第四章 正弦波振荡器
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第4章正弦波振荡器
第 4 章正弦波振荡器一、本章的基本内容（1）掌握反馈正弦波振动器的工作原理及振荡的起振、平衡条件（2）掌握LC振荡器、晶体振荡器的电路组成、工作原理及其性能特点（3）了解频率稳定度的概念，了解影响频率稳定度的主要因素及稳频措施。
（4）了解RC振荡器的工作原理二、重点和难点重点：（1）反馈正弦波振动器的工作原理及振荡的条件（2）三点式LC振荡器电路组成原则、使用电路分析及振荡频率的计算。
（3）石英晶体谐振特性、晶体振荡器构成特点及优点。
难点（1）振动器的相位平衡条件的判断（2）振荡条件与电路参数的关系，振幅起振条件的计算。
（3）使用振荡电路的分析。
引言振荡器的作用：产生一定频率和幅度的信号按振荡波形不同分正弦波振荡器非正弦波振荡器按组成原理不同分负阻振荡器利用负阻器件的负阻效应产生振荡反馈振荡器利用正反馈原理构成,本质上也是负阻振荡器4.1 反馈振荡器的工作原理主要要求：掌握反馈振荡器的组成和基本工作原理理解反馈振荡器的起振条件和平衡条件，了解其稳定条件。
掌握反馈振荡器能否振荡的判断方法。
4.1.1 反馈振荡器的组成与基本工作原理一、 反馈振荡器的组成无外加输入信号 正弦波振荡器由放大器、反馈网络和选频网络组成图4-1 反馈振荡器构成框图二、 反馈振荡器的工作原理首要条件满足i f U U =起始信号来自电扰动输出信号大小满足要求时，要能自动稳定输出电压，实现i f U U =使电路进入稳定状态，输出幅度和频率都稳定的信号。
故要有稳幅环节（正弦波还要有选频网络）。
4.1.2 振荡的平衡条件和起振条件一、 振荡的平衡条件 由于i U U A 0=，0U U F f = （4-1） 故 i f FAU U = （4-2）有i f U U =，可得 AF=1由于环路增益 T=AF可得T=1振荡器的振幅平衡条件T=|AF|=1 （4-3）相位平衡条件3,2,01,2==+=n n f a T πϕϕϕ（4-4）振荡器要到达必须振幅条件和相位条件同时满足。
第四章 正弦波振荡器
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
1 2 4.7 10 330 10
6 12
4.0 MHZ
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 ～１０pF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。
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。
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 联回路的谐振频率分别是：f1=1／( 2 ),LfC=1／( ), 121 2 2 L3C f3=1／(L2C2 ), 试问ｆ1、 ｆ 、ｆ33满足什么条件时该振荡器 2 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。
要使振幅不断增长的条件是:
Uf U 0 U f T ( w) AF Ui U i U 0
正弦波振荡器-PPT
2
2001年9月--12月
6
导致振荡频率不稳定得原因(续2)
2、 影响环路 Q 值得因素
o
Q1 Q2
2
Q2
Q1
f01 f02
f0
f
▪ 器件输入、输出阻抗中得有功 部分。
▪ 负载电阻得变化。
▪ 回路损耗电阻尤其就是电抗元 件 得高频损耗,环路元器件得高频 响应等。
2
2001年9月--12月
7
导致振荡频率不稳定得原因(续3)
• 泛音晶体振荡器:利用石英谐振器得泛音振动特性对频率 实行控制得振荡器称为泛音晶体振荡器。这种振荡器可以将 振荡频率扩展到甚高频以至超高频频段。
2001年9月--12月
19
1、 并联型晶体振荡电路
(1)皮尔斯(C-B)电路
RFC
Rb1
C
B
VCC
Rb 2
E
C1
Cb Re C2
JT
C
C1
E
C2
B
Lq
• 温度隔离法:将关键电抗元件置于特制得恒温槽内,使槽内得 温度基本上不随外界环境温度得变化。
▪ 利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成得电 磁谐振系统,她就是高稳频率源得一个重要形式。 由于这种谐振系统构成得振荡器,不但频率稳定性、频率准确 度高,而且体积、耗电均很小,因此,在许多领域已被广泛地 采用。
0
2 L C
▪ 等号右边得负号表示频率变化得方向与电抗变化得方向刚好 相反。如电感量加大,振荡频率将降低。
2001年9月--12月
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主要稳频措施(续1)
▪ 温度补偿法和温度隔离法:引起电抗元件电感量和电容量 变化最明显得环境因素就是温度得变化。
高频电子线路-第4章--习题答案
第4章 正弦波振荡器4.1 分析图P4.1所示电路，标明次级数圈的同名端，使之满足相位平衡条件，并求出振荡频率。
