1、第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器v高频正弦波振荡器在通信系统中起何作用？高频正弦波振荡器在通信系统中起何作用？v反馈型正弦波振荡器如何构成？它的工作应满足什反馈型正弦波振荡器如何构成？它的工作应满足什么条件？么条件？v如何识别常用正弦波振荡器类型并判断能否正常工如何识别常用正弦波振荡器类型并判断能否正常工作？作？v频率稳定度与哪些因素有关？如何提高频率稳定度？频率稳定度与哪些因素有关？如何提高频率稳定度？v为什么晶体振荡器的频率稳定度很高？它如何构成？为什么晶体振荡器的频率稳定度很高？它如何构成？u振荡器振荡器振荡器没有外加激励信号，而自动地将直流电源产生的能量振荡器没有外加激励信号，而
2、自动地将直流电源产生的能量转化为具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号。振转化为具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号。振荡器一般由晶体管等有源器件和具有选频能力的无源网络所荡器一般由晶体管等有源器件和具有选频能力的无源网络所组成。组成。u放大器放大器输入为外加激励信号，直流能量转换为按信号规律变化的输入为外加激励信号，直流能量转换为按信号规律变化的交流能量的电路。交流能量的电路。振振荡荡器器的的应应用用十十分分广广泛泛，振振荡荡器器的的种种类类也也很很多多。反反馈馈振振荡荡器器 按按振振荡荡原原理理分分类类 负负阻阻振振荡荡器器 低低频频振振荡荡器器 按按振振荡荡频频率率分分类类 高
3、高频频振振荡荡器器 正正弦弦波波振振荡荡器器 按按振振荡荡波波形形分分类类 非非正正弦弦波波振振荡荡器器（多多谐谐振振荡荡器器等等）4.1 反馈振荡器的振荡条件分析反馈振荡器的振荡条件分析4.1.1 反馈振荡器振荡的基本原理反馈振荡器振荡的基本原理反馈振荡器的原理框图如图反馈振荡器的原理框图如图4.1所示。反馈振荡器是由放大所示。反馈振荡器是由放大器和反馈网络所组成的一个闭环环路，其中反馈网络由无源器和反馈网络所组成的一个闭环环路，其中反馈网络由无源器件组成。器件组成。图图4.1 反馈振荡器的原理框图反馈振荡器的原理框图4.1.2 振荡器的起振条件和平衡条件振荡器的起振条件和平衡条件在图在图4
4、.1所示的电路中，在所示的电路中，在“”处断开，定义环路的闭环增处断开，定义环路的闭环增益为益为fiUTAFU1起振条件起振条件1T 振幅起振振幅起振条件条件T2n相位起振相位起振条件条件在起振的开始阶段，振荡的幅度还很小，电路尚未进入非线性区，在起振的开始阶段，振荡的幅度还很小，电路尚未进入非线性区，振荡器可以作为线性电路来处理，即可用小信号电路等效模型分析起振荡器可以作为线性电路来处理，即可用小信号电路等效模型分析起振条件。振条件。2平衡条件平衡条件1T 振幅平衡振幅平衡条件条件T2n相位平衡相位平衡条件条件图图4.2 满足起振与平衡条件的环路增益特性满足起振与平衡条件的环路增益特性4.1
5、.3 振荡平衡的稳定条件振荡平衡的稳定条件1振幅稳定条件振幅稳定条件iiAi0UUTU2相位稳定条件相位稳定条件图图4.3 满足相位稳定条件的回路的相频特性满足相位稳定条件的回路的相频特性相位稳定相位稳定条件条件4.1.4 反馈振荡器的判断反馈振荡器的判断1、振幅条件、振幅条件放大器件一般都满足图放大器件一般都满足图4.2所示的平衡与稳定的振幅条件，仅所示的平衡与稳定的振幅条件，仅需对起振的振幅条件进行讨论。需对起振的振幅条件进行讨论。(1)在起振时，放大器应具有正确的直流偏置，开始时应工作在起振时，放大器应具有正确的直流偏置，开始时应工作在甲类状态。在甲类状态。(2)开始起振时，环路增益开始
