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1、第 3 章正弦波振荡器,概述,3.1反馈振荡器的工作原理,3.2LC 正弦波振荡器,3.3LC 振荡器的频率稳定度,3.4晶体振荡器,3.5RC 正弦波振荡器,3.6负阻正弦波振荡器,3.7寄生振荡、间歇振荡和频率占据,概述,一、与功放比较(从能量角度),1功率放大器,将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量。,特点：被动地，需输入信号控制,2正弦波振荡器(Sinewave Oscillator),将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。,特点：自动地，无需输入信号控制。,二、正弦波振荡器的应用,1作信号源(本章将讨论),载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；正弦波
2、信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。,要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。,2正弦交变能源(本章不讨论),用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。,要求：功率足够大，高效。,三、分类(按组成原理),1反馈振荡器,利用正反馈原理构成，应用广泛。,2负阻振荡器,利用负阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。工作于微波段。,3.1 反馈振荡器的工作原理,1组成,主网络与反馈网络构成闭合环路。,图 3-1-1反馈振荡器的组成方框及相应电路,例：变压器耦合反馈振荡器(交流通路)。,(1)主网络,负载为谐振回路的谐振放大器。,图 3-1-1反馈振荡器的组成方框及相应电路,(2)反馈网
3、络,与 L 相耦合的线圈 Lf 。,反馈振荡器工作原理,2等幅持续振荡的条件, 刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程。, 进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持在相应的平衡值上。, 当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会产生突变或停止振荡。,闭合环路成为反馈振荡器的三个条件：, 起振条件接通电源后可从无到有建立起振荡。, 平衡条件进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。, 稳定条件平衡状态不因外界不稳定因素的影响而受到破坏。,以下分别讨论这三个条件。,第 3 章正弦波振荡器,3.1 反馈振荡器的工作原理,3.1.1平衡和起振条件,3.1.2稳定条件,3.1.3基本组成及其分
4、析方法,3.1.1平衡和起振条件,一、起振条件,1分析, 刚通电时，电路中存在电的扰动(电流突变或管子、电路中的固有噪声)，具有很宽的频谱。, 谐振回路的选频功能，只允许角频率为 osc 的分量(osc 0)在谐振回路两端产生较大的电压。, 变压器绕向正确，可保证反馈信号 与输入信号 同相，经放大和反馈的循环，使振荡电压的振幅不断增长。,2起振条件,(1)振幅起振条件,，或环路增益,(2)相位起振条件,T(osc) = A(osc) + f(osc) = 2n(n = 0，1，2，),二、平衡条件,1分析, 主网络将输出正弦振荡电压 ，角频率为 。, 所需输入电压 全部由反馈电压 提供，无需外
5、加输入电压。,2平衡条件,由,则： 振幅平衡条件：环路增益的模 T(osc) = 1, 相位平衡条件：环路增益的相角,T(osc) = 2n(n = 0，1，2，),3讨论,反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：, 起振时，T(osc) 1，Vi 迅速增长；, 随后，T(osc)下降，Vi 的增长速度变慢；, 到 T(osc) = 1 时，Vi 停止增长，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅 ViA 上维持等幅振荡。,环路增益 特性如图 3-1-2 所示。,图 3-1-2, 而环路增益的相角 T(osc) 则必须维持在 2n 上。,平衡条件多利用放大器的非线性实现。,例变压器耦合反馈振荡器：
