1、第五章 正弦波振蕩器 本章主要討論的內(nèi)容： n1.正弦波振蕩器的起振條件和平衡條件。n2.反饋式正弦波振蕩器的振蕩原理和典型電路分析。（LC振蕩器：電容三點式，電感三點式，電容三點式改進型振蕩器）n3.振蕩器的穩(wěn)定度及提高穩(wěn)定度的措施。n4.石英晶體振蕩器。（高精確度，高穩(wěn)定度振蕩器） 51 概述n對于振蕩器，我們最關(guān)心的問題是電路怎么會產(chǎn)生振蕩；它的基本結(jié)構(gòu)，電路組成以及振蕩的波形、頻率與哪些因素有關(guān)等。 n一、振蕩器的定義： 振蕩器是在沒有外加輸入信號沒有外加輸入信號的條件下，電路自動將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交變信號輸出的裝置。二、與放大器的異同點：相同

2、：都是能量轉(zhuǎn)換裝置不同：放大器：需外加激勵信號n 振蕩器：不需外加激勵信號，其輸出信號的頻率，幅度和波形僅僅由電路本身的參數(shù)決定。 n三、應(yīng)用：在發(fā)射機、接收機、測量儀器（信號發(fā)生器）、計算機、電子醫(yī)療儀器、測量儀表乃至電子手表等許多方面振蕩器都有著廣泛的應(yīng)用。n四、分類：n1、根據(jù)產(chǎn)生波形的不同，可分為：振蕩器振蕩器分類分類正弦振蕩正弦振蕩非正弦波振蕩器非正弦波振蕩器低頻正弦振蕩器低頻正弦振蕩器高頻正弦振蕩器高頻正弦振蕩器微波振蕩器微波振蕩器矩形波振蕩器矩形波振蕩器三角波振蕩器三角波振蕩器鋸齒波振蕩器鋸齒波振蕩器2、根據(jù)采用的分析法和振蕩器的特性，可分為：反饋式振蕩器、負阻式振蕩器五、常用正

3、弦波振蕩器的分類nRC振蕩器nLC振蕩器n石英晶體振蕩器六、振蕩電路的主要技術(shù)指標n振蕩頻率振蕩頻率f及頻率范圍:n頻率穩(wěn)定度：調(diào)頻廣播和電視發(fā)射機要求: 10-510-7左右 標準信號源: 10-610-12 要實現(xiàn)與火星通訊: 10-11 要為金星定位: 10-12n振蕩幅度及穩(wěn)定度n振蕩波形的頻譜純度(殘波輻射殘波輻射): 討論內(nèi)容:從振蕩原理入手研究振蕩器判據(jù)、尋求振蕩條件的分析方法，討論各種振蕩電路，基本線索是振蕩器的頻率穩(wěn)定度。 52 反饋式振蕩器 n組成：振蕩回路：包含兩個或以上的儲能元件直流電源：補充由振蕩回路電阻產(chǎn)生的能量損耗控制設(shè)備：控制能量轉(zhuǎn)換的有源器件、具有正反饋作用的

4、選頻網(wǎng)絡(luò)如LC回路，RC網(wǎng)絡(luò)等5.2.1 反饋式振蕩器的基本原理:n反饋振蕩器是由反饋放大器演變而來。 右圖是反饋放大右圖是反饋放大器的方框圖器的方框圖, ,由該圖知由該圖知: :oioifiioXFAXAXFXAXXAXAX )( )(FAAXXAXAFAXiofio1 )1 (iXAiXFoX反饋放大器方框圖反饋放大器方框圖 當放大器接成負反饋時，（5.2.1）式中取正號，當負反饋變成自激振蕩器。其 振幅條件為1FA（5.2.1）1|FA相位條件為相位條件為.0,1,2,.n 12 argnFA 而振蕩器往往直接引入的正反饋，如而振蕩器往往直接引入的正反饋，如 上圖上圖 (+)號所示。號所

5、示。此時式此時式5.2.1式變?yōu)槭阶優(yōu)镕AAAf1當其當其1FA時，時，就會產(chǎn)生自激振蕩就會產(chǎn)生自激振蕩。（5.2.2）5.2.2 振蕩器的平衡與穩(wěn)定條件n1、起振過程和起振條件幅度條件： （5.2.5）相位條件： n2、平衡過程和平衡條件為維持等幅振蕩所需滿足的條件： 振蕩器的平衡狀態(tài)進入等幅振蕩狀態(tài)。選飽和特性還是截止特性限幅的考慮維持振蕩器的振幅平衡條件： 維持振蕩器的相位平衡條件： 1AFnFA201AFnFA203、平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件n所謂平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件即指在外因作用下，平衡條件被破壞后，振蕩器能自動恢復原來平衡狀態(tài)的能力。 n上面所討論的振蕩平衡條件只能說明振蕩能在某一狀態(tài)平衡

6、，但還不能說明這平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。平衡狀態(tài)只是建立振蕩的必要條件，但還不是充分條件。已建立的振蕩能否維持，還必需看平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。 n圖 (a) 中的小球處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。因為只要外力使它稍稍偏離平衡點 B ，小球即離開原來位置而落下，不可能再回到原狀態(tài)。圖 (b) 的小球則處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，因為外力可使它偏離平衡位置 Q ，外力一消除，它即自動回到原來的平衡位置。因此，所謂振蕩器的穩(wěn)定平衡，是指所謂振蕩器的穩(wěn)定平衡，是指在外因作用下，振蕩器在平衡點附近可重建新的平衡狀態(tài)。在外因作用下，振蕩器在平衡點附近可重建新的平衡狀態(tài)。一旦外因消失，它即能自動恢復到原來的平衡狀態(tài)。一旦外因消失，它即能