6、起振时，环路增益T应大于应大于1；由于反馈网络；由于反馈网络F是一个是一个常数，且小于常数，且小于1，因此要求放大器的增益，因此要求放大器的增益A大于大于1/F；对于共射；对于共射或者共基组态的放大器，负载设计合理，可以满足这一要求。或者共基组态的放大器，负载设计合理，可以满足这一要求。(1)对于放大器的起振与平衡的相位条件，都是要求环路是对于放大器的起振与平衡的相位条件，都是要求环路是正反馈。正反馈。2相位条件相位条件(2)对于平衡的稳定条件，要求环路应具有负斜率的相频特对于平衡的稳定条件，要求环路应具有负斜率的相频特性曲线。性曲线。相位平衡的稳定状态负斜率的相频特性取决于选频网络。对于相位
7、平衡的稳定状态负斜率的相频特性取决于选频网络。对于LC并联谐振网络的阻抗特性以及并联谐振网络的阻抗特性以及LC串联谐振回路的导纳特性都串联谐振回路的导纳特性都具有负斜率的相频特性，而对于具有负斜率的相频特性，而对于LC并联谐振网络的导纳特性以并联谐振网络的导纳特性以及及LC串联谐振回路的阻抗特性都具有正斜率的相频特性。串联谐振回路的阻抗特性都具有正斜率的相频特性。相位条件的判别相位条件的判别:起振和平衡时的相位条件是相同的。起振和平衡时的相位条件是相同的。相位条件是振荡器正常工作的必要条件相位条件是振荡器正常工作的必要条件。瞬时极性判定方法：瞬时极性判定方法：(1)将环路断开，引入将环路断开，
8、引入Vi(2)观察观察Vf 的瞬时极性的瞬时极性,当当Vf 与与Vi 瞬时极性一瞬时极性一致，即满足相位条件，反之则不满足。致，即满足相位条件，反之则不满足。【例例4.1】图图4.4所示为一所示为一LC振荡器的实际电路，图中反馈网络是由电感振荡器的实际电路，图中反馈网络是由电感L和和L1之间的互感之间的互感M来实现，称之为来实现，称之为LC互感耦合振荡器，其中电容互感耦合振荡器，其中电容Cb为为耦合电容，电容耦合电容，电容Ce为高频旁路电容，都为大电容。画出交流等效电路，为高频旁路电容，都为大电容。画出交流等效电路，分析该电路满足正反馈时其同名端的位置。分析该电路满足正反馈时其同名端的位置。图
9、图4.4 例例4.1图图 C UCC M Rb1 Rb2 Cb Ce Re L L1 根据瞬时极性法，当电路满足根据瞬时极性法，当电路满足正反馈时，其同名端如图正反馈时，其同名端如图4.4(b)所示。所示。频率稳定度在数量上通常用频率偏差来表示。频率偏差是指频率稳定度在数量上通常用频率偏差来表示。频率偏差是指振荡器的实际频率和标称频率之间的偏差。它可分为绝对偏振荡器的实际频率和标称频率之间的偏差。它可分为绝对偏差和相对偏差。设差和相对偏差。设f0是标称频率，是标称频率，f是实际工作频率，则定义是实际工作频率，则定义绝对频率偏差为：绝对频率偏差为：4.1.5 频率稳定度频率稳定度1、频率稳定度的
10、定义、频率稳定度的定义10fff 相对频率偏差为：相对频率偏差为：0010fffff测量时，要取多次测量结果的统计值。测量时，要取多次测量结果的统计值。niinffffnff12000000)(1limniinffnf100|1lim长期频率稳定度长期频率稳定度：一般指一天以上以致几个月的时间间隔内：一般指一天以上以致几个月的时间间隔内的相对变化，其主要取决于元器件的老化特性。的相对变化，其主要取决于元器件的老化特性。短期频率稳定度短期频率稳定度：一般指一天以内，以小时、分钟或秒计的：一般指一天以内，以小时、分钟或秒计的时间间隔内频率的相对变化。其主要取决于电源电压、环境时间间隔内频率的相对变
11、化。其主要取决于电源电压、环境温度的变化等。温度的变化等。瞬时频率稳定度瞬时频率稳定度：一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变：一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变化，这种频率变化一般都具有随机性质。其主要取决于元器化，这种频率变化一般都具有随机性质。其主要取决于元器件的内部噪声。件的内部噪声。中波广播电台发射机的频率稳定度为中波广播电台发射机的频率稳定度为510 电视发射机的频率稳定度为电视发射机的频率稳定度为710 普通信号发生器的频率稳定度为普通信号发生器的频率稳定度为 510 310 标准信号发生器的频率稳定度为标准信号发生器的频率稳定度为 910 810 2.提高频率稳定度的措施提高频
