第四章正弦波振荡器

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4.1 反馈振荡器的原理
4.1.1 反馈振荡器的原理与分析
▪ LC谐振回路是LC 振荡器的重要组成部分，正弦波振荡 器则是基于二阶RLC回路的自由振荡现象。
S
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Vo
C
i L
R
i(t)
Vo e t
L
0
t
i(t) VL 0 etsin t(0)
▪ 考虑了回路损耗后，回路将产生振幅衰减的阻尼振荡 8
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（３）振荡器应用
通信系统中有广泛的应用
混频器的本振信号 调制的载波信号，解调的本地载波信号 时钟、定时电路，电子测量设备的基准信号
工业生产部门广泛应用的高频电加热设备
微波炉，电疗设备
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（４）对正弦波振荡器的分析
正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件 的闭环系统，它是一个非线性动态网络，可采用 求解非线性微分方程或计算机辅助分析法。
为此，在振荡回路 中，必须有选频网 络给予保证。
这个选频网络的选 频特性越好，振荡 器频谱就越纯。
Vo Vi
VF
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4.1.2 平衡条件 （开环）环路增益
Vi
A j
Vo
TjV V F ijj A jF j
VF F j
平衡条件 T jO S A j C O F S jO C S 1 C
正反馈通路或负阻：必须有一个能够补充元器件能量 损耗的正反馈通路或负阻器件，以保证有稳定的振荡
选频网络：振荡器具有单一频率
稳幅：一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元 件。
实际的放大器都有非线性限幅作用，使得振荡幅度不会 无限大。
也可外加具有自动调节振荡强度的非线性元件，以保证 获得需要的输出波形。
满足A( j)F( j)=1, V（ i j） V 无F （ 需j 加） 输入信号。
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正弦波振荡器需要选频网络
反馈振荡器中，放大器单元的输入就是反馈网络的输出电压 （反馈电压）。
正弦波振荡器要求输出角频率为osc的正弦波，即只能在频 率osc上满足A( josc)F( josc)=1。
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第四章 正弦波振荡器
4.1 反馈振荡器的原理
4.2 LC振荡器
4.3 振荡器的频率稳定度
4.4 LC振荡器的设计方法
4.5 石英晶体振荡器
4.6 负阻振荡器
4.7 压控振荡器
4.8 振荡器中的几种现象
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引言
振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将 直流能量变换为周期性交变能量的装置
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当工作频率较高时，引起环路传输系数和相移
的因素是很多的：
•
晶体管正向转移
V be
导纳
Yf
Ic
ZL
•
V ce
Hale Waihona Puke Baidu
F
Yf
Ic Vbe
Yf
ejf
谐振回路阻抗
ZL VI cce RLejL
反馈参数
FVV bcee FejF
A jV V o i V V b cee V I b ce V I c ce YfjZL
T
(
j
)
1
形成减幅振荡
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举例
A (j os )F c(j os ) c1
A(os)cF(os)c1
Vo Vi
VF
(os)cAF2n n0,1,2
Ii
Vi ZZii
IIic CB1
RE
CE
VCC C3
RC
CC1
R1
MM
Vo RE
CE
C L C1 C
L
L
C2
C3
VF
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Vi A j
Vo
V F j F j V o j
VF
V i(j) V s(j) V F (j)
F j
V V o s j j V i A j j V V i F j j V ij A V i j j V i A j j F j 1 A A j j F j
从能量的观点看，放大器是一种在输入信号控制 下，将直流电源提供的能量转变为按输入信号规 律变化的交变能量的电路。
而振荡器是不需要输入信号控制，就能自动地将 直流电源的能量转变为特定频率和幅度的交变能 量的电路。
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（１）振荡器分类
Hz
kHz MHz
GHz
THz
RC振荡器
微波半导体
LC振荡器 负阻振荡器
▪ 振幅平衡条件：开环增益的模为1
T jO SA C jO F S jC O S 1 C
▪ 相位平衡条件：VF与Vi同相，满足正反馈 T O S A C O S F C O S 2 n C
n0,1,2,...
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T ( j ) 1 形成增幅振荡
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维持等幅振荡
从能量角度：振幅衰 减由于回路存在损耗。
维持等幅振荡措施：
▪ 适时地补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡。 ——反馈振荡器
▪ 采用负阻器件，抵消回路存在损耗，如隧道二极管 。 ——负阻振荡器
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反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的三个基本 条件：
起振条件：首先，要让振荡器自己振起来（自激振 荡）。
振荡平衡条件表示为：
Yf ZLF1
oscf LF2n
n0,1,2
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相位平衡条件的分析
oscf LF2n
n0,1,2
其中： ZL VI cce RLejL
上式中， 随L 频率的变化十分明显，而其余相角随 频率变化较缓慢。
本章定性分析阐明振荡器的振荡特性，在进行电
路分析时，仍采用电路参数的准线性分析法和零 极点分析法。
在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱， 因此，可以引用线性系统的分析方法，来确定这一 时期振荡器的工作状态。
振荡建立后，用准线性方法（如用平均跨导代替跨 导，采用线性方法）分析，获得重要的具有指导意 义的结论。
晶体振荡器
按振荡波形分类
正弦波振荡器、非正弦波振荡器
按工作机理分类
反馈振荡器、负阻振荡器
按选频网络分类
LC振荡器、RC振荡器、晶体振荡器
压控振荡器、压控晶体振荡器
集成振荡器、开关电容振荡器
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（２）振荡器构成
振荡器正常工作，必须有以下四个部分
放大器或有源器件：至少有一个起能量变换作用的换 能机构。
平衡条件：其次，保证振荡器环路中的能量补充恰好 抵消能量消耗，达到环路平衡。
稳定条件：最后，还要保证振荡器是稳定的，如果外 加干扰使得振荡器偏离了环路平衡状态，振荡器系统 应能自动恢复到原来的平衡状态。
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反馈振荡器的工作原理
放大网络＋反馈网络
V o j A j V ij Vs