LC正弦波振荡器

波振荡器。
第４章 正弦波振荡器
正弦波振荡器输出信号的频率范围是很宽的，基本上可 以分成两大类。一类是由电阻、电容元件组成的RC振荡器， 它适用于产生低频正弦波振荡信号，其振荡频率范围为几赫 兹到几十千赫兹。另一类是由集中参数LC元件组成的高频振 荡器，它的振荡频率在几十千赫兹到几十兆赫兹。如果频率 更高，进入米波、分米波范围，则由分布参数系统组成超高
(4-3)
第４章 正弦波振荡器 式(4-3)可以分为两部分， 即
AuFu=1 j=jA+j F=2n (n=0,1,2,……) (4-4) (4-5)
式(4-4)为自激振荡的振幅平衡条件， 式(4-5)为自激振荡的相 位平衡条件。 一个电路要产生自激振荡必须满足上述两个条 件。
第４章 正弦波振荡器
第４章 正弦波振荡器
4.1 概
4.1.1 振荡器的概念和用途
所谓振荡器是一种不需要外加激励信号，而能将直流电
源的能量转变为交流能量的电子设备。它与放大器最根本的 区别在于它的工作不需要外加信号的推动。
第４章 正弦波振荡器
振荡器电路是一种用途非常广泛的基本电子线路。例如，
在无线电通信、广播、电视发射系统中，高频振荡器是个核
环过程，进入到晶体管的饱和区和截止区，放大器的增益下
降，AuFu也就减小，使振荡从AuFu>1过渡到AuFu=1，振荡稳
定下来，最后达到平衡状态。
第４章 正弦波振荡器
由增幅振荡到稳幅振荡的建立过程，说明前者由起振条 件来保证，即AuFu>1，后者由晶体管特性的非线性来实现自 动限幅，而LC回路起选频作用，使振荡回路输出单一频率的 正弦信号。
式(4-2)
u A
(4-2)
u 都为 F
复数，设jA和jF分别为 A u 和 F u 的相角，于是有
u Aue jj A , F ue jj F Fue jj F A
则式(4-2)变为
jj A jj F j( j A＋j B ) Au Aue Fue Au Fu e 1
条件。
f fo
1 2π LC
第４章 正弦波振荡器 3.
振荡器的振荡频率为LC回路的固有频率即
f fo 1 2π LC
(4-7)
改变谐振回路的电感或电容就可以改变振荡频率，谐振
回路的Q值越高，LC回路的选频特性越好，其输出波形也就
越好。反馈电压的幅度一般可由改变变压器的匝数比来控制， Lf匝数愈多，反馈电压愈大，但容易引起波形失真； 反之， 匝数太少，反馈太弱，不易起振，所以要适当选取匝数比。
图4-5是收音机中常用的电路。它是共基调射的互感反馈
振荡器，振荡回路接发射极，振荡回路的频率可变。这种电 路采用了部分接入的方式，可以减弱晶体管对回路的影响。
第４章 正弦波振荡器
4.2.2 电容三点式振荡器—— 电容三点式振荡器又称考毕兹振荡器，电路如图4-6所示。 图中Rb1、Rb2、Re为偏置电路，Cb、C3为耦合电容，Ce为发 射极旁路电容，Lc为高频扼流圈，直流电阻很小，交流阻抗 很大，它既为集电极构成直流通路，又能防止集电极高频信
(4-1)
uU uU uU o A i ，即 U o A i A f 。 且 U
第４章 正弦波振荡器
图4-2 振荡器的方框图
第４章 正弦波振荡器
u F f A uU o，所以 f F uU o 代入式(4-1)中，可得 U 将 U
u F u 1 A
第４章 正弦波振荡器
(2) 正反馈电路。若要使反馈信号与输入信号一模一样，
肯定需要正反馈。实现正反馈的方式很多，振荡器常按照不
(3) 选频电路。选频电路也叫选频网络或滤波网络。它 的作用是使得只有一定频率的信号才能满足振荡条件。在正
(4) 稳幅元件。多数电路都用晶体管本身的非线性稳幅，
要求较高的振荡器可以用热敏电阻、 二极管、 三极管等元
泛的应用。
第４章 正弦波振荡器
4.1.2 振荡器的分类与要求
振荡器按照输出信号波形不同，可分为正弦波振荡器和 非正弦波振荡器两类，本章讨论的是正弦波振荡器，关于非 正弦波振荡器，不在本教材中讨论。 正弦波振荡器的种类很多，按形成振荡的原理来分，可
以分为“反馈式”和“负阻式”两类，本章讨论反馈式正弦
第４章 正弦波振荡器
4.1 概述
4.2 LC正弦波振荡器
4.3 RC正弦波振荡器
4.4 石英晶体振荡器
4.5 振荡器的频率稳定与幅度稳定
4.6 振荡器仿真设计
小结
习题
第４章 正弦波振荡器
· ·各种正弦波振荡器典型电路、工作原理、特点、振荡
·
·
·用Multisim 10.0仿真分析正弦波振荡器的波形、频率
第４章 正弦波振荡器
这个微弱的高频电压经晶体管再一次放大，引起集电极 有较大的高频电流通过，加强了回路的电流，这样多次循环， 使振荡电流(电压)逐渐加强，即AuFu>1； 直到受到晶体管的 非线性限制，最后稳定下来成为等幅振荡，即AuFu=1，满足
振荡的振幅平衡条件。
第４章 正弦波振荡器
对其他频率成分的微弱电流，LC回路呈现的阻抗不是纯 电阻性，其输出、输入电压的相位差不是180°，反馈信号 与输入信号不同相，不满足相位平衡条件，所以其他频率成 分的电流受到抑制，不会产生振荡。
器。
第４章 正弦波振荡器 1.