12、率稳定度的措施1)减小外界因素变化的影响减小外界因素变化的影响采用高稳定度直流稳压电源以减少电源电压的变化；采用恒温或者温度采用高稳定度直流稳压电源以减少电源电压的变化；采用恒温或者温度补偿的方法以抵消温度的变化；采用金属罩屏蔽的的方式减小外界电磁补偿的方法以抵消温度的变化；采用金属罩屏蔽的的方式减小外界电磁场的影响；采用密封、抽空等方式以削弱大气压力和湿度变化的影响等。场的影响；采用密封、抽空等方式以削弱大气压力和湿度变化的影响等。2)提高回路的标准性提高回路的标准性谐振回路在外界因素变化时保持其谐振频率不变的能力称为谐振回路谐振回路在外界因素变化时保持其谐振频率不变的能力称为谐振回路的标准
13、性，回路的标准性越高，频率稳定度越好。的标准性，回路的标准性越高，频率稳定度越好。回路的品质因数回路的品质因数Q值越大，则回路的相频特性曲线在谐振点的变化率值越大，则回路的相频特性曲线在谐振点的变化率越大，其相位越稳定，从相位与频率的关系可得，此时的稳频效果越越大，其相位越稳定，从相位与频率的关系可得，此时的稳频效果越好，因此需选择高好，因此需选择高Q值的回路元件。值的回路元件。4.2 LC三点式正弦波振荡器三点式正弦波振荡器以以LC谐振回路为选频网络的反馈振荡器称为谐振回路为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，常用的电路有互感耦合振荡器和三点式振荡器。互感耦合，常用的电路有
14、互感耦合振荡器和三点式振荡器。互感耦合振荡器是以互感耦合方式实现正反馈，其振荡频率稳定度不振荡器是以互感耦合方式实现正反馈，其振荡频率稳定度不高，且由于互感耦合元件分布电容的存在，限制了其振荡频高，且由于互感耦合元件分布电容的存在，限制了其振荡频率的提高，只适合于较低频段。三点式振荡器是指率的提高，只适合于较低频段。三点式振荡器是指LC回路的回路的三个电抗元件与晶体管的三个电极组成的一种振荡器，使谐三个电抗元件与晶体管的三个电极组成的一种振荡器，使谐振回路既是晶体管的集电极负载，又是正反馈选频网络，其振回路既是晶体管的集电极负载，又是正反馈选频网络，其工作频率可达到几百兆赫兹，在实际中得到了广
15、泛的应用。工作频率可达到几百兆赫兹，在实际中得到了广泛的应用。4.2.1 三点式振荡器的电路组成法则三点式振荡器的电路组成法则0cbecebXXX jXbe jXce jXbc iUcUfU I三个电抗元件不能同时为感抗或容三个电抗元件不能同时为感抗或容抗，必须由两种不同性质的电抗元件抗，必须由两种不同性质的电抗元件组成。组成。图图4.5 三点式电路结构三点式电路结构要产生振荡，电路应满足相位平衡要产生振荡，电路应满足相位平衡条件，即电路构成正反馈，此时条件，即电路构成正反馈，此时LC回路中三个电抗元件的性质应满足回路中三个电抗元件的性质应满足一定的条件。为了便于分析，这里一定的条件。为了便于
16、分析，这里略去晶体管的电抗效应。设略去晶体管的电抗效应。设LC回路回路由三个纯电抗元件构成，其电抗值由三个纯电抗元件构成，其电抗值分别为分别为Xbe、Xce和和Xbc，当回路谐振，当回路谐振时，回路等效阻抗为纯电阻，则时，回路等效阻抗为纯电阻，则为便于说明，忽略电抗元件的损为便于说明，忽略电抗元件的损耗及管子输入、输出阻抗的影响。耗及管子输入、输出阻抗的影响。时，时，当当Xbe+Xce+Xbc=0回路谐振，回路等效为纯电阻，回路谐振，回路等效为纯电阻，得到得到 与与 反相。因此反相。因此.cU.iU必须与必须与 反相，才能构成正反馈。反相，才能构成正反馈。.cU.fU 通常通常Q值很高，故回路