6、,刚通电时，Vi 很小，放大器小信号工作，增益较大，相应的 T(osc) 为大于 1 的水平线。,当 Vi 增大到一定数值后，放大器进入大信号工作，由于放大特性非线性，放大器的增益将随 Vi 增大而减小，相应地 T(osc) 也就随着 Vi 的增大而下降。,符合起振与平衡条件对 T(osc) 的要求。,3.1.2稳定条件,一、问题的提出,1振荡电路中存在干扰, 外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回路参数的变化。, 内部：存在固有噪声(起振时的原始输入电压,进入平衡后与输入电压叠加引起波动)。,均造成 T(osc) 和 T(osc) 的变化，破坏平衡条件。,2干扰对平衡状态的影响(两种
7、),通过放大和反馈的反复循环：, 振荡器离开原平衡状态，导致停振或突变到新的平衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免。, 振荡器有回到平衡状态的趋势。当干扰消失后，能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。,必须讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳定的。,二、振幅稳定条件,图 3-1-2 所示环路增益特性，还满足振幅稳定条件。,1稳定过程,2环路增益存在两个平衡点的情况,图 3-1-3,如图 3-1-3 所示，振荡器存在着两个平衡点 A 和 B，其中 A 是稳定的，B 点是否稳定？,分析：若使 Vi ViB ，则 T(osc) 随之增大，导致 Vi 进一步增大，从而更远离平衡点 B。最后到达平衡点
8、 A。,可见，这种振荡器不满足振幅起振条件，必须加大的电冲击，产生大于ViB 的起始扰动电压，才能进入平衡点 A，产生持续等幅振荡。,硬激励：靠外加冲击而产生振荡。,软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。,3振幅稳定条件,可见，要使平衡点稳定，T(osc) 必须在 ViA 附近具有随 Vi 增大而下降(负斜率变化)的特性，即,斜率越陡，则 Vi 的变化而产生的 T(osc) 变化越大，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。,三、相位(频率)稳定条件,1T(osc) 的偏移对振荡频率的影响, 由相位平衡条件,T(osc) = 2n(n = 0，1，2，)，表明每次放大和反馈后的电压与原输入电压
9、同相。, 若某种原因使 T(osc) 0，则通过每次放大和反馈后的电压相位都将超前于原输入电压相位。由 = /t (正弦电压角频率是瞬时相位对时间的导数) ，因此，这种相位的不断超前表明振荡器的角频率 osc。, 反之，若某种原因使 T(osc) 0，则由于每次放大和反馈后的电压相位都要滞后于原输入电压相位，因而振荡频率 osc 。,2相位(频率)稳定的讨论,若 T() 的特性如图 3-1-4 所示(在 osc 附近有负斜率变化), 若某种原因使 T(osc) 0(即 osc)，由特性，T() 0， Vi 的超前势必受到阻止。, 若某种原因使 T(osc) 0， Vi 滞后必受阻。,3相位稳定
10、条件,斜率越陡，则稳定性越灵敏。,图 3-1-4,4举例,说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。,T() 由两部分组成：,(1)放大器输出电压 对输入电压 的相移 A(),(2)反馈网络反馈电压 对 的相移 f(),即T() = A() + f(),T() = A() + f(), f()，随 的变化十分缓慢，可认为它与 无关。,故 Z() 随 变化的特性可代表 T() 随 变化的特性。,(a)并联谐振回路图 3-1-5谐振回路的相频特性曲线,并联谐振回路，其相频特性,0 谐振频率,Qe 有载品质因数,可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性的谐振回路来满足相位稳定条件的，且 Qe 越
