第4章LC振荡器(演示)

。
LC谐振回路引出 三个端点，分别 与晶体管的三个 电极相连接，所 以又叫做电感三 端式振荡器。
这种电路能否起振，关键问题是看它能否构 成正反馈，即能够满足相位平衡条件。 由放大器的倒相作用，回路 上的输出电压Vo与Vi相差 180o。回路谐振时，Vo在 CL2支路内所产生的电路I 超前于Vo 90o，I在L2两端 产生的电压降也超前于I 90o，所以Vf与Vi 同相。
4.3及穿插在4.4、4.6、4.7
第4章 正弦波振荡器
4.1 反馈振荡器的原理（重点）
4.2 LC振荡器（重点）
4.3 频率稳定度 4.4 LC振荡器的设计考虑 4.5 石英晶体谐振器（重点） 4.6 振荡器中的几种现象
4.7 RC振荡器（重点）
4.8 负阻震荡器
4.1
本节知识点：
反馈振荡器的原理
C1 C2 1 LC1C2 2
1 LC
其中，
C
C1C2 C1 C2
若考虑振荡回路损耗和负载的影响，但不考虑晶体 管内反馈，这种电路的起振条件为：
或写为
h fe R hie
C2 C1
' p
hie C2 hie h fe ' ' C1 Rp h fe Rp
' h fe R p
+Ec
RL 5
1 Rb 1 V C 2 L 3 Ce
4
Rb 2
C b Re
(a)
图 3-1 高频小信号谐振放大器
第4 章
正弦波振荡器
本章知识点及结构
工作原理（功能？如何实现功能？）
正 弦 波 振 荡 器
4.1
电路构成（有哪几部分？不同形式电路的 优缺点比较？）4.2、4.4、4.8
性能指标（有哪些？如何计算或评价）
第3章
高频谐振放大器
高频谐振放大器的电路结构：
高频谐振放大器的主要特点是放大器的负载为
谐振回路，使该电路具有选频作用。
高频谐振放大器包括：高频小信号谐振放大器
和高频谐振功率放大器。
对高频小信号放大器的主要要求：
⑴ 增益高。 ⑵ 频率选择性好。 ⑶ 工作稳定可靠。 ⑷ 噪声低。
3.1.1 高频小信号谐振放大器的工作原理
小 结
4.1.5 振荡线路举例——互感耦合振荡器
正弦波反馈振荡器主要由三个部分构成
电源 有源器件 选频网络
反馈网络
根据反馈网络
互感反馈振荡器：由互感构成反馈网络 电感反馈振荡器：由电感构成反馈网络 电容反馈振荡器：由电容构成反馈网络
高频谐振放大器
正弦波振荡器
1 Rb 1 V C 2 L 3 Ce
(4-1)
U o (s) K (s) U i (s)
U i( s ) F (s) U o (s)
(4-2)
由
电压反馈系数
(4-3)
合成输入电压
Ui (s) Us (s) Ui(s)
(4-4)
可写出

