第4章正弦波振荡器.docx

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0+■反馈网络■+.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U = Ufi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U =U使电路进入fi 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 A = Uo， F 二—f （4-1）UUi0故 U 二 FAU （4-2）fi有U二U，可得AF=1fi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p +p 二 2n兀,n 二 01,2,3…(4-4)Taf 振荡器要到达必须振幅条件和相位条件同时满足 相位平衡条件确定振荡频率；振幅平衡条件确定振荡输出信号的幅值二、 振荡的起振条件振幅起振条件T =1 AF l> 1 (4-5)相位平衡条件p +p = 2n兀,n = 01,2,3…(4-6)Taf相位平衡条件p =p +p = 2n兀,n = 01,2,3…(4-7)Taf三、振荡条件讨论与小结 振荡条件：同时满足起振条件和平衡条件，引入正反馈是构成振荡器的关 键同时T必须具有随振荡电压Ui增大而下降的特性为获得这样的环路增益特性，反馈环路中要有非线性环节 为获得正弦波，振荡电路中要有选频环节振荡频率通常就由选频环节确定图 4-2 满足起振和平衡条件的环路增益特性4.1.3 振荡的稳定条件干扰破坏原平衡状态后，振荡器自动回到原平衡状态所需条件。

AOA点稳定；B点不稳定图 4-3 振荡的稳定条件 振幅稳定条件STaUi4-8)U %相位稳定条件4-9)指：相位平衡遭到破坏时，电路本身能重建相位平衡的条件相位稳定条件也就是频率稳定条件若申T具有随f增大而减小的特性则可阻止上述频率的变化通过不断的反 馈，最终回到原平衡状态际电路中申T在f 0处的变化率主要由选频网络决定， 通常能满足之LC回路Q值越高，相位稳定度越好，频率也越稳定4.2 LC 正弦波振荡器以LC谐振回路作选频网络的反馈振荡器称为LC正弦波振荡器 正弦波振荡器按选频网络不同分：A RC 振荡器B LC 振荡器C 石英晶体振荡器LC 振荡器的分类A 变压器反馈式B 电感三点式C 电容三点式本节的主要要求：（1） 了解变压器反馈式振荡器的工作原理和分析方法（2） 掌握三点式振荡器的组成原则和工作原理（3） 掌握电感三点式和电容三点式振荡器的典型电路、工作原理、工作特点和 分析方法4） 了解集成 LC 振荡器4.2.1 变压器反馈式振荡器一、电路组成三极管、LC谐振回路构成选频放大器，变压器Tr构成反馈网络放大器在小信 号时工于甲类，以保证起振时有较大的环路增益图 4-5 变压器反馈式振荡器交流通路在回路谐振频率上构成正反馈，满足了振荡的相位条件。

起振时放大器工作于甲类，T>1随着振荡幅度的增大，放大器进入非线性状态，且由于自给偏置效应进入乙类或丙类非线性工作状态，使 T 减小，直至T=1 ，进入平衡状态二、振荡条件的分析4-10)= O = c =——Y ZU U fe iiYfe 为晶体管的正向传输导纳UF = fU0——j®M = —— l F I e^f r + j®L4-11)4.2.2 三点式振荡器的基本工作原理三个电抗元件组成LC谐振回路 谐振回路既是负载，又构成正反馈选频网络图 4-6 三点式振荡器的基本结构三点式振荡器组成原则：与放大器同相输入端相连的为同性质电抗，不与 同相输入端相连的为异性质电抗与 E 相连的为同性质电抗，不与 E 端相连的 为异性质电抗只有这样，才能构成正反馈！为便于说明，忽略电抗元件的损耗及管子输入、输出阻抗的影响当 X1 +X2 + X3 = 0路谐振，回路等效为纯电阻，得到U与U反相因此U必须与Ui 0 f 0 反相，才能构成正反馈通常Q值很高，故回路谐振电流远大于B、C、E极电流 因为并联谐振回路谐振时，回路电流为输入电流的Q倍有电感三点式和电容三点式两种4.2.3 电感三点式振荡器 （Hartley —哈脱莱）厂 U - j®( L + M) I L + M4-12)(4一13)F = 匚= 2 = 一—2 U j®( L + M) I L + M0 1 1f = 匚0 2 n （L + L + 2M ）C、1 2电感三点式振荡器优点和缺点 优点：易起振，频率易调（调 C） 缺点：高次谐波成分较大，输出波形差。

