第4章正弦波振蕩器

無線電發(fā)送設(shè)備需要高頻載波，無線電接收設(shè)備需要本振信號(hào)，很多電子設(shè)備中都需要使用正弦波振蕩信號(hào)，它們都是由正弦波振蕩器所產(chǎn)生。振蕩器（oscillator）和放大器一樣，也是一種能量轉(zhuǎn)換電路，所不同的是振蕩器無需外加輸入信號(hào)，本身就能自動(dòng)地將直流電能轉(zhuǎn)換為特定頻率、波形、幅度的交變電能輸出。振蕩器種類很多，根據(jù)產(chǎn)生的振蕩波形不同，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。前者輸出正弦波形信號(hào)，后者輸出矩形波、三角波和鋸齒波等脈沖信號(hào)。正弦波振蕩器按工作原理不同，又可分為反饋型振蕩器和負(fù)阻型振蕩器。前者是在放大電路中引入正反饋，當(dāng)正反饋?zhàn)銐驈?qiáng)時(shí)，放大器就變成了振蕩器；后者是將一個(gè)具有負(fù)阻特性的有源器件與諧振回路直接相連構(gòu)成的振蕩電路。為了得到一定頻率的正弦波輸出信號(hào)，在反饋型振蕩電路中必須具有選頻網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件不同，正弦波振蕩器又可分為L(zhǎng)C振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型。本章主要討論反饋型正弦波振蕩器，此外對(duì)寄生振蕩作簡(jiǎn)要介紹。正弦波振蕩器廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，特別是在通信系統(tǒng)中起著重要作用。如在無線電發(fā)送設(shè)備中，產(chǎn)生載波信號(hào)；在接收設(shè)備中，產(chǎn)生本振信號(hào)。在電子測(cè)量設(shè)備中也需要各種頻率的正弦波振蕩器。圖4-1反饋型正弦波振蕩器原理

4.2.2起振過程與起振條件１.起振過程如上所述，反饋型振蕩器是把反饋電壓作為輸入信號(hào)電壓，那么最初的輸入信號(hào)電壓是怎么得來的呢？換句話說，振蕩器是如何起振的呢？這個(gè)問題可以作如下解釋：在接通直流電源瞬間，在電路的各部分中，將引起電擾動(dòng)。這些電擾動(dòng)是接通電源瞬間引起的電流突變或是管子和回路的固有噪聲，由于振蕩電路是一個(gè)閉環(huán)正反饋系統(tǒng)，不管電擾動(dòng)最初發(fā)生在電路的哪個(gè)部分，最終要傳到放大器輸入端成為最初的輸入信號(hào)電壓。這些電擾動(dòng)具有極寬的頻率范圍，由于選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻作用，只有頻率等于選頻網(wǎng)絡(luò)諧振頻率的分量得到放大，其余頻率成分被抑制掉。放大后的角頻率為分量的信號(hào)，通過反饋又回送到放大器的輸入端，成為第二次輸入信號(hào)，完成一次循環(huán)。經(jīng)過一次循環(huán)后的輸入信號(hào)與最初的輸入信號(hào)相比，不僅相位相同，而且幅度也增大了。第二次循環(huán)隨即開始，如此重復(fù)一直繼續(xù)下去。經(jīng)過上述放大--反饋--再放大--再反饋的循環(huán)過程，角頻率為的輸出信號(hào)電壓迅速增大，自激振蕩就建立起來了。圖4-2滿足起振條件的環(huán)路增益圖4-3并聯(lián)諧振回路的相頻特性曲線