7、自動恢復到原來的平衡狀態(tài)。 3、平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件 n1）.振幅平衡的穩(wěn)定條件n說明放大器的增益A必須與Ui變化趨勢相反。 n形成穩(wěn)定平衡點的根本原因是什么呢？由上所述可知，關(guān)鍵就在于在平衡點附近，放大倍數(shù)隨振幅的變化特性具有負的斜率，即:n 01振幅平衡條件：FAiUAA與與Ui的變化方向相反的變化方向相反2）、相位穩(wěn)定條件 n影響相位穩(wěn)定的因素：電源波動，溫度變化 n所謂相位穩(wěn)定條件，是指相位平衡條件遭到破壞時，線路本身能重新建立起相位平衡點的條件；若能建立，則仍能保持其穩(wěn)定的振蕩。 n必須強調(diào)指出：相位穩(wěn)定條件和頻率穩(wěn)定條件實質(zhì)上是一回事。因為振蕩的角頻率就是相位的變化率 ，所以當振蕩器

8、的相位變化時，頻率也必然發(fā)生變化。 n外因引起的相位變化與頻率的關(guān)系是：相位超前導致頻率升高，相位滯后導致頻率降低，頻率隨相位的變化關(guān)系可表示為 0 n為了保持振蕩器相位平衡點穩(wěn)定，振蕩器本身應(yīng)該具有恢復相位平衡的能力。換句話說，就是在振蕩頻率發(fā)生變化的同時，振蕩電路中能夠產(chǎn)生一個新的相位變化，以抵消由外因引起的 頻率變化，因而這二者的符號應(yīng)該相反，亦即相位穩(wěn)定條件應(yīng)為 0 ，寫成偏微分形式，即 n相位平衡穩(wěn)定條件：0g相位與頻率的變化方向相反相位與頻率的變化方向相反n說明要保證相位穩(wěn)定必須有一個相頻特性為負（負斜率）的網(wǎng)絡(luò)。（LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正好具有此特性，因而 LC 并聯(lián) 諧振回路不但是決定振

9、蕩頻率的主要角色，而且是穩(wěn)定振蕩頻率的機構(gòu)。 ） 5.3 振蕩器的分析方法n一、瞬態(tài)分析法建立在非線性理論的基礎(chǔ)上，采用近似解法n基本步驟：1、先畫出振蕩器的交流等效電路2、再列出整個環(huán)路的微分方程3、根據(jù)解出的振蕩因子求振蕩頻率，根據(jù)解出的阻尼因子求振幅條件常用的方法有：范德堡方程、相平面法、數(shù)值解法等 二、穩(wěn)態(tài)分析法建立在準線性理論的基礎(chǔ)上 穩(wěn)態(tài)分析方法考慮問題的基礎(chǔ)是：振蕩器在起振時是小信號，屬于線性電路。因此，可按線性電路的分析方法來初理。而振蕩器在平衡時雖屬大信號非線性電路，但是對基波而言則屬準線性電路，當引入平均參數(shù)后，即可按線性電路來近似處理，使問題的分析得到簡化。所以穩(wěn)態(tài)分析法

10、是適應(yīng)在線性理論基礎(chǔ)之上的。由前面分析可知，正反饋是產(chǎn)生自激振蕩的必要條件。 而正反饋只是反饋放大器的特殊形式，我們試圖將振蕩器與反饋放大器聯(lián)系起來，如圖所示。)(sVo)(sVs)(sF)(sA)(sUf)(sUi 根據(jù)反饋理論，整個反饋放大器的根據(jù)反饋理論，整個反饋放大器的“閉環(huán)增益閉環(huán)增益”Af(s)為為)()()(1)()()(1)()()()(sDsAsAsAsFsAsAsVsVsALsof其中其中)()()()()()(sVsVsFsVsVsAofio為放大器的電壓增益為放大器的電壓增益為反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)5.3.1基本依據(jù)：將振蕩器看成是反饋放大器的特殊形式)

11、(1)()()()()()(sAsDsVsVsFsAsALifL為開環(huán)電壓增益為開環(huán)電壓增益為反饋放大器的特征多項式為反饋放大器的特征多項式 由式由式5.3.1可知，若令可知，若令UL(s)=0，則，則Af(s)趨于無窮趨于無窮,就是說在就是說在沒有輸入信號激勵的情況下沒有輸入信號激勵的情況下,就能自動地將直流能量轉(zhuǎn)換為交就能自動地將直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量。因此，我們說振蕩器是反饋放大器的特殊形式。這流能量。因此，我們說振蕩器是反饋放大器的特殊形式。這是穩(wěn)態(tài)分析方法的基本依據(jù)。是穩(wěn)態(tài)分析方法的基本依據(jù)。 欲滿足振蕩條件就必須欲滿足振蕩條件就必須0)()(1)()(1sDsAsFsAL5.3.2

12、 這就是反饋放大器的特征方程。解此方程就可得振蕩頻這就是反饋放大器的特征方程。解此方程就可得振蕩頻率、振幅平衡條件和起振條件。所謂巴克好森準則、矩陣法率、振幅平衡條件和起振條件。所謂巴克好森準則、矩陣法網(wǎng)孔電流法等都是以此為基礎(chǔ)的。網(wǎng)孔電流法等都是以此為基礎(chǔ)的。n基本步驟：n1、先畫出振蕩器的交流等效電路，進而畫出Y參數(shù)等效電路n2、依據(jù)振蕩器的振蕩條件求出反映此電路平衡條件的特征方程式D(sD(s)=0)=03、然后分別由分別由ReD(sReD(s)=0)=0求振幅平衡條件，求振幅平衡條件， ImD(sImD(s)=0)=0求振蕩頻率求振蕩頻率n4、用微變參數(shù)代替平均參數(shù)求得起振條件n常用的