17、谐振电流远大于值很高，故回路谐振电流远大于b、c、e极电流极电流.fbeUj I X故故.cecUj I X，.cU.fU，为使，为使 和和 反相，反相，要求要求Xbe和和Xce 必须同性质。而必须同性质。而Xbc必须与必须与Xbe、Xce异性质异性质。jXbe jXce jXbc iUcUfU I 为了便于记忆，可将上述规则简单的记为为了便于记忆，可将上述规则简单的记为“射同它异射同它异”。三点式振荡器有两种基本的电路形式：与发射极相连同为三点式振荡器有两种基本的电路形式：与发射极相连同为电容的，称为电容三点式振荡器，也称考必兹电容的，称为电容三点式振荡器，也称考必兹(Colpitts)振荡
18、器，如图振荡器，如图4.6(a)所示；与发射极相连同为电感的，称所示；与发射极相连同为电感的，称为电感三点式振荡器，也称哈特莱为电感三点式振荡器，也称哈特莱(Hartley)振荡器，如图振荡器，如图4.6(b)所示。所示。(a)(b)图图4.6 三点式振荡器的两种基本形式三点式振荡器的两种基本形式【例例4.2】在图在图4.7所示电路中，两所示电路中，两个个LC并联回路的谐振频率分别是并联回路的谐振频率分别是 和和 ，求振荡频率，求振荡频率f0与与f1、f2的关系。的关系。1111/2fLC2221/2fL C图图4.7 例例4.2图图解：要使电路能够正常振荡，需满足三点式电路的组成原则。解：要
19、使电路能够正常振荡，需满足三点式电路的组成原则。而根据图而根据图4.7，由于连接基极与集电极的为电容，故电路只能，由于连接基极与集电极的为电容，故电路只能组成电感三点式振荡器，即组成电感三点式振荡器，即L1C1、L2C2回路应呈感性。由于回路应呈感性。由于LC并联回路谐振频率并联回路谐振频率f1、f2大于工作频率大于工作频率f0时，回路呈感性，时，回路呈感性，即应满足：即应满足：1020ffff4.2.2 电容三点式振荡器电容三点式振荡器图图4.8 电电容容三三点点式式振振荡荡器器图图4.8(b)一般来讲，高频旁路电容与耦合一般来讲，高频旁路电容与耦合电容都比回路电容大一个数量级电容都比回路电
20、容大一个数量级以上，对于高频电路来讲，可视以上，对于高频电路来讲，可视为短路；高频扼流圈为短路；高频扼流圈LC比回路电比回路电感大一个数量级以上，对于高频感大一个数量级以上，对于高频电路来讲，可视为断路。由于电路来讲，可视为断路。由于Rb1/Rb2比晶体管的输入电阻大很比晶体管的输入电阻大很多，这里作为断路处理。多，这里作为断路处理。4.8(b)是其交流等效电路。是其交流等效电路。下面分析该电路的起振条件。由于起振时晶体管工作在小信下面分析该电路的起振条件。由于起振时晶体管工作在小信号线性放大区，因此可用号线性放大区，因此可用Y参数等效电路，下图是高频小信参数等效电路，下图是高频小信号等效电路
21、。号等效电路。在图中，忽略在图中，忽略Yre、Cie、Coe，忽略晶体管正向传输导纳的相移，忽略晶体管正向传输导纳的相移，用跨导用跨导gm表示。表示。gp表示除晶体管外的电路中所有电导折算到表示除晶体管外的电路中所有电导折算到ce两两端的总电导。端的总电导。反馈系数：反馈系数：f21c2111UCCFUCC将将gie折算到折算到ce端，有端，有22fieieiec()UggF gU因此放大器总的负载电导为因此放大器总的负载电导为2LoeiepoeiepgggggF gg环路谐振时的增益为环路谐振时的增益为cfmimm2iiLiLoeiepU FUg U Fg Fg FTUUg UggF gg振
22、荡器的振幅起振条件为振荡器的振幅起振条件为moepie1()gggFgFmoepie1()gggFgF为了使电容三点式振荡器易于起振，应选择跨导为了使电容三点式振荡器易于起振，应选择跨导gm大、大、输入输出电阻大的晶体管；反馈系数要合理选择，其一般输入输出电阻大的晶体管；反馈系数要合理选择，其一般选择为选择为0.10.5；实践表明，如果选用特征频率；实践表明，如果选用特征频率fT大于振荡大于振荡频率频率5倍以上的晶体管作为放大器，负载电阻不要太小，反倍以上的晶体管作为放大器，负载电阻不要太小，反馈系数选择合理，其一般都是满足起振条件的。为保证放馈系数选择合理，其一般都是满足起振条件的。为保证放