由圖4-3可見，在諧振點(diǎn)附近具有負(fù)斜率，正好滿足相位穩(wěn)定條件的要求。（1）減少外界因素變化的影響減少外界因素變化影響的措施很多，例如可將振蕩器置于恒溫槽中，以減少溫度變化的影響；采用高穩(wěn)定度直流穩(wěn)壓電源供電，減少電源電壓波動(dòng)的影響；采用屏蔽減少外界電磁場(chǎng)變化的影響；采用密封工藝減少大氣壓力和濕度變化的影響；在負(fù)載和振蕩器之間接射極跟隨器作為緩沖，可減少負(fù)載變化的影響等。（2）提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性提高頻率穩(wěn)定度除減少外界因素變化的影響外，還要從振蕩電路本身來采取措施。提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性，就是指在外界因素變化時(shí)，保持振蕩回路振蕩頻率不變的能力?；芈窐?biāo)準(zhǔn)性越高，頻率穩(wěn)定度就越高。提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性可采用如下方法：1）采用參數(shù)穩(wěn)定的電感器和電容器。例如在高頻陶瓷骨架上用燒滲銀法制成電感線圈；采用熱膨脹系數(shù)小的材料作可變電容器的極板。此外采用性能穩(wěn)定的固定電容器，如云母電容、高頻陶瓷電容等。2）采用溫度補(bǔ)償法。選擇合適的具有不同溫度系數(shù)的電感器和電容器，同時(shí)接入諧振回路，從而使因溫度變化引起的電感和電容值的變化相互抵消，使回路總電抗量變化減小。

3）改進(jìn)安裝工藝，縮短引線，合理布局元器件，減小分布電容和分布電感及其變化量。

4）采用固體諧振器，例如采用石英諧振器代替LC諧振電路。

5）減弱振蕩管與諧振回路的耦合。采用晶體管部分接入諧振回路，減小振蕩管與諧振回路的耦合，能有效地提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性?？死瓭姾臀骼照袷庪娐肪褪前催@一思想設(shè)計(jì)的，因此具有較高的頻率穩(wěn)定度。4.3LC振蕩器LC振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)是由電感L和電容C組成的并聯(lián)諧振電路，按其反饋方式，LC振蕩器可分為互感耦合式振蕩器、電感反饋式振蕩器和電容反饋式振蕩器3種類型，其中后兩種通常稱為三點(diǎn)式振蕩器。LC振蕩器可用來產(chǎn)生幾十千赫茲到幾百兆赫茲的正弦波信號(hào)。4.3.1互感耦合式振蕩器互感耦合式振蕩器有3種形式：調(diào)集型電路、調(diào)基型電路和調(diào)發(fā)型電路。它們是根據(jù)振蕩回路是接在集電極、基極還是發(fā)射極來區(qū)分的。圖4-4所示為調(diào)集型互感耦合式振蕩器。圖4-4調(diào)集型互感耦合式振蕩器圖4-4a實(shí)際電路中LC組成諧振回路，是反饋線圈，、、為偏置電阻，、為隔直與旁路電容，起振時(shí)上產(chǎn)生自偏電壓，起穩(wěn)幅作用。由圖4-4b交流等效電路可以看出，在LC回路諧振時(shí)晶體管集電極負(fù)載為純電阻，在基極加信號(hào)，集電極輸出電壓與反相，根據(jù)圖中互感線圈所示同名端位置，反饋電壓與反相，故與同相，為正反饋，滿足相位起振條件。只要適當(dāng)選擇靜態(tài)工作點(diǎn)、LC回路諧振電阻和反饋線圈的匝數(shù)，振幅起振的條件也很容易滿足。在畫圖4-4b所示的交流等效電路時(shí)，只需畫出與振蕩相關(guān)的LC元件和晶體管，偏置電阻和隔直與旁路電容無需畫出。交流等效電路可使復(fù)雜的實(shí)際電路簡(jiǎn)化，在判斷振蕩類型和能否起振時(shí)很方便。圖4-5和圖4-6分別畫出了調(diào)基型和調(diào)發(fā)型振蕩電路，接線時(shí)必須注意同名端的位置以滿足自激振蕩的相位條件。由于基極和發(fā)射極之間輸入阻抗較小，為避免回路值降低過多，故在兩電路中晶體管與振蕩回路間采用部分接入耦合。調(diào)集型電路在高頻輸出方面比其他兩種電路穩(wěn)定，而且幅度大，諧波成分小。調(diào)基型的振蕩頻率在較寬的范圍內(nèi)變化時(shí)，振蕩幅度比較平穩(wěn)?；ジ旭詈险袷幤髟谡{(diào)整反饋時(shí)，基本不影響振蕩頻率，但由于分布電容的影響，限制了振蕩頻率的提高，一般適合較低頻段。圖4-5調(diào)基型互感耦合式振蕩器圖4-6調(diào)發(fā)型互感耦合式振蕩器

