以改变系统的谐振频率，对反馈系数无影响。3.西勒（西勒（Siler）振荡电路）振荡电路4C434133221321CCCCCCCCCCCCC(2)相位平衡条件（正反馈）相位平衡条件（正反馈）Xce为容抗，为容抗，Xbe为容抗同性质。为容抗同性质。Xcb可等效为感抗，与可等效为感抗，与Xce、Xbe反性质。满足电容三反性质。满足电容三端式振荡器的相位平衡条件判断准则，为电容三端式振荡电路。端式振荡器的相位平衡条件判断准则，为电容三端式振荡电路。(3)振荡频率振荡频率)(2121430CCLLCf(1)电路特点：电路特点：西勒电路是在克拉泼电路
40、基础上，在电感西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感 L 两端并联一个电容两端并联一个电容C4。电。电路条件仍是路条件仍是C3C1，C3C2，C3与与C4同数量级。回路总电容为：同数量级。回路总电容为：(4)总结总结 这种电路保持了克拉泼电路中晶体管与回路耦合弱的特点，频率稳这种电路保持了克拉泼电路中晶体管与回路耦合弱的特点，频率稳定度高。调频时，输出振荡电压幅度基本平稳，可在宽频段工作，作为定度高。调频时，输出振荡电压幅度基本平稳，可在宽频段工作，作为波段振荡器波段振荡器。4.6 晶体振荡器晶体振荡器(Crystal Oscillator)工作机理：石英晶体具有正反压电效应。当晶体几何尺寸工作
41、机理：石英晶体具有正反压电效应。当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固定的机械振动频率。当外和结构一定时，它本身有一个固定的机械振动频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，晶体片的机械加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面电荷量最多，外电路中的交流电流最振动最大，晶体表面电荷量最多，外电路中的交流电流最强，于是产生了谐振。强，于是产生了谐振。石英晶振的固有频率十分稳定，它的温度系数（温度变化石英晶振的固有频率十分稳定，它的温度系数（温度变化11所引起的固有频率相对变化量）在所引起的固有频率相对变化量）在1010-6-6以下。以下。石英晶振的振动具有多谐
42、性，包括基频振动和奇次谐波泛石英晶振的振动具有多谐性，包括基频振动和奇次谐波泛音振动。前者称为基频晶体，后者称为泛音晶体。音振动。前者称为基频晶体，后者称为泛音晶体。晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求晶片越晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求晶片越薄。机械强度越差，加工越困难，使用中也易损坏。薄。机械强度越差，加工越困难，使用中也易损坏。CoCgCoCg5Cg3CgLgLg3Lg5LgRg其中：其中：C0晶体静态晶体静态(安装安装)电容：电容：110pF;Cg:基频等效电容基频等效电容(10-410-1pF);Lg:等效电感等效电感(10-3100H);Rg:等效电阻等效电阻
43、(几十几十几百几百)；Q值可达百万值可达百万(106)量级量级CoCqLqRq1qqqL C11(1)2qqpqqoooqqoqCCCCC CLCC00(1)22qqpqpqqCCCCSo：qqqqqqq1CLrrLQ （12 50025 000）CoCqLqrqfqfp电容性电容性电容性电容性电感性电感性 fXeO忽略忽略rq时：时：当当 p时，时，Xe0，晶体等效为电容；，晶体等效为电容；当当=q时，时，Xe=0，晶体等效为短路；，晶体等效为短路；当当 q 0，晶体等效为电感；，晶体等效为电感；当当=p时，时，Xe，晶体为并联谐振。，晶体为并联谐振。总结：总结：晶体使用的两种模式：晶体使用
44、的两种模式：q时，时，晶体晶体 短路线短路线pq时，时，晶体晶体 电感电感epqqqqqejXCjCjCCLjCLjZ222200011111112.晶体谐振器阻抗特性晶体谐振器阻抗特性CLJTC1C2JT3.并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器(Parallel of Crystal Oscillators)ECJTC2C3C1Rb1Rb2CbReLc晶体晶体C1C2JTC3LqCqrqCoC1C2LoqqLoLoqqqLoqLoqqoCCCCCCCCCLCCCCCCL 11)(1 )(21(LoqqoCCC 2112qoLqCCpCC CCC 电路的谐振频率的估算电路的谐振频率的估算:1212