23、大器有一定大小的幅度且波形失真小，起振时环路增益一大器有一定大小的幅度且波形失真小，起振时环路增益一般取般取35倍。倍。该振荡器的振荡频率为该振荡器的振荡频率为 012121122fLCC CLCC4.2.3 电感三点式振荡器电感三点式振荡器图图4.10(a)是电感三点式振荡器原理图，是电感三点式振荡器原理图，4.10(b)是其交流等效电路。是其交流等效电路。通常电感绕在同一磁芯的骨架上，它们之间存在互感通常电感绕在同一磁芯的骨架上，它们之间存在互感M。(a)实用电路实用电路(b)交流等效电交流等效电 路路图图4.10 电感三点式振荡器电感三点式振荡器类似于电容三点式振荡器的分析方法，可求得电
24、感三点式类似于电容三点式振荡器的分析方法，可求得电感三点式振荡器起振时的条件电容三点式的一致，其：振荡器起振时的条件电容三点式的一致，其：反馈系数为反馈系数为f2c1ULMFULM振荡频率为振荡频率为0121122(2)fLCLLM C电容三点式振荡器与电感三点式振荡器的特点比较如下：电容三点式振荡器与电感三点式振荡器的特点比较如下：1电容三点式振荡器电容三点式振荡器优点优点：其反馈电压取自反馈电：其反馈电压取自反馈电容，而电容对高频电流呈现低容，而电容对高频电流呈现低阻抗，可以滤除反馈电压中由阻抗，可以滤除反馈电压中由于晶体管的非线性所产生的高于晶体管的非线性所产生的高次谐波，输出波形好；晶
25、体管次谐波，输出波形好；晶体管的输入、输出电容同回路电容的输入、输出电容同回路电容并联，不会改变回路的电抗性并联，不会改变回路的电抗性质，工作频率可以较高。质，工作频率可以较高。缺点缺点：调整频率较困难，因为：调整频率较困难，因为当改变回路电容时，势必改变当改变回路电容时，势必改变反馈系数，影响起振和波形质反馈系数，影响起振和波形质量。量。2电感三点式振荡器电感三点式振荡器优点优点：L1和和L2间存在互感间存在互感M，比较容易，比较容易起振，调节回路电容，可以方便地改起振，调节回路电容，可以方便地改变振荡频率。变振荡频率。缺点缺点：反馈电压取自电感：反馈电压取自电感L2，而电感，而电感对高频电
26、流呈高阻抗，不易滤去高次对高频电流呈高阻抗，不易滤去高次谐波，输出波形不够好；晶体管的输谐波，输出波形不够好；晶体管的输入、输出电容并联在入、输出电容并联在Ll与与L2两端，在频两端，在频率较高时其影响很大，可能使电抗性率较高时其影响很大，可能使电抗性质发生变化而不满足三点式振荡器的质发生变化而不满足三点式振荡器的相位条件，所以这种振荡器适用在工相位条件，所以这种振荡器适用在工作频率不太高的场合，一般为数十兆作频率不太高的场合，一般为数十兆赫。赫。4.2.4 改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器由于晶体管的输入、输出电容与电容三点式振荡器和电感三由于晶体管的输入、输出电容与电容三点式振
27、荡器和电感三点式振荡器的回路并联，影响回路的等效电抗元件参数。而点式振荡器的回路并联，影响回路的等效电抗元件参数。而晶体管的输入、输出电容受环境温度、电源电压等因素的影晶体管的输入、输出电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以上述两种振荡器的频率稳定度不高，一般在响较大，所以上述两种振荡器的频率稳定度不高，一般在10-3数量级。为了提高频率稳定度，需要对电路作改进以减数量级。为了提高频率稳定度，需要对电路作改进以减少晶体管输入、输出电容对回路的影响，可以采用削弱晶体少晶体管输入、输出电容对回路的影响，可以采用削弱晶体管与回路之间耦合的方法，在电容三点式振荡器的基础上，管与回路之间耦合的方