圖4-7三點(diǎn)式振蕩器原理圖由式（4-12）可以看出，X1、X2必須為同性電抗，另外，為滿足式（4-11），X3與X1、X2電抗性質(zhì)應(yīng)相反。由以上分析可得出以下結(jié)論：對(duì)三點(diǎn)式振蕩器，為滿足振蕩的相位條件，與晶體管發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件必須為同性，另一個(gè)電抗元件為異性，這就是三點(diǎn)式振蕩器的相位判斷法則。

2.電感三點(diǎn)式振蕩器（哈特萊振蕩器）哈特萊振蕩器（Hartleyoscillator）的實(shí)際電路如圖4-8所示。圖4-8電感三點(diǎn)式振蕩器

圖4-9電容三點(diǎn)式振蕩器電容三點(diǎn)式振蕩電路的主要缺點(diǎn)是：調(diào)C1或C2改變振蕩頻率時(shí)，影響反饋系數(shù)，振蕩幅度要發(fā)生變化。改進(jìn)辦法是可在L兩端并上一個(gè)可變電容C3，C1、C2取固定值，調(diào)C3改變振蕩頻率，則反饋系數(shù)基本不變。4.兩種改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器（1）克拉潑振蕩器圖4-10a是克拉潑（Clapp）振蕩器的實(shí)際電路，圖4-10b是其等效電路。它是在圖4-9電容三點(diǎn)式振蕩器的電感支路中串入一個(gè)電容C3得到的，只要L和C3串聯(lián)等效為電感，該電路仍然是一個(gè)電容三點(diǎn)式振蕩器。圖4-10克拉潑振蕩器圖4-11西勒振蕩器

