007第七章 正弦波振荡器 2010解析

波形及波形的失真
输出功率——能带动一定阻抗的负载 反馈型振荡器 按电路原理分
振荡器的分类
负阻型振荡器
按输出波形分——正弦波、方波、三角波等
由于大多数振荡器都是利用LC回路来产生振荡的，因此应首先研究 LC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。 所谓“谐振”，就能量关系而言，是 指：回路中储存的能量是不变的，只是在 电感与电容之间相互转换；外加电动势只 提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路 的等幅振荡。 由基尔霍夫定律可得回路方程：
(+)
(-)
(+) I
(+)
Cp
C1 F C2
电容反馈式三端振荡器
振荡频率：
g 0
1 C 1C 2 L C1 C 2
C2
C oe
Cie
L C1
C1 反馈系数：F C 2 Cbe C1 F C2
起振条件：
(Cbe C 2)
AF gmRL F 1
Xo
X ， 则X id f
反馈网络 F
，X 仍有稳定的输出。 去掉 X i o F F A ( ) AF ( ) 又 A a f a f
所以等幅振荡条件为
A( ) F ( ) 1
振幅平衡条件
a () f () 2nπ 相位平衡条件
起振条件
A(0 ) F (0 ) 1
a (0 ) f (0 ) 2nπ
（由弱到强）
随着振幅的增大，放大器工作点左 移，三极管趋于截止，增益下降， 起到稳幅作用。
振荡器起振过程示意图
当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。 稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡 （由增到稳） 条件从AF>1过渡到AF=1 。
振荡器平衡条件也可以用电路参数来表示：
yfe Zp F 1
Y Z F 2n
放大器跨导相移 放大器负载相移 反馈网络相移
(n 0,1,2,3 )
1）振幅平衡的稳定条件
要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：放大器的放大倍数随 振荡幅度的增大（减小）而减小（增大），工作于非线性状态的有源器件正 好具有这一性能，并且平衡点处斜率越大稳定性越好。
互感耦合调集振荡器
7.3节用瞬变的观点分析了振荡 现象，本节我们从正反馈的观 点来观察振荡现象。
带反馈的 放大电路
反馈振荡器方框图
( j )V A V o i F ( j)V V F o
V V V i s F
反馈放大器的闭环增益:
V A o Af F Vs 1 A
本章要点
1、负阻原理和正反馈原理 2、振荡器的起振条件、平衡条件和稳定条件 3、LC三端振荡器的组成法则和参数计算（反馈系数、振荡频率、起振条 件） 4、石英晶体振荡器的参数计算（反馈系数、振荡频率）
1.定义
缓冲 高频振荡 倍频 高频放大
声音
话筒
音频放大
fo–fs=fi
高 频 高功放 （直流电源未画） 电 路
电路的特点:
1 容易起振 A F
调整频率方便，改变电容调整频率时，不影响反馈系数。
振荡波形不够好，高次谐波反馈较强，波形失真较大。 不适于很高频率工作，分布电容和极间电容并联于L1与 L2两端，F随频率变化而改变。
如果正反馈网络由LC谐振回路中的电容分压电路将输出信 号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。
Cie
C2 L C1
Coe
V f
C2
L
V o
C1
回顾LC三端式振荡器的基本电路，发现其电路结构存 在一个规律：晶体管的集电极—发射极（ ce ）之间和基 极—发射极（ be ）之间回路元件的电抗性质相同 ; 它们与 集电极—基极之间 ( bc ) 回路元件的电抗性质相反。它具有 普遍意义吗？下面就此证明。
小结
分析反馈型振荡器时，首先要抓住以下几个要点： （1）包含一个合适偏置的可变增益放大器。 （2）闭合环路是正反馈
保证了： 振荡电路的 合理性
（3）有选频回路
（4）环路增益Af的相频特性为负斜？（起振条件）
（2）按照相位平衡条件计算振荡频率。
振幅稳定条件:
A Vom
0
Vom VomQ
软自激的振荡特性
硬自激的振荡特性
2）相位平衡的稳定条件
相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重新建 立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。
稳定原理：
外部 扰动
频率ω 相位φ
频率ω
(t ) (t )d t

