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1、第四章 正弦波振荡器,高频正弦波振荡器在通信系统中起何作用？,反馈型正弦波振荡器如何构成？它的工作应满足什么条件？,如何识别常用正弦波振荡器类型并判断能否正常工作？,频率稳定度与哪些因素有关？如何提高频率稳定度？,为什么晶体振荡器的频率稳定度很高？它如何构成？,振荡器,振荡器没有外加激励信号，而自动地将直流电源产生的能量转化为具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号。振荡器一般由晶体管等有源器件和具有选频能力的无源网络所组成。,放大器,输入为外加激励信号，直流能量转换为按信号规律变化的交流能量的电路。,4.1 反馈振荡器的振荡条件分析,4.1.1 反馈振荡器振荡的基本原理,反馈振荡器的原理框
2、图如图4.1所示。反馈振荡器是由放大器和反馈网络所组成的一个闭环环路，其中反馈网络由无源器件组成。,图4.1 反馈振荡器的原理框图,4.1.2 振荡器的起振条件和平衡条件,在图4.1所示的电路中，在“”处断开，定义环路的闭环增益为,1起振条件,振幅起振条件,相位起振条件,在起振的开始阶段，振荡的幅度还很小，电路尚未进入非线性区，振荡器可以作为线性电路来处理，即可用小信号电路等效模型分析起振条件。,2平衡条件,振幅平衡条件,相位平衡条件,图4.2 满足起振与平衡条件的环路增益特性,4.1.3 振荡平衡的稳定条件,1振幅稳定条件,2相位稳定条件,图4.3 满足相位稳定条件的回路的相频特性,相位稳定
3、条件,4.1.4 反馈振荡器的判断,1、振幅条件,放大器件一般都满足图4.2所示的平衡与稳定的振幅条件，仅需对起振的振幅条件进行讨论。,(1)在起振时，放大器应具有正确的直流偏置，开始时应工作在甲类状态。,(2)开始起振时，环路增益T应大于1；由于反馈网络F是一个常数，且小于1，因此要求放大器的增益A大于1/F；对于共射或者共基组态的放大器，负载设计合理，可以满足这一要求。,(1)对于放大器的起振与平衡的相位条件，都是要求环路是正反馈。,2相位条件,(2)对于平衡的稳定条件，要求环路应具有负斜率的相频特性曲线。,相位平衡的稳定状态负斜率的相频特性取决于选频网络。对于LC并联谐振网络的阻抗特性以
4、及LC串联谐振回路的导纳特性都具有负斜率的相频特性，而对于LC并联谐振网络的导纳特性以及LC串联谐振回路的阻抗特性都具有正斜率的相频特性。,相位条件的判别:,起振和平衡时的相位条件是相同的。相位条件是振荡器正常工作的必要条件。瞬时极性判定方法：(1)将环路断开，引入Vi(2)观察Vf 的瞬时极性,当Vf 与Vi 瞬时极性一致，即满足相位条件，反之则不满足。,【例4.1】图4.4所示为一LC振荡器的实际电路，图中反馈网络是由电感L和L1之间的互感M来实现，称之为LC互感耦合振荡器，其中电容Cb为耦合电容，电容Ce为高频旁路电容，都为大电容。画出交流等效电路，分析该电路满足正反馈时其同名端的位置。
5、,图4.4 例4.1图,根据瞬时极性法，当电路满足正反馈时，其同名端如图4.4(b)所示。,频率稳定度在数量上通常用频率偏差来表示。频率偏差是指振荡器的实际频率和标称频率之间的偏差。它可分为绝对偏差和相对偏差。设f0是标称频率，f是实际工作频率，则定义绝对频率偏差为：,4.1.5 频率稳定度,1、频率稳定度的定义,相对频率偏差为：,测量时，要取多次测量结果的统计值。,长期频率稳定度：一般指一天以上以致几个月的时间间隔内的相对变化，其主要取决于元器件的老化特性。,短期频率稳定度：一般指一天以内，以小时、分钟或秒计的时间间隔内频率的相对变化。其主要取决于电源电压、环境温度的变化等。,瞬时频率稳定度