圖4-13并聯(lián)型晶體振蕩器圖4-14皮爾斯振蕩器4.4.2串聯(lián)型晶體振蕩器圖4-16所示為串聯(lián)型晶體振蕩器，圖4-16a是其實(shí)際電路，圖4-16b是其交流等效電路。如將晶體短路，則該電路變?yōu)殡娙萑c(diǎn)式振蕩器。電路的工作原理是，當(dāng)振蕩頻率等于晶體串聯(lián)諧振頻率fs時(shí)，晶體等效阻抗最小，正反饋?zhàn)顝?qiáng)，電路滿足起振的相位條件和振幅條件，電路能正常工作。當(dāng)頻率遠(yuǎn)離晶體串聯(lián)諧振頻率fs時(shí)，晶體等效阻抗增大，使正、反饋減弱，不滿足起振的相位條件和幅度條件，電路不能正常工作。由于振蕩頻率主要取決于晶體的串聯(lián)諧振頻率，所以振蕩頻率穩(wěn)定度較高。圖4-16串聯(lián)型晶體振蕩器4.5RC振蕩器當(dāng)需要產(chǎn)生幾十千赫以下的正弦波信號(hào)時(shí)，如果仍采用LC振蕩器，則所需要L、C數(shù)值較大，使它們的體積增大，給振蕩器的安裝調(diào)試帶來不便。因此，在需要較低頻率正弦波振蕩器時(shí)，通常采用RC振蕩器。RC振蕩器也是反饋型振蕩器，它用電阻、電容構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，由于RC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻作用差，所以輸出波形和頻率穩(wěn)定度都較差。根據(jù)RC選頻網(wǎng)絡(luò)的不同形式，RC振蕩器可分為移相式和橋式兩種類型。4.5.1RC移相式振蕩器移相式振蕩器由一級(jí)反相放大器和三節(jié)以上RC移相電路組成，如圖4-18所示。圖4-18RC移相式振蕩器圖4-19RC串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及其頻率特性圖４-20文氏電橋振蕩器圖4-21改畫成文氏電橋形式的振蕩器電路4.6集成電路振蕩器應(yīng)用介紹集成電路振蕩器是由集成電路加外接選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。由集成運(yùn)放代替分立器件晶體管，可以組成以上各節(jié)所介紹的正弦波振蕩器，本節(jié)不再重復(fù)介紹。下面重點(diǎn)介紹兩種集成振蕩器：①單片集成振蕩器E1648。②運(yùn)用在彩色電視機(jī)色度解碼電路中作基準(zhǔn)色副載波恢復(fù)電路的壓控振蕩器（VCO）。4.6.1單片集成振蕩器E1648E1648是中規(guī)模集成電路，其內(nèi)部電路如圖4-22所示。圖4-22單片集成電路振蕩器E1648的內(nèi)部電路1.電路組成該電路由差分對(duì)管振蕩電路、放大電路和偏置電路3部分組成。（1）差分對(duì)管振蕩電路（又稱索尼振蕩器）在圖4-22中VT7、VT8管與10、12腳之間外接LC回路組成差分對(duì)管振蕩電路，其中VT9為可控恒流源。圖4-23a為差分對(duì)管振蕩電路的部分電路圖，圖4-23b為其交流等效電路。由圖4-23b可以看出，它是一個(gè)共集-共基反饋式振蕩電路，在LC回路的諧振頻率時(shí)，共集-共基級(jí)聯(lián)放大電路為同相放大電路，且增益可設(shè)計(jì)為大于1，因此電路滿足相位和幅度平衡條件，可產(chǎn)生正弦波振蕩輸出。圖4-23差分對(duì)管振蕩電路圖4-24E1648組成的正弦波振蕩器E1648單片集成振蕩器振蕩頻率可達(dá)200MHz，有兩個(gè)輸出端，3腳由內(nèi)部VT1管發(fā)射極引出，另外可在1腳外接振蕩回路，由1腳輸出。如在10和12腳外接包括變?nèi)荻O管在內(nèi)的LC元件，則可構(gòu)成壓控振蕩器；如果外接石英晶體，則可構(gòu)成石英晶體振蕩器。4.6.2副載波恢復(fù)電路中的壓控振蕩器壓控振蕩器是以電壓來控制振蕩頻率的振蕩器，其英文縮寫為VCO。在電子通信設(shè)備中，壓控振蕩器（VCO）廣泛使用于自動(dòng)頻率控制（AFC）、自動(dòng)相位控制（APC）或鎖相環(huán)路（PLL）系統(tǒng)中的振蕩電路。彩色電視機(jī)中要對(duì)色度信號(hào)解調(diào)，就要恢復(fù)基準(zhǔn)色副載波。副載波恢復(fù)電路中的壓控振蕩器（VCO）就是起這個(gè)作用。圖4-25所示為副載波恢復(fù)電路中的壓控振蕩器，它是高通型可變相移網(wǎng)絡(luò)與石英晶體串聯(lián)組成的壓控振蕩器。圖4-25串聯(lián)型晶體壓控振蕩器4.7正弦波振蕩器的選用上面已介紹多種正弦波振蕩器，各種正弦波振蕩器有不同的特性和使用范圍。在電子設(shè)備中如何選用正弦波振蕩器，是必須考慮的問題。4.7.1振蕩器的類型選擇首先要考慮的是正弦波振蕩器的工作頻率范圍和頻率的穩(wěn)定度，其次要考慮電路結(jié)構(gòu)和使用的方便性。一般可參考表4-1常用正弦波振蕩器的主要特性來選用。6.RC振蕩器分為移相式和電橋式兩類，其中文氏電橋振蕩器在各種低頻信號(hào)發(fā)生器中應(yīng)用十分普遍。LC振蕩器在低頻工作時(shí)，其選頻網(wǎng)絡(luò)將因電感量增大而變得體積大、重