5.2.3 反馈型振荡器

5.2.3反馈型振荡器的振荡条件一个反馈振荡器要产生稳定的振荡必须满足三个条件：起振条件, 保证接通电源后能逐步建立起振荡；平衡条件，保证起振之后能够进入维持等幅持续振荡的平衡状态；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。

1 起振过程与起振条件起振过程是指接通电源后，振荡从无到有的建立过程。

起振条件又称自激条件。

它表示振荡电路在接通电源时，输出信号从无到有建立起来应满足的条件。

振荡器最初的激励从何而来？第一，来源于放大管基极电压V，电压B V在开机后由零升至B定值，就相当于接入一个阶跃信号，此阶跃信号含有多种频率分量；第二，电路各部分存在许多形式的扰动，如管子的内部噪声、输入回路电阻的热噪声等，这些噪声和干扰所含有的频率成分十分丰富。

这些微小的扰动电压或电流经过振荡器放大管的放大，加至负载回路及反馈网络，由于负载谐振回路的选频作用，只有与谐振回路的固有谐振频率相同的那个频率osc成分才能在负载回路两端产生电压。

由于正反馈的存在，这一微弱信号经过放大，反馈，再放大，再反馈，往复循环在信号较小的起振阶段，每次返回至输入端信号的幅度总要比前一次的大，振荡幅度不断增加，完成起振过程。

反馈型振荡器组成框图将闭合环路在“X ”处断开，并定义环路增益()()()T j A j F j ωωω=根据上述分析，可直接写出振荡器的起振条件为 f i i u AF u u =>即环路增益 ()1osc T j AF ω=> （5.2.5） 式（5.2.5）为复数形式，,,A F j j A A e F F e ϕϕ== 基本放大器的增益；反馈系数。

令()()()osc T j osc osc T j T eωϕωω=，式（5.2.5）可表示为 振幅起振条件()1o s c T A F ω=> （5.2.6a ）相位起振条件 ()=20,1,2T o s c AF n n ϕωϕϕπ+== （5.2.6b ） 式中T ϕ表示开环环路增益T 的相角，A ϕ为基本放大器输出电压与输入电压的相位差，Fϕ为反馈网络的相移。

振幅的起振条件（5.2.6a ）要求f i u u >，即反馈信号幅度大于前一次的信号输入；（5.2.6b ）为相位起振条件，要求在环路起振过程中，环路始终保持正反馈。

2 平衡过程与平衡条件由于放大器的线性范围是有限的，因此振荡幅值的增长过程不可能无止境的延续下去。

随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区或截止区，工作于非线性的甲乙类状态，其增益A 逐渐减小。

当A 减小到使环路增益()1osc T j AF ω==，即每次循环中反馈电压f u 等于上一次的输入信号电压i u 时，振幅的增长过程将停止，振荡器进入等幅振荡的平衡状态。

此时，每个振荡周期中，直流电源补充给LC 振荡回路的能量正好等于回路损耗的能量。

所以反馈振荡器的平衡条件为 ()1osc T j AF ω== （5.2.7）式中放大器的增益A 和反馈系数F 均为复数，因而可将式分解为振幅平衡条件：()1osc T AF ω== （5.2.8a ）相位平衡条()=20,1,2,T osc A F n n ϕωϕϕπ+== （5.2.8b ） 振幅平衡条件（5.2.8a ）决定了振荡器输出信号的幅值； 相位平衡条件（5.2.8b ）决定了振荡器输出信号的频率。

振荡器的相位平衡条件表述的是正反馈，也就是说仅在特定频率点ω上才满足严格的正反馈，在其它频率点上无法满足osc正反馈条件，所以相位平衡条件决定了反馈振荡器的振荡频率。

振荡器的振幅平衡条件是由放大器中晶体管的非线性来保证的。

在起振时，()1T jω>，反馈网络提供的正反馈总是大于前一osc次反馈，随着输入信号幅度的增加，管子在输入信号的正半周进入饱和区，在输入信号的负半周进入截止区，也就是当输入信号u增加到一定程度后，c i会出现切顶现象，虽然c i不be是正弦波形，但由于谐振回路的选频特性，可选出其基波分量，其输出的u电压仍为正弦波形。

ce环路增益的模值必须具有随振荡电压振幅增大而下降的特性才能满足振幅的起振条件和平衡条件。

满足起振条件和平衡条件的环路增益特性一般放大器的增益特性曲线均具有上述的形状，只要保证起振时环路增益幅值大于１，环路增益的相位()ϕω维持在2nπT osc上即可起振。

起振时，()1osc T ω>，输入信号i u 迅速增长，而后()osc T ω减小，i u 的增长速度变慢，直到()1osc T ω=，i u 停止增长，振荡器进入平衡状态，维持幅值为iA V 的等幅振荡，振荡建立过程的波形。

放大器的非线性可以保证振荡的振幅平衡条件，从而使振荡达到平衡。

在振荡建立过程中，环路增益()osc T ω大于1，放大器的输入信号i u 不断增大。

放大器从小信号工作状态逐渐转变为大信号工作状态，若外界不采取任何附加措施，仅靠晶体管自行从线性放大过渡到非线性放大，即发生饱和、截止。

必须避免振荡器的晶体管工作在饱和区，因为在饱和区晶体管的输出阻抗极低，并联在谐振回路二端，将会大大降低选频回路Q 值，严重影响振荡器选频网络的滤波、选频功能。

这将对振荡器的频率稳定度产生灾难性的破坏。

管子在增幅过程中是进入截止区还是饱和区与晶体管的初始静态工作点决定，静态工作点设置在1Q ，放大器易产生饱和失真；通常振荡器的静态工作点设置在靠近截止区，如设置在2Q ，放大器远离饱和失真，易于产生截止失真。