28、法，在电容三点式振荡器的基础上，得到两种改进型电容反馈式振荡器得到两种改进型电容反馈式振荡器克拉泼克拉泼(Clapp)振荡振荡器和西勒器和西勒(Siler)振荡器。振荡器。1克拉泼振荡器克拉泼振荡器电容值取值规定如下：电容值取值规定如下：C3C1，C3Cq，石英谐振器的串联谐振频率与并联谐振频率间隔很小，石英谐振器的串联谐振频率与并联谐振频率间隔很小。石英谐振器的标称频率石英谐振器的标称频率fN位于串联谐振频率位于串联谐振频率fq与并联谐振频率与并联谐振频率fp之间，是指晶体谐振器两端并接某一规定的负载电容之间，是指晶体谐振器两端并接某一规定的负载电容CL时石英谐时石英谐振器的振荡频率。负载电
29、容振器的振荡频率。负载电容CL值标于厂家的产品说明书，通常为值标于厂家的产品说明书，通常为30pF或标为或标为“”(指无须外接负载电容，常用于串联型晶体振荡指无须外接负载电容，常用于串联型晶体振荡器器)。在高在高Q值条件下忽略值条件下忽略rq，石英谐振器的等效电抗为，石英谐振器的等效电抗为q220qqq220q0pq0q11j()j1/111j/(j)j11jj1/j()jLCCXLCCCLCC qp当或时，石英谐振器呈容性石英谐振器呈容性；qp当时，石英谐振器的电抗特性曲线如图石英谐振器的电抗特性曲线如图4.19所示。所示。图图4.19 石英谐振器的电抗特性曲线石英谐振器的电抗特性曲线当石英
30、谐振器呈感性时，当石英谐振器呈感性时，其等效电感为其等效电感为22q2220p1/11/LC 石英谐振器呈感性。石英谐振器呈感性。这里需要注意的是，石英谐振器的等效电感这里需要注意的是，石英谐振器的等效电感L与石英谐振器与石英谐振器的动态电感的动态电感Lq的概念完全不同，前者是频率的函数，后者的概念完全不同，前者是频率的函数，后者是与工作频率无关。当是与工作频率无关。当=q时，时，L=0；当；当=p时，时，L。由于由于q与与p区间很窄，而谐振器的等效电感又从区间很窄，而谐振器的等效电感又从0变化到变化到无穷大，说明在此区间内等效电感的电抗曲线非常陡峭，无穷大，说明在此区间内等效电感的电抗曲线非
31、常陡峭，这对于稳频是非常有利的。若外部因素使谐振频率增大，这对于稳频是非常有利的。若外部因素使谐振频率增大，则根据石英谐振器的电抗特性，必然会使等效电感则根据石英谐振器的电抗特性，必然会使等效电感L增大，增大，但由于振荡频率与但由于振荡频率与L的平方根成反比，因而又促使谐振频率的平方根成反比，因而又促使谐振频率下降，趋近于原来的频率。下降，趋近于原来的频率。石英谐振器比一般石英谐振器比一般LC振荡器频率稳定度高，具体表现如下：振荡器频率稳定度高，具体表现如下：(1)石英谐振器具有很高的标准性。石英谐振器具有很高的标准性。(2)外接元件对石英谐振器的接入系数为外接元件对石英谐振器的接入系数为q0
32、qCnCC故接入系数很小，一般为故接入系数很小，一般为10-410-3，因此大大削弱了外，因此大大削弱了外电路不稳定因素对石英谐振器的影响。电路不稳定因素对石英谐振器的影响。(3)石英谐振器的品质因数为石英谐振器的品质因数为 qqq1LQrC品质因数品质因数Q很大，可达很大，可达104106。而一般。而一般LC振荡器的品质因数只有几百，因此石英振荡器的品质因数只有几百，因此石英谐振器具有很强的稳频作用。谐振器具有很强的稳频作用。4.3.2 串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器串联型晶体振荡器一般是将石英谐振器用于正反馈中，利用串联型晶体振荡器一般是将石英谐振器用于正反馈中，利用其串联谐振时
33、等效为短路元件，电路反馈最强，满足振幅起其串联谐振时等效为短路元件，电路反馈最强，满足振幅起振条件，使振荡器在石英谐振器串联谐振频率振条件，使振荡器在石英谐振器串联谐振频率fq上起振。上起振。(a)原理电路原理电路(b)交流等效电路交流等效电路 图图4.20 串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器4.3.3 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器并联型晶体振荡器的工作原理和三点式振荡器相同，只是并联型晶体振荡器的工作原理和三点式振荡器相同，只是将其中一个电感元件换成石英晶振。石英谐振器接在晶体将其中一个电感元件换成石英晶振。石英谐振器接在晶体管的管的c、b极之间，则称为皮尔斯振荡器；石英谐振器接在