[解] (a) 同名端标于二次侧线圈的下端601260.87710Hz 0.877MHz 2π2π3301010010f LC--===⨯=⨯⨯⨯(b) 同名端标于二次侧线的圈下端606120.77710Hz 0.777MHz 2π1401030010f --==⨯=⨯⨯⨯(c) 同名端标于二次侧线圈的下端606120.47610Hz 0.476MHz 2π5601020010f --==⨯=⨯⨯⨯4.2 变压器耦合LC 振荡电路如图P4.2所示，已知360pF C =，280μH L =、50Q =、20μH M =，晶体管的fe 0ϕ=、5oe 210S G -=⨯，略去放大电路输入导纳的影响，试画出振荡器起振时开环小信号等效电路，计算振荡频率，并验证振荡器是否满足振幅起振条件。
[解] 作出振荡器起振时开环Y 参数等效电路如图P4.2(s)所示。
略去晶体管的寄生电容，振荡频率等于0612Hz =0.5MHz 2π2π2801036010f LC--==⨯⨯⨯略去放大电路输入导纳的影响，谐振回路的等效电导为5661121042.7μS 502π0.51028010e oe oe o G G G G S S Q Lρω--=+=+=⨯+=⨯⨯⨯⨯⨯由于三极管的静态工作点电流EQ I 为12100.712330.6mA 3.3k EQV I ⨯⎛⎫-⎪+⎝⎭==Ω所以，三极管的正向传输导纳等于/0.6/260.023S fe m EQ T Y g I U mA mV ≈===因此，放大器的谐振电压增益为o muo eiU g A G U -==而反馈系数为f oU j M M F j L LU ωω-=≈=-这样可求得振荡电路环路增益值为60.023203842.710280meg M T A F G L -====⨯ 由于T >1，故该振荡电路满足振幅起振条件。
通信电路(第四版) 第4章
并联谐振回路中自由振荡衰减的原因在于损耗电阻的存在。
若回路无损耗, 即Ｒe0→∞, 则衰减系数α→０, 由式（4．2．1）
可知, 回路两端电压变化将是一个等幅正弦振荡。由此可以产 生一个设想, 如果采用正反馈的方法, 不断地适时给回路补充能
量, 使之刚好与Ｒe0上损耗的能量相等, 那么就可以获得等幅的
一个反馈振荡器必须满足三个条件： 起振条件（保证 接通电源后能逐步建立起振荡）, 平衡条件（保证进入维持 等幅持续振荡的平衡状态）和稳定条件（保证平衡状态不因 外界不稳定因素影响而受到破坏）。
图 4.2.3 反馈振荡器的组成
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
根据所产生的波形不同, 可将振荡器分成正弦波振荡器和 非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波, 后者能产生矩形 波、 三角波、 锯齿波等。 本章仅介绍正弦波振荡器。
常用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。按照选频网络 所采用元件的不同, 正弦波振荡器可分为ＬＣ振荡器、ＲＣ振 荡器和晶体振荡器等类型。其中ＬＣ振荡器和晶体振荡器用于 产生高频正弦波, ＲＣ振荡器用于产生低频正弦波。正反馈放 大器既可以由晶体管、 场效应管等分立器件组成, 也可以由集 成电路组成, 但前者的性能可以比后者做得好些, 且工作频率也 可以做得更高。本章介绍高频振荡器时以分立器件为主, 介绍 低频振荡器时以集成运放为主。
T( )
Uf Ui
AF
其中
A&
U&o U&i
,
F&
U&f U&o
(4.2.2)
其中Uf , Ui , A , F分别是反馈电压、输入电压、主
若回路无损耗, 即Ｒe0→∞, 则衰减系数α→０, 由式（4．2．1）
可知, 回路两端电压变化将是一个等幅正弦振荡。由此可以产 生一个设想, 如果采用正反馈的方法, 不断地适时给回路补充能
量, 使之刚好与Ｒe0上损耗的能量相等, 那么就可以获得等幅的
一个反馈振荡器必须满足三个条件： 起振条件（保证 接通电源后能逐步建立起振荡）, 平衡条件（保证进入维持 等幅持续振荡的平衡状态）和稳定条件（保证平衡状态不因 外界不稳定因素影响而受到破坏）。
图 4.2.3 反馈振荡器的组成
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
根据所产生的波形不同, 可将振荡器分成正弦波振荡器和 非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波, 后者能产生矩形 波、 三角波、 锯齿波等。 本章仅介绍正弦波振荡器。
常用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。按照选频网络 所采用元件的不同, 正弦波振荡器可分为ＬＣ振荡器、ＲＣ振 荡器和晶体振荡器等类型。其中ＬＣ振荡器和晶体振荡器用于 产生高频正弦波, ＲＣ振荡器用于产生低频正弦波。正反馈放 大器既可以由晶体管、 场效应管等分立器件组成, 也可以由集 成电路组成, 但前者的性能可以比后者做得好些, 且工作频率也 可以做得更高。本章介绍高频振荡器时以分立器件为主, 介绍 低频振荡器时以集成运放为主。
T( )
Uf Ui
AF
其中
A&
U&o U&i
,
F&
U&f U&o
(4.2.2)
其中Uf , Ui , A , F分别是反馈电压、输入电压、主
正弦波振荡器
要维持一定振幅的振荡，反馈系数F应设计得大 一些。一般取 1/ 2 ~ 1/8，这样就可以使得在 AoF 1 时 的情况下起振。
由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：
AoF 1
即
AAo
F1 F
2n
(n 1, 1, )
分别称为振幅起振条件和相位起振条件。
