第六章 正弦振荡电路

L(C3 C4 )
西勒振荡器与克拉泼振荡器一样，晶体管与回路的耦合较弱，
频率稳定度高；由于C4与电感L是并联的，通过调整C4只改变频率， 不会改变晶体管与回路的接入系数，所以波段内输出幅度较平稳。 因此，西勒振荡器可用作波段振荡器。
【例】 如图所示的电路，分析该电路的工作原理，画出 交流等效电路，并求振荡频率。
LC振荡器：10-2-10-4 RC振荡器：10-2-10-3 石英晶体振荡器：10-5-10-6(若采取恒温措施，
可达10-7-10-9)
6.7 正弦波振荡器的频率稳定问 题——造成频率不稳定的因素
LC值变化对频率稳 定度的影响：
0 0
1 2
L L
f1 f0 f2 f 0
例：试用相位条件的判断准则，判明图示的 LC振荡器交流等效电路，哪个可以振荡？哪 个不可以振荡？或在什么条件下才能振荡？
例：试判断该电路是否能振荡？若可以振荡， 说明其振荡条件。若不能，改正之。
一、三端式电容振荡电路（考毕兹电路）
1. 分析其谐振特性，求解谐振频率
Z (0 )
ic
ic (t)
ic (t)
Q ICQ
0
VBEQ vBE
0
vi (t)
t
vi (t)
vi (t)
0
t
L
C
v0 (t)
r
v0 (t)
0 t
t
小信号大信号
输出电压从起振到稳定的全过程：
| A(0 ,Vi ) |
A
D
V0* vO
1
B
| F (0 ) |
C
t
0
ViD Vi* Vic
Vi V0* 线性区 非线性区
2．西勒振荡器
(a) 实用电路
(b) 交流等效电路
西勒振荡器是在克拉泼振荡器的基础上，在电感L两端并联了
一个小电容C4，且满足C1、C2远大于C3，C1、C2远大于C4。由 图(b)可得谐振回路的总电容为
C
1
1 1
1
C4 C3 C4
C1 C2 C3
振荡器的振荡频率为
1
1
f0 2
LC 2
从工作原理来看： 反馈式振荡器是把有源器件接成正反馈环路来实现 自激振荡的，大多数振荡器以这种原理工作
负阻振荡器则是以具有负阻效应的器件来抵消谐振 回路中的损耗电阻，从而使回路能维持等幅的正弦振 荡。工作频率可高达几千兆赫，在微波波段使用较多
从构成来看：
根据反馈回路的形式：变压器反馈式、三端型LC、 RC、晶体
根据有源器件的不同：晶体管、场效应管、集成电 路、压控等等
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6.4 反馈的观点看振荡
反馈振荡器是由放大器、选频网络和反馈网络所组成 的一个闭环环路，其中反馈网络由无源器件组成。
构成反馈式正弦波振荡电路的要素： 放大电路的正反馈，从而产生自激振荡 选频网络或者相移网络，以控制振荡频率和波形 放大电路的非线性，以控制振荡幅度
第六章 正弦波振荡器
如何从无到有的 产生正弦波
一、概述
自激式振荡器定义：
是指在没有外加信号作用下的一种自动
将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡
能量的装置。
1.在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器） 所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。
2.在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个“本地振 荡”信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号。
6.5.2 振荡平衡状态的稳定条件：
两种可能的平衡状态： 稳定平衡状态，干扰因素消失后振荡能自动回到原
来的平衡状态
不稳定平衡状态，干扰因素消失后越来越偏离原来 的平衡状态
振幅稳定条件的定义
| A(0 ,Vi ) |
A
D
1
| F (0 ) |
| A(00,Vi ) | ViD
E
B
左图中的B点即为稳定平 衡状态
电容三端式振荡器
电感三端式振荡器，
也称考毕兹(Colpitts)振荡器 也称哈特莱(Hartley)振荡器
【例】 图示电路，两个LC并联回路的谐振频率分别 是 f1 1/ 2 L1C1 和 f2 1 / 2 L2C2，请问电路是 否能够发生振荡？若能，求振荡频率f0与f1、f2的关系。