11、高，Z() 随 的变化斜率越大，频率稳定度越高。,3.1.3基本组成及其分析方法,要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足起振、平衡、稳定三项条件。,1组成, 可变增益放大器提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。, 相移网络具有负斜率变化的相频特性，为环路提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为 2n。,或：四个环节,2种类,根据可变增益放大器和相移网络的不同：,(1)可变增益放大器, 按放大管,晶体管放大器,场效应管放大器,差分对管放大器,集成运算放大器等, 按实现可变增益的方法,内稳幅(Self Limiting)：利用放大管固有的非线性,外稳幅(External Limiting)：
12、放大器线性工作，另外插入非线性环节，共同组成。,(2)相移网络具有负斜率变化的相移, LC 谐振回路, RC 相移和选频网络, 石英晶体谐振器,3分析方法,反馈振荡器为包含电抗元件的非线性闭环系统，用计算机可对其进行近似数值分析。但工程上广泛采用：, 首先，检查环路是否包含可变增益放大器和相频特性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。, 其次，分析起振条件。起振时，放大器小信号工作，可用小信号等效电路分析方法导出 T(j)，并由此求出起振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。,若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。, 最后，分析
13、振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。,第 3 章正弦波振荡器,3.2LC 正弦波振荡器,3.2.1三点式振荡电路,3.2.2差分对管振荡电路,3.2.3举例,3.2LC 正弦波振荡器,LC 正弦波振荡器：采用 LC 谐振回路作为相移网络的振荡器。,种类：变压器耦合振荡电路 三点式振荡电路和差分对管振荡电路。,3.2.1三点式振荡电路,一、电路组成法则,图 3-2-1三点式振荡的原理电路,1电路,两种基本类型三点式振荡器的原理电路(交流通路)。,2组成法则,交流通路中，晶体管的三个极与谐振回路的三个引出端相连接。其中，与发射极相接的为两个同性质电抗，接在集-基间的为异性电抗。,可证，此法连接必满
14、足相位平衡条件，实现正反馈。,三点式振荡电路组成法则,二、三点式振荡器电路,(1)电路,图 3-2-2电容三点式振器电路,RB1、RB2 和 RE ：分压式偏置电阻； CC、CB、CE ：旁路和隔直流电容；RC ：集电极直流负载电阻； RL ：输出负载电阻 ； L、C1、C2 ：并联谐振回路。,图 3-2-2电容三点式振器电路,(2)组成,可变增益器件：晶体管 T；相移网络：并谐；发射极：为两同性质容性电抗；集-基：感性电抗。,(3)讨论 起振与平衡,T 为可变增益器件，偏置电路设置合适 Q 点同时，随 vi 的增大产生自给偏置效应，加速放大器增益的下降。,图 3-2-4,其直流偏置电路如图
15、3-2-4 所示。刚起振时，发射结直流偏置为静态偏置电压，VBE0= VBEQ = VBB - IBQRB - IEQRE 。,自给偏置效应,反馈 vi vi 一部分进入截止区 iC为失真的脉冲波，其平均值 IC0 ICQ VBE0 增益 平衡,所以，振荡振幅增大时，加在发射结上的偏置电压将自静态值向截止方向移动，导致环路增益进一步下降，从而提高了振荡振幅的稳定性。,2电感三点式振荡器电路,(1)电路与元件作用,(2)组成法则判断,三、电容三点式振荡电路的起振条件(相位与振幅),1等效电路以图 3-2-2(b)为例,推导环路增益 T(j) 时，应将闭合环路断开。,(1)改画电路,断点左面加环路
