Chapter6正弦波振蕩器第一頁，共48頁。自激式振蕩器：在無需外加激勵信號的情況下，能將直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定波形、一定頻率和一定幅度的交變能量電路。一、振蕩器的分類：按波形分按工作方式按選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的元件分§6.1

概述正弦波振蕩器非正弦波振蕩器負(fù)阻型振蕩器反饋型振蕩器LC振蕩器RC振蕩器晶體振蕩器二、振蕩電路的主要技術(shù)指標(biāo)：振蕩頻率頻率穩(wěn)定度振蕩幅度振蕩波形第二頁，共48頁?！?.2反饋型振蕩器基本工作原理由KVL：微分，得：其中：——回路的衰減系數(shù)——回路的固有角頻率一、并聯(lián)諧振回路中的自由振蕩現(xiàn)象第三頁，共48頁?？梢酝茖?dǎo)出：⑴——過阻尼，不產(chǎn)生振蕩⑵——臨介阻尼，仍不產(chǎn)生振蕩⑶——自由振蕩衰減振蕩等幅振蕩增幅振蕩第四頁，共48頁。為了獲得等幅振蕩，就必須設(shè)法使LC回路中的電阻等于“0”。由于實(shí)際的LC回路本身總是有正電阻的，因此必須人為的引入一個負(fù)電阻，將回路本身的正電阻完全抵消，以獲得等幅振蕩。負(fù)電阻產(chǎn)生的方法①引入正反饋②利用有源器件的負(fù)阻特性第五頁，共48頁。振蕩器必須由三部分組成：①包含兩個(或兩個以上)儲能元件的振蕩回路。②可以補(bǔ)充由振蕩回路電阻產(chǎn)生損耗的能量來源。③使能量在正確的時間內(nèi)補(bǔ)充到電路中的控制設(shè)備。二、振蕩過程與振蕩條件第六頁，共48頁。自激振蕩建立的物理過程1.振蕩過程與振蕩條件產(chǎn)生振蕩時：故振蕩條件為：反饋系數(shù)或反饋放大器的閉環(huán)增益為：時，當(dāng)放大器變成了振蕩器。

第七頁，共48頁。由上分析知，反饋型正弦波振蕩器的起振條件是：2.平衡過程與平衡條件即振蕩器的平衡條件為

在平衡條件下，反饋到放大器的輸入信號正好等于放大器維持其所需要的輸入電壓，從而保持反饋環(huán)路各點(diǎn)電壓的平衡，使振蕩器得以維持。即第八頁，共48頁。3.振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件

形成穩(wěn)定平衡點(diǎn)的關(guān)鍵在于在平衡點(diǎn)附近，放大倍數(shù)隨振幅的變化特性具有負(fù)的斜率，即②相位平衡的穩(wěn)定條件①振幅平衡的穩(wěn)定條件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(diǎn)的條件；若能建立則仍能保持其穩(wěn)定的振蕩。相位穩(wěn)定條件應(yīng)為或軟自激的振蕩特性硬自激的振蕩特性正向傳輸導(dǎo)納相角回路基波諧振阻抗相角反饋系數(shù)相角第九頁，共48頁。

LC振蕩器按其反饋網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為互感耦合振蕩器、電感反饋式振蕩器和電容反饋式振蕩器三種。一、互感耦合振蕩器

互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)正反饋的，耦合線圈同名端正確位置的放置、選擇合適的耦合量M，使之滿足振幅起振條件，這些都是很重要的?！?.3反饋型LC振蕩器線路

