概述反馈型振荡器的基本工作原理
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第4章 正弦波振荡器
4.1 概述 4.2 反馈型振荡器的基本工作原理 4.3 LC正弦振荡电路 4.4 晶体振荡器 4.5 实训:正弦波振荡器的仿真与蒙托卡诺
（Monte Carlo）分析
整理课件
1
4.1 概述
正弦波振荡器是一种将直流电能自动转换成所需 交流电能的电路。它与放大器的区别在于这种转换不 需外部信号的控制。振荡器输出的信号频率、波形、 幅度完全由电路自身的参数决定。
(2)振荡器在进入稳态后能维持一个等幅连续的 振荡。
(3)当外界因素发生变化时，电路的稳定状态不 受到破坏。
整理课件
6
＋
＋
பைடு நூலகம்
Ui 放大器 Uo
－
－
＋ Uf －
＋
反馈网络 Uf －
(a)
谐振放大器 ＋
Uo ＋
Ui － －
L C
反馈网络
＋ Lf
Uf －
＋ Uf －
(b)
图4.1 反馈振荡器的组成方框图及相应电路
整理课件
2
正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。 例如，无线发射机中的载波信号源，接收设备中的本 地振荡信号源，各种测量仪器如信号发生器、频率计、 ｆT测试仪中的核心部分以及自动控制环节，都离不开 正弦波振荡器。
整理课件
3
正弦波振荡器可分成两大类：一类是利用正反馈 原理构成的反馈型振荡器，它是目前应用最多的一类 振荡器；另一类是负阻振荡器，它是将负阻器件直接 接到谐振回路中，利用负阻器件的负电阻效应去抵消 回路中的损耗，从而产生等幅的自由振荡，这类振荡 器主要工作在微波频段。
示。在Ａ点为平衡点，T(jω)＝1。
整理课件
12
由以上分析可知，平衡点为一个稳定点的条件是，
在平衡点附近环路增益T(jω)应具有随Ui增大而减小的 特性，即
T( j)
U 0 UiUiA
(4―5)
整理课件
13
2. 相位稳定条件 外界因素的变化同样会破坏相位平衡条件，使环 路相移偏离2nπ。相位稳定条件是指相位条件一旦被破 坏时环路能自动恢复φT=2nπ所应具有的条件。 相位稳定条件是
由图（ａ）可求得小信号工作时的电压增益为
Au
Uo Ui
gm gp
(4―7)
式中，gp＝go+gL，go为振荡输出回路的固有电
导，gL为负载电导。 整理课件
22
R1 C3
R2
UCC Lc
C5
V
R3
C4
C1 L
C2
R1
C3 R2
L V R3
UCC
C4 C1 RL C2
(a )
(b )
R1 R2
L
V
C1
＋
L1 Uo
Ui
V－
－
C
Uf
L2
＋
(b)
图4.7 三点式振荡器的原理电路
整理课件
21
2. 三点式振荡电路
1) 电容耦合振荡电路
图4.8给出两种电容三点式振荡器电路。图(a)、(b) 中，L、C1和C2为并联谐振回路，作为集电极交流负载； R1、R2和R3为分压式偏置电阻；C3、C4和C5为旁路和 隔直流电容；RL为输出负载电阻。
整理课件
7
4.2.1 起振条件和平衡条件
1.起振条件
振幅起振条件Uf＞Ui或T(jω)＞1
(4―1)
相位起振条件φT=2nπ n=0,1,2,3，… (4―2)
式中， T(jω)表示环路增益,
T(j)U f U oU f A(j)F(j)
Ui Ui Uo
φT表示环路相移。
整理课件
8
2. 平衡条件
Z()arctan2(00)Qc
整理课件
15
T
01＝ ＋
0
－T
图4.5 满足相位稳定条件的φT(ω)特性
整理课件
16
可见，振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性 的谐振回路来满足相位稳定条件的，且Ｑ越大，φZ(ω) 随ω增加而下降的斜率就越大，振荡器的频率稳定度也 就越高。
整理课件
17
Z
0
0
(a)
振荡器起振后，振荡幅度不会无限增长下去，而 是在某一点处于平衡状态。因此，反馈振荡器既要满 足起振条件，又要满足平衡条件。在接通电源后，依 据放大器大振幅的非线性抑制作用，环路增益T(jω)必 具有随振荡器电压振幅Ui增大而下降的特性，如图4.2 所示。
由上面分析可得平衡条件：
振幅平衡条件Uf＝Ui或T(jω)＝1 相位平衡条件φT=2nπ n=0,1,2,3，…
a
0 0
(4―6)
满足相位稳定条件的φT(ω)特性曲线如图4.5所示。 上式表示φT(ω)在ω0附近具有负斜率变化，其绝对值愈 大，相位愈稳定。
整理课件
14
在LC并联谐振回路中，振荡环路 φT(ω)=φA(ω)+φF(ω)，即φT(ω)由两部分组成，其中,φF(ω) 是反馈网络相移，与频率近似无关；φA(ω)是放大器相 移，主要取决于并联谐振回路的相频特性φZ(ω)，见图 4.6，
