第3章 正弦波振荡器3

＋ Ui －
·
＋ RE Uo － (b)
·
Re0L
C1 ＋ C2 · Uf － RL
(a)
图3.10 电容三点式振荡器
振荡器性能分析
1）画出该振荡器的交流等效电路，判断其电路类型。 2）求该振荡器的工作频率。
g 0
1 C1C2 L C1 C2
3）求反馈系数F。
C1 F C1 C2 Cb'e Cb'e C2 C1 F C1 C2
Y F Z 0

P
Y
F P
Z
Z P
0
0
P
在窄带情况下
P
3.1.3 起振条件 为了使振荡过程中输出幅度不断增加, 应使反馈回 来的信号比输入到放大器的信号大, 即振荡开始时应为 增幅振荡,
A F 1 (U f U i )
放大特性
A B ①
Ui
②
F 0 Uo
0
C
Uic
Ui ＝Uf
Uo与Uf 的关系曲线
振荡器产生的电压幅值
Ui , Uf
2. 相位平衡条件 输出电压
U o I c1 Zwenku.baidu.comL
. . . .
.
.
.
A
其中
.
Uo
.

I c1 Z L Ui
g m e jY Z L e jZ A e j A
当晶体管跨导和负载已知时
1 1 1 F2 F ' g m RL g m RL g m Reo g m ri
第3章 正弦波振荡器
任务：正弦波振荡器。 目标：产生频率/幅值准确(频率可调)/ 稳定的正弦信号。 原理：反馈式振荡器的原理组成；
如何实现自行产生---起振条件 信号 频率 幅值 的确定---平衡条件； 如何保证输出频率准确稳定---稳定条件。
实现：能满足上条件的电路形式---LC，RC型和石英晶体 评价：技术指标。
Y F Z 2n
n 0,1, 2,
称为自激振荡的起振条件。分别称为起振的振幅条件 和相位条件, 其中起振的相位条件即为正反馈条件。 起振时，放大器一般处于小信号线性放大状态，因此 可用小信号微变等效电路法分析起振条件。
总结振荡器的振荡条件： （1）振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根据振 幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。 （2）相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根 据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。
3.2.2 1.
三点式振荡器电路分析
电容三点式振荡器电路分析
图 3.10(a)是一电容反馈振荡器的实际电路, 图(b) 是其交流等效电路。
EC (＋1 5 V) R* B1 1 .3 H L 0 .0 3 3 F CC 1 00 0 p F CB 0 .0 3 3 F RB2 2 k RE 7 00 C1 C2 2 00 0 p F RL
I EQ
放大器负载R
由三部分组成：振荡器输出端外接负
载阻抗RL；回路自身损耗所等效的负载，为无载谐振阻抗 Reo；放大器输入电阻ri等效的负载电阻 Ri' 所以，起振条件
' AF g m RL F 1
将ri=rbe//Re折算到放大器输出端的等效电阻 Ri'
U cb 2 U0 2 ri R ( ) ri ( ) ri 2 U eb Ui F
常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载, 是一调谐放大器, 反 馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。
Ui ′
· · ·
＋ Uf
·
Ui
A
·
Uo
Uo, Ui等
F
·
图3.1 反馈放大器
放大器的增益
A
.