互感耦合振蕩器的三種形式調(diào)基電路調(diào)集電路調(diào)發(fā)電路進(jìn)入第十頁，共48頁。

由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回路的Q

值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合。調(diào)基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時，振幅比較平衡。(a)調(diào)基電路（b）調(diào)發(fā)電路第十一頁，共48頁。調(diào)集電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，而且幅度較大，諧波成分較小。（c）調(diào)集電路第十二頁，共48頁。二、三端式LC振蕩器三端式LC振蕩電路是經(jīng)常被采用的，其工作頻率約在幾MHz到幾百M(fèi)Hz的范圍，頻率穩(wěn)定度也比變壓器耦合振蕩電路高一些，若采取一些穩(wěn)頻措施，還可以再提高一點(diǎn)。三端式LC振蕩器有多種形式，主要有：電感三端式，又稱哈特萊振蕩器(Hartley)；電容三端式，又稱考畢茲振蕩器(Coplitts)；串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱克拉潑振蕩器(Clapp)；并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱西勒振蕩器(Selier)。LC三端式振蕩器組成法則(相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則)第十三頁，共48頁。(a)共發(fā)電感反饋三端式振蕩器電路(b)等效電路電感三端式振蕩電路由h參數(shù)等效電路可以推導(dǎo)，電感反饋三端電路的起振條件振蕩頻率為:電感反饋三端式振蕩器(Hartley電路)第十四頁，共48頁。Hartley電路的優(yōu)點(diǎn)：①L1、L2之間有互感，反饋較強(qiáng)，容易起振；缺點(diǎn)：①振蕩波形不好，因?yàn)榉答侂妷菏窃陔姼猩汐@得,而電感對高次諧波呈高阻抗，因此對高次諧波的反饋較強(qiáng)，使波形失真大；②電感反饋三端電路的振蕩頻率不能做得太高，這是因?yàn)轭l率太高，分布參數(shù)的影響太大。②振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容C的大小即可。③而且C的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。第十五頁，共48頁。電容反饋三端振蕩器(Coplitts電路)電容三端式振蕩電路（a）（b）可推導(dǎo)電容反饋三端電路的起振條件電容反饋三端電路的振蕩頻率第十六頁，共48頁。Coplitts電路的優(yōu)點(diǎn)：①電容反饋三端電路的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好。②電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電容量，就可以減小不穩(wěn)定因素對振蕩頻率的影響。③電容三端電路的工作頻率可以做得較高，可直接利用振蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工作頻率可做到幾十MHz到幾百M(fèi)Hz的甚高頻波段范圍。缺點(diǎn)：調(diào)C1或C2來改變振蕩頻率時，反饋系數(shù)也將改變。但只要在L兩端并上一個可變電容器，并令C1與C2為固定電容，則在調(diào)整頻率時，基本上不會影響反饋系數(shù)。第十七頁，共48頁。串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(Clapp電路)（a）Clapp電路的實(shí)際電路（b）高頻等效電路因?yàn)镃3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C1或C2，所以三電容串聯(lián)后的等效電容振蕩角頻率故Clapp電路的振蕩頻率幾乎與C1、C2無關(guān)。第十八頁，共48頁。①由于Cce、Cbe的接入系數(shù)減小，晶體管與諧振回路是松耦合。②調(diào)整C1C2的值可以改變反饋系數(shù),但對諧振頻率的影響很小。由于放大倍數(shù)與頻率的立方成反比，故隨著放大頻率的升高振蕩的幅度明顯下降，上限頻率受到限制。故:③調(diào)整C3的值可以改變系統(tǒng)的諧振頻率,對反饋系數(shù)無影響。①Clapp電路的波段覆蓋的范圍窄。②工作波段內(nèi)輸出波形隨頻率變化大。Clapp電路的特點(diǎn):缺點(diǎn)：第十九頁，共48頁。并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(

Seiler電路)(a)實(shí)際電路(b)高頻等效電路其回路等效電容振蕩頻率特點(diǎn)：①容易起振；②波段覆蓋率寬，且在波段內(nèi)幅度較均勻。第二十頁，共48頁。例6.1某振蕩器電路如下圖所示。1)試說明各元件的作用；2)當(dāng)回路電感L=1.5μH時，要使振蕩頻率為49.5MHz，則C4=?解：Rc:集電極偏置電阻;Re,RΦ:發(fā)射極偏置電阻；Rb1,