13、方法有：巴克豪森準則、矩陣法、網(wǎng)孔電流法等5.4 RC正弦波振蕩器n5.4.1 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路：文式橋振蕩器文式橋振蕩器相位條件：振幅起振條件：Au 3振幅平衡條件：Au =3振蕩頻率：RCf2105.4.2 移相式振蕩電路n優(yōu)點：n結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟n缺點：n選頻作用差、調(diào)節(jié)頻率不方便、輸出幅度不夠穩(wěn)定、輸出波形較差5.4.3 雙T選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路n優(yōu)點：n選頻特性好、頻率穩(wěn)定性較高、輸出波形較好n缺點：n調(diào)節(jié)頻率較困難5.5 互感耦合振蕩器n互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實現(xiàn)正反饋的，因此，耦合線圈同名端的正確位置至關(guān)重要。同時，耦合量 M 要選擇合適，使之滿足振幅起振條件。

14、n5.5.1 單管互感耦合振蕩器：n1、分類：根據(jù)振蕩回路是在集電極電路、基極電路和發(fā)射極電路來分 ：n集電極調(diào)諧型n發(fā)射極調(diào)諧型n基極調(diào)諧型特點：晶體管共射：功率增益高，輸入阻抗高，結(jié)構(gòu)簡單，易起振，調(diào)節(jié)方便。但截止頻率較低，頻率穩(wěn)定性差，適用于中、短波段頻率不是很高的場合。晶體管共基：功率增益小，輸入阻抗低，難于起振，但截止頻率高，工作較穩(wěn)定 。n2、反饋網(wǎng)絡(luò)是否正反饋的判斷相位判據(jù)：n“切環(huán)注入法” n3、振蕩條件：n以集電極調(diào)諧型互感振蕩器為例：如果電路又同時滿足振幅條件如果電路又同時滿足振幅條件就可以產(chǎn)生正弦振蕩了。就可以產(chǎn)生正弦振蕩了。下面用巴克好森準則分析集電下面用巴克好森準則分

15、析集電極調(diào)諧型反饋振蕩器的振蕩極調(diào)諧型反饋振蕩器的振蕩條件。條件。集電極調(diào)諧型互感振蕩器分析 設(shè)工作頻率遠小于振蕩器的特征頻率，忽略設(shè)工作頻率遠小于振蕩器的特征頻率，忽略其內(nèi)部反饋的影響，用平均參數(shù)畫出了下其內(nèi)部反饋的影響，用平均參數(shù)畫出了下圖圖的大信號等效電路，的大信號等效電路，如圖所示如圖所示。它與變壓器。它與變壓器耦合放大器區(qū)別在于次級負載就是放大器耦合放大器區(qū)別在于次級負載就是放大器輸入端的輸入端的Gie。LjrGCjGUGUieoeimo12LjrCjGGUUAmio1ieoeGGG212NN故故式中式中其中其中而而LjrMjILjrIMjUUFLLof其其 為為oU 根據(jù)巴克好森準

16、則，根據(jù)巴克好森準則，1FA即即11LjrMjLjrCjGGFAm可得可得012mMGrCLGjLCrG012rGLCjMGrCLGm即即0012mMGCrLGLCrG解上述方程組得解上述方程組得MCrLGGrGLCm11 起振時，應(yīng)用微變參數(shù)代替平均參數(shù)，因此互感耦合振起振時，應(yīng)用微變參數(shù)代替平均參數(shù)，因此互感耦合振蕩器的起振條件是：蕩器的起振條件是：MLGCrggmmmin)( 上式說明，上式說明，r越大越大，M越小越小，電路起振所需要的跨導電路起振所需要的跨導gm就越大就越大。當當M=0時時，起振需要的跨導起振需要的跨導gm為無窮大為無窮大。這表明這表明電路已不再是振蕩器了電路已不再是振

17、蕩器了。集電極調(diào)諧型互感振蕩器分析n相位保證：同名端的正確接法 n起振條件和振蕩頻率：n起振條件： （5.5.7）n(跨導： 總電導： 耦合度：M)n（5.5.7）式結(jié)論：n（1）只有 滿足（5.5.7）式才起振。n（2）M越大越易起振。n（3） 對起振有利。n振蕩頻率： （5.5.6）MLGrCgmmgGGrC,mgrGLCg11集電極調(diào)諧型互感振蕩器分析n結(jié)論：n（1） 不僅決定于LC，也受 r 和 的影響，即振蕩器的頻率和晶體管的參數(shù)有關(guān)。（。（G G=G=Goeoe+2 2G Gieie） 。n（2） 略高于 ， r 越小， 與 越接近。n（3）fo受 變化影響。實際上，管子的極間實際

18、上，管子的極間電容對高頻振蕩頻率影響較大，這一點是不希望的。電容對高頻振蕩頻率影響較大，這一點是不希望的。因為這些參數(shù)與溫度有關(guān)。因為這些參數(shù)與溫度有關(guān)。 gg0Ggg0VT 、互感耦合振蕩器的特點和適用性：n 變壓器分布電容限制了振蕩頻率的提高，宜工作在頻率不太高的中、短波段本機振蕩。5.5.2差分對管互感耦合振蕩器 n1、電路：圖5.18n2、元件介紹：兩差分對管的集電極分別接有由兩差分對管的集電極分別接有由L L1 1、C C1 1、R R1 1和和L L2 2、C C2 2、R R2 2組成組成并聯(lián)諧振回路。反饋電壓并聯(lián)諧振回路。反饋電壓 和輸出電壓和輸出電壓 分別由兩管的分別由兩管的

19、集電極取出。振蕩器的閉環(huán)回路由集電極取出。振蕩器的閉環(huán)回路由BGBG1 1的集電極經(jīng)互感的集電極經(jīng)互感線圈耦合到線圈耦合到BGBG2 2的基極，然后通過共發(fā)耦合電路回到的基極，然后通過共發(fā)耦合電路回到BGBG1 1的集電極。圖的集電極。圖A A與與D D同相，環(huán)路滿足正反饋特性。再調(diào)節(jié)同相，環(huán)路滿足正反饋特性。再調(diào)節(jié)互感互感M M使之滿足振幅平衡條件，電路便可進入振蕩狀態(tài)。使之滿足振幅平衡條件，電路便可進入振蕩狀態(tài)。n3、優(yōu)點：n與單管振蕩器比較，差分對管振蕩器更為與單管振蕩器比較，差分對管振蕩器更為優(yōu)越：優(yōu)越：1.輸出回路不在反饋環(huán)路內(nèi)輸出回路不在反饋環(huán)路內(nèi)，只要只要BG2不工作在飽和區(qū)內(nèi)不