兹电路，它的反馈电压取自C1和C2组成的分压器；图 4.7（ｂ）所示为电感三点式电路，又称为哈脱莱电路， 它的反馈电压取自L1和L2组成的分压器。从结构上可 以看出,三极管的发射极相接两个相同性质的电抗元件， 而集电极与基极则接不同性质的电抗元件。
整理课件
20
＋
C1 Uo
Ui
V
－
L
－
Uf
C2
＋
(a)
整理课件
4
4.2 反馈型振荡器的基本工作原理
反馈型振荡器是通过正反馈联接方式实现等幅正 弦振荡的电路。这种电路由两部分组成，一是放大电 路，二是反馈网络，见图4.1(a)。对电路性能的要求可 以归纳为以下三点：
整理课件
5
(1)保证振荡器接通电源后能够从无到有建立起 具有某一固定频率的正弦波输出。
Lc
C2
V R3
C1
L
RL
C2
(c )
(d )
图4.8 三整点理式课件振荡电路
23
e ＋
U i g i －
c
＋ g mUi
－
b
gP L g0 gL
(a )
(b)
图4.6 谐振回路的相频特性曲线
(a)并联谐振回路；(b)相频特性曲线
整理课件
18
4.2.3 正弦振荡电路的基本组成 (1) 放大电路。 (2) 正反馈网络。 (3) 选频网络。 (4) 稳幅环节。
整理课件
19
4.3 LC正弦振荡电路
4.3.1 三点式振荡电路 1.三点式振荡器的原理电路 图4.7（ａ）所示为电容三点式电路，又称为考毕
(4―3) (4―4)
整理课件
9
T(j )
1
A
0
UiA
Ui
图4.2 满足起振条件和平衡条件的环路增益特性
整理课件
10
起振
平衡
T
1
A
0
UiA″ UiAUiA′
Ui
图4.3 振荡幅度的建立和平衡过程
图4.4 振荡幅度的确定
整理课件
11
4.2.2 稳定条件 1.振幅稳定条件 设振荡器在Ui=UiA满足振幅平衡条件，如图4.4所
4.1 概述 4.2 反馈型振荡器的基本工作原理 4.3 LC正弦振荡电路 4.4 晶体振荡器 4.5 实训:正弦波振荡器的仿真与蒙托卡诺
（Monte Carlo）分析
整理课件
1
4.1 概述
正弦波振荡器是一种将直流电能自动转换成所需 交流电能的电路。它与放大器的区别在于这种转换不 需外部信号的控制。振荡器输出的信号频率、波形、 幅度完全由电路自身的参数决定。
(2)振荡器在进入稳态后能维持一个等幅连续的 振荡。
(3)当外界因素发生变化时，电路的稳定状态不 受到破坏。
整理课件
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＋
＋
பைடு நூலகம்
Ui 放大器 Uo
－
－
＋ Uf －
＋
反馈网络 Uf －
(a)
谐振放大器 ＋
Uo ＋
Ui － －
L C
反馈网络
＋ Lf
Uf －
＋ Uf －
(b)
图4.1 反馈振荡器的组成方框图及相应电路
整理课件
2
正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。 例如，无线发射机中的载波信号源，接收设备中的本 地振荡信号源，各种测量仪器如信号发生器、频率计、 ｆT测试仪中的核心部分以及自动控制环节，都离不开 正弦波振荡器。
整理课件
3
正弦波振荡器可分成两大类：一类是利用正反馈 原理构成的反馈型振荡器，它是目前应用最多的一类 振荡器；另一类是负阻振荡器，它是将负阻器件直接 接到谐振回路中，利用负阻器件的负电阻效应去抵消 回路中的损耗，从而产生等幅的自由振荡，这类振荡 器主要工作在微波频段。
示。在Ａ点为平衡点，T(jω)＝1。
整理课件
12
由以上分析可知，平衡点为一个稳定点的条件是，
在平衡点附近环路增益T(jω)应具有随Ui增大而减小的 特性，即
T( j)
U 0 UiUiA
(4―5)
整理课件
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2. 相位稳定条件 外界因素的变化同样会破坏相位平衡条件，使环 路相移偏离2nπ。相位稳定条件是指相位条件一旦被破 坏时环路能自动恢复φT=2nπ所应具有的条件。 相位稳定条件是
由图（ａ）可求得小信号工作时的电压增益为
Au
Uo Ui
gm gp
(4―7)
式中，gp＝go+gL，go为振荡输出回路的固有电
导，gL为负载电导。 整理课件
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R1 C3
R2
UCC Lc
C5
V
R3
C4
C1 L
C2
R1
C3 R2
L V R3
UCC
C4 C1 RL C2
(a )
(b )
R1 R2
L
V
C1
＋
L1 Uo
Ui
V－
－
C
Uf
L2
＋
(b)
图4.7 三点式振荡器的原理电路
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2. 三点式振荡电路
1) 电容耦合振荡电路