应用：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感 应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体 接近开关等。
正弦波振荡电路的组成
(1) 放大电路: 放大信号
(2) 反馈网络: 必须是正反馈，反馈信号即是 放大电路的输入信号
(3) 选频网络: 保证输出为单一频率的正弦波 即使电路只在某一特定频率下满足 自激振荡条件
17.3.2 正弦波振荡电路
正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦 交流信号。它的频率范围很广，可以从一赫以下到 几百兆以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦； 输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。 常用的正弦波振荡器
LC振荡电路:输出功率大、频率高。 RC振荡电路:输出功率小、频率低。 石英晶体振荡电路：频率稳定度高。
在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放 大管维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电 压的平衡，使振荡器得以维持。
4.1.2平衡条件
振荡器的平衡条件即为
T ( j) K( j)F( j) 1 也可以表示为 T ( j) KF 1
(4 ─ 9a)
T K F 2n
2) 相位平衡的稳定条件
相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本 身能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保 持其稳定的振荡。
强调指出：相位稳定条件和频率稳定条件实质上是 一回事。因为振荡的角频率就是相位的变化率 d 。
第四章正弦波振荡器
频率稳定度的定义
振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的 变化，引起振荡频率的变动，且在新的平 衡点又达到稳定平衡时，新的频率偏离原 频率的程度。（绝对稳定度、相对稳定度） 常用的是相对稳定度，用10-n表示，n的值 越大，稳定度越高。
二、互感反馈振荡器的振荡原理
⒈ 基本电路—调集型共射组态互感反馈振荡器
4。主要优缺点
优点：电容作为输出、反馈元件，它对谐 波呈现的阻抗小，因此输出波形好，振荡 频率高。 缺点：改变频率不方便， Co、Ci影响频率 稳定度。
二、电感三点式振荡电路
——哈特莱(Hartley)振荡器
晶体管三个极分别与LC回路的三个 点相联接，且反馈元件为电感，故 称为电感三点式振荡器。
互感反馈振荡电路的反馈极性
⒊ 起振条件和振荡频率
起振条件
Uo=yfe Ui Z0 Z0 为谐振阻抗
Au=Uo / Ui = yfe Z0
Fu=jwM（Uo /jwL）/Uo=M/L
∴ Au Fu =yfe Z0 M / L＞1 即要求yfe↑、M↑ 振荡频率（估算） fo=1/2п√LC
三、石英谐振器频率稳定度 高的原因
Q值高，利于稳频 在fs ~ fp之间等效为一特殊电感（斜率陡、 利于稳频） 接入系数小
四、晶体振荡器电路
⒈ 串联型晶体振荡器 ⒉ 并联型晶体振荡器 ⒊ 泛音晶体振荡器
⒈ 串联型晶体振荡器
将晶体作为一个短路元件串接在正反馈支
路中，工作在晶体的串联谐振频率上，称
三、三点式振荡电路的判别法则
Xce 、Xbe电抗性质相同， Xcb与它们
电抗性质相反。（射同基反）
四、三点式振荡电路判别举例
高频电子线路
电工学-第四章 正弦波振荡电路
R
1 jL jC j(L 1
C
)
( R L)
.
I
L/C
R j(L 1 )
C
+ L
•
U
C
_
R
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24
LC并联谐振回路的选频特性
•
Z
U
•
I
L/C
R j(L
1)
C
.
I
+ L
•
U
C
_
R
•
当LC并联回路发生谐振时，端电压 U 与总电
流
•
I
同相，即阻抗Z表现为纯电阻性。
谐振频率
o
Uf
•
F
Uo
•
•
由以上知，放大电路产生自激振荡的条件是 U f U i
••
•
则
AuF
Uo
•
U
•
f
U
•
f
1
Ui Uo Ui
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7
自激振荡
总结出自激振荡的条件：
（1）相位平衡条件
反馈电压
•
U
f
与输入电压
•
U
i
同相位，形成正反馈
（2）幅值平衡条件
反馈电压与输入电压大小相等： U f U i
C2
uf
首先判断相位平衡条件，见瞬时极性
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35
RB1
RC
+
RB2
uf
+
ube
RE
UCC
+
C1
L
+
C2
CE
21第四章正弦波振荡器-PPT文档资料
0 1 L C 2 L C 0
3. 改善C的方法——原因
C p C p C O i 1
2
2 2
C C C C 2 1 p p 1 2 C C C C C 1 1 2 2 C 1 2
上节总结:
根据反馈网络，正弦波振荡器分为互感耦合振荡器和三端式 振荡器（电容反馈和电感反馈）。 对于振荡器，关心的问题三个 是否是正反馈； 是否能起振； 振荡频率以及频率稳定度；
对于互感耦合三个问题的解答:
