第4章正弦波振荡器

第 4 章正弦波振荡器一、本章的基本内容（1）掌握反馈正弦波振动器的工作原理及振荡的起振、平衡条件（2）掌握LC振荡器、晶体振荡器的电路组成、工作原理及其性能特点（3）了解频率稳定度的概念，了解影响频率稳定度的主要因素及稳频措施。

（4）了解RC振荡器的工作原理二、重点和难点重点：（1）反馈正弦波振动器的工作原理及振荡的条件（2）三点式LC振荡器电路组成原则、使用电路分析及振荡频率的计算。

（3）石英晶体谐振特性、晶体振荡器构成特点及优点。

难点（1）振动器的相位平衡条件的判断（2）振荡条件与电路参数的关系，振幅起振条件的计算。

（3）使用振荡电路的分析。

引言振荡器的作用：产生一定频率和幅度的信号按振荡波形不同分正弦波振荡器非正弦波振荡器按组成原理不同分负阻振荡器利用负阻器件的负阻效应产生振荡反馈振荡器利用正反馈原理构成,本质上也是负阻振荡器4.1 反馈振荡器的工作原理主要要求：掌握反馈振荡器的组成和基本工作原理理解反馈振荡器的起振条件和平衡条件，了解其稳定条件。

掌握反馈振荡器能否振荡的判断方法。

4.1.1 反馈振荡器的组成与基本工作原理一、 反馈振荡器的组成无外加输入信号 正弦波振荡器由放大器、反馈网络和选频网络组成图4-1 反馈振荡器构成框图二、 反馈振荡器的工作原理首要条件满足i f U U =起始信号来自电扰动输出信号大小满足要求时，要能自动稳定输出电压，实现i f U U =使电路进入稳定状态，输出幅度和频率都稳定的信号。

故要有稳幅环节（正弦波还要有选频网络）。

4.1.2 振荡的平衡条件和起振条件一、 振荡的平衡条件 由于i U U A 0=，0U U F f = （4-1） 故 i f FAU U = （4-2）有i f U U =，可得 AF=1由于环路增益 T=AF可得T=1振荡器的振幅平衡条件T=|AF|=1 （4-3）相位平衡条件Λ3,2,01,2==+=n n f a T πϕϕϕ（4-4）振荡器要到达必须振幅条件和相位条件同时满足。

相位平衡条件确定振荡频率；振幅平衡条件确定振荡输出信号的幅值二、 振荡的起振条件振幅起振条件1||>=AF T （4-5）相位平衡条件Λ3,2,01,2==+=n n f a T πϕϕϕ（4-6）相位平衡条件Λ3,2,01,2==+=n n f a T πϕϕϕ（4-7）三、振荡条件讨论与小结振荡条件：同时满足起振条件和平衡条件，引入正反馈是构成振荡器的关键。

同时T 必须具有随振荡电压U i 增大而下降的特性。

为获得这样的环路增益特性，反馈环路中要有非线性环节。

为获得正弦波，振荡电路中要有选频环节。

振荡频率通常就由选频环节确定。

图4-2 满足起振和平衡条件的环路增益特性4.1.3 振荡的稳定条件干扰破坏原平衡状态后，振荡器自动回到原平衡状态所需条件。

图4-3 振荡的稳定条件一、 振幅稳定条件0<∂∂=iiA U U i U T（4-8） 二、 相位稳定条件00<∂∂=Af f Tf ϕ （4-9）指：相位平衡遭到破坏时，电路本身能重建相位平衡的条件相位稳定条件也就是频率稳定条件若T ϕ 具有随f 增大而减小的特性则可阻止上述频率的变化。

通过不断的反馈，最终回到原平衡状态。

际电路中T ϕ在0f 处的变化率主要由选频网络决定，通常能满足之。

LC 回路Q 值越高，相位稳定度越好，频率也越稳定4.2 LC 正弦波振荡器以LC 谐振回路作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按选频网络不同分：A RC 振荡器B LC 振荡器C 石英晶体振荡器LC 振荡器的分类A 变压器反馈式B 电感三点式C 电容三点式本节的主要要求：（1）了解变压器反馈式振荡器的工作原理和分析方法（2）掌握三点式振荡器的组成原则和工作原理（3）掌握电感三点式和电容三点式振荡器的典型电路、工作原理、工作特点和分析方法。

（4）了解集成LC 振荡器4.2.1变压器反馈式振荡器一、电路组成三极管、LC 谐振回路构成选频放大器，变压器Tr 构成反馈网络。

放大器在小信号时工于甲类，以保证起振时有较大的环路增益。

图4-4 变压器耦合LC 振荡器图4-5 变压器反馈式振荡器交流通路在回路谐振频率上构成正反馈，满足了振荡的相位条件。

起振时放大器工作于甲类，T>1。

随着振荡幅度的增大，放大器进入非线性状态，且由于自给偏置效应进入乙类或丙类非线性工作状态，使T 减小，直至T=1，进入平衡状态。

二、振荡条件的分析Z Y U Z I U U A fe ic i -=-==0 （4-10） Y fe 为晶体管的正向传输导纳f j fe F Lj r M j U U F ϕωω||0-=+-== （4-11） 4.2.2 三点式振荡器的基本工作原理三个电抗元件组成LC 谐振回路 谐振回路既是负载，又构成正反馈选频网络。

图4-6 三点式振荡器的基本结构三点式振荡器组成原则：与放大器同相输入端相连的为同性质电抗，不与同相输入端相连的为异性质电抗。

与E 相连的为同性质电抗，不与E 端相连的为异性质电抗。

只有这样，才能构成正反馈！为便于说明，忽略电抗元件的损耗及管子输入、输出阻抗的影响当X 1 + X 2 + X 3 = 0路谐振，回路等效为纯电阻，得到i U 与0U 反相。

