第四章 正弦振荡电路

【例】 一LC振荡器的实际电路，反馈网络是由电感L和L1之 间的互感M来实现，称之为LC互感耦合振荡器，其中电容Cb为 耦合电容，电容Ce为高频旁路电容，都为大电容。画出交流等 效电路，分析该电路满足正反馈时其同名端的位置。
M C Rb1 Cb L L1 UCC
Rb2 Re Ce
解：耦合电容Cb和高频旁路电容Ce在高频时作为短路处理； LC并联回路其接电源的一端作为接地处理；基极偏置电阻交流 等效为Rb1//Rb2，但该电阻与晶体管be结电阻相比很大，此处作 为断路处理。 该LC互感耦合振 荡器的交流等效电 路如图所示，根据 瞬时极性法，当电
—
+
C
M L
+
L1
+
路满足正反馈时，
其同名端如图所示。
(b)
小功率振荡器可直接工作在甲（乙）类 大功率振荡器多采用丙类振荡电路 直接负偏置的丙类电路无法直接起振：
采用自偏电 路可实现甲 类起振、丙 类工作：
4.3 LC振荡电路
定义：利用LC元件组成选频网络的反馈性振荡电路
4.3.0 调谐型振荡电路


2
环路相位变化对角频率 的影响
0 0 C
C
d dt

相位稳定条件：

2
AF ( ) 0 0
例题
1. 反馈型正弦波振荡器起振的振幅 条件是：___，相位条件是：___。 2. 反馈型正弦波振荡器的振幅平衡 条件是：___，相位条件是：___。 3. 反馈型正弦波振荡器的振幅稳定条件是：___， 相位稳定条件是：___。 4. 反馈型正弦波振荡器的电路构成，必须有：___， ___，___。
(2) 由于晶体管的输入、输出电容本身比C1、C2小很多，这里 忽略晶体管的输入、输出电容。 (3)分析谐振 忽略晶体管正向传输导纳的相移，用跨导gm表示。在图中， gp 利用平衡条件 分析反馈 求解增益 AF 表示除晶体管外的电路中所有电导折算到 ce 两端的总电导。 求解谐振频率 解出晶体管参数
能否正反馈：能，相位平衡条件满足 电路增益：
U o I c R I b R R A U i I b Ri I b Ri Ri
振幅平衡条件： AF 1
Ri 1 1 F F Rs R0
C1 F (0 ) C2
C1 Co C C2 Ci C
( ) F ( ) | 1 | A 0 0 AF (0 ) 2n , n 0,1, 2,
在起振的开始阶段，振荡的幅度还很小，电路尚未进入 非线性区，振荡器可以作为线性电路来处理，即可用小信
号电路等效模型分析起振条件。
2．平衡过程
振荡幅度的增长过程不会一直无止境地进行下去，当反馈信 号正好等于输出电压所需的输入电压时，振荡幅度不再增大， 电路进入平衡状态。则振荡的平衡条件为 振幅平衡 条件
| A(0 ) F (0 ) | 1 AF (0 ) 2n , n 0,1, 2,
相位平衡 条件
巴克豪森准则(Barkhousen Criterien)：
( ) F ( ) 1 A 0 0
相位平衡条件是先决的、 最本质的条件
3．稳幅过程
内稳幅：靠放大电路中晶体管所固有的非线性 特性达到稳定值
第四章 正弦波振荡器
如何从无到有的产生正弦波
一、概述