6、：一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变化，这种频率变化一般都具有随机性质。其主要取决于元器件的内部噪声。,中波广播电台发射机的频率稳定度为,电视发射机的频率稳定度为,普通信号发生器的频率稳定度为,标准信号发生器的频率稳定度为,2.提高频率稳定度的措施,1)减小外界因素变化的影响,采用高稳定度直流稳压电源以减少电源电压的变化；采用恒温或者温度补偿的方法以抵消温度的变化；采用金属罩屏蔽的的方式减小外界电磁场的影响；采用密封、抽空等方式以削弱大气压力和湿度变化的影响等。,2)提高回路的标准性,谐振回路在外界因素变化时保持其谐振频率不变的能力称为谐振回路的标准性，回路的标准性越高，频率稳定度越好。回路
7、的品质因数Q值越大，则回路的相频特性曲线在谐振点的变化率越大，其相位越稳定，从相位与频率的关系可得，此时的稳频效果越好，因此需选择高Q值的回路元件。,4.2 LC三点式正弦波振荡器,以LC谐振回路为选频网络的反馈振荡器称为LC正弦波振荡器，常用的电路有互感耦合振荡器和三点式振荡器。互感耦合振荡器是以互感耦合方式实现正反馈，其振荡频率稳定度不高，且由于互感耦合元件分布电容的存在，限制了其振荡频率的提高，只适合于较低频段。三点式振荡器是指LC回路的三个电抗元件与晶体管的三个电极组成的一种振荡器，使谐振回路既是晶体管的集电极负载，又是正反馈选频网络，其工作频率可达到几百兆赫兹，在实际中得到了广泛的应
8、用。,4.2.1 三点式振荡器的电路组成法则,三个电抗元件不能同时为感抗或容抗，必须由两种不同性质的电抗元件组成。,图4.5 三点式电路结构,要产生振荡，电路应满足相位平衡条件，即电路构成正反馈，此时LC回路中三个电抗元件的性质应满足一定的条件。为了便于分析，这里略去晶体管的电抗效应。设LC回路由三个纯电抗元件构成，其电抗值分别为Xbe、Xce和Xbc，当回路谐振时，回路等效阻抗为纯电阻，则,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。,通常Q值很高，故回路谐振电流远大于b、c、e极电流,为了便于记忆，可将上述规则简单的记为“射同它异”。,三点式振荡器有两种基本的电路形式：与发射
9、极相连同为电容的，称为电容三点式振荡器，也称考必兹(Colpitts)振荡器，如图4.6(a)所示；与发射极相连同为电感的，称为电感三点式振荡器，也称哈特莱(Hartley)振荡器，如图4.6(b)所示。,(a),(b),图4.6 三点式振荡器的两种基本形式,【例4.2】在图4.7所示电路中，两个LC并联回路的谐振频率分别是 和，求振荡频率f0与f1、f2的关系。,图4.7 例4.2图,解：要使电路能够正常振荡，需满足三点式电路的组成原则。而根据图4.7，由于连接基极与集电极的为电容，故电路只能组成电感三点式振荡器，即L1C1、L2C2回路应呈感性。由于LC并联回路谐振频率f1、f2大于工作频
10、率f0时，回路呈感性，即应满足：,4.2.2 电容三点式振荡器,图4.8 电容三点式振荡器,图4.8(b),一般来讲，高频旁路电容与耦合电容都比回路电容大一个数量级以上，对于高频电路来讲，可视为短路；高频扼流圈LC比回路电感大一个数量级以上，对于高频电路来讲，可视为断路。由于Rb1/Rb2比晶体管的输入电阻大很多，这里作为断路处理。4.8(b)是其交流等效电路。,下面分析该电路的起振条件。由于起振时晶体管工作在小信号线性放大区，因此可用Y参数等效电路，下图是高频小信号等效电路。,在图中，忽略Yre、Cie、Coe，忽略晶体管正向传输导纳的相移，用跨导gm表示。gp表示除晶体管外的电路中所有电导
11、折算到ce两端的总电导。,反馈系数：,将gie折算到ce端，有,因此放大器总的负载电导为,环路谐振时的增益为,振荡器的振幅起振条件为,为了使电容三点式振荡器易于起振，应选择跨导gm大、输入输出电阻大的晶体管；反馈系数要合理选择，其一般选择为0.10.5；实践表明，如果选用特征频率fT大于振荡频率5倍以上的晶体管作为放大器，负载电阻不要太小，反馈系数选择合理，其一般都是满足起振条件的。为保证放大器有一定大小的幅度且波形失真小，起振时环路增益一般取35倍。,该振荡器的振荡频率为,4.2.3 电感三点式振荡器,图4.10(a)是电感三点式振荡器原理图，4.10(b)是其交流等效电路。通常电感绕在同一