因此f U 必须与0U 反相，才能构成正反馈通常Q 值很高，故回路谐振电流远大于B 、C 、E 极电流 因为并联谐振回路谐振时，回路电流为输入电流的Q 倍。

有电感三点式和电容三点式两种4.2.3 电感三点式振荡器 (Hartley —哈脱莱)M L M L I M L j I M L j U U F f ++-=++-==12120)()(ωω （4-12）电感三点式振荡器优点和缺点优点：易起振，频率易调（调C ）缺点：高次谐波成分较大，输出波形差。

4.2.4 电容三点式振荡器 (Colpitts —考毕兹))134( )2(π21210-++=CM L L f图4-7 电感三点式振荡器（a ）原理电路 （b ）交流通路图4-8 电感三点式振荡器（a ）原理电路 （b ）交流通路式中 2121C C C C C +=为并联谐振回路的总电容值 2112011C C C j I C j IU U F f -=-≈=ωω增大 C 1/ C 2 ，可增大反馈系数，提高输出幅值，但会使三极管输入阻抗的影响增大，使Q 值下降，不利于起振，且波形变差，故C 2/ C 1不宜过大，一般取0.1~0.5 。

电容三点式振荡器优点和缺点优点：高次谐波成分小， 输出波形好。

缺点频率不易调 （调L ，调节范围小）4.2.5 改进型电容三点式振荡器图4-9 克拉波振荡器C 3 << C 1 ， C 3 << C 233211111C C C C C ≈++≈ （4-14） 实际振荡频率必定略高于 f 0，因为要使L 、C 3支路呈感性说明极间电容的影响很小，且调节反馈系数时基本不影响频率接入C3使 三极管输出 端（C 、E ）与回路的耦合减弱，三极管等效负载阻抗减小，放大器放大倍数下降，振荡器输出幅度减小。

C3越小，放大倍数越小，如C3过小则振荡器不满足振幅起振条件而停振。

克拉泼电路的改进——西勒（Seiler ）振荡器15)-(4 π2130LC f ≈图4-10 西勒（Seiler ）振荡器 调频率时，不调C 3，调C 4 。

故调频率时谐振回路反映到晶体管C 、E 间的等效阻抗变化很小，对放大器增益影响不大，从而保持振荡幅度的稳定。

一般C 4与C 3相同数量级，且都远大于C 1、C 2 ，故4.3 振荡器的频率和振幅稳定度主要要求：理解频率和振幅稳定度的概念了解影响频率稳定度的主要因素和提高频率稳定度的措施。

4.3.1 频率稳定度一、频率稳定度的概念指在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频率的相对变化量。

频率的绝对偏差，又称绝对频率准确度为16)-(4 )(π21430C C L f +≈)174(0--=∆f f ff 指实际频率，f0 指标称频率长期频率稳定度: 一天以上乃至几个月内振荡频率相对变化量短期频率稳定度；一天之内振荡频率的相对变化量瞬时频率稳定度: 秒或毫秒内振荡频率的相对变化量二、导致频率不稳定的因素振荡频率主要取决于谐振回路参数，也与其它元器件参数有关。

当外界因素变化影响这些参数，而电路本身稳频能力差时，就导致频率不稳定。

外因:温度、电源电压和负载等外界因素的影响影响回路电感线圈的电感量和电容器的电容量；改变晶体管结电容、结电阻；影响晶体管工作点和工作状态，使晶体管等效参数发生变化。

影响晶体管工作点和工作状态，使晶体管等效参数发生变化内因：影响回路Q 值和振荡频率三、提高频率稳定度的主要措施1. 减小外界因素变化的影响将决定振荡频率的主要元件或整个振荡器置于恒温槽、采用高稳定度直流稳压电源、采用密封工艺减小大气压力和湿度的影响、在振荡器和负载之间加缓冲器2. 提高谐振回路的标准性选用高质量的参数稳定的回路电感器和电容器。

选用具有不同温度系数的电感和电容构成谐振回路、改进按照工艺，缩短引线、加强引线机械强度。

4.3.2 振幅稳定度 振幅稳定度表示为0U U ∆ Uo 为输出电压的标称值， ∆U 为实际输出电压与标称值之差。

4.4 石英晶体振荡器主要要求：了解石英谐振器的结构和特性掌握典型石英晶体振荡器的组成和工作原理定义：以石英谐振器作选频网络的反馈振荡器称为石英晶体振荡器。

其频率稳定度可达9610~10--，而LC 回路的一般不超过510-4.4.1 石英谐振器及其特1. 石英谐振器的结构石英是一种各向异性的结晶体，其化学成分是SiO2 。

从一块晶体上按一定的方位角切割成的薄片称为晶片。

在晶片的两面涂上银层作为电极，电极上焊出两根引线固定在管脚上，就构成了石英晶体谐振器。

2. 石英谐振器的基本特性与等效电路极板间加电场会使晶体机械变形，极板间加机械力会使晶体产生电场当交变电压频率 = 固有频率时，共振，振幅最大，产生的交变电流最大。

类似串联谐振。

3. 石英谐振器的基本特性与等效电路图4-11 石英晶体的等效电路（a ）代表符号 （b ）等效电路串联谐振频率LC f s π21= （4-18）并联谐振频率C C C C L f qP +=0021π （4-19）4. 石英谐振器的使用注意事项 1) 要接一定的负载电容C L (微调)，以达标称频率。

高频晶体通常标CL 为30pF 或∞2) 要有合适的激励电平。

过大会影响频率稳定度、 振坏晶片；过小会使噪声影响大，输出减小，甚至停振。

5. 泛音晶体机械振动的谐波称为泛音。