20、工作在飽和區(qū)內(nèi)，負載與環(huán)路就處于隔離狀態(tài)負載與環(huán)路就處于隔離狀態(tài)，振蕩器的頻率穩(wěn)定度和幅度振蕩器的頻率穩(wěn)定度和幅度穩(wěn)定度都會有所提高穩(wěn)定度都會有所提高；2.輸出不含有偶次諧波輸出不含有偶次諧波，且奇次諧波成分比較小且奇次諧波成分比較小，故失真故失真大為減小大為減小。5.6 LC正弦波振蕩器 n LC正弦波振蕩器：n 采用LC諧振回路作為相移網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器稱為LC正弦波振蕩器。n LC振蕩器的分類：1.變壓器耦合式2.差分對管式3.三點式（電感三點式、電容三點式及它的改進型）本節(jié)討論要點： 1.LC正弦波振蕩器的構(gòu)成原則。2.電感三點式和電容三點式振蕩器的特點。3.改進型電容三點式振蕩器克拉波

21、振蕩器和西勒振蕩器。 電視接收機中的本機振蕩器常選用西勒電路。調(diào)頻接收機的集成電路中，振蕩器基本上都是三端式電路。 三點式振蕩器 n1、何謂三點式振蕩器：n所謂三點式振蕩器就是對于交流等效電路而言所謂三點式振蕩器就是對于交流等效電路而言，由由LC回路引出三個端點分別與晶體管三個電極相連的回路引出三個端點分別與晶體管三個電極相連的振蕩器振蕩器。n2、三點式振蕩器的基本類型和它的一般電路： 構(gòu)成三點式的基點是如何取出滿足相位條件的正反饋電壓。構(gòu)成三點式的基點是如何取出滿足相位條件的正反饋電壓。5.5.1 5.5.1 構(gòu)成三點式振蕩器的原則構(gòu)成三點式振蕩器的原則( (相位判據(jù)相位判據(jù)) ) 假設(shè)假設(shè)

22、: (1)不計晶體管的電抗效應(yīng)；不計晶體管的電抗效應(yīng)； (2)LC回路由純電抗元件組成，即回路由純電抗元件組成，即為滿足相位條件，回路引出的三個端點應(yīng)如何與晶體管的三為滿足相位條件，回路引出的三個端點應(yīng)如何與晶體管的三個電極相連接？個電極相連接？ 如圖所示如圖所示，諧振時，諧振回路應(yīng)呈純阻性，此時振蕩器，諧振時，諧振回路應(yīng)呈純阻性，此時振蕩器的振蕩頻率十分接近回路的諧振頻率，于是有的振蕩頻率十分接近回路的諧振頻率，于是有cbcbbebececejXZjXZjXZcbbececbbeceXXXXXX0即即5.5.15.5.25.5.3電路中的三個電抗元件不能同時為感抗或容抗，必須由兩種不同性質(zhì)的

23、電抗元件組成三點式振蕩器的相位判據(jù)三點式振蕩器的相位判據(jù)圖圖5.5-1 放大器已經(jīng)倒相放大器已經(jīng)倒相, ,即即 與與 差差180180，所以要求反饋電所以要求反饋電壓壓 必須與必須與 反相才能滿足相位條件反相才能滿足相位條件，如圖，如圖5.5-1所示。所示。oUiUfUoUcebecebeofXXjXIjXIUUF 因此，因此，Xbe必須與必須與Xce同性質(zhì)同性質(zhì)，才能保證才能保證 與與 反相反相。 由由5.5.3和和5.5.4式，歸結(jié)起來，式，歸結(jié)起來，Xbe和和Xce性質(zhì)相同性質(zhì)相同；Xcb和和Xce、Xbe性質(zhì)相反性質(zhì)相反。這就是三點式振蕩器的相位判據(jù)這就是三點式振蕩器的相位判據(jù)。也。也

24、可以這樣來記憶，可以這樣來記憶，與發(fā)射極相連接的兩個電抗性質(zhì)相同與發(fā)射極相連接的兩個電抗性質(zhì)相同，另另一個電抗則性質(zhì)相反一個電抗則性質(zhì)相反。即：。即：射同基反射同基反射同他異射同他異fUoU5.5.4結(jié)論：三點式電路的正確構(gòu)成如圖：例 ：振蕩電路如圖 所示，試畫出交流等效電路，并判斷電路在什么條件下起振，屬于什么形式的振蕩電路？ n解 1) 根據(jù)畫交流等效電路原則，將所有偏置視為開路，將耦合電容、交流旁路電容視為短路，則該電路的交流等效電路如圖所示。 n2) 根據(jù)交流等效電路可知，因為 x eb 為容性電抗，為了滿足三端電路相位平衡判斷準則， x ce 也必須呈容性。同理， x cb 應(yīng)該呈感

25、性。 n根據(jù)并聯(lián)諧振回路的相頻特性 ，當振蕩頻率 f 0 f 1 ( 回路 L 1 C 1 的固有頻率 ) 時， L 1 C 1 呈容性。根據(jù) x be + x ce + x bc =0 ， L 3 C 3 回路應(yīng)呈感性，振蕩電路才能正常工作。由圖 可知， f 0 f 3 時可以振蕩，等效為電容三端振蕩電路。其條件可寫為 即 L 1 C 1 L 3 C 3 5.6.2電容三點式振蕩器考畢茲振蕩器 1.電容三點式振蕩器n元件的作用：Colpitts 其中其中ZLZL為高頻扼流圈，防止高頻交流接地。為高頻扼流圈，防止高頻交流接地。R Rb1b1、R Rb2b2、Re為為分壓式偏置電阻。下面分析該電

