第五章正弦波振荡器

3. 振荡平衡的稳定条件
上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平 衡，但还不能说明这种平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立 振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持， 还必须看平衡状态是否稳定。
（1）稳定平衡定义：指某一外因的变化使 振荡的原平衡条件遭到破坏，振荡器能在新 的条件下建立新的平衡。当外因去掉后，电 路能自动返回原平衡状态。
(a) 通电后，集电极电流产生跃变在谐振回路中激起振荡。 (b) 谐振回路选频作用。 (c) 因为：Uo （n+1）= AUi= AUf = AFUo（n）
所以：Uo（n+1）= AFUo（n） 数值很小，不可能得到振荡输出电压。
△3 振荡建立的起振条件?
为了得到自激振荡的输出电压，使振荡能够建立起来，需满足：
则：平衡时放大器工作在丙类状态
AF 1
A F 2n (n 0，1，2 )
Z e jZ pl
2、平衡条件的另一种表示形式 振幅平衡条件 ：YfeZ p1F 1
相位平衡条件：Y Z F 2n （n=0,1,2…）
ui uf
晶体管 ic1
2>A0F>1时，1> γ(θc)>0.5，所以180o > θc > 90o ，平衡后为甲乙类；
A0F=2时， γ(θc)=0.5，所以 θc = 90o ， 平衡后为乙类；
A0F>2时， γ(θc)<0.5，所以 θc < 90o ， 平衡后为丙类；
So：振荡器起振后，由甲类向甲乙类、乙类、丙类过渡，最后工作在什
波形失真，其电流的直流分量 产生负反馈，使工作点向负变 化。A↓，直到AF=1达到等幅 震荡。
uBE Vbb ub Vbb Ubm cost
ic
Q
gc
0
UBZ
ic
0 2qC=360°
t
甲类工作
ic
uBE
0
t
甲乙类工作
t
△4 起振后，振荡是否无限增大下去？α1（A0F>1为增幅震荡）
LC
Yfee jY
选频网络
uc1
反馈网络
A UC1 Ui

IC1mZ pl Uim
YfeZ pl
Fe jF
由于电路中有源器件、寄生参量及阻隔元件的影响， Y F 0 ，为了
使电路工作在相位平衡状态，需 Z 0 ，因此振荡器的频率并不等于回
路的谐振频率。回路处于微小失谐状态。为简化问题，通常都近似地认 为振荡频率就等于回路的谐振频率
Ao(s)F(s) Ao( j)F( j)
其中：T ( s)

Ao
(s)F(s)

uf (s) ui (s)
称为
反馈系统的环路增益。
us
ui
Σ
放大器
uo
A0(s)
uf 反馈网络
显然在某一个工作频率 o 时,如
F(s)
果 Ao ( jo )F( jo ) 1 ,即 ui (s) uf (s)
包括：振幅稳定条件和相位稳定条件
1) 振幅平衡的稳定条件
假设电路在Q点达到平衡态，即AF=1。 Uc(n+1)=AFUc(n)
A
A0 1/F
Q2 Q 反馈特性 Q1
振荡特性
Uc UcQ2 UcQ UcQ1
如果由于某种因素使振幅增大超过 UcQ，达到了Q1点，则此时出现 AF<1的情况，于是振幅就自动衰减 而回到UcQ。
作原理和性能特点。 3. 了解频率稳定度的概念和影响频率稳定度的
因素，掌握改善频率稳定度的措施。
5.1 概述
振荡器：在没有激励信号的情况下，能自动的将直流电源能量转换 为周期性交流信号输出的电子电路。
与谐振功率放大器区别在于它激与自激。
振荡器的应用： 载波发生器 本地振荡器 测量仪器信号源（时间/频率标准）
Z=f()在工作频率附近具有负的斜率，才能满足频率稳定
条件。事实上，并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率。
因而LC并联谐振回路不但是决定振荡频率的主要角色，而 且是稳定振荡频率的机构。
Z