Rb2:基極偏置電阻；Cb:旁路電容；Cp:耦合電容；ZL:高頻扼流圈；C1~C4:振蕩回路電容

L

:振蕩回路電感Seiler振蕩電路而第二十一頁，共48頁。LC三端式振蕩器組成法則(相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則)振蕩器的等效三端電路三端式LC振蕩器是一種反饋式LC振蕩器。當(dāng)回路元件的電阻很小，可以忽略其影響，同時也忽略三極管的輸入阻抗與輸出阻抗的影響，則電路要振蕩必須滿足條件：Xbe+Xce+Xcb=0電路特點(diǎn)簡言之就是“射同它異”。以此準(zhǔn)則可迅速判斷振蕩電路組成是否合理，能否起振。也可用于分析復(fù)雜電路與寄生振蕩現(xiàn)象。第二十二頁，共48頁。例6.2下圖是一個三回路振蕩器的等效電路，現(xiàn)有以下四種情況：(1)L1C1>L2C2>L3C3(2)L1C1<L2C2<L3C3(3)L1C1=L2C2>L3C3(4)L1C1<L2C2=L3C3試分析上述四種情況是否都能振蕩，振蕩頻率f1與回路諧振頻率有何關(guān)系？屬于何種類型的振蕩器？分析：該電路要能振蕩，三個回路的諧振頻率必須滿足：解：(1)故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率f1為：屬于電感反饋振蕩器；(2)(3)故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率f1為：屬于電容反饋振蕩器；(4)故電路不可能振蕩。故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率f1為：屬于電容反饋振蕩器；第二十三頁，共48頁。頻率穩(wěn)定，就是在各種外界條件發(fā)生變化的情況下，要求振蕩器的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差及偏差的變化最小。振蕩器的頻率穩(wěn)定度則是指在一定時間間隔內(nèi)，由于各種因素變化，引起的振蕩頻率相對于標(biāo)稱頻率變化的程度。絕對準(zhǔn)確度相對準(zhǔn)確度§6.4振蕩器的頻率穩(wěn)定問題第二十四頁，共48頁。根據(jù)所指定的時間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為：長期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度瞬間頻率穩(wěn)定度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)。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)。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)。頻率穩(wěn)定度第二十五頁，共48頁。一、影響頻率穩(wěn)定度的因素1.振蕩回路參數(shù)L與C對頻率的影響因?yàn)檎袷庮l率其相對頻率變化量為2.回路品質(zhì)因素Q值對頻率的影響Q值越高，則相同的相角變化引起頻率偏移越小。第二十六頁，共48頁。3.有源器件的參數(shù)對頻率的影響振蕩管為有源器件，若它的工作狀態(tài)(電源電壓或周圍溫度等)有所改變，則由式如果晶體管參數(shù)h與hi發(fā)生變化，即引起振蕩頻率的改變。另外，當(dāng)外界因素(如電源電壓、溫度、濕度等)變化時，這些參數(shù)隨之而來的變化就會造成振蕩器頻率的變化。第二十七頁，共48頁。二、振蕩器穩(wěn)定頻率的方法1.減小外因變化，根除“病因”①減小溫度的變化。②減小電源的變化。③減小濕度和大氣壓力的影響。④減小磁場感應(yīng)對頻率的影響。將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)；使振蕩器遠(yuǎn)離熱源，如采用正、負(fù)溫度系數(shù)不同的L、C，抵消L、C。采用二次穩(wěn)壓電源供電；或振蕩器采取單獨(dú)供電。將振蕩器密封起來。對振蕩器進(jìn)行屏蔽。溫度補(bǔ)償法第二十八頁，共48頁。⑤消除機(jī)械振動的影響。⑥減小負(fù)載的影響。通?？杉酉鹌|圈作減振器。采取Clapp或Seiler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(biāo)準(zhǔn)性和頻率穩(wěn)定度。在振蕩器和下級電路之間加緩沖器，提高回路Q值；本級采用低阻抗輸出，本級輸出與下一級采取松耦合；第二十九頁，共48頁。

2.提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性

所謂回路的標(biāo)準(zhǔn)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。要提高回路標(biāo)準(zhǔn)性即要減小L和C，因此可采取優(yōu)質(zhì)材料的電感和電容。

3.減小相角YF及其變化量YF

為使振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，則要求YF的數(shù)值小，且變化量小?？墒拐袷幤鞯墓ぷ黝l率比振蕩管的特征頻率低很多，即f<<fT，并選用電容三端式振蕩電路，使振蕩波形良好。第三十頁，共48頁。

