第六章正弦波振荡器N详解

路, 称为电感三点式电路, 也称为哈特莱电路。
6.7 振荡器的频率稳定度
频率稳定度是振荡器非常重要的电气指标之一。例如电
子钟时钟频率不稳，直接影响计时的精度；FM广播如FM发射
频率非常稳定，就可实现自动播音，取代有线广播。 6.7.1 频率准确度和频率稳定度 评价振荡频率的主要指标是频率准确度和稳定度。 频率准确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度。它
本章介绍高频时以分立器件为主, 介绍低频振荡器时以集成运
放为主。
另外还有一类负阻振荡器, 它是利用负阻器件所组成的电 路来产生正弦波, 主要用在微波波段。
振荡过程与振荡条件
利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡 , 这就是反馈振荡器
的基本原理。 反馈振荡器是由主网络和反馈网络组成的一个闭
合环路, 如图所示。 其主网络一般由放大器和选频网络组成, 反 馈网络一般由无源器件组成。
相频特性是正斜率。 以上第①点可根据直流等效电路进行判断, 其余3点可根据 交流等效电路进行判断。
例 6.6.1
判断图例4.1所示各反馈振荡电路能否正常工作。
其中（ａ）、（ｂ）是交流等效电路, （ｃ）是实用电路。
解: 图示三个电路均为两级反馈, 且两级中至少有一级是 共射电路或共基电路, 所以只要其电压增益足够大, 振荡的振 幅条件容易满足。 而相位条件一是要求正反馈, 二是选频网络 应具有负斜率特性。 （ａ）图由两级共射反馈电路组成 , 其瞬时极性如图中所 标注, 所以是正反馈。ＬＣ并联回路同时担负选频和反馈作用, 且在谐振频率点反馈电压最强。在讨论选频网络的相频特性
此时式6.2.1式变为
n 0,1,2,......
而振荡器往往直接引入的正反馈，如 上图 (+)号所示。
A F 1 A F 1 时，就会产生自激振荡。其 当其 A A f
6.2.2
F | 1 振幅条件为：| A F 2n n 0， 相位条件为：arg A 1， 2， ... A F
常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持
振荡的正反馈放大器组成, 这就是反馈振荡器。 按照选频网络分为 : ＬＣ振荡器、ＲＣ振荡器和晶体振荡器等 类型。(其中ＬＣ振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波, Ｒ Ｃ振荡器用于产生低频正弦波. )
按放大器分为: 晶体管、 场效应管和集成电路振荡器
6.4.2
F 1 即 根据巴克好森准则， A
F A Gm G jC 1 r jL jM 1 r jL
6.4.3
可得 rG 1 2 LC j LG rC MGm 0


6.4.4
LG rC MGm j 2 LC 1 rG 0
Af Xo A X i 1 AF
X i
' X i


A F
X o
反馈放大器方框图
6.2.1
F 1 当放大器接成负反馈时，6.2.1式中取正号，当 A 负反馈变成自激振荡器。其 F | 1 振幅条件为 | A
F 2n 1 相位条件为 arg A