arctg

2Q

0 0

Z Y F YF
z
纵坐标也表示与Z等值异号的YF相角
则有 Af ( j ) ,即表明在没有外加信号Байду номын сангаас也可以维持振荡输出,
故维持自激振荡的条件为: A( j)F( j) 1 即：
AF 1
A F 2n (n 0，1，2)
△1 如何自激？ Vcc闭合的脉冲电流；基极的噪声电流
△2 自激振荡器，满足维持振荡条件，振荡能否建立起来？
如FY增大到FY，即产生了一个增量FY，
从而破坏原来工作频率c的平衡条件。这种 不平衡促使c升高。由于频率升高，使谐振 回路产生负的相角增量Z。当Z= FY时，相位重新满足=2n，振荡器在c
ωω0 c ω’c ω ’YF YF
YF
的频率上再一次达到平衡。但新的平衡点偏
么状态完全由A0F来决定。
（1）A0=8，F=0.2时
α1 αo
分析：起振时：A0F=1.6>1，满足起振条件
g1
2.0
平衡时：AF=A0(qc)F=1
α2
1.0
则：(qc)=0.625= (1-cosqc)a1α(3qc)
则：qc=101.5o
则：平衡时放大器工作在甲乙类状态
θc
（2）A0=10，F=0.2时 分析：起振时：A0F=2>1，满足起振条件
振荡器的主要技术指标： 振荡频率 频率稳定度 振荡幅度 振荡波形
按振荡原理分类
反馈振荡器
按振荡频率分类
负阻振荡器
低频振荡器 高频振荡器
按振荡波形分类
正弦波振荡器
非正弦波振荡器 （多谐振荡器等）
按选频回路元件性能分类
LC 振荡器 RC 振荡器 晶体振荡器等
5.2.1 反馈型LC振荡原理
实际中的反馈振荡器是由反馈放 大器演变而来的，如右图。
第五章 正弦波振荡器
第1节 概述 第2节 反馈型LC振荡电路
2.1节 反馈型LC振荡原理 2.2节 反馈型LC振荡器 2.3节 振荡器的频率稳定措施 2.4节 高稳定度的LC振荡器 第3节 晶体振荡电路
教学基本要求
1. 掌握反馈式正弦波振荡器的基本工作原理。 2. 掌握LC振荡器、晶体振荡器的电路组成、工
放大器 A0(s)
uo
输入信号相位相同。
uf
如果设放大器的电压放大倍数为 A0(s)，反馈网络的反馈系数为 F(s),
反馈网络 F(s)
则有：
开环增益：
Ao (s)

uo (s) ui (s)
反馈系数：
F(s)

uf (s) uo (s)
闭环增益：
Af
(s)