作業(yè)：

6-56-11第三十一頁，共48頁。一、概述1.石英晶體諧振器頻率穩(wěn)定度高的原因§6.5石英晶體振蕩器①石英晶體的等效諧振回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性；②具有正反壓電效應(yīng)，而且在諧振頻率附近，晶體的等效參數(shù)Lq很大、Cq很小，rq也不高，故晶體的Q值可高達(dá)數(shù)百萬數(shù)量級；③對頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。第三十二頁，共48頁。2.使用時的注意事項(xiàng)：①采用恒溫措施；②石英諧振器都規(guī)定接有一定的負(fù)載電容CL，用來補(bǔ)償生產(chǎn)中晶體的頻率誤差和晶體的老化，達(dá)到標(biāo)稱頻率。為適應(yīng)高頻、低頻的不同場合，CL一般采用微調(diào)電容;③在振蕩電路中，必須注意不能超過晶體的額定激勵電平，并盡量保持激勵電平的穩(wěn)定；④石英諧振器或者工作于感性區(qū)，或者工作于串聯(lián)諧振頻率上，決不能使用容性區(qū)。第三十三頁，共48頁。二、晶體振蕩器電路并聯(lián)諧振型晶體振蕩器串聯(lián)諧振型晶體振蕩器1.并聯(lián)諧振型晶體振蕩器把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為一個感性元件，并與其他回路元件按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成的三端振蕩器。(a)PierceCircuit(b)MillerCircuit并聯(lián)諧振型晶體振蕩器的兩種基本形式第三十四頁，共48頁。(1)皮爾斯(Pierce)振蕩電路第三十五頁，共48頁。(2)密勒(Miller)振蕩電路第三十六頁，共48頁。(3)Pierce電路與Miller電路的比較Miller電路的輸出信號較大，L1C1回路還可以抑制其他諧波，但頻率的穩(wěn)定度不如Pierce電路。因?yàn)镸iller電路中，石英晶體接在輸入阻抗低的b-e之間，降低了石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)性；而Pierce電路中的石英晶體則接在阻抗很高的b-c之間，石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)性受影響很小。(a)PierceCircuit(b)MillerCircuit在頻率穩(wěn)定度要求較高的電路幾乎都采用Pierce電路。第三十七頁，共48頁。

2.串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器是將石英晶振用于正反饋支路中，利用其串聯(lián)諧振時等效為短路元件，電路反饋?zhàn)饔米顝?qiáng)，滿足振幅起振條件，使振蕩器在晶振串聯(lián)諧振頻率fq上起振。這種振蕩器與三點(diǎn)式振蕩器基本類似，只不過在正反饋支路上增加了一個晶振。串聯(lián)諧振型正弦波晶振電路第三十八頁，共48頁。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(jī)械強(qiáng)度越差，加工越困難，使用中也易損壞。

3.泛音晶體振電路為解決該問題，可以令晶體工作于它的泛音(overtone)頻率上，構(gòu)成泛音晶體振蕩器。泛音：指石英片振動的機(jī)械諧波，與基頻不成整數(shù)倍關(guān)系，只是在基頻奇數(shù)倍附近，且與基波不能同時存在。第三十九頁，共48頁。§6.6RC振蕩器較低的振蕩頻率一般都采用RC振蕩器來完成。RC振蕩器主要優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造較簡單，經(jīng)濟(jì)方便RC振蕩器振幅和相位平衡條件：RC振蕩器的分類(根據(jù)RC網(wǎng)絡(luò)的不同形狀分):相移振蕩器橋式振蕩器RC振蕩器第四十頁，共48頁。1.RC相移振蕩器由超前移相或滯后移相電路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的RC振蕩器。(a)相位超前的相移網(wǎng)絡(luò)(b)相位滯后的相移網(wǎng)絡(luò)圖(a)中，傳輸系數(shù)模相角超前相移網(wǎng)絡(luò)圖(b)中，傳輸系數(shù)模相角滯后相移網(wǎng)絡(luò)第四十一頁，共48頁。兩種相移網(wǎng)絡(luò)的共同特點(diǎn)：①φ隨頻率的變化而變化，且0<φ<90o②輸出電壓幅度也隨頻率的變化而變化，但Vo<Vi，且相移愈大，Vo愈?。划?dāng)相移90o時，輸出趨近于0。因此，為了保證相移網(wǎng)絡(luò)倒相180o，至少需要用三節(jié)移相網(wǎng)絡(luò)。此時，其振蕩頻率為起振條件為第四十二頁，共48頁。2.文氏電橋振蕩器由放大器、RC并聯(lián)正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋電路組成。文氏電橋振蕩器原理圖圖中，紅框內(nèi)為完成正反饋?zhàn)饔玫拇?/p>