26、路的振蕩條件（即振幅偏置電阻。下面分析該電路的振蕩條件（即振幅條件），圖條件），圖 (a)畫了交流等效電路。畫了交流等效電路。(b)為為Y參數(shù)等效電路。參數(shù)等效電路。電容三點式振蕩器的等效電路電容三點式振蕩器的等效電路 容易判斷振蕩器屬并容易判斷振蕩器屬并- -并聯(lián)接，電壓取樣電流求和的反并聯(lián)接，電壓取樣電流求和的反饋放大器。設(shè)其信號源電流為饋放大器。設(shè)其信號源電流為 ，負載電流為，負載電流為 ，顯然，顯然sILIooifLoriisUYUYIUYUYI式中，式中，Yi網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)aa-bb的大信號輸入導納；的大信號輸入導納； Yr網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)aa-bb的大信號反向傳輸導納；的大信號反向傳輸導納； Y

27、f網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)aa-bb的大信號正向傳輸導納；的大信號正向傳輸導納； Yo網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)aa-bb的大信號輸出導納。的大信號輸出導納。 實際上實際上 ，這只不過是虛構(gòu)的。而，這只不過是虛構(gòu)的。而意味著式意味著式5.5.5是線性齊次方程。即是線性齊次方程。即00LsII，00oiUU，5.5.500ooiforiiUyUyUyUy 其系數(shù)行列式為其系數(shù)行列式為0 0，即，即0y y o rfiyy 因網(wǎng)絡(luò)因網(wǎng)絡(luò)aa-bb是兩個網(wǎng)絡(luò)是兩個網(wǎng)絡(luò)(有源和無源有源和無源)并并-并聯(lián)接，所并聯(lián)接，所以以0y y y y y y y y oTrTonrnrTrToronfnfTrniniTfninfTiTfiyyyy

28、yyyyyyyy 式中，式中，T表示晶體管，表示晶體管，n表示無源網(wǎng)絡(luò)。即表示無源網(wǎng)絡(luò)。即5.5.65.5.75.5.8 0fnfTrnrTonoTiniTyyyyyyyy 這就是反映振蕩器滿足平衡條件這就是反映振蕩器滿足平衡條件方程方程。使用上述方法時，。使用上述方法時，應(yīng)使兩個網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流方向符合電壓取樣、電流求和的應(yīng)使兩個網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流方向符合電壓取樣、電流求和的條件。條件。 5.5.9式中式中yT是晶體管參數(shù)，可以測得和計算出是晶體管參數(shù)，可以測得和計算出, yn則則可以由具體網(wǎng)絡(luò)根據(jù)可以由具體網(wǎng)絡(luò)根據(jù)y參數(shù)的定義求得。參數(shù)的定義求得。 假設(shè)，振蕩器的工作頻率遠低于假設(shè)，振蕩器的

29、工作頻率遠低于fT，且忽略內(nèi)部反饋的，且忽略內(nèi)部反饋的影響和不計晶體管的電抗效應(yīng)，有影響和不計晶體管的電抗效應(yīng)，有5.5.9oernG G0 ieTGy5.5.10 由由下圖下圖，根據(jù)，根據(jù)y y參數(shù)的定義，可求得無源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的定義，可求得無源網(wǎng)絡(luò)|y|yn n| |為為LjCjUIyLjUIyLjUIyLjCjUIyioioUooonUiofnUoirnUiiin1111100020無源網(wǎng)絡(luò)無源網(wǎng)絡(luò)5.5.11 將式將式 5.5.10和和5.5.11代入式代入式5.5.9得得 0111112LjGLjLjCjGLjCjGrnoeie整理得整理得021212221LCCCCGGjLGGGGCG

30、Coeieoeiernoeie 令其虛部等于令其虛部等于0,可求得振蕩頻率為可求得振蕩頻率為211CGCGLCoeieg式中式中2121CCCCC 可見，可見，電容三點式振蕩器的振蕩頻率略高于回路的諧振電容三點式振蕩器的振蕩頻率略高于回路的諧振頻率頻率，且與晶體管的參數(shù)有關(guān)且與晶體管的參數(shù)有關(guān)。 令其實部等于令其實部等于0 0，并近似認為，并近似認為 ，可求得其，可求得其振蕩振蕩平平衡條件為衡條件為LC1ieoemGCCGCCG2112 用微變參數(shù)代替平均參數(shù)，可求得起振時所要求的最小用微變參數(shù)代替平均參數(shù)，可求得起振時所要求的最小跨導跨導(gm)min，其起振條件為，其起振條件為ieoemm

31、gCCgCCgg2112min因反饋系數(shù)因反饋系數(shù)2112CCCjICjIUUFof代入上式得代入上式得ieoemmFggFgg1min影響起振的因素：影響起振的因素：圖（圖（a a）影響起振因素）影響起振因素 從從圖（圖（a a）可以看出，可以看出，反饋電壓反饋電壓 不僅取決于電容不僅取決于電容C C2 2 ，還與晶體管的輸入導納還與晶體管的輸入導納gie有關(guān)有關(guān)。當。當gie較小時，較小時，gie的分路作的分路作用可以忽略，此時第一項起主要作用用可以忽略，此時第一項起主要作用fUFggoemmin當當min2mgFC，利于起振利于起振。 當當gie較大時，較大時，gie的分流作用不能忽略，