定义：
K (s) K (s) K u (s) 1 K (s) F (s) 1 T (s)
1 K (s) F (s) 通常又称为振荡器的平衡条件。
由式(4-7)可知：
KK((j s )ω)F(jω)=1 K (s) T (j ω )= K u (s)
1 T (s)
(4-7)
T ( j ) 1，即U i( j ) U i ( j ) ， 形成增幅振荡 T ( j ) 1，即U i( j ) U i ( j ) ， 形成减幅振荡
U i( s ) T (s) K (s) F (s) U i (s)
(4-5)
(4-6)
T(s)称为反馈系统的环路增益。用函数jω=s代入，即 可得到稳态下的传输系数和环路增益：
T(jω )=K(jω )F(jω )
若使某一频率ω1=ω，则T(jω1)等于1，由式(4-5)可
知，Ku(jω)将趋于无穷大！这表明即使没有外加信号，也 将自身激发而产生信号输出，即自激振荡。 因此自激振荡的条件就是环路增益为1，即
三端式LC振荡器是一种反馈式LC振荡器。
为得到正反馈，反馈电路必须使晶体管交流
电压的瞬时极性满足一定的相位关系：
Vbe为负时，Vce应为正，即Vbe与Vce反相
。即Veb与Vce同相。只有电抗Xce与Xeb性
质相同才有保证其同相。
当回路元件的电阻很小，可以忽略其影响，
同时也忽略三极管的输入阻抗与输出阻抗 的影响，则电路要维持振荡必须满足
n 0,1,2, (4-16b)
式(4-16a)和(4-16b)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。
振荡器工作时由|T(jω)|>1 到|T(jω)|=1 的过渡 放大器进行小信号放大时必须工作在晶体管的线性放大区。
起振时放大器工作在线性区，
此时放大器的输出随输入信号的增 加而线性增加；随着输入信号振幅 的增加，放大器逐渐由放大区进入 饱和区或截止区，进入非线性状态， 此时的闭环增益将随输入信号的增 加而下降，如图(4-2)所示。
4 RL 5
Rb 2
C b Re
(a)
图 3-1
高频小信号谐振放大器
图 4-4
互感耦合振荡器
4.2 LC振荡器
本节知识点：
一、 三点式LC 振荡器相位平衡条件的判断准则（重点） 二、 电容反馈三点式振荡器（考毕兹振荡器） 三、 电感反馈三点式振荡器（哈特莱振荡器）
LC振荡器根据其反馈网络的不同可以分为
(a) 反馈器是线性器件； 放大器是非线性器件。
(b) 在A点，K=1/F,则闭 环增益T=KF=1.
K
图 4-2
振幅条件的图解表示
当环路增益下降到|T(jω)|=1 时，振幅的 增长过程将停止，振荡器到达平衡状态，进行等 幅振荡。
可见，振荡器由增幅振荡过渡到稳幅振荡,
是由放大器的非线性特点实现的。
(4-8)
4.1.2 平衡条件
振荡器的平衡条件(4 -7)式： T(jω)=K(jω)F(jω)=1
也可以表示为
|T(jω)|=KF=1 (4-9a)
T K F 2nπ
n 0,1,2,
(4-9b)
式(4-9a)称为振幅平衡条件； 式(4-9b)称为相位平衡条件。
（平衡条件同时也称为“维持自激振荡的两个条件”）
只要适当选择L1和L2的比值，使其满足 AF>1, 电路就能够产生振荡。
下面分析这种电路的起振条件和工作频率
由ｈ参数等效电路可以推导，电感反馈三 端电路的起振条件：
，互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器 和电容反馈式振荡器三种类型。 本节重点介绍不同型式的反馈性LC振荡器 ，以三点式振荡器作为重点。
4.2.1 振荡器的组成原则
基本电路就是通常所说 的三端式(又称三点式) 的振荡器，即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，如图所示。
三端式振荡器电路的一般形式
一、从调谐放大电路到自激振荡电路 二、维持自激振荡的两个条件
（即振荡的平衡条件）
三、振荡的起振条件 （即通电之初，振荡是如何建立起来的？） 四、振荡的稳定条件
4.1.1 反馈振荡器的原理分析
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。放大器通常是以振荡回路作负载，是一调谐 放大器；反馈网络一般是由无源器件组成的线性电路。
为了能产生自激振
荡，必须有正反馈，即 反馈到输入端的信号和 放大器输入端的信号相 位相同。
图 4-1 反馈型振荡器原理框图
对于图4-1，设放大器的电压放大倍数为K (s)，反馈
网络的电压反馈系数为F (s)，闭环电压放大倍数为Ku(s)，
则
U o ( s) K u ( s) U s ( s)
（开环增益）
工作频率约在几MHz到几百MHz的范围 ，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路 高一些，约为10-3 ~10-4 量级，采取一 些稳频措施后，还可以再高一些。
三端式LC振荡器有许多种，主要有：
电感三端式，又称哈特莱振荡器(Hartley) ;
电容三端式，又称考毕兹振荡器(Coplitts);
串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器
|T(ωo)| 1 B A
UiB
UiA
Ui
通过上述讨论可见，要使平衡点稳定， |T(ωo)|必须在UiA附近具有负斜率变化。
稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件
要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有 阻止振幅变化的能力。则振幅稳定条件应为
T U i
0
Ui UiA
(4-17)
由于反馈网络为线性网络，即反馈系数的大小不随输
振幅平衡条件决定了振荡器输出信号的振幅大小。 相位平衡条件决定了振荡器输出信号的频率大小。 但必须指出，环路只有在某一特定的频率（ f） 上才能满足相位平衡条件，这一频率也就是回路的 谐振频率（f0）。
4.1.3 振荡器的起振条件
振荡器在实际应用时，不应有图 4-1所示 的外加信号Us(s)。 振荡的最 初来源是振荡 器在接通电源 时,不可避免 地存在的电冲 击及各种热噪 声等电信号。
hie
C2 1 C1 h fe
相当于放大器的电压放大倍数A 为反馈系数的倒数1/F
考毕兹电路的优点： 1、振荡波形好； 2、电路的频率稳定度高，适当加大回路的电 容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率 的影响； 3、电容三端电路的工作频率可以做得较高， 可直接利用振荡管的输出、输入电容作为 回路的振荡电容，其工作频率可以做到几 十MHz到几百MHz的甚高频段范围。
以
利用矢量分析法可以证明
该电路满足相位平衡条件。
只要适当选取C1和C2的
比值，并使放大器有足够 的放大量，电路就能够 振荡。
对电路定量分析可得振荡器的工作频率为
1 f0 2 C1 C2 1 LC1C2 2
由于
' hoe C1 C2 LC1C2 hieC1C2 ，所以
1 f0 2
电路的缺点：
调节C1和C2来改变振荡频率时，反馈系数 也将改变，从而影响到起振条件和工作状 态。但只要在L两端并上一个可变电容器 ，并令C1、C2为固定电容，则在调整频 率时，基本不会影响反馈系数。
4.2.3 电感反馈振荡器
谐振回路作为
集电极负载， 利用电感L2将 谐振电压反馈 到基极，故称
电感反馈振荡器，或称“Hartley”振荡器
X be X ce X cb 0
否则无法满足回路谐振条件。
三端式振荡电路满足相位平衡条件的准则如 下： 1、Xce与Xeb的电抗性质相同，而与Xcb的电 抗性质相反。即ce、be同抗件，cb反抗 件。 2、对于振荡频率应满足 X be X ce X cb 以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理 ，能否起振。
振荡电路在加电时，晶体管的电流由零陡
然增加，突变电流包含有很宽的频谱分量。