这并不是说，振荡器的静态工作点设置的越低越好，因为静态工作点过低，放大器的增益下降，会导致振荡器无法起振，结论：必须合理选择静态工作点。

靠近截止区，但要保证足够的增益，确保起振。

上面所介绍的仅靠晶体管的非线性使放大器进入振幅平衡的方法称为内稳幅。

为了减弱管子非线性工作程度，改善输出波形，减小失真，在电路设计时可采取一些外界措施，帮助振荡器从起振过程中的()1osc T AF ω=>自动调整为平衡时的()1osc T AF ω==，这种方法称为外稳幅方法。

在实际电路中，为了帮助振荡器将起振过程中的()1osc T AF ω=>状态，自动调整为平衡时的()1osc T AF ω==状态，通常采用图5-10所示的电路形式，这是一带有直流负反馈电阻E R 的振荡电路。

图（a ）为实用电路，如不考虑反馈，实际上就是一个小信号调谐放大器；图（b ）为等效直流偏置电路。

带有偏置的反馈型振荡器电路图（b ）中12212//CC BB B b b b b b V V R R R R R R ==+，BEQ BB BQ B EQ e V V I R I R =-- （5.2.9）为了避免在增幅过程中，晶体管进入饱和区，通常振荡器的静态工作点设置在靠近截止区。

刚起振时，i u 幅度很小，晶体管工作在甲类，流过晶体管的平均直流分量CO I 等于晶体管的静态工作电流。

当幅度达到一定程度时，电流下半部分进入截止区，电流波形上、下不对称，此时平均直流分量CO I 增加。

因为EQ CO I I ≈，发射极偏置电阻e R 上的电压e EQ R I 增加，由式（5.2.9）可知基极偏压V由大变小，由正向负变化，BEQ放大器的工作状态由甲类向甲乙类、乙类、丙类转化，这种现象称为自给偏置效应。

直流偏置点随着起振的过程不断降低，工作点越低，导通角θ就越小，放大器增益的幅值A也随之减小，直到1AF=时，增幅过程停止，振荡器最终达到振幅平衡，维持等幅振荡。

振荡器处于平衡状态时，放大器工作于丙类状态，晶体管集电极电流中有很多谐波成分，甚至出现凹陷，如图5-11所示。

但选频回路良好的选频滤波特性使得振荡器的输出仍为正弦波形。

图5-11 振荡器的自给偏置效应根据电路中振荡建立后，产生自给负偏压这一物理事实，判断一个振荡器是否起振。

设法测出在消除正反馈之前和之后的BE u ，观察其变化。

若除去正反馈后，器件的正向偏压加大，或是由反向偏压变为正向偏压，则意味着电路已起振，如将图5-10中的次级线圈2L 短路。

带有自偏置电路振荡器的环路增益()osc T 随i u 变化的曲线由图知，具有自偏压振荡器环路增益的变化率要比固定偏置的振荡器陡,这样起振过程到平衡状态的过渡时间就短。

采用自偏置方法的优点是避免了通过晶体管的饱和来达到振幅平衡，而是让晶体管在振荡周期的一周内有一部分时间是截止的。

这样，对选频回路Q 值的影响就很小，也即对选频回路的选频性能影响就很小，这对振荡器频率稳定性的改善是非常有益的。

3、稳定条件原因：1 电源电压、温度、湿度等外界因素变化的影响，这些变化将引起管子和回路参数的变化。

2振荡电路内部的噪声叠加在振荡电压上，引起振荡电压幅度及其相移的起伏波动，结果：造成()oscTω和()T oscϕω变化，从而破坏已建立的平衡状态。

1 如果通过放大和反馈的反复循环之后，振荡器偏离原来的平衡状态越来越远，从而导致停振或突变到新的平衡状态，这表明原来的平衡状态是不稳定的。

2若干扰因素经过放大和反馈的反复循环，振荡器在原来平衡点附近建立起新的平衡，而且一旦外界干扰因素消除后，它能自动恢复到原来的平衡状态，这种平衡状态就是稳定的。

举例说明稳定平衡和不稳定平衡的概念。

图5-13分别画出将一个小球置于凸面上的平衡位置B，而将另一小球置于凹面上的平衡位置Q。

显然，图（a）中的小球处于不稳定的平衡状态。

因为在这种情况下，稍有“风吹草动”，小球将离开原来的平衡点，即使消除外界干扰因素，小球再也不会回到原来的平衡点。

，图（b）中的小球则处于稳定的平衡状态。

因为在这种情况下，外界因素的扰动，会使小球偏离原来的平衡点，一旦外界干扰因素消除，在重力的作用下，，小球就会自动回到原来的平衡点。

图5-13 两种平衡状态示意图振荡器能起振并进入平衡状态，这仅仅是建立振荡的必要条件。

为了维持振荡，电路还必须具备抗御外界干扰，保证电路的平衡状态不会因外界干扰而被破坏的能力，即振荡器还必须满足稳定条件。

稳定条件的定义是指在某种因素作用下，使振荡器的平衡条件遭到破坏时，它能在原来平衡点附近建立起新的平衡，一旦外因消除后，它自动地恢复到原来的平衡状态。

振荡器的稳定条件包括两个方面：振幅稳定条件和相位稳定条件。

振幅稳定条件图5 —14所示的环路增益特性，满足振幅起振条件和振幅平衡条件，图5 —14 环路增益特性曲线问题：图5 —14 环路增益特性曲线曲线是否满足振幅稳定条件?振幅稳定条件要求振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。

振荡器在Q点满足1AF=，所以Q点为平衡点。

Q点的右边，1AF<，即1AF<，是输入信号幅值不断减小的减幅区。

Q左边1AF>，进入增幅区。