自激式振荡器定义： 是指在没有外加信号作用下的一种自动 将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡 能量的装置。
1.在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器） 所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。
2.在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个“本地振 荡”信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号。
1 (1 n)2 L1C
三端电感振荡电路优点： 三端电容振荡电路优点： 输入和反馈端是电容，对高次 容易通过调节电容改 谐波电抗小，振荡波形好 变振荡频率，调节时 不影响反馈系数 只要减小电容就能提高振荡频 率，若不外加电容，仅利用晶 体管的极间电容作回路电容， 则振荡频率可高达几百兆赫， 甚至上千兆赫 三端电感振荡电路缺点：
电Biblioteka Baidu三点式振荡器， 也称哈特莱(Hartley)振荡器
【例】 图示电路，两个LC并联回路的谐振频率分别 是
f1 1/ 2 L1C1 和 f2 1/ 2 L2C2，请问电路是
否能够发生振荡？若能，求振荡频率f0与f1、f2的关系。
解：要使电路能够正常振荡，需满足三端式电路的组成原则。由于 连接基极与集电极的为电容，故电路只能组成电感三点式振荡器， 即L1C1、L2C2回路应呈感性。由于LC并联回路谐振频率大于工作频 率时，回路呈感性，即应满足：
F
4. 利用平衡条件，确定产生和维持振荡的晶体管参数。
AF 1
振荡器的振幅 起振条件为
振幅条件
Ri 1 1 F F Rs R0
相位平衡条件已在2的分析中满足
整理并小结：
振荡角频率：
0
1 CC L 1 2 C1 C2
考虑极间电容， 实际角频率略大 于所求值。
f0
1 2 LC

1 2 ( L1 L2 2M )C
相位关系为：
反馈系数为：
U f L2 M F U c L1 M
根据平衡条件可求出的晶体管参数β
若M=0：
1 0 ( L1 L2 )C
M 2 L1L2 , M nL1 有： 对全耦合电路，
0
输出端和反馈端均 为电感，振荡波形 不太好 电感上的分布电容 和晶体管的极间电 容影响环路增益， 电路的振荡频率不 能过高
三端电容振荡电路缺点： 改变频率不方便，适用于作为 固定频率的振荡器 C1和C2接在晶体管集射极和基射 极上，振荡频率越高， C1和C2 的电抗越小，此时晶体管的极 间电容将直接影响到C1和C2，从 而影响振荡频率的稳定性
1. 分析其谐振特性，求解谐振频率
p
1 CC L 1 2 C1 C2
2. 分析其反馈特性，判断是否能发生正反馈 当选频网络的输入信号频率为 ωp时，选频网络与放大电路 的反相作用相加，从而可以构 成正反馈
3. 求解放大电路与选频电路的增益
Rs
Ri
定义反馈系数F：
1 U f C2 C1 F 1 Uo C2 C1
V i
( ) A
Zi
V o
( ) F
Zi
V f
定义环路的增益为
U f AF U i

1．起振过程
为了使振荡器的输出振荡电压在接通直流电源后由小增大，
则要求反馈电压幅度必须大于输入信号幅度，反馈电压相位 必须与放大器输入相位相同，也就是要求是正反馈，即 振幅起振 条件 相位起振 条件
采用互感耦合线圈作为反 馈网络。 依据谐振回路接在晶体管 的电极位置可命名为调基、 调集、调射电路。
4.3.1 三点型LC振荡电路
三点型振荡电路： 将三个电抗元件 分别接在晶体管 的三个电极间
产生振荡的基本条件？
正反馈相位平衡
谐振网络
回路谐振时，ic,ib,ie远远小于谐振电流 则回路总阻抗：
1 ( ) | |F 0
( , V ) | |A 0 i 0
E
0
ViD Vi Vic
B
( , V ) | | A 0 i 0 | F (0 ) | Vi V V *
i i
*
Vi
振幅稳定条件：
Vie
Vib
Vi
硬激励和软激励的区别
相位稳定条件的定义
AF ( )
D
0 D B
与放大器不一样，反馈振荡器没有外加激励信号，其最初
的激励是在接通电源时，电路中存在各种电扰动和热噪声等， 这些小扰动的幅度很小，具有很宽的频谱。为了使放大器的 输出为一个固定频率的正弦波，则闭环环路必须含有选频网 络，通过选频网络从很宽的频谱资源中选出需要的工作频率， 而将其余的频率分量抑制掉，因此反馈振荡器还必须有选频 网络。一个反馈振荡器要正常的工作，必须满足三个条件： 起振条件、平衡条件以及稳定条件。
V0*
vO
t
ViD Vi * Vic
Vi
V0*
线性区
非线性区
稳定条件：
两种可能的平衡状态： 稳定平衡状态，干扰因素消失后振荡能自动回到原 来的平衡状态 不稳定平衡状态，干扰因素消失后越来越偏离原来 的平衡状态
振幅稳定条件的定义
( , V ) | |A 0 i
A D B
C
左图中的B点即为稳定平 衡状态
f1 f0
f2 f 0