1、是否是正反馈？
采用瞬时极性法：即确定晶体管输入端和输出端后，假设晶体管输 入端对地的瞬时极性为正，则判断反馈信号到输入端的信号对地极 性，若为正，则是正反馈，可振荡，反之，不能振荡。
y fe C1' A0 F . ' 1 g C2
uce + C 2 gie
1 ' y ( g g g ) F g f e o e L 0 i e F
忽略 g ie , 则 1 j C 2 j L 1 1 L C 2
I
yfeube
goe gL g 0 C 1
L L L 2 M 1 2
电容三端式 波形 频率 频率稳定度 起振、调节 较好 较高 较好 较难
电感三端式 较差 较低 较差 较易
稳定度
1、频率稳定度定义:在一定时间间隔△t内，振荡器频率的 相对偏差的最大值，即
f c fc
t
f fc
t
2、频率稳定度的定量分析，即
Z Y F YF Z arctan 2Q 0 c 0 f 1 tan YF c 0 Q YF 2 2 fc 2Qcos 2Q c 0 YF
3. 改善C的方法——原因
C p C p C O i 1
2
2 2
C C C C 2 1 p p 1 2 C C C C C 1 1 2 2 C 1 2
上节总结:
根据反馈网络，正弦波振荡器分为互感耦合振荡器和三端式 振荡器（电容反馈和电感反馈）。 对于振荡器，关心的问题三个 是否是正反馈； 是否能起振； 振荡频率以及频率稳定度；
对于互感耦合三个问题的解答:
1、是否是正反馈？
采用瞬时极性法：即确定晶体管输入端和输出端后，假设晶体管输 入端对地的瞬时极性为正，则判断反馈信号到输入端的信号对地极 性，若为正，则是正反馈，可振荡，反之，不能振荡。
y fe C1' A0 F . ' 1 g C2
uce + C 2 gie
1 ' y ( g g g ) F g f e o e L 0 i e F
忽略 g ie , 则 1 j C 2 j L 1 1 L C 2
I
yfeube
goe gL g 0 C 1
L L L 2 M 1 2
电容三端式 波形 频率 频率稳定度 起振、调节 较好 较高 较好 较难
电感三端式 较差 较低 较差 较易
稳定度
1、频率稳定度定义:在一定时间间隔△t内，振荡器频率的 相对偏差的最大值，即
f c fc
t
f fc
t
2、频率稳定度的定量分析，即
Z Y F YF Z arctan 2Q 0 c 0 f 1 tan YF c 0 Q YF 2 2 fc 2Qcos 2Q c 0 YF
振荡器原理
极陡峭的电抗特性曲线。
分类：
– 并联谐振型晶体振荡器：等效为电感 – 串联谐振型晶体振荡器：等效为串联谐振回路
30
4.5.1 并联谐振型晶体振荡电路
C
C
C1
E
LJ T
C2
L1
E
C
JT
L2
B
B
C-b型电路(皮尔斯电路) b-e型电路（密勒电路）
VCC C
Cq C1
C1
E
Co Lq
JT C2
C2
rq
C L RL
3、起振条件
g n GT
4、平衡条件
g n GT
40
Vf 反馈网络F
振幅平衡条件： AF 1 相位平衡条件： A F 2n (n 0,1,2,3, )
7
二、 振荡器的起振条件
1、 平均放大倍数A
Vi
Vo
放大器A
2、 起振条件
Vf 反馈网络F
振幅起振条件： AF 1 相位起振条件： A F 2n (n 0,1,2,3, )
AF越大，起振越容易，通常取F =1/2~1/8
VC C
200pF 100pF C3 C4
0.01uF
C2 200pF
L 8uH
C5 5.1pF
C1 51pF
29
4.5 石英晶体振荡器
频率稳定度可达到10-6~10-11。 石英晶体振荡器的优点：
– 石英晶体的等效谐振回路有很高的标准性； – 石英晶体的Q值可高达数百万量级； – 在串并联谐振频率之间很窄的工作频带内，具有
1 L(C3 C4 )
❖可以通过调节C4来调节输出频率 ❖频率覆盖系数为1.6~1.8
27
例1：振荡电路如图示，它是什么类型振荡器？有何优 点？计算它的振荡频率。
分类：
– 并联谐振型晶体振荡器：等效为电感 – 串联谐振型晶体振荡器：等效为串联谐振回路
30
4.5.1 并联谐振型晶体振荡电路
C
C
C1
E
LJ T
C2
L1
E
C
JT
L2
B
B
C-b型电路(皮尔斯电路) b-e型电路（密勒电路）
VCC C
Cq C1
C1
E
Co Lq
JT C2
C2
rq
C L RL
3、起振条件
g n GT
4、平衡条件
g n GT
40
Vf 反馈网络F
振幅平衡条件： AF 1 相位平衡条件： A F 2n (n 0,1,2,3, )
7
二、 振荡器的起振条件
1、 平均放大倍数A
Vi
Vo
放大器A
2、 起振条件
Vf 反馈网络F
振幅起振条件： AF 1 相位起振条件： A F 2n (n 0,1,2,3, )
AF越大，起振越容易，通常取F =1/2~1/8
VC C
200pF 100pF C3 C4
0.01uF
C2 200pF
L 8uH
C5 5.1pF
C1 51pF
29
4.5 石英晶体振荡器
频率稳定度可达到10-6~10-11。 石英晶体振荡器的优点：
– 石英晶体的等效谐振回路有很高的标准性； – 石英晶体的Q值可高达数百万量级； – 在串并联谐振频率之间很窄的工作频带内，具有
1 L(C3 C4 )
❖可以通过调节C4来调节输出频率 ❖频率覆盖系数为1.6~1.8
27
例1：振荡电路如图示，它是什么类型振荡器？有何优 点？计算它的振荡频率。
正弦波振荡器
或者写成：
A F 1
A0F 1
A F 2n