16、的输入电压 Vi(j),断点右边(与C2 并联)接入自断点向左看进去的阻抗 Zi,Re0 ： L、C1、C2 并联谐振回路的固有谐振电阻。,Q0：固有品质因数。,(2)用混合 型等效电路表示,设 fosc fT (管子的特性频率)，忽略 rbb 、ree 和 Cbc ，得简化的等效电路：,由图 3-2-3 可见，在 处呈现的输入阻抗。,其中 Zi = RE / re /(1/jCbe)，re = 26 mV/IEQ,令,且设,Z1,Z2,Z3,将 Z1、Z2、Z3 表达式代入，整理得,(3-2-2a),其中,式中，,谐振时满足虚部为 0，即 B = 0，T(osc) = 0,起振时满足 T(o
17、sc) 1 (gm A),可求得三点式振荡器的相位起振条件为,(3-2-3),讨论：,1振荡角频率 osc,振荡频率 osc 由相位起振条件决定，解(3-2-3)求得,(3-2-5),osc 与 0 (LC) 有关，还与 gi (Ri)、gL ( Re0、 RL) 有关，且 osc 0 。,在实际电路中，一般满足,工程估算时，osc 0 = (3-2-6),2振幅起振条件,工程估算时，令 = osc 0 ，代入(3-2-4)式，即,(3-2-4),振幅起振条件可简化为,n 为电容分压比 (p127)，上式改写为,若 gi ，则由图 3-2-7 可见，n2gi 便是 gi 经电容分压器折算到集电
18、极上的电导值。,图 3-2-7 推导 T(j) 的等效电路,图 3-2-7 推导 T(j) 的等效电路,讨论：为满足振幅起振条件，应增大 Av(0) 和 kfv 。, 增大 kfv (= n) ，n2gi 增大，Av(0) 减小；减小 kfv ，虽提高 Av(0)，但回路增益 T(0) 受限。故 n 取值应适中。, 提高 ICQ，可以增大 gm，从而提高 Av(0) ，但不宜过大，否则，gi( 1/re = gm/)会过大，造成回路有载品质因数下降，影响频率稳定性。ICQ 一般取 1 5 mA。,结论：若振荡管 fT 5fosc，RL 又不太小( 1 k)，且 n(两电容)取值适中，一般都满足
19、起振条件。,分析表明，闭合环路不论何处断开，它们的振幅起振条件都是一样的。但断开点不同，主网络和反馈网络的组成就不同，相应的放大器增益和反馈系数也就不同。,若图 3-2-3(b)所示闭合环路在基极处开断，三极管接成共发组态。,图中用工程估算法将 gib 和折算到集射极间，分别为gib 折算到集射极间的计算。,图 3-2-8在基极处开断的等效电路,折算到集射极间的计算,四、用工程估算法求起振条件, 将闭合环路断开，画出开环等效电路。, 求出固有谐振频率 0，并令osc 0。, 将谐振回路的电导折算到集电极上，求放大器回路谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。,3.2.2差分对管振荡电路,
20、一、工作原理,T2 的集电极上外接 LC谐振回路，调谐在谐振频率上。其输出电压直接加到 T1管的基极上，形成正反馈。T2 管的基极和集电极直流同电位，必须限制 LC 两端的振荡电压(200 mV 左右)，防止 T2 管饱和。,振荡管进入截至区实现内稳幅，使得回路有较高的有载品质因数，有利于提高频率稳定性。,二、求 T(j),1交流通路,2共集-共基等效电路,T1 管的基极电流 Ib1 在 T2 管的输入端产生的电压为：,其中，,T2 管输入端的等效阻抗,共集-共基级联电路的输入阻抗为,电路简化如图 3-2-10(d)所示。,三、确定振荡角频率,式中，C = C + Cbe/2,四、确定振幅起振
21、条件,所以，,3.2.3举例,图 3-2-12(a),例 1：判断如图 3-2-12 所示交流通路能否满足相位平衡条件？,解：若 L、C3 串联支路呈感性，则符合相位平衡条件,条件：当 osc 时， L、C3 串联支路呈感性。,例 2：自己看。,(a)(b)(c)图 3-2-13 例 3 电路(a)及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线 (b) (c),例 3：图 3-2-13 为三回路振荡器交流通路，f01， f02， f03 分别为三个回路的固有谐振频率，写出它们之间能满足相位平衡条件的两种关系式，并指出两种情况下振荡频率处在什么范围内。,解：已知串、并联谐振回路电抗特性曲线如图 3-2-13