34、极之间，则称为皮尔斯振荡器；石英谐振器接在晶体管的晶体管的b、e极之间，则称为密勒振荡器。目前应用得最极之间，则称为密勒振荡器。目前应用得最广的是皮尔斯晶体振荡器。广的是皮尔斯晶体振荡器。图图4.21(a)是皮尔斯振荡器的原理图，图是皮尔斯振荡器的原理图，图4.21(b)为其交流等为其交流等效电路，其中虚线框中为石英晶体振荡器的等效电路。效电路，其中虚线框中为石英晶体振荡器的等效电路。(a)原理电路原理电路(b)交流等效电路交流等效电路 图图4.21 皮尔斯振荡电路皮尔斯振荡电路C1、C2、C3串联组成石英晶体串联组成石英晶体谐振器的负载电容谐振器的负载电容CL，其值为，其值为12312231
35、31231111LC C CCC CC CC CCCC电路的谐振频率为电路的谐振频率为q0Lq0q0L0Lq0Lqqqq0L111()22CCCCffCCCCC CCL CLCCC由于石英谐振器的标准性很高，故串联谐振频率非常稳定，由于石英谐振器的标准性很高，故串联谐振频率非常稳定，且由于且由于C0Cq，CLCq，故皮尔斯振荡器的振荡频率非常，故皮尔斯振荡器的振荡频率非常接近串联谐振频率。接近串联谐振频率。仿真仿真4.3.4 泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇
36、次泛音上路。为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上,必须使其在必须使其在工作泛音频率上工作泛音频率上：满足三点式振荡器的组成法：满足三点式振荡器的组成法则并满足环路增益起振条件。而在则并满足环路增益起振条件。而在基频、低次泛音和高次基频、低次泛音和高次泛音上泛音上，不满足三点式振荡器的组成法则或不满足环路增，不满足三点式振荡器的组成法则或不满足环路增益起振条件，不能起振。益起振条件，不能起振。C2C1LC3X01234567f/MHz(a)(b)下图（）给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。假设泛音晶振为下图（）给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。假设泛音晶振为五次泛音五次泛音,标称频率为标
37、称频率为MHz,基频为基频为MHz,则则LC1回路必须调谐回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间，例如在三次和五次泛音频率之间，例如3.5MHz。这样。这样,在在MHz 频率频率上上，LC1回路呈容性回路呈容性,振荡电路振荡电路满足三点式组成法则满足三点式组成法则。对于。对于基频和三基频和三次泛音频率次泛音频率来说来说,LC1回路呈感性回路呈感性,电路不符合组成法则电路不符合组成法则,不能起振不能起振。而对而对七次及以上高次泛音七次及以上高次泛音上，上，LC1回路虽呈容性，等效电抗减小，回路虽呈容性，等效电抗减小，电路电压放大倍数减小，电路电压放大倍数减小，环路增益小于环路增益小于1，不能起振，
38、不能起振。LC1回路回路电抗电抗【例例4.4】对图对图4.23所示的晶体振荡器。所示的晶体振荡器。(1)画出交流等效电路，说明晶体在电路中的作用。画出交流等效电路，说明晶体在电路中的作用。(2)若将标称频率为若将标称频率为5MHz的晶体换成标称频率为的晶体换成标称频率为3MHz的晶的晶体，该电路能否正常工作，为什么？体，该电路能否正常工作，为什么？图图4.23 例例4.4图图解：该电路的交流等效电路如图解：该电路的交流等效电路如图4.23(b)所示，属于并联型晶体振所示，属于并联型晶体振荡器，晶体相当于电感的作用。荡器，晶体相当于电感的作用。200pF 5MHz 4.7H 330pF 图图4.