课后思考题：在LC振荡器中，谐振回路是否等效成一个 电阻？振荡频率是否严格等于谐振回路的谐振频率？
三. 稳定条件
振荡器在工作过程中, 不可避免地要受到各种外界因素变化
的定影因响素,将如引电起源放电大压器波和动回、路温的度参变数化发、生变噪化声,干结扰果等使A。F这些变不化稳,
Uf
是反馈电压、 Ui 是输入电压、
A
是开环电压增益，
F 是反馈系数,
反馈型振荡器 正常工作的 三个条件：
一：起振条件
在接通电源瞬间, 电路中存在各种电扰动, 这些扰动均具
有很宽的频谱。 如果选频网络是由ＬＣ并联谐振回路组成,
则其中只有角频率为 谐振角频率ω0的分量才能通 过反馈产生
较大的 反馈电压 U f 。 如果在谐振频率处, U f 与原输入电
U f
j(
X
jX be be X
bc
)
U
c
X be X ce
U c
由电于路必中须U i满与足U正 c反反馈相：，所所以以UUi与f
U f
与
同相，而在共射 U c 反相
即：
X be 0 X ce
V
X1
X2
C2
C1
X3 L
(a)
V
L2
L1
X1
X2
X3 C
(b)
(a) 电容反馈振荡器; (b) 电感反馈振荡器
A 0
U c UC UCQ
Z
0
0
1)振幅平衡的稳定条件
2)相位平衡的稳定条件
第三节 反馈型LC振荡器
一 ，互感耦合振荡电路 二，电容反馈振荡电路 三，电感反馈振荡电路 电感三点式和电容三点式振荡电路的比较
第4章《高频电子线路》_(曾兴雯)_版高等教育出版社课后答案
4
第4章 正弦波振荡器
第一节
反馈振荡器的原理
一、反馈振荡器的原理分析
组成： （1）放大器
放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载， 是调谐放大器。
（2）反馈网络 一般是由无源器件组成的线性网络。 正反馈： U’i(s)与Ui(s)相位相同。
5
第4章 正弦波振荡器
一、反馈振荡器的原理分析
Ui (s) Us (s) Ui(s)
若 Uo Uc
jL Uc ZL R L e 放大器的负载阻抗 所以 Ic T(j) Yf (j)ZLF(j) Yf ( j)ZL F( j) 1
9
U Uc Uo Ic c 又 K( j) Yf (j)ZL I Ui Ub c Ub 因为 jf Ic Yf ( j) Yf e 晶体管的正向转移导纳 Ub
振幅条件的图解表示
U0 U02 U01 Ub1 Ub2 Ub3 Ub
振荡开始时应为增幅振荡！
12
第4章 正弦波振荡器
四、稳定条件 1、振幅稳定条件
T U i
K U i
0
Ui UiA
0
U i U iA
U’i UiA U’’i
因此，振荡器由增幅振荡过渡到稳幅振荡，是由放
大器的非线性完成的。由于放大器的非线性，振幅稳定 条件很容易满足。
②相位平衡条件，即正反馈条件
U b jX 2 I
U c jX 1 I
X1、X2为同性质电抗元件
判断三端式振荡器能否振荡的原则：
“射同余异”
或 “源同余异”
18
第4章 正弦波振荡器
一、振荡器的组成原则
第4章 正弦波振荡器
第一节
反馈振荡器的原理
一、反馈振荡器的原理分析
组成： （1）放大器
放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载， 是调谐放大器。
（2）反馈网络 一般是由无源器件组成的线性网络。 正反馈： U’i(s)与Ui(s)相位相同。
5
第4章 正弦波振荡器
一、反馈振荡器的原理分析
Ui (s) Us (s) Ui(s)
若 Uo Uc
jL Uc ZL R L e 放大器的负载阻抗 所以 Ic T(j) Yf (j)ZLF(j) Yf ( j)ZL F( j) 1
9
U Uc Uo Ic c 又 K( j) Yf (j)ZL I Ui Ub c Ub 因为 jf Ic Yf ( j) Yf e 晶体管的正向转移导纳 Ub
振幅条件的图解表示
U0 U02 U01 Ub1 Ub2 Ub3 Ub
振荡开始时应为增幅振荡！
12
第4章 正弦波振荡器
四、稳定条件 1、振幅稳定条件
T U i
K U i
0
Ui UiA
0
U i U iA
U’i UiA U’’i
因此，振荡器由增幅振荡过渡到稳幅振荡，是由放
大器的非线性完成的。由于放大器的非线性，振幅稳定 条件很容易满足。
②相位平衡条件，即正反馈条件
U b jX 2 I
U c jX 1 I
X1、X2为同性质电抗元件
判断三端式振荡器能否振荡的原则：
“射同余异”
或 “源同余异”
18
第4章 正弦波振荡器
一、振荡器的组成原则
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R1
Rc
Ec C3 C1
Re
C2
V
R2
C4
L
Cb
振荡器的振荡频率为
V C1
C3
1 1 ω1 ≈ ω0 = ≈ LC L(C3 + C4 )
C4
C2
L
西勒振荡器电路
第三节 振荡器的频率稳定度
频率稳定度的意义和表征 振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化， 振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化， 引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度， 引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度，是 振荡器的一个很重要的指标。 振荡器的一个很重要的指标。 频率稳定度分为绝对偏差和相对偏差。 频率稳定度分为绝对偏差和相对偏差。设 f 1 为实 绝对偏差 际工作频率， 为标称频率， 际工作频率 f o 为标称频率，则绝对偏差为∆f = f1 − f o 相对偏差为 ∆f = f1 − f o