图4.8给出两种电容三点式振荡器电路。图(a)、(b) 中，L、C1和C2为并联谐振回路，作为集电极交流负载； R1、R2和R3为分压式偏置电阻；C3、C4和C5为旁路和 隔直流电容；RL为输出负载电阻。
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4.2.1 起振条件和平衡条件
1.起振条件
振幅起振条件Uf＞Ui或T(jω)＞1
(4―1)
相位起振条件φT=2nπ n=0,1,2,3，… (4―2)
式中， T(jω)表示环路增益,
T(j)U f U oU f A(j)F(j)
Ui Ui Uo
φT表示环路相移。
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2. 平衡条件
Z()arctan2(00)Qc
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15
T
01＝ ＋
0
－T
图4.5 满足相位稳定条件的φT(ω)特性
整理课件
16
可见，振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性 的谐振回路来满足相位稳定条件的，且Ｑ越大，φZ(ω) 随ω增加而下降的斜率就越大，振荡器的频率稳定度也 就越高。
整理课件
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Z
0
0
(a)
振荡器起振后，振荡幅度不会无限增长下去，而 是在某一点处于平衡状态。因此，反馈振荡器既要满 足起振条件，又要满足平衡条件。在接通电源后，依 据放大器大振幅的非线性抑制作用，环路增益T(jω)必 具有随振荡器电压振幅Ui增大而下降的特性，如图4.2 所示。
由上面分析可得平衡条件：
振幅平衡条件Uf＝Ui或T(jω)＝1 相位平衡条件φT=2nπ n=0,1,2,3，…
a
0 0
(4―6)
满足相位稳定条件的φT(ω)特性曲线如图4.5所示。 上式表示φT(ω)在ω0附近具有负斜率变化，其绝对值愈 大，相位愈稳定。
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14
在LC并联谐振回路中，振荡环路 φT(ω)=φA(ω)+φF(ω)，即φT(ω)由两部分组成，其中,φF(ω) 是反馈网络相移，与频率近似无关；φA(ω)是放大器相 移，主要取决于并联谐振回路的相频特性φZ(ω)，见图 4.6，
兹电路，它的反馈电压取自C1和C2组成的分压器；图 4.7（ｂ）所示为电感三点式电路，又称为哈脱莱电路， 它的反馈电压取自L1和L2组成的分压器。从结构上可 以看出,三极管的发射极相接两个相同性质的电抗元件， 而集电极与基极则接不同性质的电抗元件。
整理课件
20
＋
C1 Uo
Ui
V
－
L
－
Uf
C2
＋
(a)
整理课件
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4.2 反馈型振荡器的基本工作原理
反馈型振荡器是通过正反馈联接方式实现等幅正 弦振荡的电路。这种电路由两部分组成，一是放大电 路，二是反馈网络，见图4.1(a)。对电路性能的要求可 以归纳为以下三点：
整理课件
5
(1)保证振荡器接通电源后能够从无到有建立起 具有某一固定频率的正弦波输出。
Lc
C2
V R3
C1
L
RL
C2
(c )
(d )
图4.8 三整点理式课件振荡电路
23
e ＋
U i g i －
c
＋ g mUi
－
b
gP L g0 gL
(a )
(b)
图4.6 谐振回路的相频特性曲线
(a)并联谐振回路；(b)相频特性曲线
整理课件
18
4.2.3 正弦振荡电路的基本组成 (1) 放大电路。 (2) 正反馈网络。 (3) 选频网络。 (4) 稳幅环节。
整理课件
19
4.3 LC正弦振荡电路
4.3.1 三点式振荡电路 1.三点式振荡器的原理电路 图4.7（ａ）所示为电容三点式电路，又称为考毕
(4―3) (4―4)
整理课件
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T(j )
1
A
0
UiA
Ui
图4.2 满足起振条件和平衡条件的环路增益特性
整理课件
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起振
平衡
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1
A
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UiA″ UiAUiA′
Ui
图4.3 振荡幅度的建立和平衡过程
图4.4 振荡幅度的确定
整理课件
11
4.2.2 稳定条件 1.振幅稳定条件 设振荡器在Ui=UiA满足振幅平衡条件，如图4.4所