解：要使电路能够正常振荡，需满足三端式电路的组成原则。由于 连接基极与集电极的为电容，故电路只能组成电感三端式振荡器， 即L1C1、L2C2回路应呈感性。由于LC并联回路谐振频率大于工作频 率时，回路呈感性，即应满足：
B
C 振幅稳定条件：
Vi* Vic
Vi
| F (0 ) |
| A&(0,Vi ) |
0
Vi
Vi Vi*
0 Vie
硬激励和软激励的区别
Vib
Vi
相位稳定条件的定义
AF ()
2
D 0 0C
0D B
C
2
环路相位变化对角频率 的影响
d
dt
相位稳定条件：
AF () 0 0
例题
1. 反馈型正弦波振荡器起振的振幅 条件是：___，相位条件是：___。
（部分接入方式化简电路，计算增益A，则 AF>1）
二、三端式电感振荡电路（哈特莱电路）
＋
Uc
L1 —M
C
—
L2
Uf
＋
（b ）
类似于电容三端式振荡器的分析方法，有：
＋
Uc
L1 —M
—
L2
Uf
＋
（b ）
振荡频率为
0
1 LC
1 (L1 L2 2M )C
C
反馈系数为：
F Vf L2 M Vc L1 M
减小三极管极间电容的影响
1．克拉泼振荡器
各电容值取值规定如下：C3<<C1 ，C3<<C2，这样可使电路 的振荡频率近似只与C3、L有关。
(a) 实用电路
(b) 交流等效电路
由图(b)可得谐振回路的总电容为
C
1
1 1
1
C3
C1 C2 C3
则振荡频率为
f0
1 2 LC
2
1 LC3
由此可见， C1， C2对振荡频率的影响显著减少，那么与 之并联的晶体管的输入、输出电容的影响也就减小了。
总结(2)
三端式LC正弦波振荡电路
三端式电感、电容电路 三端式电容电路的两种改进型电路
能否起振？何时起振？—分析谐振（谐振频率）
6.7 正弦波振荡器的频率稳定问 题——频率稳定度
频率稳定度
绝对频率稳定度：Δf=fH-f0或f0-fL 相对频率稳定度：Δf/f0
常用振荡器的频率稳定度
三极管结电容影响振荡频率
电路的振荡频率不
能过高
三、 改进型电容三端式振荡器
由于晶体管的输入、输出电容与电容三端式振荡器和电感 三端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，在电容三端式振荡器的基础上，得到两种改进 型电容反馈式振荡器——克拉泼(Clapp)振荡器和西勒(Siler)振 荡器。
振幅起振 条件
相位起振 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，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。
2．平衡过程
振荡幅度的增长过程不会一直无止境地进行下去，当反馈信
号正好等于输出电压所需的输入电压时，振荡幅度不再增大，
电路进入平衡状态。则振荡的平衡条件为
Vi
A()
Vo
F () Zi
Vf
Zi
定义环路的增益为
V&f V&i
A&F&
1．起振过程
为了使振荡器的输出振荡电压在接通直流电源后由小增大，
则要求反馈电压幅度必须大于输入信号幅度，反馈电压相位
必须与放大器输入相位相同，也就是要求是正反馈，即
| A&AF((0 )0F)&(02)n|1, n 0,1, 2,L
解：该电路采用负电源供电，以及Lc2构成直流电源滤波，Rb1、 Rb2、Re为晶体管的直流偏置电路，Lc1为高频扼流圈，其一方面 阻止交流信号到地，另一方面给晶体管提供直流通路，Cb为基极 的高频旁路电容，使该晶体管的基极交流接地。
该电路的交流等效电路如图所示，其构成了电容三端式振荡器。
该电路的回路总电容为
1
1
1
1
C 1 1 1 C4 1 1 1 1 1 5 1 1 11.6(pF)
C1 C2 C3
C5 C6 8.2 2.2 20
10 10
该电路的振荡频率为
f0
2
1 LC
2
1
66 106 (Hz)
0.5 106 11.6 1012
例:
振荡器的振荡频率应低于L1和C1支路的串联谐振频率，此 时，该支路呈容性，整个回路满足电容三端的相位条件。
6.5 振荡器的起振、平衡与稳定条件
与放大器不一样，反馈振荡器没有外加激励信号，其最初 的激励是在接通电源时，电路中存在各种电扰动和热噪声等， 这些小扰动的幅度很小，具有很宽的频谱。为了使放大器的 输出为一个固定频率的正弦波，则闭环环路必须含有选频网 络，通过选频网络从很宽的频谱资源中选出需要的工作频率， 而将其余的频率分量抑制掉，因此反馈振荡器还必须有选频 网络。一个反馈振荡器要正常的工作，必须满足三个条件： 起振条件、平衡条件以及稳定条件。