放大特性
A
Uo
K A
反馈特性
0
Ub
0
1 P
Ub
振幅条件的图解表示
稳定条件
振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。 振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。 振幅稳定条件 振幅稳定条件为： 振幅稳定条件为： ∂T
∂U i U
∂K ∂K 又可写为 ∂U i <0
U i =U iA
i =U iA
检查如图所示的振荡器线路， 例4.1 检查如图所示的振荡器线路，有那些错 并加以改正。 误？并加以改正。
振荡电路如图所示， 例4.2 振荡电路如图所示，已知 =100μH，要求： C1=100pF,C2=300pF,L1=100μH，要求： （1）画出交流等效电路，说明振荡器类型（2） 画出交流等效电路，说明振荡器类型（ 估算振荡频率和反馈系数； 估算振荡频率和反馈系数； （3）求维持振荡所必需的最小电压增益。 求维持振荡所必需的最小电压增益。
<0
ϕL
ϕ L ′ − (ϕ f + ϕ F ′ )
π
ω1 ω 2
ω0
相位稳定条件为
∂ϕ L ∂ω <0
ω =ω1
− (ϕ f + ϕ F ′ )
ω
−π
振荡器稳定工作时回路的相频特性
LC振荡器 第二节 LC振荡器
振荡器的组成原则
三端式振荡器组成原则 （1）X1和X2电抗性质相同； X1和X2电抗性质相同； 电抗性质相同 （2）X3与X1,X2电抗性质相反。 X3与X1,X2电抗性质相反。 电抗性质相反 简记为“射同余异” 简记为“射同余异”
gL =
2 k F gie
+ g oe + g ′ L
c
L
由振荡器的振幅起振条件 + ɺ gmUb Y f RL F ′ > 1 ɺ Ub gie 可以得到
g m ≥ ( g oe 1 + g′ ) + g ie k F L kF
−
goe g′ L
e
ɺ I
C1
C2 gie
+ ɺ U′
b
−
(a)实际电路；(b)交流等效电路； (a)实际电路 (b)交流等效电路 实际电路； 交流等效电路； (c)高频等效电路 (c)高频等效电路
Xe Lq3 C0 Z(jω) Cq rq 0
ωs
ωp ω
某一频率等效电路
电抗特性
由于r 很小，当忽略它的影响时， 由于rq很小，当忽略它的影响时，等效电路两端的电抗 2 1 1 ωs j (ω Lq − )× 1− 2 jω C0 ω Cq 1 ω jX e = = 2 1 1 ωp jω C0 j (ω Lq − − ) 1− 2 ω Cq jω C0 ω
U o (s) K (s) = U i (s)
反馈网络
F(s)
U i ( s ) = U s ( s) + U i′ ( s )
K ( s) K ( s) K u (s) = = 1 − K ( s) F ( s) 1 − T ( s)
U i′ 其中 T ( s) = K ( s) F ( s ) = 称为反馈系统的环路增益 反馈系统的环路增益。 称为反馈系统的环路增益 U i (s)
皮尔斯(Pierce)振荡器引入一等效接入系数 皮尔斯(Pierce)振荡器引入一等效接入系数 (Pierce)
p′ = Cq C L + C0 + C q ≈ Cq C L + C0
得到谐振频率为： f1 = f q (1 + p ′ / 2) 得到谐振频率为：
Ec
ɺ g mU b
C
E
B − ɺ′ Ub +
克拉泼振荡器
在克拉泼振荡器中， 在克拉泼振荡器中，晶体管以部 分接入的形式与回路联接， 分接入的形式与回路联接，减弱 了晶体管与回路之间的耦合。 了晶体管与回路之间的耦合。接 入系数p 入系数p为: p = C ≈ C 3 假设电感两端的电阻为 R0 ，则 由图可知等效到晶体管CE CE两端的 由图可知等效到晶体管CE两端的 负载电阻 R L 为: RL = p 2 R0 ≈ ( C3 ) 2 R0
C1
C1 C1
Ec
R1
Rc
V
R2
C1
C2
C3
Cb
Re
L
C3
振荡器的振荡频率为: 振荡器的振荡频率为:
ω1 ≈ ω 0 =
1 ≈ LC 1 LC3
V
C1
L
C2
Ro
C1 反馈系数的大小为: 反馈系数的大小为: k F = C2
克拉泼振荡器电路
西勒振荡器
由图可知， 由图可知，回路的总电容为
1 C= + C 4 ≈ C3 + C 4 1 1 1 + + C1 C 2 C3
第四节 石英晶体振荡器
一、石英谐振器的物理特性和电特性 1.石英谐振器的物理特性 1.石英谐振器的物理特性
Z Y X X
X′
X Y X (b) Y
Y
Z′
(a)
石英片 电极
管座
石英谐振器的结构
①
具有正反压电效应 具有正反压电效应
正压电效应：指在晶体片两个侧面上施加压力时， 正压电效应：指在晶体片两个侧面上施加压力时， 晶体片就会产生机械变形，与此同时， 晶体片就会产生机械变形，与此同时，在它的表面上 还会产生异性电荷，异性电荷量Q 还会产生异性电荷，异性电荷量Q的多少正比于机械变 形x，即Q=K1x 反压电效应：指在晶体片两个表面上施加电压E 反压电效应：指在晶体片两个表面上施加电压E， 晶体会产生机械变形，如延伸。当电压的极性相反时， 晶体会产生机械变形，如延伸。当电压的极性相反时， 晶体就会收缩。机械变形量x正比于电压E 晶体就会收缩。机械变形量x正比于电压E，即x=K2E ② 具有非常稳定的物理特性和化学特性 具有各向异性（不同切割方式其性能也不同） ③ 具有各向异性（不同切割方式其性能也不同） 具有多模性（不仅有基音，还有泛音） ④ 具有多模性（不仅有基音，还有泛音）