32、此時第二項起主的分流作用不能忽略，此時第二項起主 要作用，要作用，iemFggmin則則 min2mgFC，難于起振難于起振。 所以不能簡單地認為反饋系數(shù)越大，就越易起振，而應(yīng)所以不能簡單地認為反饋系數(shù)越大，就越易起振，而應(yīng)該有一定范該有一定范圍。另外反饋系數(shù)的大小還會影響振蕩波形的好壞，反饋系數(shù)過大會產(chǎn)圍。另外反饋系數(shù)的大小還會影響振蕩波形的好壞，反饋系數(shù)過大會產(chǎn)生較大的波形失真。通常生較大的波形失真。通常F0.010.5，且一般取得較小。且一般取得較小。起振條件的修正： 以上的討論，沒有考慮線圈的損耗，如考慮到以上的討論，沒有考慮線圈的損耗，如考慮到r的影響的影響,gm要求將會增大，則起振

33、條件應(yīng)該修正，如則起振條件應(yīng)該修正，如圖（圖（b）所示。所示。 將將r經(jīng)過兩次折算，折算到經(jīng)過兩次折算，折算到ce兩端和兩端和goe并聯(lián)，所以起振并聯(lián)，所以起振條件應(yīng)修正為條件應(yīng)修正為ieLoeieLoemmFgggFgCCggCCgg12112min圖（圖（b b）起振條件修正）起振條件修正5.6.3 電感三點式振蕩器哈特萊振蕩器 1、電感三點式振蕩器及其作用：n元件作用：電感三點式振蕩器電路如圖電感三點式振蕩器電路如圖所示。所示。 是從是從L2取得的取得的, 故稱故稱為電感反饋三點式振蕩器。為電感反饋三點式振蕩器。通常通常L1、L2同繞在一個骨架同繞在一個骨架上，它們之間存在著互感，上，它

34、們之間存在著互感，且耦合系數(shù)且耦合系數(shù)M1。2、交流等效電路：3、振蕩條件與振蕩頻率： 下面利用基爾霍夫定律列出網(wǎng)孔方程來分析其振蕩條件下面利用基爾霍夫定律列出網(wǎng)孔方程來分析其振蕩條件. .由由圖圖 (c)列出回路方程：列出回路方程：0)()(12IIMjIILjIGcbbie012010121121122ICjMjLjLjILjMjILjMjIMjLjILjGIGGGMjIMjLjIMjILjGcbcoeboeiemcbie5.5.19 令上面方程組系數(shù)行列式令上面方程組系數(shù)行列式D D的虛部等于零，得的虛部等于零，得0 1 2122121MLLCCMLLGGoeie221212 21MLL

35、GGCMLLoeieg得得 可見，可見，g略低于回路諧振角頻率略低于回路諧振角頻率0，且振蕩頻率與晶且振蕩頻率與晶體管參數(shù)有關(guān)，即體管參數(shù)有關(guān)，即 。通常選取：。通常選?。?212122MLLGGMLLCoeie故故LCg15.5.205.5.21有關(guān)與oeiegGG ,式中式中L=LL=L1 1+L+L2 2+2M+2M為求起振條件，設(shè)式為求起振條件，設(shè)式5.5.205.5.20第三個方程中第三個方程中 的系數(shù)為的系數(shù)為0,0,此時令此時令5.5.205.5.20式的系數(shù)行列式的實部等于式的系數(shù)行列式的實部等于0 0，即，即022221222oeoeiemieGLMMLMLGGGGMLI可得

36、振蕩平衡條件可得振蕩平衡條件MLMLGMLMLGGieoem12215.5.22因此振蕩條件是因此振蕩條件是MLMLGMLMLGggieoemm1221min5.5.231212F NNMLMLUUof 故起振條件可寫成：故起振條件可寫成：ieoemmgFgFgg1min 至于反饋系數(shù)的選取，為兼顧振蕩的振蕩波形，通常取至于反饋系數(shù)的選取，為兼顧振蕩的振蕩波形，通常取F=0.10.5。5.5.245.5.255.6.4電容三點式和電感三點式振蕩器的比較（優(yōu)缺點） n電容三點式 電感三點式n1、 （C1/C2） n2、 XL=L , XL 對高次諧波可濾 不能濾去高次諧波， 除，波形失真小，接近

37、正弦波 輸出波形較差 （失真大） Ci+Co并入LC回路： Ci+Co對回路特性影響但回路C1和C2較大，Ci+C 0 較大（因回路L大C小）影響較小 工作頻率高 工作頻率低n 調(diào)整頻率困難 易起振頻率調(diào)節(jié)方便。 12CCF 1212NNMLMLFccCXX,15.6.5 改進型電容反饋三點式振蕩器 n從上面分析可知，電容三端式電路比電感三端式電路性能要好些，但如何減少晶體管輸入輸出電容對回路的影響仍是一個必須解決的問題，于是出現(xiàn)了改進型的電容三端式電路克拉潑電路。 nCie和Coe對振蕩頻率的影響n減小Cie和Coe對回路的影響可在L串一電容C3變成克拉波振蕩器 一、串聯(lián)改進型電容三點式振蕩

38、器克拉波振蕩器 a) 克拉波振蕩器 b)交流等效電路2、性能分析：nC3的作用：na)決定振蕩頻率 nb)減小Cie和Coe對振蕩頻率的影響 23133313221321CCCCCCCCCCCCCCC，取31LCogC1和C3大小對起振和振幅的影響 n接入系數(shù)： ngP折合到ce回路Gln起振條件：n基本放大器增益：(CCCCCCCCCCCPce),(3132CCCC02130222102312111QLCLQLCLQCCPggOOOOcePLieOoemmgCCQLCgCCgg21021312min)(LoemuogggA討論：電路參數(shù)變化對振蕩器特性的影響 n1、

39、 n2、 n這說明，要使振蕩穩(wěn)定和幅度均勻，不允許 變化太大，即說明振蕩覆蓋不寬。n 3、 起振難度加大（分流增大）min01mLggC振幅uoA起振難min03mLggC振幅uoA0易于起振min0mLggQ振幅uoA克拉波振蕩器存在的問題和解決的方法 n問題： n解決方法西勒振蕩器 。振幅起振困難31CC二、并聯(lián)改進型電容三點式振蕩器西勒（Seiler）振蕩器 n1、電路特點：2、性能分析n振蕩頻率： n 調(diào)節(jié)C4可調(diào)f0n起振條件：n n 4301CCL(CCCCCCCCCCCPceLQCCgOL02311ieoemmgCCLQCCgCCgg2100232112

