第四章 正弦波振荡器

由于Ｃce的接入系数大大减小, 所以它等效到回路两端 的电容值也大大减小, 对振荡频率的影响也大大减小。
同理, Ｃbe对振荡频率的影响也极小。
因此, 克拉泼电路的频率稳定度比电容三点式电路要好。 克拉泼电路是用牺牲环路增益的方法来换取回路标准性的 提高。
克拉泼电路的缺陷是不适合于作波段振荡器。
克拉泼电路只适宜于作固定频率振荡器或波段复盖系 数较小的可变频率振荡器。所谓波段复盖系数是指可以在 一定波段范围内连续正常工作的振荡器的最高工作频率与 最低工作频率之比。一般克拉泼电路的波段复盖系数为 １．２～１．３。
fs 2
1 LqCq
并联谐振频率
fp
2
1
Lq c0cq
c0 cq
fs c0
fs
1 cq c0
c0 cq
标称频率ｆN。ｆN的值位于ｆs与ｆp之间, 这是指石英晶 振两端并接某一规定负载电容ＣL时石英晶振的振荡频率。
二、晶体振荡器电路
根据石英晶振在振荡器中的作用原理, 晶体振荡器可分 成两类。一类是将其作为等效电感元件用在三点式电路中, 工作在感性区, 称为并联型晶体振荡器； 另一类是将其作 为一个短路元件串接于正反馈支路上, 工作在它的串联谐 振频率上, 称为串联型晶体振荡器。
联回路的谐振频率分别是：f1=1／( 2 ),Lf1C2=1 1／(
),
f3=12／ (L2C2 ), 试问ｆ1、 ｆ22、Lｆ3C33满足什么条件时该振荡器
能正常工作？且相应的振荡频率是多少？
解: 由图可知, 只要满足三 点式组成法则, 该振荡器 就能正常工作。
若组成电容三点式, 则 在振荡频率ｆ01处, Ｌ1Ｃ 1回路与Ｌ2Ｃ2回路应呈 现容性, Ｌ3Ｃ3回路应呈 现感性。 所以应满足ｆ 1≤ｆ2＜ｆ01＜ｆ3或ｆ2 ＜ｆ1＜ｆ01＜ｆ3。
w
|ww0
0
三、反馈振荡电路判断
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FA (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。
假设泛音晶振为五次泛音, 标称频率为５MHz, 基频为１
MHz, 则ＬＣ1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。 这样, 在５ MHz 频率上, ＬＣ1回路呈容性, 振荡电路满足组 成法则。对于基频和三次泛音频率来说, ＬＣ1回路呈感性, 电路不符合组成法则, 不能起振。
第四章 正弦波振荡器
第一节 概述
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： 1、正弦波振荡器 2、非正弦波振荡器
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。
２密勒（Ｍｉｌｌｅｒ）振荡电路
石英晶体作为电感 元件连接在栅极和源 极之间, ＬＣ并联回 路在振荡频率点等效 为电感, 作为另一电 感元件连接在漏极和 源极之间, 极间电容 Ｃgd作为构成电感三 点式电路中的电容元 件。由于Ｃgd又称为 密勒电容, 故此电路 有密勒振荡电路之称。
３． 泛音晶振电路
泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电 路中, 为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上, 不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡, 而且 必须正确地调节电路的环路增益, 使其在工作泛音频率上略 大于1, 满足起振条件, 而在更高的泛音频率上都小于1, 不满 足起振条件。
在实际应用时, 可在三点式振荡电路中, 用一选频回路来 代替某一支路上的电抗元件, 使这一支路在基频和低次泛音 上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则, 不能起 振； 而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组 成法则, 达到起振。
两种振荡器共同的缺点是：晶体管输入输出电容分别和 两个回路电抗元件并联, 影响回路的等效电抗元件参数, 从 而影响振荡频率。 由于晶体管输入输出电容值随环境温度、 电源电压等因素而变化, 所以三点式电路的频率稳定度不高, 一般在１０-3量级。
例４.３在图例4.3所示振荡器交流等效电路中, 三个ＬＣ并
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。 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 路阻抗的相频特性是正斜率。
2 Re oC
二、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。
一个反馈振荡器必须满足三个条件： 1、 起振条件（保证接通电源后能逐步建立起振荡） 2、 平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态） 3、 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）。
缺点是：反馈系数因与回路电容有关, 如果用改变回路电容 的方法来调整振荡频率, 必将改变反馈系数, 从而影响起振。
电感三点式振荡器的优点是便于用改变电容的方法来调 整振荡频率, 而不会影响反馈系数, 缺点是反馈电压取自Ｌ2, 而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗, 所以反馈电压中高次谐 波分量较多, 输出波形较差。
例 4.5 图例4．５（ａ）是一个数字频率计晶振电路, 试分 析其工作情况。
f0 2
1
4.0MHZ
4.7 106 330 1012
在晶振工作频率５MHz处, 此ＬＣ回路等效为一个电容。可 见, 这是一个皮尔斯振荡电路, 晶振等效为电感, 容量为３pF
pF的可变电容起微调作用, 使振荡器工作在晶振的 标称频率５MHz上。
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。 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时的三点式电