式中
ωs =
ωp =
1 LqCq
------串联谐振角频率 ------串联谐振角频率
1 ------并联谐振角频率 ------并联谐振角频率 CqC0 Lq Cq + C0
=
Cq 1 1+ C0 Lq Cq Cq C0
= ωq 1 +
第四节 石英晶体振荡器
1.并联型晶体振荡器 1.并联型晶体振荡器
ω0 ω0 ∆ω1 ≈ ∆ω0 + ∆( ϕ f + ϕ F ′ ) − tan( ϕ f + ϕ F ′ )∆QL 2 2 2QL cos ( ϕ f + ϕ F ′ ) 2QL
反映了振荡器的不稳定因素，可用图表示。 反映了振荡器的不稳定因素，可用图表示。 频率的影响。 1)回路谐振频率 1)回路谐振频率 ω0 的影响 2)ϕ f + ϕ F ′ QL 对频率的影响。 设回路电感和电容的总变化量分别为 ∆L ∆C ，则由
fo fo
按照时间间隔长短不同，常将频率稳定度分为以下几种： 按照时间间隔长短不同，常将频率稳定度分为以下几种： ☉长期稳定度 ☉短期稳定度 ☉瞬时稳定度
振荡器的稳频原理
ϕT = ϕ f +ϕL +ϕF′ = 2nπ
ϕL = −(ϕf +ϕF′ )
ω0 ω1 = ω0 + tan( ϕ f + ϕ F ′ ) 2QL
C3
Cq
C1
C0
C2
V
C1 C2
C3
C3
Lq
Cc
rq
密勒(Miler)振荡器 振荡器 密勒
电感反馈振荡器
电感反馈振荡器的振荡频 率可以用回路的谐振频率 近似表示， 近似表示，即
ω1 ≈ ω 0 =
1 LC
R1
Ec
V
R2
Re
Ce
C
L1
L2
L1
L2
C
式中的L为回路的总电感， 式中的L为回路的总电感，
L = L1 + L2 + 2M
反馈系数的大小为
L2 + M k F = F ( jω) ≈ L1 + M
+
ɺ Ub gie
ɺ gmUb
c
ɺ ′ L I L2 goe gL 1
ɺ Uc
C
由起振条件分析同样可得 起振时的 g m ，应满足 1 g m ≥ ( g oe + g ′ ) + g ie k F L kF
−
gie
+ ɺ′ Ub
e
Rc
Ec C3 C1
Re
C2
V
R2
C4
L
Cb
振荡器的振荡频率为
V C1
C3
1 1 ω1 ≈ ω0 = ≈ LC L(C3 + C4 )
C4
C2
L
西勒振荡器电路
第三节 振荡器的频率稳定度
频率稳定度的意义和表征 振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化， 振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化， 引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度， 引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度，是 振荡器的一个很重要的指标。 振荡器的一个很重要的指标。 频率稳定度分为绝对偏差和相对偏差。 频率稳定度分为绝对偏差和相对偏差。设 f 1 为实 绝对偏差 际工作频率， 为标称频率， 际工作频率 f o 为标称频率，则绝对偏差为∆f = f1 − f o 相对偏差为 ∆f = f1 − f o
放大特性
A
Uo
K A
反馈特性
0
Ub
0
1 P
Ub
振幅条件的图解表示
稳定条件
振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。 振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。 振幅稳定条件 振幅稳定条件为： 振幅稳定条件为： ∂T
∂U i U
∂K ∂K 又可写为 ∂U i <0
U i =U iA
i =U iA
检查如图所示的振荡器线路， 例4.1 检查如图所示的振荡器线路，有那些错 并加以改正。 误？并加以改正。
振荡电路如图所示， 例4.2 振荡电路如图所示，已知 =100μH，要求： C1=100pF,C2=300pF,L1=100μH，要求： （1）画出交流等效电路，说明振荡器类型（2） 画出交流等效电路，说明振荡器类型（ 估算振荡频率和反馈系数； 估算振荡频率和反馈系数； （3）求维持振荡所必需的最小电压增益。 求维持振荡所必需的最小电压增益。
<0
ϕL
ϕ L ′ − (ϕ f + ϕ F ′ )
π
ω1 ω 2
ω0
相位稳定条件为
∂ϕ L ∂ω <0
ω =ω1
− (ϕ f + ϕ F ′ )
ω
−π
振荡器稳定工作时回路的相频特性
LC振荡器 第二节 LC振荡器
振荡器的组成原则
三端式振荡器组成原则 （1）X1和X2电抗性质相同； X1和X2电抗性质相同； 电抗性质相同 （2）X3与X1,X2电抗性质相反。 X3与X1,X2电抗性质相反。 电抗性质相反 简记为“射同余异” 简记为“射同余异”
gL =
2 k F gie
+ g oe + g ′ L
c
L
由振荡器的振幅起振条件 + ɺ gmUb Y f RL F ′ > 1 ɺ Ub gie 可以得到
g m ≥ ( g oe 1 + g′ ) + g ie k F L kF
−
goe g′ L
e
ɺ I
C1
C2 gie
+ ɺ U′
b
−
(a)实际电路；(b)交流等效电路； (a)实际电路 (b)交流等效电路 实际电路； 交流等效电路； (c)高频等效电路 (c)高频等效电路