40、min)(分析 na)Pce與C4無關(guān)，改變C4不影響Pce和gL。nb) n Kd1.61.8，且幅度均勻 利于起振min04mLggC振幅uoA5.6.6幾種三點式振蕩器的性能比較n考畢茲n哈特萊n克拉波n西勒5. 小結(jié) n以上所介紹的五種 LC 振蕩器均是采用 LC 元件作為選頻網(wǎng)絡(luò)。由于 LC 元件的標準性較差，因而諧振回路的 Q 值較低，空載 Q 值一般不超過 300 ，有載 Q 值就更低，所以 LC 振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高，一般為 量級，即使是克拉潑電路和西勒電路也只能達到 量級。如果需要頻率穩(wěn)定度更高的振蕩器，可以采用晶體振蕩器。 4103104105.7 振蕩器的頻率穩(wěn)定度 n

41、本節(jié)要點：n頻率穩(wěn)定度的含義n影響頻率穩(wěn)定度的主要因素n提高頻率穩(wěn)定度的措施一、頻率準確度n準確度和穩(wěn)定度的重要性n1、定義n2、分類及表征：nf準確度：絕對準確度n 相對準確度二、頻率穩(wěn)定度 n1、定義n2、分類及表征：nf穩(wěn)定度：絕對穩(wěn)定度n 相對穩(wěn)定度 n為了便于評價不同振蕩器的性能，又可根據(jù)觀測時間的長短，將頻率穩(wěn)定度分為：n長期頻率穩(wěn)定度：長期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以上乃至幾個月的相對頻率變化的最大值。它主要用來評價天文臺或計量單位的高精度頻率標準和計時設(shè)備的穩(wěn)定指標。 n短期頻率穩(wěn)定度：短期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以內(nèi)頻率的相對變化最大值。外界因素引起的頻率變化大都屬于這一類，通常稱

42、之為頻率漂移。短期頻率穩(wěn)定度一般多用來評價測量儀器和通信設(shè)備中主振器的頻率穩(wěn)定指標。 n瞬間頻率穩(wěn)定度：瞬間頻率穩(wěn)定度：指秒或毫秒內(nèi)隨機頻率變化，即頻率的瞬間無規(guī)則變化，通常稱為振蕩器的相對抖動或相位噪聲。 n短期頻率穩(wěn)定度主要與溫度變化、電源電壓變化和電路參數(shù)不穩(wěn)定性等因素有關(guān)。長期頻率穩(wěn)定度主要取決于有源器件和電路元件及石英晶體和老化特性，與頻率的瞬間變化無關(guān)。而瞬間頻率穩(wěn)定度主要是由于頻率源內(nèi)部噪聲而引起的頻率起伏，它與外界條件和長期頻率穩(wěn)定度無關(guān)。 n對頻率穩(wěn)定度的要求因用途而異。對中波電臺發(fā)射機為 10 5 數(shù)量級，電視發(fā)射機為 10 7 數(shù)量級，普通信號發(fā)生器約為 10 4 10

43、5 數(shù)量級，高精度信號發(fā)生器約為 10 7 10 9 數(shù)量級。 5.7.2頻率穩(wěn)定度分析n一、影響頻率不穩(wěn)定的因素： nLC回路參數(shù)的不穩(wěn)定n晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定n二、定性分析：ZFZY00提高頻率穩(wěn)定度的一般規(guī)律n要 小 n a)設(shè)法減小 n b)設(shè)法使Y，Z，F(xiàn) 不完全同號，相互低償一部分n c)提高回路Q值，以得較大的 , 即要求并聯(lián)諧振回路相頻特性的斜率要大。0Z電路參量變化對振蕩頻率穩(wěn)定度影響的定量關(guān)系 YFYFYFanQQQt2200cos22結(jié)論：要提高回路的頻率穩(wěn)定度 a)要提高回路的標準性b)回路Q值要高c)電路的YF要小5.7.3提高頻率穩(wěn)定度的措施： n1. 減小外因變化，

44、根除“病因” n1) 減小溫度的變化： 為了減小溫度對振蕩器頻率的影響，可將振蕩器放在恒濕槽內(nèi)；另使振蕩器遠離熱源，在電路設(shè)計、安裝時振蕩器不要靠近功放；采取溫度補償方法，如采用正、負溫度系數(shù)不同的 L 、 C ，抵消 L 、 C ，使 為零。 n2) 減小電源的變化： 振蕩器供電電源采用二次穩(wěn)壓；或者振蕩器采取單獨供電。 n3) 減小濕度和大氣壓力的影響 ：通常將振蕩器密封起來。 n4) 減小磁場感應(yīng)對頻率的影響： 對振蕩器進行屏蔽。 n5) 消除機械振動的影響： 通?？杉酉鹌|圈作減振器。 n6) 減小負載的影響： 在振蕩器和下級電路之間加緩沖器 ( 一般用射隨電路 ) 起隔離作用，提高回

45、路 Q 值；本級采用低阻抗輸出 ( 即射極輸出 ) ；本級輸出與下一級采取松耦合 ( 加一個小電容 ) 。2、提高電路抗外界因素影響的能力：1）. 提高振蕩回路的標準性 回路的標準性即指振蕩回路在外界因素變化時保持其固有諧振頻率不變的能力。 n要提高回路標準性即要減小 L 和 C ，可nA.采用高質(zhì)量的回路元件：采取優(yōu)質(zhì)材料的電感和電容，如將鍍銀線圈繞在高頻骨架上；采用優(yōu)質(zhì)云母電容。nB.減小分布電容和引線電感：注意安裝的結(jié)構(gòu)工藝，在結(jié)構(gòu)工藝上緊固回路元件，盡量縮短引線，采用機械強度高的引線，如較粗的鍍銀線進行牢固的安裝和焊接，以提高分布電容的穩(wěn)定性，并減小分布電感。在頻率較高的頻段，常采用柱