电路的起
振过程非常短 暂！只要电路 满足起振条件 ，在振荡器加 电后，输出端 就有幅度稳定 的输出信号。
电路的起振过程
4.1.4 振荡器的稳定条件
如果环路增益特性存在着两个平衡点A和B， 其中，A点是稳定的，而B是不稳定点。
图 4-1 反馈型振荡器原理框图
为了使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈信号大
于输入到放大器的信号，即振荡开始时应为增幅振荡，因而 式(4-8)应为：

T(jω)>1
(4-8’)
上式称为自激振荡的起振条件。 可写为：
T ( j ) Yf RL F 1
(4-16a)
T f L F 2nπ
入信号改变，故振幅稳定条件又可写为
K U i
0
U i U iA
(4-18)
相位的稳定是靠ω增加、 L 降低来实现的，即并联振
荡回路的相位特性保证了相位稳定。
因此相位稳定条件为： L

0
wk.baidu.com1
(4-20)
回路的Q值越高， K / U i 值越大，其相位稳定性越好。
（Clapp）
并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器
（Selier）
三端式振荡器有两种基本电路，如图所示。
(a) 电容反馈振荡器；(b) 电感反馈振荡器
图 4-6 两种基本的三端式振荡器
4.2.2 电容反馈振荡器
利用C2将谐振回路的 的一部分电压反馈到 基极。LC谐振回路的 三个端点分别与晶体 管的三个电极相连，所 以称为电容反馈三端式 振荡器，或考毕兹振 荡器。
为便于记忆，可以将此原则具体化: 与晶体 管发射极相连的两个电抗元件必须是同性质 的，而不与发射极相连的另一电抗与它们的 性质相反，简单可记为“射同余异”。 考虑到场效应管与晶体管电极对应关系，只 要将上述原则中的发射极改为源极即可适用 于场效应管振荡器，即“源同余异”。
三端式LC振荡器
三端式LC振荡电路是经常被采用的，其