i为参考，画出此电路的矢量图，如 为了便于分析，以 U
o与 图4-8所示。LC并联谐振回路谐振时呈现纯电阻，于是 U
i 反相； 从c-e点看振荡回路，由电感 L 和电容C 组成的支 U 2
o 在此支路内产生的电流 I2 比 U o， 路为感性支路。因此， U
中便有一个电冲击，在谐振回路中产生了微小的电流，它是
一个非正弦信号，其中包含各种频率成分，但是只有频率和
LC回路固有频率振荡fo相同的那个电流成分才能在回路两端
产生较高的电压，因为这时LC回路呈现并联谐振，回路阻抗 最大。这个频率为fo的微弱的高频电压通过L与Lf的耦合反馈 到晶体管的输入端，反馈线圈Lf 的接法必须保证是正反馈， 也就是注意L与Lf的同极性端(图中打点的一端)，按图4-3的接 法就可满足正反馈条件。
第４章 正弦波振荡器
(2) 起振条件。 由上可知， 若要能起振， 每次反馈到输
AuFu>1 式(4-6)为自激振荡的起振条件。
(4-6)
第４章 正弦波振荡器
(3) 晶体管的自动稳幅作用。上述振荡信号的增幅振荡 过程不会无限制地增长下去。由于晶体管特性的非线性作用， 会起自动限幅作用。因为开始振幅比较小，晶体管工作在线 性区，放大器增益比较大，AuFu>1，LC回路作增幅振荡，使 振荡幅度增大，于是通过正反馈—放大—正反馈—放大的循
号被短接。Lc有时也可用较大的电阻Re代替。L、C1、C2组成
振荡回路，从电容C2上取得反馈电压。图4-7是它的简化交流
等效电路。
第４章 正弦波振荡器
图4-6 电容反馈式振荡电路
第４章 正弦波振荡器
图4-7 电容反馈式振荡电路的简化交流等效电路
第４章 正弦波振荡器
由简化交流等效电路可见，从振荡回路引出三个端点， 它们分别与晶体管的三个电极相连接，利用电容C2产生反馈
心。利用它产生的高频信号，把需要传送的低频信号“寄载” 在高频信号上，经发射天线辐射出去。 工业用的超生波焊接、高频感应加热，家庭用的电磁炉， 都需要产生大功率高频信号的振荡器。
在无线电测量技术中，广泛应用的各频段的信号发生器
以及超外差接收机中的本地振荡信号和电子医疗器械中都要 应用振荡器。因此，振荡器在各个科学技术部门中得到了广
第４章 正弦波振荡器
2.
u 是放大器的开环 振荡器的方框图如图4-2所示。图中 A
i 、U f 、U u 是反馈网络的反馈系数， U o 放大倍数，F
分别为放大器的输入电压、反馈电压以及输出电压。显然，
f 提供， 必需完全由反馈电压 U 要产生振荡，输入电压 U
i
即Байду номын сангаас
i U f U
件稳幅。
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4.2 LC
用LC谐振回路作为选频网络的正弦波振荡器称为LC振
荡器。按反馈网络不同，LC振荡器可分为互感反馈式振荡器、
LC振荡器的电路简单，振荡频率范围宽，调节频率方便， 在电子技术中获得极其广泛的应用。
第４章 正弦波振荡器
4.2.1 互感反馈式振荡器又称变压器反馈式振荡器。图4-3为共 发射极互感反馈式振荡器电路
3. 振荡的建立过程和起振条件 (1) 振荡建立过程。上面从放大器讨论到振荡器，实际 振荡器当然不需要外加信号电压Ui和开关S的转换，只要将 图4-1中A、 B两端短接，电路就能自行产生振荡，这是为什 么呢？因为当电源接通后，由于闭合电路的电冲击、晶体管 的内部噪声和电路热扰动等，在基极电路中产生瞬变的电压 和电流，经放大后形成集电极电流ic，这些瞬变电压和电流 所包含的频率非常丰富，有低频分量和高频分量， 经过LC 谐振回路的选择，将需要的频率分量(ω=ωo)选出来，在回路 两端形成较大的输出电压，通过互感耦合，在放大器输入端 产生一个与原来激励信号同相的且幅度较大的信号。这样， 经过不断地放大、选频、正反馈、再放大的循环过程， 振荡 将由弱到强地建立起来。
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图4-3 共射互感反馈式振荡器
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1. 电路分析 电路以发射极作为交流输入、输出公共端，L为振荡线 圈，它与电容C并联组成振荡回路，L1为输出线圈，Lf为反馈 线圈，把交流信号反馈到输入端。Rb1、Rb2组成分压式偏置
第４章 正弦波振荡器
振荡器的自激振荡过程如下： 当电源接通的瞬间，线路