uo (s) us (s)
,
又因为： ui (s) us (s) uf (s)
写成偏微分形式，即
Y Z F 0


Y为ic1与基极输入电压ui的相
角；
Z为LC谐振回路基波谐振阻
抗的相角。
由于 Y Z
F Z
因此，相位稳定条件应 为 Z 0
振荡器的相位稳定的条件说明只有谐振回路的相频特性曲线
必须强调指出：相位稳定条件和频率稳定条件实质是一回事。 因为振荡的角频率就是相位的变化率，所以当振荡器的相位变
化时，频率也必然发生变化。=d/dt
如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很小的相位
增量，这就意味着反馈电压超前于原有输入电压一个相角，相 位超前就意味着周期缩短，频率不断地提高。反之，如果为负，
若开关K拨向“1”时，该电路则
为谐振放大器，当输入信号为正
弦波时，放大器输出负载互感耦
合变压器L2上的电压为Uf，调整 互感M及同名端以及回路参数， 可以使Ui=Uf。
可见，反馈性自激振荡器电路 构成由三部分组成：
此时，若将开关快速拨向“2”点， 1 包含两个（或以上）储能元 则集电极电路和基极电路都维持 件的振荡回路。
B点的平衡态是不稳定的。当Uc<UcB 时，振荡始终是衰减的，因此不能起 振。除非在起振时外加一个大于UcB 的冲击信号，使其冲过B点，才有可 能稳定于Q点。这样的现象称为硬自 激。一般情况下都是使振荡电路工作 于软自激状态，避免硬自激。
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；若能建立平衡则仍能保持其稳定的振 荡。
平衡时：AF=A0(qc)F=1 则：(qc)=0. 5= (1-cosqc)a1(qc) 则：qc=90o
则：平衡时放大器工作在乙类状态
（3）A0=20，F=0.2时 分析：起振时：A0F=4>1，满足起振条件
平衡时：AF=A0(qc)F=1 则：(qc)=0. 25= (1-cosqc)a1(qc) 则：qc=66.3o
反之，当某种因素使振幅小于UcQ， 此时AF>1，于是振幅就自动增强， 从而又回到UcQ。因此Q点是稳定平 衡点。
Uc(n+1)=AFUc(n)
A 1/F B
A0
Q Q1
Uc UcB
振幅稳定条件:
A U c 0 Uc UCQ
如果晶体管的静态工作点取得太低， 而且反馈系数F又较小时，可能会出现 另外一种振荡形式。这时A=f(Uc)的变 化曲线不是单调下降的，而是先随Uc 的增大而上升，达到最大值后，又随 Uc的增大而下降。因此，它与1/F线可 能出现两个交点B与Q。这两个点都是 平衡点。
开关K接到“1”点时的状态，即
始终维持着与Ui相同频率的正弦 信号。这时，调谐放大器就变为
自激振荡器。
2 有补充回路损耗的能量来源。 （直流电源）
3 使能量在正确时间内补充到 电路中的控制设备。（有源器 件）
1. 振荡的建立及起振条件
us
ui
自激振荡的基本条件：必须构成正反馈
Σ
回路，即反馈到输入端的信号和放大器
离原平衡点=cc。Q越大越小。
相位稳定条件：
Z 0

4. 振荡电路分析实例
自激振荡过程:
开启电源 ic ic1
实际上振荡器u在o开始建u立f振荡时u应i 满
足的条件为: A F 1
A0AF


1
F

2n
(n

0，1，2




)
增幅振荡 正反馈
为振荡器的起振条件，其中：A0是电源接通时的电压增益。
因为： 所以：
Uo(n+1) = A0FUo (n) Uo(n+1) >Uo(n)
起振过程: 微小的电压脉冲选频 →反馈 →放大 →再选频 →再反馈‥‥ 如此循 环，振荡电压就会增长起来，建立了振荡。
Uim

gc (1 cosqc )1(qc )Rp

θc
gc (qc )RP
起振时为小信号放大，A=A0，甲类状态，θc=180o，所以A0=gcRp
所以：
A A0 (qc )
AF

A0F (qc ) (qc )
1 A0 F
所以：
(qc ) 1/ A0F 1 cosqc 1(qc )
uo ( s)

Af
(s)

uo ( s) ui (s) uf
(s)

ui (s) 1 uf (s)

1
Ao ( s) uo (s) uf
(s)

1
Ao ( s) Ao ( s)F ( s)
ui (s)
ui (s) uo(s)
Af
(
s)

1

Ao (s) Ao (s)F
(s)
若令 s j 代入上式，则有：
△4 起振后，振荡是否无限增大下去？ （A0F>1为增幅震荡）
由于晶体管的非线性，振荡从线性放大进入失真的非线性状态。 波形失真，其电流的直流分量产生负反馈，使工作点向负变化。 A↓，直到AF=1达到等幅震荡。
ub +
ic
ib
u+C
+ uBE E
Cb
Re
ic Q•
gc
0 UBZ
uBE
t
即滞后于原输入电压，同理将导致频率的不断降低。
从以上分析可知，外因引起的相位变化与频率的关系是：相位超 前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，频率随相位的变化关 系可表示为 />0
为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相
位平衡的能力。即，在振荡频率发生变化的同时，振荡电路中 能够产生一个新的相位变化，以抵消由外因引起的变化，因 而这两者的符号应该相反，即相位稳定条件应为/<0。
αo
由于晶体管的非线性，振荡从线性放大进入失真的非线性状态。2.0 波形失真，其电流的直流分量产生负反馈，使工作点向g1 负变化。
A↓，直到AF=1达到等幅震荡。
α2
1.0
△5 平衡状态（大信号工作） 平衡后工作在α3 什么状态？
平衡时：A UC1
Ui

I C1m Rp Uim

ICM1(qc )Rp