路, 称为电容三点式电路, 也称为考毕兹电路。与发射极相
第三节 LC振荡器
按其反馈网络的不同，LC振荡器分为： 1、互感耦合 2、电容耦合 3、自耦变压器耦合
一、互感耦合振荡器
二、三点式振荡器
１． 电路组成法则
当回路谐振（ω＝ω0）时, 回路呈纯阻性, 有： －Ｘce＝Ｘbe＋Ｘbc
Uf
jXbeUc Xbe Uc
j( Xbe Xbc) Xce
若组成电感三点式, 则在振荡频率ｆ02处, Ｌ1Ｃ1回路与Ｌ2Ｃ 2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:
f0 2
1 L C
L
L1(L2 L3 ) L1 L2 L3
, C
C1 C2C3 C2 C3
３. 电感三点式电路
w0 1 LC
其中L=L1+L2+2M, M为互感系数
起振条件为：
gm
1
g L
nge
n
n N12 L2 M N13 L1 L2 2M
gL 1 RL
ge 1 re
F n L2 M L1 L2 2M
电容三点式振荡器的优点是： 反馈电压取自Ｃ2, 而电容 对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗, 所以反馈 电压中高次谐波分量很小, 因而输出波形好, 接近于正弦波。
按照选频网络所采用元件的不同, 正弦波振荡器可分为： 1、ＬＣ振荡器 2、ＲＣ振荡器 3、晶体振荡器
主要性能指标：频率稳定度
第二节 反馈振荡原理
一、并联谐振回路中的自由振荡现象
当Re 0 1 L / C 2
ｔ＞０以后, 回路在欠阻尼情况下的零输入响应：
uc(t) Uset cos w0t
w0 1/ LC 1
C、瞬时频稳度：一秒以内；元器件内部噪声
2
f 0 lim f 0 n
1 n
n i1
(f f
)0 i
0
f 0 f0
(f 0)i | fi f 0 |
f 0 lim 1 n | fi f 0 |
n n i1
2 提高LC振荡器频率稳定度的措施
A、减小外界因素变化的影响 B、提高电路抗外界因素变化影响的能力 1）提高回路的标准性：回路的标准性是指外界因素变化 时，振荡回路保持其振荡频率不变的能力 2）选取合理的电路形式
１ 起振过程与起振条件
在图4．2．3所示闭合环路中, 在×处断开, 并定义环路增益
T(w)
Uf Ui
U0 Ui
•
Uf U0
AF
要使振幅不断增长的条件是:
U f (w0 ) T (w0 )Ui (w0 ) Ui (w0 )
T (w0 ) 1
T (w0 ) 1 φT(ω0)=2πn
(n=０, １, ２, …)
安装电容C0约１pF
ｐF
动态电感Lq约10-3H～102 H 动态电容Cq约10-4pF～10-1pF 动态电阻rq
１） 石英晶振的Ｑ值和特性阻抗ρ都非常高。
Qq
1 rq
Lq cq
2） 由于石英晶振的接入系数n=Cq／(C0+Cq )很小, 所 以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。
串联谐振频率
f0
2
Lq
1
Cq(c0 cL ) cq c0 cL
fs
1 cq c0 cL
（３） 由于振荡频率ｆ0一般调谐在标称频率ｆN上, 位于 晶振的感性区内, 电抗曲线陡峭, 稳频性能极好。 （４） 由于晶振的Ｑ值和特性阻抗ρ都很高, 所以晶振的谐 振电阻也很高, 一般可达１０10Ω以上。这样即使外电路接 入系数很小, 此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很 大, 使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。
连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路, 称为电感三
点式电路, 也称为哈特莱电路。
２．电容三点式电路
n c1 c1 c2
求得振幅起振条件为:
ngm 1 gL. ge.
gm
1 n
( g L
ge )
1 n
( g L
nge )
gL
RL
1 || Reo
, ge
1
rbe
1 re
F n c1 c1 c2
４． 克拉泼（Ｃｌａｐｐ）电路
克拉泼电路的特点是在回路中增加了一个与Ｌ串联的电容
Ｃ3。各电容取值必须满足：Ｃ3〈〈Ｃ1, Ｃ3 〈〈Ｃ2, 这样可 使电路的振荡频率近似只与Ｃ3、Ｌ有关。
C
C1C2C3
C1C2 C2C3 C1C3
C3
1 C3 C3
C3
C1 C2
w0
1 LC
1 LC3
由此可见, 克拉泼电路的振荡频率几乎与Ｃ1、Ｃ2无关。
例 4.1 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。
四、振荡器的频率稳定度 1、频率稳定度定义
根据测试时间的长短，频率稳定度分为：
A、长期频稳度：一天以上；元器件老化
B、短期频稳度：一天以内；电源电压和环境温度的变化 及电路参数的变化
５．西勒（Ｓｅｉｌｅｒ）电路
Ｃ1 、 Ｃ2远大于Ｃ3 , Ｃ1 、 Ｃ2远大于Ｃ4
C
C1C2
C1C2C3 C1C3 C2C3
C4
C3
C4
f0
2
1 LC
2
1 L(C3 C4 )
第四节 晶体振荡器
一、石英晶振的阻抗频率特性
1、具有压电效应 2、固有频率十分稳定 3、振动具有多谐性，除有基频外，还有3、5、7等奇次 谐波
１
（１） 振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体 管ｃ、ｂ端, ｃ、ｅ端和ｅ、ｂ端的接入系数分别是:
ncb
cq
cq c0
cL
, CL
C1C2 C1 C2
nce
c2 c1 c2
.ncb
neb
c1
c2 c2
.ncb
（２Байду номын сангаас 振荡频率几乎由石英晶振的参数决定, 而石英晶振 本身的参数具有高度的稳定性。
２ 平衡过程与平衡条件
反馈振荡器的平衡条件为:
T(ω0)=1
φT(ω0)=2nπ(n=０, １, ２, …)
只要保证起振时环路 增益幅值大于１即可。 而环路增益的相位φT （ω0）则必须维持在 ２ｎπ上, 保证为正反 馈。
３ 平衡状态的稳定性和稳定条件
T (w0) Ui UiA 0 Ui
T (w)