12、磁芯的骨架上，它们之间存在互感M。,(a)实用电路,(b)交流等效电 路,图4.10 电感三点式振荡器,类似于电容三点式振荡器的分析方法，可求得电感三点式振荡器起振时的条件电容三点式的一致，其：反馈系数为,振荡频率为,电容三点式振荡器与电感三点式振荡器的特点比较如下：,1电容三点式振荡器,优点：其反馈电压取自反馈电容，而电容对高频电流呈现低阻抗，可以滤除反馈电压中由于晶体管的非线性所产生的高次谐波，输出波形好；晶体管的输入、输出电容同回路电容并联，不会改变回路的电抗性质，工作频率可以较高。缺点：调整频率较困难，因为当改变回路电容时，势必改变反馈系数，影响起振和波形质量。,2电感三点式振荡器,优
13、点：L1和L2间存在互感M，比较容易起振，调节回路电容，可以方便地改变振荡频率。缺点：反馈电压取自电感L2，而电感对高频电流呈高阻抗，不易滤去高次谐波，输出波形不够好；晶体管的输入、输出电容并联在Ll与L2两端，在频率较高时其影响很大，可能使电抗性质发生变化而不满足三点式振荡器的相位条件，所以这种振荡器适用在工作频率不太高的场合，一般为数十兆赫。,4.2.4 改进型电容三点式振荡器,由于晶体管的输入、输出电容与电容三点式振荡器和电感三点式振荡器的回路并联，影响回路的等效电抗元件参数。而晶体管的输入、输出电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以上述两种振荡器的频率稳定度不高，一般在10-3
14、数量级。为了提高频率稳定度，需要对电路作改进以减少晶体管输入、输出电容对回路的影响，可以采用削弱晶体管与回路之间耦合的方法，在电容三点式振荡器的基础上，得到两种改进型电容反馈式振荡器克拉泼(Clapp)振荡器和西勒(Siler)振荡器。,1克拉泼振荡器,电容值取值规定如下：C3C1，C3C2，这样可使电路的振荡频率近似只与C3、L有关。,(a)实用电路,(b)交流等效电路,谐振回路的总电容为,振荡频率为,晶体管的输入、输出电容对振荡频率的影响显著减少。,C3不能太小，否则将影响振荡器的起振。假设回路的总负载为RL(包括回路的谐振电阻、实际负载等效到回路等)，则其等效到晶体管ce端的负载电阻RL
15、为,若C3太小，C1太大，则等效负载很小，放大器增益就较低，环路增益也就较小，振荡器的输出幅度减小。若C3过小，振荡器不满足振幅起振条件而使振荡器停振。所以，克拉泼振荡器的缺陷是不适合作波段振荡器。波段振荡器要求在一段区间内振荡频率可变，且振幅幅值保持不变。,2西勒振荡器,(a)实用电路,(b)交流等效电路,C1、C2远大于C3、C4。谐振回路的总电容为,振荡器的振荡频率为,由于C4与电感L是并联的，通过调整C4只改变频率不会改变晶体管与回路的接入系数，所以波段内输出幅度较平稳。因此，西勒振荡器可用作波段振荡器，其波段覆盖系数为1.61.8。,【例4.3】如图4.13所示的电路，分析该电路的工
16、作原理，画出交流等效电路，并求振荡频率。,图4.13 例4.3图,解：,该电路的交流等效电路如左图所示，其构成了电容三点式振荡器。,回路总电容为,振荡频率为,4.2.5 集成LC正弦波振荡器,前文介绍的均为分立元件振荡器，利用集成电路通过外接LC元件也可以做成正弦波振荡器。,1单片集成振荡器电路E1648,E1648单片集成振荡器的振荡频率是由脚和脚之间的外接振荡电路的L1、C1值决定，并与两脚之间的输入电容Ci有关，其表达式为,L2、C2回路应调谐在振荡频率f0上,E1648构成的振荡器，其最高工作频率可达225MHz。在脚外加一正电压，可以获得方波输出。,图4.15 单片集成振荡器E164