45、qoLqCCpCC CCC C1CcCeRb1Rb2ReL1LEcJTC2C1C2L1JTC1C2C3JTLRb1Rb2RcReCbCcC1C2C3JTCoLEc4.串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器(Series of Crystal Oscillators)CoCgCoCg5Cg3Cg3LgLg3Lg5Lg3Rg35.泛音晶振电路泛音晶振电路实际应用时：实际应用时：在三点式振荡电路中在三点式振荡电路中,用一选频回路来用一选频回路来代替代替某一支某一支路上的电抗元件，使该支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质路上的电抗元件，使该支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足不满足三点式振荡器的组成法
46、则，三点式振荡器的组成法则，不能起振不能起振；而在所需要的泛音；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振达到起振。泛音泛音石英片振动的机械谐波石英片振动的机械谐波设泛音晶振为五次泛音，标称频率设泛音晶振为五次泛音，标称频率5MHz，基频，基频1MHz，则，则LC1回路回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样在必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样在5MHz频率上，频率上，LC1回路呈容性，振荡电路满足组成法则。回路呈容性，振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说，对于基频和三次泛音频率来说，LC1回路呈感性，电路不符合组成回
47、路呈感性，电路不符合组成法则，不能起振。法则，不能起振。在七次及以上泛音频率，在七次及以上泛音频率，LC1回路虽呈容性，但等效容抗减小，从回路虽呈容性，但等效容抗减小，从而使电压放大倍数减小，环路增益小于而使电压放大倍数减小，环路增益小于1，不满足振幅起振条件。，不满足振幅起振条件。图中：图中：本章小结本章小结 本章介绍了反馈振荡原理和反馈型正弦波振荡器的几种本章介绍了反馈振荡原理和反馈型正弦波振荡器的几种常用电路类型常用电路类型,要点如下：要点如下：(1)反馈振荡器是由放大器和反馈网络组成的具有选反馈振荡器是由放大器和反馈网络组成的具有选频能力的正反馈系统。反馈振荡器必须满足起振、平衡和频能
48、力的正反馈系统。反馈振荡器必须满足起振、平衡和稳定三个条件稳定三个条件,每个条件中应分别讨论振幅和相位要求。每个条件中应分别讨论振幅和相位要求。在振荡频率点在振荡频率点,环路增益的环路增益的幅值幅值在起振时必须大于在起振时必须大于1,且具有负斜率的增益且具有负斜率的增益振幅特性振幅特性,这是振幅方面的要求。这是振幅方面的要求。在振荡频率点在振荡频率点,环路增益的环路增益的相位相位应为应为2的整数倍的整数倍,且具且具有负斜率的相频特性有负斜率的相频特性,这是相位方面的要求。这是相位方面的要求。(2)三点式振荡电路是三点式振荡电路是LC正弦波振荡器的主要形式正弦波振荡器的主要形式,可可分成电容三点
49、式和电感三点式两种基本类型。分成电容三点式和电感三点式两种基本类型。频率稳定度是振荡器的主要性能指标之一。为了提高频率稳定度是振荡器的主要性能指标之一。为了提高频率稳定度频率稳定度,必须采取一系列措施必须采取一系列措施,包括减小外界因素变化包括减小外界因素变化的影响和提高电路抗外界因数变化影响的能力两方面。克的影响和提高电路抗外界因数变化影响的能力两方面。克拉泼电路和西勒电路是两种较实用的电容三点式改进型电拉泼电路和西勒电路是两种较实用的电容三点式改进型电路路,前者适合于作固定频率振荡器前者适合于作固定频率振荡器,后者可作波段振荡器后者可作波段振荡器。(3)晶体振荡器的频率稳定度很高晶体振荡器
50、的频率稳定度很高,但振荡频率的可调但振荡频率的可调范围很小。泛音晶振可用于产生较高频率振荡范围很小。泛音晶振可用于产生较高频率振荡,但需采取但需采取措施抑制低次谐波振荡措施抑制低次谐波振荡,保证其只谐振在所需要的工作频保证其只谐振在所需要的工作频率上。率上。学习本章内容后学习本章内容后:要能够识别常用正弦波振荡器的类型并判断其能否要能够识别常用正弦波振荡器的类型并判断其能否正常工作。正常工作。在明确各种类型振荡器优缺点和适用场合的基础上在明确各种类型振荡器优缺点和适用场合的基础上,既要掌握实用振荡电路的分析和参数计算既要掌握实用振荡电路的分析和参数计算,也要学会也要学会常用振荡电路的设计和调试