22、(b)、 (c)所示。,(a)(b)(c)图 3-2-13 例 3 电路(a)及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线 (b) (c),串联回路中， 0，X 0，呈感性；, 0，X 0，呈容性。,并联回路中， 0，X 0，呈容性；, 0，呈感性。,(a)(b)(c),1若构成电容三点式电路,L1C1、L2C2 回路呈容性失谐，L3C3 回路呈感性失谐。,容性失谐：fosc f02 ；感性失谐：fosc f03 。,2若构成电感三点式电路,L1C1、L2C2 回路呈感性失谐，L3C3 回路呈容性失谐。,感性失谐：fosc f01， fosc f03 。,第 3 章正弦波振荡器,3.3LC 振荡器的频率
23、稳定度,3.3.1提高频率稳度的基本措施,3.3.2克拉泼振荡电路,3.3LC 振荡器的频率稳定度,(1)定义：,频率稳定度又称为频稳度，为振荡器最重要的指标，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。,(2)种类,按规定时间的长短不同，频稳度可分为：,长期频稳度：一天以上乃至几个月内因元器件老化而引起的频率相对变化量。,短期频稳度：一天内因温度、电源电压等外界因素变化而引起的频率相对变化量。,瞬时(秒级)频稳度：电路内部噪声引起频率相对变化量。,通常指短期频稳度。,(3)表达式,绝对准确度： fosc = f - fosc fosc：标称频率,相对准确度：
24、 f：实测的振荡频率,将规定时间划分为 n 个等间隔，各间隔内实测的振荡频率为 fi，短期频稳度的定义：,式中，(fosc)i = fi - fosc ，第 i 个间隔内实测的绝对准确度；,为绝对准确度的平均值， 越小，频率准确度就越高。,(4)对频稳度的不同要求,3.3.1提高频率稳度的基本措施,首先分析外界因素对振荡频率变化的影响。,一、频稳度的定性分析,1振荡频率的图解,由相位平衡条件 T(osc) = 0,即,说明：, A() 主要取决于并联谐振回路的相移 z() ，它在谐振频率附近随 的变化十分剧烈；, f() 随 的变化相对要缓慢得多，可近似认为它是与频率无关的常数，用 f 表示。
25、,得：Z(osc) = - f,故： Z() 曲线与高度为 -f 水平线相交点上所对应的角频率振荡角频率 osc 。,2影响振荡频率 osc 的参数,图 3-3-1(a),由,可知：影响振荡频率 osc 的参数是 0、Qe 和f 。故讨论频稳度就是分析外界因素通过这三个参数对振荡频率变化的影响。,(1)谐振频率 0 变化,若 L 、C 变化，0 产生 0 的变化，则 z()曲线沿横坐标平移 0，曲线形状不变。参看图 3-3-1(a)。,图 3-3-1(b),(2)Qe 变化,若负载和管子参数变化，使谐振回路 Qe增加 Qe，则 z()曲线变陡。Qe 引起振荡频率的变化量与f 大小有关。参看图
26、3-3-1(b)。,(3)若 f 产生 f，则 z()曲线形状不变，而交点移动。,f 引起振荡频率的变化与 f(同条曲线)、Qe 的大小有关。,3讨论,提高 LC 振荡器频稳度的基本措施：,图 3-3-1 (c), 减小 0、Qe 和 f，故应减小外界因素变化引起 0、Qe 和 f 的变化。, 减小 f 和增大 Qe ，以减小由 Qe、f 引起的振荡频率变化量。,二、提高频稳度的基本措施,1减小外界因素的变化,外界因素：温度、湿度、大气压、电源电压、周围磁场、机械振动及负载变化等，其中以温度的影响最严重。,措施：减振、恒温、密封(湿度、大气压)、高稳定度电源、屏蔽罩、振荡器与负载间插入跟随器。