17、8内部电路图,E1648采用典型的差分对管振荡电路。该电路由三部分组成：差分对管振荡电路、放大电路和偏置电路。VT7、VT8、VT9与脚、脚之间外接LC并联回路组成差分对管振荡电路，其中VT9为可控恒流源。振荡信号由VT7基极取出，经两级放大电路和一级射随器，从脚输出。第一级放大电路由VT5和VT4组成共射-共基级联放大器，第二级由VT3和VT2组成单端输入、单端输出的差分放大器，VT1作为射随器。偏置电路由VT10VT14组成,其中 VT11与VT10分别为两级放大电路提供偏置电压，VT12VT14为差分对管振荡电路提供偏置电压。VT12与VT13组成互补稳定电路，稳定VT8基极电位。,2运
18、放振荡器,由运算放大器代替晶体管可以组成运放振荡器，图4.17是电感三点式运放振荡器。其振荡频率为,运放三点式电路的组成原则与晶体管三点式电路的组成原则相似，即同相输入端与反相输入端、同相输入端与输出端之间是同性质电抗元件，反相输入端与输出端之间是异性质电抗元件。运放振荡器电路简单，调整容易，但工作频率受运放上限截止频率的限制。,图4.17 电感三点式运放振荡器,4.3 石英晶体振荡器,由于LC元件的标准性较差，谐振回路的Q值较低，所以LC振荡器的频率稳定度不高，一般为10-3数量级，即使是克拉泼振荡器与西勒振荡器，其频率稳定度也只能达到10-410-5数量级。为了进一步提高振荡器的频率稳定度
19、，可采用石英谐振器作为选频网络构成晶体振荡器，其频率稳定度一般可达10-610-8数量级。,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高,当交变电压频率=固有频率时，振幅最大。,压电谐振,石英谐振器的结构,4.3.1 石英谐振器及其特性,石英谐振器的固有频率十分稳定，它的温度系数在10-5以下。石英谐振器除了基频振动外，还有奇次谐波泛音振动。所谓泛音，是指石英晶片振动的机械谐波。由于晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，则要求基片的厚度很薄。薄的基片加工困难，使用中也容易损坏，所以若需要的振荡频率高，可使用晶体的泛音频率，以使基片的厚度可以增加
20、。利用基片振动的称为基频晶体，利用泛音振动的称为泛音晶体，泛音晶体广泛应用三次和五次的泛音振动。通常工作在20MHz以下时采用基频晶体，大于20MHz时采用泛音晶体。,石英谐振器的图形符号、基频等效电路以及完整等效电路。,(a)图形符号,(b)基频等效电路,(c)完整等效电路,C0表示晶片的静态电容，在几皮法到十几皮法之间；,Lq表示晶片振动时的等效动态电感，为几十到几百毫亨；,Cq表示晶片振动时的动态电容，为百分之几皮法；,rq表示晶片振动时的摩擦损耗，为几欧到几百欧；,石英谐振器的串联谐振频率为,并联谐振频率为,C0Cq，石英谐振器的串联谐振频率与并联谐振频率间隔很小。石英谐振器的标称频率
21、fN位于串联谐振频率fq与并联谐振频率fp之间，是指晶体谐振器两端并接某一规定的负载电容CL时石英谐振器的振荡频率。负载电容CL值标于厂家的产品说明书，通常为30pF或标为“”(指无须外接负载电容，常用于串联型晶体振荡器)。,在高Q值条件下忽略rq，石英谐振器的等效电抗为,石英谐振器呈容性；,石英谐振器的电抗特性曲线如图4.19所示。,图4.19 石英谐振器的电抗特性曲线,当石英谐振器呈感性时，其等效电感为,石英谐振器呈感性。,这里需要注意的是，石英谐振器的等效电感L与石英谐振器的动态电感Lq的概念完全不同，前者是频率的函数，后者是与工作频率无关。当=q时，L=0；当=p时，L。由于q与p区间
22、很窄，而谐振器的等效电感又从0变化到无穷大，说明在此区间内等效电感的电抗曲线非常陡峭，这对于稳频是非常有利的。若外部因素使谐振频率增大，则根据石英谐振器的电抗特性，必然会使等效电感L增大，但由于振荡频率与L的平方根成反比，因而又促使谐振频率下降，趋近于原来的频率。,石英谐振器比一般LC振荡器频率稳定度高，具体表现如下：,(1)石英谐振器具有很高的标准性。,(2)外接元件对石英谐振器的接入系数为,故接入系数很小，一般为10-410-3，因此大大削弱了外电路不稳定因素对石英谐振器的影响。,(3)石英谐振器的品质因数为,品质因数Q很大，可达104106。而一般LC振荡器的品质因数只有几百，因此石英谐