Uo
.
Ae j A Fe j F
. ' i . .
Ui

反馈网络的反馈系数 由于 得闭环的放大器增益
F AF P U i A U i
F A U i A F U i P
A Ui F U i P
0
P
1
P
当F＝常数时，振幅稳定条件为
A U i
F U i
0
P
内稳幅方式 外稳幅方式
当A＝常数时，振幅稳定条件为
0
P
为提高振荡器工作的稳定度，晶体管振荡器在θ＜90O状 态工作，在实际中采用自偏置电路。 2. 相位稳定条件
i A F
AF AFe
AF 1 n 0,1,2, A F 2n
分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。
1. 振幅平衡条件
Uo
U0 U f U f AF . 1 Ui U0 Ui U f Ui
Uf
0
Uo
＞9 0° ＜9 0°
V X1 C2 X3 L (a) X2 C1 L2 X1 X3
V L1 X2 C (b)
反馈网络是由电容元件完成的, 称为电容反馈振荡器, 也称
为考必兹(Colpitts)振荡器。图(b)称为电感反馈振荡器，也 称哈特莱(Hartley)振荡器。
X1、X2、X3三个电抗元件可以不是单一 性质的电抗元件，而是不同性质的组合。
3.1.2
稳定条件 1. 振幅稳定条件
Uo UoA Uo3 Uo2 Uo1 A
0(O) U U i f1
Uf2
Uf3
Ui, Uf
图3.6 θ≥900 时的放大特性与反馈特性
时，三个平衡点O、B、 C，O、B是稳定平衡点，C点是 不稳定平衡点。由于O点是稳定 平衡点，因此必须有一个较大的 激励，其幅度大于C点对应的激 励电压Uic才能建立振荡，这种振 荡方式叫硬激励。
（3）振荡幅度的稳定是由器件非线性保证的，所以振荡器是非
线性电路。 （4）振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。 （5）振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网络，它们必须能 够完成选频、稳频、稳幅的功能。
（6）利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲 类工作状态转换成丙类工作状态。 根据振荡条件，振荡器应包括放大器、选频网络、反馈 网络。 放大器采用有源器件，如晶体三极管、场效应管、差分 放大器、运算放大器等。 选频网络可用LC并联谐振回路、RC选频网络、晶体滤波 器等。 反馈网络可以是RC移相网络、电容分压网络、电感分压 网络、变压器耦合反馈网络或电阻分压网络等。
＋ ＋· Ui －
· Uo
Tr
＋ ＋ · Ui · － Uf －
＋
· Uo
Tr ＋
· Uf
Tr ＋ · Uf － (c)
＋ · Ui －
＋ Uo －
·
－ (a)
－ (b)
－
图中反馈网络由L和L1间的
互感M担任, 因而称为互感耦合
式的反馈振荡器, 或称为变压器 耦合振荡器。互感耦合反馈振
荡器的正反馈是由互感耦合回
Ui
A Y Z A F Y Z F 0 Y F E Z E
相位平衡条件又可写成
设 则
①
Z
0 g
A