27、,2提高振荡回路标准性,(1)标准性,振荡回路在外界因素变化时保持固有谐振频率不变的能力。,标准性越高，0 就越小。,(2)0 与 L、C 的关系,将此式展开，忽略高阶小量，化简为,(3)分析,可见，为提高回路标准性，必须减小 L、C 的相对变化量。,措施：, 温度补偿。电感和部分寄生参量有正值的温度系数，选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补偿。, 缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。, 使用稳定度高的外接集总电容、电感，减小不稳定的寄生量及其在 L、C 中的比重。,(4)讨论,fosc= (LC)-1/2稳定，CL Q0 Qe 频稳度,所以，增加总电容是有限度的。因此一般都
28、串联电容，减小管子与回路间耦合的方法。例如：clapp 电路,3.3.2克拉泼振荡电路,1电路,2特点,为电容三点式振荡器的改进型电路，其差别：与 C1、C2 串联的电容 C3。且C3 取值较小。满足 C3 C1，C3 C2，回路总电容取决于 C3。,3原理,回路总电容取决于 C3，减小了极间电容 Cce、Cbe、Ccb(并联在 C1、C2 上)对频率的影响。 C3 越小，影响越小，回路标准性越高。,比电容三点式高一个数量级。,4讨论,接入 C3 后，虽反馈系数不变(上节例 2)，但接在 A、B 两端的电阻折算到集电极间的数值 减小，,C1，2 是 C1、C2 极间电容的总和，因而环路增益减小
29、。C3 越小，环路增益越小。可见，在这种振荡电路中，减小 C3 提高标准性是以牺牲环路增益为代价的。C3 过小，就不会满足振幅起振条件，而停振。,下节，讨论晶体振荡器。,第 3 章正弦波振荡器,3.4.1石英谐振器的电特性,3.4.2晶体振荡电路,3.4晶体振荡器,3.4晶体振荡器,晶体振荡器：采用石英谐振器控制和稳定振荡频率的振荡器。,3.4.1石英谐振器的电特性,1石英晶体的性能与等效电路,(1)结构,利用石英晶体(Quartz-Crystal)的压电效应制成的一种谐振器件。,(a)(b)(c)图 3-4-1石英谐振器的内部结构,(2)性能, 晶片有一固有振动频率，与切割方位、形状、大小有
30、关，且十分稳定。,将其接到振荡器的闭合环路中，利用其固有频率，能有效地控制和稳定振荡频率。, 压电效应：机械与电的相互转换效应。,正压电效应：外加力，产生电荷现象,逆压电效应：外加电压，产生机械振动现象。, 振动特性：具有多谐性，除基频(Fundamental Frequency)振动外还有奇次谐波的泛音(Overtones)振动。,(3)等效电路,C0：静态电容和支架引线分布电容之和；,Lq1、Cq1、rq1：晶体基频等效电路；,Lq3、Cq3、rq3：晶体三次泛音等效电路 ,(Lq 很大、Qq 很大、Cq 很小且数值极其稳定),当外加交变电压与石英晶片的机械振动发生共振时，石英晶片两极上的
31、交变电荷量即通过的交变电流量最大，因而具有串联谐振特性。,2电抗特性,可证：忽略 rq 时，晶体两端呈现纯电抗，其值近似为,图 3-4-3晶体的阻抗曲线,讨论：, 在 s p 之间为正值，呈感性；其他频段内为负值，呈容性。, 在 s 上 Xcr = 0 ，为串联谐振；在 p 上 Xcr ，为并联谐振。,又,或,因为 C0 Cq，所以 p 很靠近 s ，例如 5 MHz 的晶振体,fp fs 6.5 kHz,小结：,晶振体两个谐振频率：fs、fp ；且 fs fp, 工作于 fs fp 之间为高 Q 电感，并联谐振。, 工作于 fs 附近为串联谐振，对 fs，相当于短路。,晶振体只能工作于上述两
32、种方式，否则频稳度下降。,3.4.2晶体振荡电路,一、并联型晶体振荡电路,晶体振荡器,1电路皮尔斯(Pirece)晶体振荡电路,(a)实际电路(b)交流通路图 3-4-5皮尔斯振荡电路,RB1、RB2 和 RE ：分压偏置电路，LC：高频扼流圈，CB： 旁路电容，CC：耦合电容。,2原理,由等效电路，它与 Clapp 电路十分相似(Cq 类似于C3 )。,3频率准确度微调,实际频率与标称频率往往有偏差，若要求准确度高，必须设频率微调。,4提高频稳度的措施,图 3-4-6采用微调电容的晶体振荡电路,(1)恒温槽,将晶体或振荡器置于恒温槽内，槽内温度控制在晶体拐点温度(在该温度范围内，晶振温度系数