39、23(b)由由330pF电容与电容与4.7H电感构成电感构成的并联回路，其谐振频率为的并联回路，其谐振频率为 200pF 5MHz 4.7H 330pF 60114 10(Hz)2fLC则当晶体的标称频率为则当晶体的标称频率为5MHz时，时，330pF电容与电容与4.7H电感构电感构成的并联回路呈现容性，其满足三点式振荡电路的组成法则，成的并联回路呈现容性，其满足三点式振荡电路的组成法则，是电容三点式振荡电路。而当晶体的标称频率为是电容三点式振荡电路。而当晶体的标称频率为3MHz时，时，330pF电容与电容与4.7H电感构成的并联回路呈现感性，不满足电感构成的并联回路呈现感性，不满足三点式振荡
40、电路的组成法则，该电路不能正常工作。三点式振荡电路的组成法则，该电路不能正常工作。本章小结本章小结1反馈振荡器的构成反馈振荡器的构成由放大器、选频网络和反馈网络组成的具有选频能力的正反由放大器、选频网络和反馈网络组成的具有选频能力的正反馈系统。馈系统。2反馈振荡器必须满足三个条件反馈振荡器必须满足三个条件反馈振荡器必须满足起振、平衡和稳定三个条件，每个条件反馈振荡器必须满足起振、平衡和稳定三个条件，每个条件包括振幅和相位两个方面的要求。在振荡频率点，振幅要求包括振幅和相位两个方面的要求。在振荡频率点，振幅要求环路增益的幅值在起振时必须大于环路增益的幅值在起振时必须大于1，且具有负斜率的增益，且
41、具有负斜率的增益振幅特性；在振荡频率点，相位要求环路增益的相位应为振幅特性；在振荡频率点，相位要求环路增益的相位应为2的整数倍，且具有负斜率的相频特性。的整数倍，且具有负斜率的相频特性。3三点式振荡电路三点式振荡电路组成原则组成原则“射同余异射同余异”，可分成电容三点式（，可分成电容三点式（Colpitts）和电感三点式（和电感三点式（Hartley）两种基本类型。）两种基本类型。Clapp电路和电路和Siler电路是两种较实用的电容三点式改进型电路电路是两种较实用的电容三点式改进型电路,前者适合前者适合于作固定频率振荡器，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。4晶体振荡器晶体振荡器(1)串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器作为一个短路元件串接于正反馈支路上，工作在它的串联谐作为一个短路元件串接于正反馈支路上，工作在它的串联谐振频率振频率fq上。上。(2)并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器晶体作为等效电感元件用在三点式电路中，工作在晶体作为等效电感元件用在三点式电路中，工作在fqfp感性感性区。区。(3)泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器泛音晶振可用于产生较高频率振荡，但需采取措施抑制低次泛音晶振可用于产生较高频率振荡，但需采取措施抑制低次和高次谐波振荡，保证其只谐振在所需要的工作频率上。和高次谐波振荡，保证其只谐振在所需要的工作频率上。作业2，3，9