－E
图3.5 LC并联振荡回路 负载相角与频率的关系
相位是频率的函数，因此相位平衡条件决定了振荡 器的工作频率。
90
o
Uo
A B C
① ②
0
Uic
Ui ＝Uf
Ui , Uf
稳定平衡点的特点： 在满足振幅稳定的平衡点P上，都具有放大特性斜率小 于反馈特性斜率。 U 0 U 0 U i P U f P
U 0 U i
P
U f U 0
P
1
U f U i
P
1
AF P 1
U f AFUi ,
4)起振条件分析
在直流电源刚刚接通的瞬间，振荡器应满足起振条件。 由于起始振荡振幅很小，所以振荡器处于线性小信号状态 下工作，通角θ=180°。随振荡幅度的增加，振荡逐步进 入到非线性大信号状态下工作。
随着振荡幅度的增加，放大器的增益A逐渐减小，从而
由AF>1达到AF=1，达到平衡。可以通过起振条件的研究， 找到影响振荡器起振的各种因素，从而指导正确进行振荡 器的设计、装配和调试。由于起振时是线性小信号状态工 作，所以晶体管可以用微变等效电路去等效，如图3.11所 示。
路中的同名端来保证。
互感耦合振荡器
主要内容回顾： 1. 目标：频率精确度高，幅值稳定 2. 输出幅值和频率的大小：平衡条件 3. 输出幅值和频率的稳定度：稳定条件：
F U i 0
P
A U i
0
P
Z
0
P
4. 起振条件：AF>1, UF>Ui, 起振时，小信号线性状态 5. 利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工 作状态转换成丙类工作状态。 6. 采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器
e ＋
Ube (Ui) re
·
c ＋
Uo
·
C1 RL L C2 re RE
e ＋
· Cb ′e U f
Cb′e
gmUi
·
－ b
－
－
(b)
图3.11 图3.10所示电路起振时交流等效电路 (a)晶体管等效电路；(b)振荡器等效电路
放大器增益
A gm R
' L
' L
其中
1 gm UT re
02 g 01
图3.9 多回路三点式振荡器组成
g M min (01 , 02 )
实际上电抗元件总有电阻损耗；管子各极间存在极间 阻抗，这些都影响振荡器的工作状态。工程中，振荡器工 作频率ωg近似等于回路谐振角频率ω0。
例3.1 在右图所示振
荡器交流等效电路中, 三 个ＬＣ并联回路的谐振频 率分别是f01, f02, f03， 试问 ｆ01、 ｆ02、ｆ03满足什么 条件时该振荡器能正常工 作？ 解: 只要满足三点式组成 法则, 该振荡器就能正常 工作。
3.2 LC 正 弦 波 振 荡 器
采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为
LC正弦波振荡器。据反馈网络的形式可分为：变压器耦 合反馈式和电容（感）分压反馈式。
3.2.1 LC正弦波振荡器电路构成的原则
1. 变压器耦合振荡器
变压器耦合反馈振荡器采用LC谐振回路作为选频网络， 并利用变压器耦合电路作为反馈网络。
' i
因此, 放大器总的负载为
' RL RL // R e o // Ri'
则由振荡器的振幅起振条件AF>1, 可以得到
' g m RL F 1
1 1 1 F gm ' RL F RL F Reo F ri 1 1 F F 1 1 F gm F RL F Reo F RE re RL F Reo F RE 1 1 F gm RL F (1 F ) Reo F (1 F ) RE (1 F )
2.
三点式振荡器 三点式(又称三端式)的振荡器, 即由三个电抗元件
构成的LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接 而成的电路, 如下图所示。它的选频网络和反馈网络是一 体化的。
图3.8
三端式振荡器的组成
根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性, 因 而有
X1 X 2 X 3 0
本章内容
3.1 反馈式振荡的基本原理
3.2 LC 正弦波振 荡 器 3.3 RC正弦振荡器 3.4 振荡器的频率稳定度 3.5 石英晶体振荡器
3.6 负阻型LC正弦波振荡器
3.7 振荡器中的几种现象
3.1 反馈式振荡的基本原理
反馈型振荡器的原理框图如图3.1所示。 由图可见, 反馈型
振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路, 放大器通
一般情况下, 回路Q值很高, 因此回路电流远大于晶体 管的基极电流 İb 、集电极电流 İ c以及发射极电流 İe,
故由图可得：
U i jX 2 I U o jX 1 I
X1、 X2应为同性质的电抗元件时为正反馈。



所以，三点式振荡器能否振荡的原则为： (1) X1和X2的电抗性质相同； (2) X3与X1、X2的电抗性质相反。 即 “射同基反”， 对于场效应管，为“源同栅反”
F
.
Uf
.
Uo U i U U f U F Uo
' i . . .
Af
.
Uo U
' i

A 1 A F
. .
AF 1,
Af
自激振荡 即U f U i
Uo U f U f AF 1 Ui Uo Ui
3.1.1平衡条件 振荡器的平衡条件即为
若组成电容三点式, 则在振荡频率ｆg处, Ｌ1Ｃ1回路与Ｌ2Ｃ2 回路应呈现容性, Ｌ3Ｃ3回路应呈现感性。 所以应满足 Max{ｆ01,ｆ02}＜ｆg＜ｆ03。
若组成电感三点式, 则在振荡频率ｆg处, Ｌ1Ｃ1回路与Ｌ2Ｃ2 回路应呈现感性, Ｌ3Ｃ3回路应呈现容性, 所以应满足:
Min{ｆ01,ｆ02}＞ｆg＞ｆ03。