4.2.4 电容三点式振荡器 （Colpitts —考毕兹）图 4-7 电感三点式振荡器(a)原理电路(b)交流通路图 4-8 电感三点式振荡器(a)原理电路(b)交流通路式中C CCC =——1_2— C + C12为并联谐振回路的总电容值UF = f qU0C——1C2增大 C1/ C2 ，可增大反馈系数，提高输出幅值，但会使三极管输入阻抗的 影响增大，使Q值下降，不利于起振，且波形变差，故C2/ C1不宜过大，一般 取 0.1~0.5 电容三点式振荡器优点和缺点 优点：高次谐波成分小， 输出波形好缺点频率不易调（调L，调节范围小）4.2.5 改进型电容三点式振荡器图 4-9 克拉波振荡器C3 << C1C3 << C24-14)C j+ + - C C C 123f〜朮 （4-⑸实际振荡频率必定略高于f 0，因为要使L、C3支路呈感性说明极间电容的影响很小，且调节反馈系数时基本不影响频率接入C3使 三极管输出端（C、E） 与回路的耦合减弱，三极管等效负载阻抗减小，放大器放大倍数下降，振荡器输出幅度减小C3越小，放大倍数越小，如C3过小则振荡器不满足振幅起振条 件而停振克拉泼电路的改进——西勒（Seiler）振荡器Cl■丄■ ZY■I" V3乙69 + CC图4-10西勒(Seiler)振荡器调频率时，不调C3,调C4。

故调频率时谐振回路反映到晶体管C、E间的 等效阻抗变化很小，对放大器增益影响不大，从而保持振荡幅度的稳定 一般 C4 与 C3 相同数量级，且都远大于 C1 、 C2 ，故f - 1 (4-16)0 2 n L(C + C )3 44.3 振荡器的频率和振幅稳定度主要要求： 理解频率和振幅稳定度的概念 了解影响频率稳定度的主要因素和提高频 率稳定度的措施4.3.1 频率稳定度一、频率稳定度的概念 指在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频 率的相对变化量频率的绝对偏差，又称绝对频率准确度为纣二 f - f0 (4 -17)f 指实际频率， f0 指标称频率长期频率稳定度: 一天以上乃至几个月内振荡频率相对变化量 短期频率稳定度；一天之内振荡频率的相对变化量 瞬时频率稳定度: 秒或毫秒内振荡频率的相对变化量二、导致频率不稳定的因素 振荡频率主要取决于谐振回路参数，也与其它元器件参数有关当外界因素变化 影响这些参数，而电路本身稳频能力差时，就导致频率不稳定 外因:温度、电源电压和负载等外界因素的影响影响回路电感线圈的电感量和电容器的电容量；改变晶体管结电容、结 电阻；影响晶体管工作点和工作状态，使晶体管等效参数发生变化。

影响晶体管 工作点和工作状态，使晶体管等效参数发生变化内因：影响回路 Q 值和振荡频率三、提高频率稳定度的主要措施1. 减小外界因素变化的影响 将决定振荡频率的主要元件或整个振荡器置于恒温槽、采用高稳定度直流稳压电 源、采用密封工艺减小大气压力和湿度的影响、在振荡器和负载之间加缓冲器2. 提高谐振回路的标准性 选用高质量的参数稳定的回路电感器和电容器选用具有不同温度系数的电感和电容构成谐振回路、改进按照工艺，缩短引线、加强引线机械强度4.3.2 振幅稳定度振幅稳定度表示为巴U0Uo 为输出电压的标称值， U 为实际输出电压与标称值之差4.4 石英晶体振荡器主要要求： 了解石英谐振器的结构和特性 掌握典型石英晶体振荡器的组成和工作原理 定义：以石英谐振器作选频网络的反馈振荡器称为石英晶体振荡器其频率稳定 度可达10-6〜10-9，而LC回路的一般不超过10-54.4.1 石英谐振器及其特1. 石英谐振器的结构石英是一种各向异性的结晶体，其化学成分是 SiO2 从一块晶体上按一定 的方位角切割成的薄片称为晶片在晶片的两面涂上银层作为电极，电极上焊出 两根引线固定在管脚上，就构成了石英晶体谐振器。

2. 石英谐振器的基本特性与等效电路 极板间加电场会使晶体机械变形，极板间加机械力会使晶体产生电场 当交变电压频率 = 固有频率时，共振，振幅最大，产生的交变电流最大类似 串联谐振3. 石英谐振器的基本特性与等效电路(a) (b)图 4-11 石英晶体的等效电路（a）代表符号 （b）等效电路串联谐振频率fs= 2^LC4-18)并联谐振频率4-19)i-,1 C C2n L 0 q C + C* 04. 石英谐振器的使用注意事项1） 要接一定的负载电容CL （微调），以达标称频率高频晶体通常标CL为 30pF 或 g2） 要有合适的激励电平过大会影响频率稳定度、 。