33、为 0)附近。频稳度可达 10-10 数量级。,(2)变容管的温度补偿电路, 电路,T1 Pirece 晶体振荡电路, 原理,温度控制电路中，热敏元件使 Vi 反映了温度的变化，作用到变容二极管，使其电容改变，补偿因温度引起振荡频率的变化。,5泛音振动 基波和低次泛音的抑制,(1)电路,将 Pirece 电路中 C1 用 LC1 谐振回路取代。,(2)原理,假设取五次泛音晶体，标称频率 5 MHz，为了抑制基波和三次泛音的寄生振荡，LC1 应调谐在三次和五次泛音之间，例如 3.5 MHz。,图 3-4-8,在 5 MHz 频率上，LC1 呈容性，满足电容三点式；,对基频、三次泛音， LC1 呈
34、感性，组成法则不满足；,对高于七次以上泛音，虽 LC1 呈容性，但分压比 n 过小，不满足起振条件。,二、串联型晶体振荡电路,1电路 1,当 f = fs 时，晶体串联谐振，等效为短路元件，T1、T2管和外接晶体构成正反馈放大器，满足相位平衡条件，且反馈最强，满足起振条件。,图 3-4-9XK76 集成晶体振荡的内部电路,谐振频率 fs,f fs 时，晶体呈高阻抗，反馈显著减弱，不能满足振幅和相位起振条件，所以这种振荡器的振荡频率受晶体串联谐振频率的控制，具有很高的频稳度。,2电路 2,晶体串联谐振频率，等效为短路元件，电路符合三点式组成法则，为电容三点式电路。,偏离串联谐振频率，晶体阻抗迅速
35、增大，电路不能振荡。,振荡频率取决于晶体的串联谐振频率。,为提高频稳度，可将 L、C1、C2、C3 回路调谐在串谐频率附近。,第 3 章正弦波振荡器,3.5RC 正弦波振荡器,3.5.1概念,3.5.2移相网络,3.5.3RC 相移振荡电路,3.5.4串、并联 RC 振荡电路,3.5RC 正弦波振荡器,1概念,采用 RC 电路作为移相网络的振荡器,振荡频率：低频段，几赫兹至 1 MHz 之间。,2移相网络,(1)导前移相电路, 电路, 表达式, 幅频特性, 相频特性,(2)滞后移相电路,(3)串、并联选频电路,(1) 和(2)构成的振荡器称为RC(Phase Shift) 相移振荡器。,(3)
36、构成的振荡器称为串、并联 RC 振荡器。,3RC 相移振荡电路,图 3-5-2(a)为导前相移电路构成的 RC 相移振荡器电路。,(a)(b)图 3-5-2RC 相移振荡电路,集成运放：反相放大，相移 180，当 RC 导前相移电路提供 180 相移时，环路满足相位平衡条件。,一节 RC 电路提供最大相移小于 90(相位趋近 90 时，增益已趋于 0)，故需三节 RC 电路才能提供 180 相移。,(a)(b)图 3-5-2RC 相移振荡电路,将其在处断开，断开点的右端加 ，左端接运放的输入电阻(其值等于 R)，得图 3-5-2(b)。可得出环路增益,由此可以得到振荡频率和振幅起振条件分别为,
37、由于 RC 相移电路的选频特性不理想，因而它的输出波形失真大，频稳度低，只能用在要求不高的设备中。,4串、并联 RC 振荡电路,(1)电路,图 3-5-3(a)集成运放构成的电路,运放为同相输入，相移 A = 0。,(2)原理,相位条件：当 osc = 0 时，RC F = 0，环路满足相位平衡条件。,起振条件：谐振时，环路增益为,取 值使 Rt 2R1，即 T(0) 1，就可满足起振条件。,图 3-5-3(b)改画成电桥形式的电路,平衡条件：Rt 为具有负温度系数的热敏电阻。,RC 串并、联正弦波振荡器,刚起振时，Rt 的温度最低，相应的电阻最大，因而运放增益最大，使 T(0) 1。,振幅过
38、大，Rt 上消耗的功率增加，致使温度上升，阻值减小，直到 T(0) = 1 ，进入平衡状态。,第 3 章正弦波振荡器,3.6负阻正弦波振荡器,3.6.1负阻器件,3.6.2负阻振荡原理及其电路,3.6.3用负阻观点讨论 LC 反馈振荡器,负阻振荡器是采用负阻器件与 LC 谐振回路共同构成的一种正弦波振荡器，主要工作在 100 MHz 以上的超高频段。,3.6.1负阻器件,负阻器件是指它的增量电阻为负的器件。,隧道二极管的伏安特性如图 3-6-1 所示。,图中,vD = VQ + v = VQ + Vmsin t,忽略失真的情况下,iD = IQ + i = IQ + Imsin t,增量电流,