相位平衡条件
( Y Z F ) Z 0
2）相位平衡的稳定条件
( Y Z F ) Z 0
相位平衡条件
1 0 1 jQL 0
A A v v0
Q2 Q1
arctan Q
L di 1 Ri dt C
idt 0
LCR自由振荡电路
解上式可得：
i
V
2 2 0
2L
e
t
(e
2 2 0 t
e
2 2 0 t
)

R 称为回路衰减系数； 0 2L
1 称为回路固有角频率 LC
2 当 2 0 时，回路 电流做周期性变化， 产生自由振荡。其振 荡频率为：
LC回路即是振荡回路，又与L1、 M等组成晶体管的正反馈回路， 完成控制作用。 Rb1，Rb2和Re分别为基极偏置 和发射极偏置电阻。Cb和Ce为 旁路与隔直电容。 为了完成正反馈作用，L和L1的 同名端必须分别接到c和e端。
+ -
h参数等效电路分析可得到如下 结论： 振荡器的振荡频率主要取决于 储能回路参数；振荡幅度主要 取决于电路中的非线性器件， 不论初始冲击强还是弱，最终 会达到某一固定值。
L2 M L1 M
电感反馈式三端振荡器
振荡频率：
1 LC
L2
这是在忽略晶体管集间电容的影响下得出的。
Cie
Coe L1
C
反馈系数：
L2 M L2 F L1 M L1
起振条件：
AF gmRL F 1
V f
V o
L2 C L1
其中，gm为晶体管跨导，RL为总负载。
以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的 起振条件；保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡 的平衡条件。
实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素 变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应 该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受 到破坏的稳定条件。 稳定条件也分为振幅稳定与相位稳定两种。以 下分别讨论之。
第七章 正弦波振荡器
• • • • • • • • • • • • 7.1 概述 7.2 LCR回路中的瞬变现象 7.3 LC振荡器的基本工作原理 7.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件 7.5 振荡器的平衡与稳定条件 7.6 反馈型LC振荡器线路 7.7 振荡器的频率稳定问题 7.8 石英晶体振荡器 7.9 负阻振荡器 7.10 几种特殊振荡现象 7.11 集成电路振荡器 7.12 RC振荡器
7.5.1
7.5.2
振荡器的平衡条件
振荡器平衡状态和稳定条件
负反馈不产生自激振荡。 正反馈产生自激振 荡。（注意与负反馈 方框图的差别）
F 1 若环路增益 A
Xi + – ＋
Xf
Xid
基本放大 电路 A
Xo
X ， 则X id f
反馈网络 F
F F A AF ，X 仍有稳定的输出。 去掉 X 又 A i o a f a f
所以等幅振荡条件为
A( ) F ( ) 1
振幅平衡条件
a () f () 2nπ 相位平衡条件
那么振荡器输出信号是如何从无到有，并最终形成等幅振荡的呢？
振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？ 这就是起振条件要解决的问题。
接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。 初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率 0的信号应该被保留，成 为等幅振荡输出信号。（从无到有） 然而，一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不能形成一定 幅度的输出信号。因此，起振阶段要求
传输线
调制
fs
高频放大
fs fo
混频
中频放大
fi
检波
F
低频放大
F
本地振荡
不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能。
2.指标与分类
振荡器功能：不需要输入信号控制就能自动的将直流电源的能量 转变为特定频率和振幅的交变能量的电路 频率——频率的准确度与稳定度 振幅——振幅的大小与稳定性 振荡器的指标：
7.6.1 7.6.2 7.6.3
互感耦合振荡器 电感反馈式三端振荡器 (哈特莱振荡器) 电容反馈式三端振荡器 (考毕兹振荡器)
7.6.4
LC三端式振荡器相位平衡条件 的判断准则
放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交 流电能，不同之处在于：放大器需要外加控制信号而 振荡器不需要。因此，如果将放大器的输出正反回输 入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡 器。 如果由LC谐振回路通过互感耦合将输出信号送 回输入回路，所形成的是互感耦合振荡器。 由互感耦合同名端定义可判知，反馈网络形成 正反馈，满足相位平衡条件。如果再满足起振条件， 就符合基本原理。
为什么 不用共集组态 电路呢？
由于三极管结电容和其它分布电容的存在，在频率较高 而LC回路电容较小时，它们将影响振荡器的稳定性。