例：试用相位条件的判断准则，判明图示的 LC振荡器交流等效电路，哪个可以振荡？哪 个不可以振荡？或在什么条件下才能振荡？

例：试判断该电路是否能振荡？若可以振荡， 说明其振荡条件。若不能，改正之。
一、三点式电容振荡电路（考毕兹电路）
(1) 忽略反向传输导纳， Yre=0。 思路：
3.在研制、调测各类电子设备时，常常需 要信号源和各种测量仪器，在这些仪器中大多 包含有振荡器。 例如高频信号发生器、音频信号发生器、 Q表以及各种数字式测量仪表等。
4.在工业生产中的高频加热、超声焊接以 及电子医疗器械也都广泛应用振荡器。 可见正弦波振荡器在电子技术领域里有着 广泛的应用。
二、振荡器的种类
将gie折算到ce端， 因此放大器总的负载电阻为
1 1 1 F2 R RS Rp Ri
注：课本中R0与这里的Rp接的位置不同，但意义相同。
U o I c R I b R R A U i I b Ri I b Ri Ri
环路谐振时的总增益为
AF
R
Ri
X be X ce X bc 0
能否起振？ 什么情况下起振？
三个电抗元件不能同时为电感或电容！需由两种 不同性质元件构成。
相位平衡电压关系
综上，从相位平衡条件判断三点式振荡器能否
振荡的原则是：与发射极相连的为同性质电抗元
件，不与发射极相连的为异性质电抗元件（射同
它异）。
电容三点式振荡器 也称考毕兹(Colpitts)振荡器
ic
Q
ic (t )
ic (t )
Z (0 )

L
C
r
I CQ
0

vBE
t
v0 (t )

VBEQ
0
vi (t ) vi (t )
0
vi (t )
0
v0 (t )
t
t
t
小信号大信号
输出电压从起振到稳定的全过程：
( , V ) | |A 0 i
1 ( ) | |F 0
0
A
D B
C
' 1 ' 2
通常考虑易起振又不致使振荡波形的非线性失 真严重，F都选得较小，大约在0.01~0.5之间
Ri 1 Rc F
' Ri C 2 ' R0 C1
二、三点式电感振荡电路（哈特莱电路）
＋
U c
—M — L1 L2 C
U f
＋ （b ）
类似于电容三点式振荡器的分析方法，有： 振荡频率为
LC振荡器和晶体振荡器：产生高频正弦波。 RC振荡器：产生低频正弦波
（1）
（ 2） （ 3） （4）
4.2 反馈型振荡电路的工作原理
反馈振荡器是由放大器、选频网络和反馈网络所组成 的一个闭环环路，其中反馈网络由无源器件组成。
构成反馈式正弦波振荡电路的要素：
放大电路的正反馈，从而产生自激振荡
选频网络或者相移网络，以控制振荡频率和波形 放大电路的非线性，以控制振荡幅度
4.4 改进型电容三端式振荡器
由于晶体管的输入、输出电容与电容三端式振荡器和电感 三端式振荡器的回路并联，影响回路的等效电抗元件参数。而 晶体管的输入、输出电容受环境温度、电源电压等因素的影响 较大，所以上述两种振荡器的频率稳定度不高，一般在10-3数 量级。为了提高频率稳定度，需要对电路作改进以减少晶体管 输入、输出电容对回路的影响，可以采用削弱晶体管与回路之 间耦合的方法，在电容三点式振荡器的基础上，得到两种改进 型电容反馈式振荡器——克拉泼(Clapp)振荡器和西勒(Siler)振 荡器。
从工作原理来看： 反馈式振荡器是把有源器件接成正反馈环路来实现 自激振荡的，大多数振荡器以这种原理工作 负阻振荡器则是以具有负阻效应的器件来抵消谐振 回路中的损耗电阻，从而使回路能维持等幅的正弦振 荡。工作频率可高达几千兆赫，在微波波段使用较多 从构成来看：
根据反馈回路的形式：变压器反馈式、三点型LC、 RC、晶体 根据有源器件的不同：晶体管、场效应管、集成电 路、压控等等