Xe Lq3 C0 Z(jω) Cq rq 0
ωs
ωp ω
某一频率等效电路
电抗特性
由于r 很小，当忽略它的影响时， 由于rq很小，当忽略它的影响时，等效电路两端的电抗 2 1 1 ωs j (ω Lq − )× 1− 2 jω C0 ω Cq 1 ω jX e = = 2 1 1 ωp jω C0 j (ω Lq − − ) 1− 2 ω Cq jω C0 ω
U o (s) K (s) = U i (s)
反馈网络
F(s)
U i ( s ) = U s ( s) + U i′ ( s )
K ( s) K ( s) K u (s) = = 1 − K ( s) F ( s) 1 − T ( s)
U i′ 其中 T ( s) = K ( s) F ( s ) = 称为反馈系统的环路增益 反馈系统的环路增益。 称为反馈系统的环路增益 U i (s)
皮尔斯(Pierce)振荡器引入一等效接入系数 皮尔斯(Pierce)振荡器引入一等效接入系数 (Pierce)
p′ = Cq C L + C0 + C q ≈ Cq C L + C0
得到谐振频率为： f1 = f q (1 + p ′ / 2) 得到谐振频率为：
Ec
ɺ g mU b
C
E
B − ɺ′ Ub +
克拉泼振荡器
在克拉泼振荡器中， 在克拉泼振荡器中，晶体管以部 分接入的形式与回路联接， 分接入的形式与回路联接，减弱 了晶体管与回路之间的耦合。 了晶体管与回路之间的耦合。接 入系数p 入系数p为: p = C ≈ C 3 假设电感两端的电阻为 R0 ，则 由图可知等效到晶体管CE CE两端的 由图可知等效到晶体管CE两端的 负载电阻 R L 为: RL = p 2 R0 ≈ ( C3 ) 2 R0
C1
C1 C1
Ec
R1
Rc
V
R2
C1
C2
C3
Cb
Re
L
C3
振荡器的振荡频率为: 振荡器的振荡频率为:
ω1 ≈ ω 0 =
1 ≈ LC 1 LC3
V
C1
L
C2
Ro
C1 反馈系数的大小为: 反馈系数的大小为: k F = C2
克拉泼振荡器电路
西勒振荡器
由图可知， 由图可知，回路的总电容为
1 C= + C 4 ≈ C3 + C 4 1 1 1 + + C1 C 2 C3
第四节 石英晶体振荡器
一、石英谐振器的物理特性和电特性 1.石英谐振器的物理特性 1.石英谐振器的物理特性
Z Y X X
X′
X Y X (b) Y
Y
Z′
(a)
石英片 电极
管座
石英谐振器的结构
①
具有正反压电效应 具有正反压电效应
正压电效应：指在晶体片两个侧面上施加压力时， 正压电效应：指在晶体片两个侧面上施加压力时， 晶体片就会产生机械变形，与此同时， 晶体片就会产生机械变形，与此同时，在它的表面上 还会产生异性电荷，异性电荷量Q 还会产生异性电荷，异性电荷量Q的多少正比于机械变 形x，即Q=K1x 反压电效应：指在晶体片两个表面上施加电压E 反压电效应：指在晶体片两个表面上施加电压E， 晶体会产生机械变形，如延伸。当电压的极性相反时， 晶体会产生机械变形，如延伸。当电压的极性相反时， 晶体就会收缩。机械变形量x正比于电压E 晶体就会收缩。机械变形量x正比于电压E，即x=K2E ② 具有非常稳定的物理特性和化学特性 具有各向异性（不同切割方式其性能也不同） ③ 具有各向异性（不同切割方式其性能也不同） 具有多模性（不仅有基音，还有泛音） ④ 具有多模性（不仅有基音，还有泛音）
式中
ωs =
ωp =
1 LqCq
------串联谐振角频率 ------串联谐振角频率
1 ------并联谐振角频率 ------并联谐振角频率 CqC0 Lq Cq + C0
=
Cq 1 1+ C0 Lq Cq Cq C0
= ωq 1 +
第四节 石英晶体振荡器
1.并联型晶体振荡器 1.并联型晶体振荡器
ω0 ω0 ∆ω1 ≈ ∆ω0 + ∆( ϕ f + ϕ F ′ ) − tan( ϕ f + ϕ F ′ )∆QL 2 2 2QL cos ( ϕ f + ϕ F ′ ) 2QL
反映了振荡器的不稳定因素，可用图表示。 反映了振荡器的不稳定因素，可用图表示。 频率的影响。 1)回路谐振频率 1)回路谐振频率 ω0 的影响 2)ϕ f + ϕ F ′ QL 对频率的影响。 设回路电感和电容的总变化量分别为 ∆L ∆C ，则由
fo fo
按照时间间隔长短不同，常将频率稳定度分为以下几种： 按照时间间隔长短不同，常将频率稳定度分为以下几种： ☉长期稳定度 ☉短期稳定度 ☉瞬时稳定度
振荡器的稳频原理
ϕT = ϕ f +ϕL +ϕF′ = 2nπ
ϕL = −(ϕf +ϕF′ )
ω0 ω1 = ω0 + tan( ϕ f + ϕ F ′ ) 2QL
C3
Cq
C1
C0
C2
V
C1 C2
C3
C3
Lq
Cc
rq
密勒(Miler)振荡器 振荡器 密勒
电感反馈振荡器
电感反馈振荡器的振荡频 率可以用回路的谐振频率 近似表示， 近似表示，即
ω1 ≈ ω 0 =
1 LC
R1
Ec
V
R2
Re
Ce
C
L1
L2
L1
L2
C
式中的L为回路的总电感， 式中的L为回路的总电感，
L = L1 + L2 + 2M
反馈系数的大小为
L2 + M k F = F ( jω) ≈ L1 + M
+
ɺ Ub gie
ɺ gmUb
c
ɺ ′ L I L2 goe gL 1
ɺ Uc
C
由起振条件分析同样可得 起振时的 g m ，应满足 1 g m ≥ ( g oe + g ′ ) + g ie k F L kF
−
gie
+ ɺ′ Ub
e