U

f
=
jX be U C X be UC j ( X be X bC ) X ce

因为这是一个正反馈反相放大器,
U i 反相, 所以

U i 与 U f 同相, U c 与


xbe 0 xce
即Χbe 与Χce必须是同性质电抗 , 因而 Xbc 必须是异性质 电抗。
例４.３在图例4.3所示振荡器交流等效电路中, 三个ＬＣ
（ｂ）图由共基—共集两级反馈组成。 根据瞬时极性判断 法, 如把ＬＣ并联回路作为一个电阻看待 , 则为正反馈。但 ＬＣ并联回路在谐振频率点阻抗趋于无穷大, 正反馈最弱。 同时对于此ＬＣ并联回路来说, 其输入是电阻Ｒe2上的电压, 输出是电流, 所以应采用其导纳特性。 由于并联回路导纳的 相频特性是正斜率 , 所以不满足相位稳定条件。综上所述 , （ｂ）图电路不能正常工作。
回路的L、C，当然也与晶体管的参数(G∑)有关。
④ 选频网络应具有负斜率的相频特性。因为在振荡频率 点附近, 可以认为放大器件本身的相频特性为常数, 而反馈网 络通常由变压器、 电阻分压器或电容分压器组成, 其相频特性 也可视为常数, 所以相位稳定条件应该由选频网络实现。 注意 LC并联回路阻抗的相频特性和LC串联回路导纳的相频特性是
负斜率, 而LC并联回路导纳的相频特性和 LC串联回路阻抗的
一个反馈振荡器必须满足三个条件： 起振条件（保证接
通电源后能逐步建立起振荡）, 平衡条件（保证进入维持等幅
持续振荡的平衡状态）和稳定条件（保证平衡状态不因外界不
稳定因素影响而受到破坏）。
右图是反馈放大 器的方框图 ,由该图知: & &
& &' & & X o AX i A( X i m X f ) & & && A( X i m FX o ) & & & && A X i m A FX o X o (1 AF ) AX i
若组成电感三点式, 则在振荡频率ｆ02处, Ｌ1Ｃ1回路与Ｌ 2Ｃ2回路应呈现感性, Ｌ3Ｃ3回路应呈现容性, 所以应满足ｆ1≥ ｆ2＞ｆ02＞ｆ3或ｆ2＞ｆ1＞ｆ02＞ｆ3。 在两种情况下, 振荡频率ｆ0的表达式均为:
1 f0 2 L C
L L1 ( L2 L3 ) C2C3 , C C1 L1 L2 L3 C2 C3
n
1 f n i 1 fo
n
f f o
2
5.6.4
f 式中,n为测量次数， f o
为n个测量数据的平均值。
二、频率稳定度分析 根据
1 rG 1 LC
，振荡器的ω主要取决于
可以分为绝对频率准确度和相对频率准确度。 定义：绝对频率准确度 f f f o
相对频率准确度
f fo f fo fo
5.6.1 5.6.2
式中，f为实际工作频率，fo为标称频率。 频率稳定度：是在指定时间间隔内频率准确度变化的最 大值。也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度。常用相对 频率稳定度表示。
由上面的分析可知, 在三点式电路中, ＬＣ回路中与发射 极相连接的两个电抗元件必须为同性质, 另外一个电抗元件必 须为异性质。这就是三点式电路组成的相位判据, 或称为三点 式电路的组成法则。 与发射极相连接的两个电抗元件同为电容考毕兹电路。
与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电
（ｃ） 图与（ｂ）图不同之处在于用串联回路置换了并联 回路。 由于LC串联回路在谐振频率点阻抗趋于零, 正反馈最强, 且其导纳的相频特性是负斜率, 满足相位稳定条件, 所以（ｃ） 图电路能正常工作。(c)图中在V2的发射极与V1的基极之间增 加了一条负反馈支路, 用以稳定电路的输出波形。
例2 用巴克好森准则分析集电极调谐型反馈振荡器的振荡条 件。 设工作频率远小于振荡器的特征频率，忽略其内部反馈 的影响，用平均参数画出了图(a)的大信号等效电路，如图 所示。它与变压器耦合放大器区别在于次级负载就是放大器 为 输入端的G 。其 U
就越大。当M=0时，起振需要的跨导gm为无穷大。这表明
电路已不再是振荡器了。
6.6.2三点式振荡器
１． 电路组成法则
三点式振荡器是指ＬＣ回路的三个端点与晶体管的三个 电极分别连接而组成的一种振荡器。 三点式振荡器电路用电 容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合, 可以克服互感耦合振 荡器振荡频率低的缺点, 是一种广泛应用的振荡电路, 其工作 频率可达到几百兆赫。
振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的 交变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于, 无需 外加激励信号, 就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅 的交流信号。
根据所产生的波形不同, 可将振荡器分成正弦波振荡器和
非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波, 后者能产生矩形 波、 三角波、 锯齿波等。 本章仅介绍正弦波振荡器。
F | 1，当达 |A 要使振荡器能够起振，在刚接通电源后， F | 1。这就是振荡器振幅平衡条件。 到平衡时， |A
6.6.1反馈振荡电路判断
根据反馈振荡电路的基本原理和应当满足的起振、 平衡和 稳定三个条件, 判断一个反馈振荡电路能否正常工作, 需考虑 ① 可变增益放大器件(晶体管, 场效应管或集成电路)应有 正确的直流偏置, 开始时应工作在甲类状态, 便于起振。 ② 开始起振时, 环路增益幅值AF(ω0)应大于1。由于反馈网 络通常由无源器件组成, 反馈系数F小于1, 故A(ω0)必须大于1。 共射、共基电路都可以满足这一点。 为了增大A(ω0), 负载 电阻不能太小。 ③ 环路增益相位在振荡频率点应为2π的整数倍, 即环路应 是正反馈。
图4．3．2是三点式振荡器的原理图。 先分析在满足正 反馈相位条件时 , ＬＣ回路中三个电抗元件应具有的性质。 假定ＬＣ回路由纯电抗元件组成, 其电抗值分别为Ｘce, Ｘ be和Ｘbc, 同时不考虑晶体管的电抗效应 , 则当回路谐振（ω＝ ω0）时, 回路呈纯阻性, 有：
－Ｘce＝Ｘbe＋Ｘbc Xbe上的电压, 有 U f 是 U c 在ΧbeΧbc支路分配在
| f f o |max fo
5.6.3
时间间隔
频率稳定度按时间间隔分为:
长期频率稳定度——数月或一年内的相对频率准确度; 短期频率稳定度——一天内的相对频率稳定度;
瞬时频率稳定度——秒或毫秒内的相对频率稳定度。
频率稳定度数据处理方法有：
1.均方根值表示法：它是用在指定的时间间隔内测得的各频 率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。即