23、振器具有很强的稳频作用。,4.3.2 串联型石英晶体振荡器,串联型晶体振荡器一般是将石英谐振器用于正反馈中，利用其串联谐振时等效为短路元件，电路反馈最强，满足振幅起振条件，使振荡器在石英谐振器串联谐振频率fq上起振。,(a)原理电路,(b)交流等效电路,图4.20 串联型晶体振荡器,4.3.3 并联型石英晶体振荡器,并联型晶体振荡器的工作原理和三点式振荡器相同，只是将其中一个电感元件换成石英晶振。石英谐振器接在晶体管的c、b极之间，则称为皮尔斯振荡器；石英谐振器接在晶体管的b、e极之间，则称为密勒振荡器。目前应用得最广的是皮尔斯晶体振荡器。,图4.21(a)是皮尔斯振荡器的原理图，图4.21(
24、b)为其交流等效电路，其中虚线框中为石英晶体振荡器的等效电路。,(a)原理电路,(b)交流等效电路,图4.21 皮尔斯振荡电路,C1、C2、C3串联组成石英晶体谐振器的负载电容CL，其值为,电路的谐振频率为,由于石英谐振器的标准性很高，故串联谐振频率非常稳定，且由于C0Cq，CLCq，故皮尔斯振荡器的振荡频率非常接近串联谐振频率。,仿真,4.3.4 泛音晶体振荡器,在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上,必须使其在工作泛音频率上：满足三点式振荡器的组成法则并满足环路增益起振条件。而在基频、低次泛音和高次泛音上，不满足三点式振荡器的组
25、成法则或不满足环路增益起振条件，不能起振。,下图（）给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。假设泛音晶振为五次泛音,标称频率为MHz,基频为MHz,则LC1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间，例如3.5MHz。这样,在MHz 频率上，LC1回路呈容性,振荡电路满足三点式组成法则。对于基频和三次泛音频率来说,LC1回路呈感性,电路不符合组成法则,不能起振。而对七次及以上高次泛音上，LC1回路虽呈容性，等效电抗减小，电路电压放大倍数减小，环路增益小于1，不能起振。,LC1回路电抗,【例4.4】对图4.23所示的晶体振荡器。(1)画出交流等效电路，说明晶体在电路中的作用。(2)若将标称频率为5MHz的晶
26、体换成标称频率为3MHz的晶体，该电路能否正常工作，为什么？,图4.23 例4.4图,解：该电路的交流等效电路如图4.23(b)所示，属于并联型晶体振荡器，晶体相当于电感的作用。,图4.23(b),由330pF电容与4.7H电感构成的并联回路，其谐振频率为,则当晶体的标称频率为5MHz时，330pF电容与4.7H电感构成的并联回路呈现容性，其满足三点式振荡电路的组成法则，是电容三点式振荡电路。而当晶体的标称频率为3MHz时，330pF电容与4.7H电感构成的并联回路呈现感性，不满足三点式振荡电路的组成法则，该电路不能正常工作。,本章小结,1反馈振荡器的构成由放大器、选频网络和反馈网络组成的具有
27、选频能力的正反馈系统。2反馈振荡器必须满足三个条件反馈振荡器必须满足起振、平衡和稳定三个条件，每个条件包括振幅和相位两个方面的要求。在振荡频率点，振幅要求环路增益的幅值在起振时必须大于1，且具有负斜率的增益振幅特性；在振荡频率点，相位要求环路增益的相位应为2的整数倍，且具有负斜率的相频特性。3三点式振荡电路组成原则“射同余异”，可分成电容三点式（Colpitts）和电感三点式（Hartley）两种基本类型。Clapp电路和Siler电路是两种较实用的电容三点式改进型电路,前者适合于作固定频率振荡器，后者可作波段振荡器。,4晶体振荡器(1)串联型晶体振荡器作为一个短路元件串接于正反馈支路上，工作在它的串联谐振频率fq上。(2)并联型晶体振荡器晶体作为等效电感元件用在三点式电路中，工作在fqfp感性区。(3)泛音晶体振荡器泛音晶振可用于产生较高频率振荡，但需采取措施抑制低次和高次谐波振荡，保证其只谐振在所需要的工作频率上。,作业2，3，9,