46、形電容，使電容的外接線縮到最低限度。nC.減小不穩(wěn)定電容對回路標準性的影響：一是降低振蕩頻率，二是采用弱耦合，即采取克拉潑或西勒電路，減弱晶體管與振蕩回路之間耦合，使折算到回路內(nèi)的有源器件參數(shù)減小，提高回路標準性，從而提高了頻率穩(wěn)定度。 nD.提高回路的有效Q值 2）減小相角 及其變化量n由相位平衡條件得知， j YF = j Z ，若 j YF 大，則要求 jZ 大，才能滿足相位平衡，即意味著回路失諧嚴重。由前述可知，為使振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，則要求 j YF 的數(shù)值小，且變化量小。 j YF = j Y + j F ， j Y 是集電極電流基波分量與基極輸入電壓之間的相角，數(shù)值總是負的。理

47、論和實踐都證明， 隨工作頻率的升高jY基本上成正比的增大。除此之外，在高頻工作時，發(fā)射極電流產(chǎn)生負脈沖，以及振蕩波形失真都會使相角 j Y 增大。為了減小 j Y ，可使振蕩器的工作頻率比振蕩管的的特性頻率低很多，即 ff T ，并選用電容三端式振蕩電路，使振蕩波形良好。 nj F 是反饋系數(shù)的相角。這是由于振蕩管的輸入阻抗、輸出阻抗以及振蕩回路本身的損耗而引起的相角，對電容三端電路而言， j F 0 ，對電感三端電路，則 j Y 0 ，為使 j YF 小，則選擇電容三端電路較好。FY5.8 石英晶體振蕩器石英是礦物質(zhì)硅石的一種，化學成分是 SiO 2 ，是形如六面錐體的結(jié)晶體 石英晶體振蕩器

48、的特點：高準確度，高穩(wěn)定度（一般105106，最高1091011），點頻工作。5.8.1石英諧振器的性能和等效電路n石英晶片的固有機械振動頻率與晶片的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)有關(guān)。n 石英晶片的正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)n 正壓電效應(yīng)：振動力-交變電荷量n 逆壓電效應(yīng)：交變電壓-交變機械振動n 諧振：當晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時，它本身有一個固有的機械振動頻率。外加交變電壓的頻率等于晶體固有機械振動頻率時，晶片的機械振動最大，晶片兩片的電荷量最多，在外電路中交流電流最大，便產(chǎn)生了諧振。 結(jié)構(gòu)及外形：將石英晶體按一定方位切割成片，兩邊敷以電極，焊上引線，再用金屬或玻璃外殼封裝即構(gòu)成石英晶體諧振器 ( 簡稱石英晶

49、振 ) 。 n石英晶振的固有頻率十分穩(wěn)定，它的溫度系數(shù) ( 溫度變化 1 所引起的固有頻率相對變化量 ) 在 以下。另外，石英晶振的振動具有多諧性，即除了基頻振動外，還有奇次諧波泛音振動。對于石英晶振，既可利用其基頻振動，也可利用其泛音振動，前者稱為基頻晶體，后者稱為泛音晶體。晶體厚度與振動頻率成反比，工作頻率越高，要求晶片越薄，機械強度越差，加工越困難，使用中也易損壞。由此可見，在同樣的工作頻率上，泛音晶體的切片可以做得比基頻晶體的切片厚一些。所以在工作頻率較高時，常采用泛音晶體。通常在工作頻率小于 20MHz 時采用基頻晶體，大于 20MHz 時采用泛音晶體。 610石英諧振器的符號及等效

50、電路 n（1）n n Lq 很大，Cq 很小，Qq 很大，幾萬至幾百萬n（2）接入系數(shù)P= C q /(C 0 + C q )很小，大約為104103，所以外接元器件參數(shù)對石英晶振的影響很小。 電抗特性 651010 很大：qQ3241(1010 )1111010qqqqHLQCrpF幾十綜合以上兩點，不難理解石英晶振的頻率穩(wěn)定度是非常高的。 （3）串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率串聯(lián)：并聯(lián)：標稱頻率fN：f N 的值位于 f q 與 f p 之間，這是指石英晶振兩端并接某一規(guī)定負載電容 C L 時石英晶振的振蕩頻率。 負載電容 C L 的值在生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明書中有注明，通常為 30pF( 高頻晶

51、體 ) ，或 100pF( 低頻晶體 ) ，或標示為 ￥ ( 指無需外接負載電容，常用于串聯(lián)型晶體振蕩器 ) 。 qqs21CLfq0q0qp21CCCCLf0qs1CCf石英諧振器的電抗頻率特性曲線 討論：na)感性區(qū)曲線斜率大，利于穩(wěn)頻。n 設(shè)外因使n振蕩器應(yīng)用感性區(qū)特性。nb)容性區(qū)不宜用原因：n 1、容性區(qū)曲線變化緩慢，不利于穩(wěn)頻n 2、如晶體弄壞，仍呈C0無法判定晶體是否起作用。qqqCLL15.8.2石英晶體振蕩器 n分類：以石英諧振區(qū)在諧振器中的作用分：n并聯(lián)型晶體振蕩器：石英振蕩器在回路作為等效電感元件（高Q,L），又分為：n皮爾斯振蕩器，n密勒振蕩器，n并聯(lián)泛音晶體振蕩器。n串聯(lián)諧振型振蕩器：石英振蕩器在回路作為串聯(lián)諧振元件（選頻網(wǎng)絡(luò)），又分為：n串聯(lián)基音晶體振蕩器n串聯(lián)泛音晶體振蕩器一、并聯(lián)型晶體振蕩器 n1、皮爾斯(Pier