39、i = (-gn)v = (-gn)Vmsin t = - Imsin t,加到器件上的平均功率,vD = VQ + v = VQ + Vmsin t,iD = IQ + i = IQ + Imsin t,i = - Imsin t,器件给出交流功率,因为Vm 0,器件是将一部分直流功率转换为交流功率。,当器件工作在大信号时，定义器件的平均负增量电导为 -gn(av)。,图 3-6-2 给出了隧道二极管工作在大信号时的特性，图中电导,式中：I1m 基波电流振幅。,3.6.2负阻振荡原理及其电路,图 3-6-3 给出了电压控制型负阻振荡器。,器件并接在谐振回路上。,电路方程为,式中：ge = g
40、e0 - gn(av),ge0 谐振回路固有谐振电导。,当时,上式中，,当时，受到扰动时起振，振荡角频率为 。,gn ge0 振幅增长 gn(av)下降。,当 gn(av) = ge0，产生稳定振荡，其角频率为 0 。,起振条件：gn ge0 。,平衡条件：,或ge0 = gn(av) ，,振幅稳定条件：,相位稳定条件。,谐振回路的相频特性予以保证 。,电流控制型负阻器件如图 3-6-4 所示。,负阻器件串接在谐振回路中。,采用同样的分析方法得到。,起振条件：rn re0,平衡条件：,振幅稳定条件：,例如：,电压控制型负阻振荡器如图 3-6-5 所示。,图 3-6-5电压控制型负阻振荡器,R
41、= R1 / R2,R1、R2 取值过大，如虚线所示，有三个交点，会引起静态工作点不稳定。,3.6.3用负阻观点讨论 LC 反馈振荡器,从能量的观点看，带有正反馈的放大器件可以等效地看成负阻器件。参见图 3-6-6(a)。,受控电流源支路的等效导纳,参见图 3-6-6(b)。,用负阻的观点和用反馈的观点研究振荡器的特性是等效的。,第 3 章正弦波振荡器,3.7寄生振荡、间歇振荡和频率占据,3.7.1寄生振荡,3.7.2间歇振荡,3.7.3频率占据,寄生振荡、间歇振荡和频率占据是不希望出现的电路现象。一旦产生将破坏电路的正常工作。下边讨论它产生的原因和预防措施。,3.7.1寄生振荡,一、产生原因
42、,电路中一些集中参数及分布参数形成寄生振荡回路，产生自激振荡。,二、抑制措施,破坏寄生振荡回路的振荡条件。, 低频寄生振荡回路一般由高频扼流圈、隔直电容或旁路电容构成。要消除这种低频振荡的常用措施是：,合理选择扼流圈的电感量或旁路电容的电容量，高频扼流圈串接小电阻或并接大电阻。, 超高频寄生振荡是由电路中的分布参数(引线电感，极间电容)构成。要消除这类振荡的常用措施是：,粗短的引线，贴片元件，基极，集电极串小无感电阻，隔直、旁路电容上并小电容。, 电源加去耦电路。,3.7.2间歇振荡,振荡 停振 振荡 ，这样现象称为间歇振荡。,一、产生原因,当输入端作用着振荡电压vi 时,晶体管经历了导通和截
43、止两个过程，导通时，发射极电流向CE 充电；截止时，CE 向RE 放电，充电电阻远小于RE。,如果 CB,CE 取值过大，电容充电快，放电慢。振荡器起振后，振幅增大，偏置电压向负值方向增大，使振幅减小，直到停振。停振后，偏置电压向正值方向增大，达到一定数值后，振荡器右开始起振。振荡波形如图。,二、预防措施,CB,CE 取值不宜过大，可增大 Q 值。,3.7.3频率占据,频率占据是当外部有一频率为 fs 的信号加入到振荡回路时，满足一定条件，会使振荡频率 fosc 向 fs 靠近或等于 fs，称为频率占据。,fosc = fo,当 fs 接近 fosc 时，振荡器的振荡频率受到 fs 的牵引。,
44、 fs - f0 f4，vs 对 fosc无影响。, f1 fs - f0 f2 和 f3 fs - f0 f4 ，,fosc向 fs 靠近。, f2 fs - f0 f3，fosc = fs 。,由电路图 3-7-4(b)可知：,加入 vs 后，,设 fs f0 。,将以(s - 0)的相对角速度逆时针旋转 vi 跟着旋转 gmvi vo vf.,只要的转速不太大(s 靠近 0)，经过一段时间，一样的角速度(s - 0)逆时针转动。各矢量相对位置固定下来，振荡器重新进入平衡状态，振荡频率为 fs。,根据矢量图,假设Vs Vf，,当 Qe、Vs、Vf 一定时，sin| 的最大值对应| fs - f0 |的最大值。,所以占据频带为,预防措施：,根据具体情况，切断或削弱振荡器与外来信号的耦合。,但在某些情况下，外加信号是特意加入的，实现注入同步。,
