1、第3章 正弦波振蕩器第第3章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器3.1 反饋式振蕩的基本原理反饋式振蕩的基本原理3.2 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器3.3 RC正弦振蕩器正弦振蕩器3.4 振蕩器的頻率穩定度振蕩器的頻率穩定度 3.5 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器3.6 負阻型負阻型LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器3.7 振蕩器中的寄生振蕩和間歇振蕩振蕩器中的寄生振蕩和間歇振蕩第3章 正弦波振蕩器3.1 反饋式振蕩的基本原理反饋式振蕩的基本原理 圖圖3.1示出的是一個反饋式放大器的框圖。它由放示出的是一個反饋式放大器的框圖。它由放大器和反饋網絡組成，圖中，大器和反饋網絡組成，圖中， 是放大器輸出電壓復是放大

2、器輸出電壓復振幅，振幅， 是放大器輸入電壓復振幅，是放大器輸入電壓復振幅， 是反饋網絡是反饋網絡輸出反饋電壓復振幅，輸出反饋電壓復振幅， 是外加電壓復振幅，放大是外加電壓復振幅，放大器的增益器的增益 為為oUiUfUiUAAojiUAAeU(3.11) oUiUiUoUiUAiUoUiUfUAiUoUiU第3章 正弦波振蕩器圖3.1 反饋放大器 AFUoUiUiUf第3章 正弦波振蕩器 A為為 超前超前 相角。反饋網絡的反饋系數相角。反饋網絡的反饋系數 為為oUiUFFfjoUFF eU(3.12) F為 超前 相角。 圖中， fUoUiifoUUUFU1ofiUAAUAF(3.13) 由此可

3、得閉環的放大器增益 為 fA第3章 正弦波振蕩器 3.1.1 平衡條件平衡條件 根據式根據式(3.13)可見，振蕩條件是可見，振蕩條件是 ，這是振蕩，這是振蕩的必要條件。它是一個復數方程，因此可以寫成兩個方程，的必要條件。它是一個復數方程，因此可以寫成兩個方程，一個是振幅方程式，稱為振幅平衡條件，可表示為一個是振幅方程式，稱為振幅平衡條件，可表示為1AF 1A F (3.14a) 另一個是相位方程式，稱其為相位平衡條件，可表示為 2,0,1,2,AFnn(3.14b) 第3章 正弦波振蕩器 1.振幅平衡條件振幅平衡條件 振幅平衡條件振幅平衡條件AF=1中，中，A=Uo/Ui，即，即Uo=AUi

4、，根據第，根據第2章所學知識可知，章所學知識可知，Uo與與Ui的關系由放大特性曲線決定，的關系由放大特性曲線決定，如圖如圖3.2所示。反饋系數所示。反饋系數F=Uf/Uo，由于反饋網絡常由恒參，由于反饋網絡常由恒參數線性網絡構成，所以，數線性網絡構成，所以，Uo、Uf的關系曲線為一直線，如的關系曲線為一直線，如圖圖3.3所示。這組曲線稱為反饋特性曲線。所示。這組曲線稱為反饋特性曲線。 根據根據A、F表示式，振幅平衡條件又可寫成表示式，振幅平衡條件又可寫成1ffoioiUUUAFUUU即 fiUU第3章 正弦波振蕩器圖3.2 放大特性曲線Uo0Ui9090第3章 正弦波振蕩器 這就是說，振幅平衡

5、條件是反饋電壓的幅值等于這就是說，振幅平衡條件是反饋電壓的幅值等于放大器輸入電壓幅值。由此將圖放大器輸入電壓幅值。由此將圖3.2、圖、圖3.3畫在一個坐畫在一個坐標上，凡是滿足標上，凡是滿足Uf=Ui的點即為滿足振幅平衡條件的平的點即為滿足振幅平衡條件的平衡點，對應這些點的輸出電壓衡點，對應這些點的輸出電壓Uo值，就是振蕩器產生值，就是振蕩器產生的電壓幅值，如圖的電壓幅值，如圖3.4所示。所示。 第3章 正弦波振蕩器圖3.3 Uo與Uf的關系曲線 UfFUo0第3章 正弦波振蕩器圖3.4 振蕩器產生的電壓幅值 UoABC0UicUi UfUi, Uf第3章 正弦波振蕩器 2.相位平衡條件相位平

6、衡條件 根據相位平衡條件根據相位平衡條件A+F=2n，說明反饋電壓，說明反饋電壓 與輸入電壓與輸入電壓 同相，即正反饋，正反饋是通過同相，即正反饋，正反饋是通過振蕩器電路來保證的。振蕩器電路來保證的。A是是 超前超前 的相位，的相位，當放大器是一個非線性工作的晶體管放大器時，輸出當放大器是一個非線性工作的晶體管放大器時，輸出電壓為電壓為fUiUiUoU1cLoUIZ(3.15) 是集電極電流基波分量， 是集電極負載阻抗，則1cILZ1YZAcLjjjmLiiUIZAgeZeA eUU(3.16) 第3章 正弦波振蕩器 其中其中A=Y+Z,Y是晶體管集電極電流基波分量是晶體管集電極電流基波分量

7、超前輸入電壓超前輸入電壓 的相角，的相角，Z是負載的相角，即是負載的相角，即 超前超前 的相角。因此相位平衡條件又可寫為的相角。因此相位平衡條件又可寫為0AFYZF1cIiUoU1cI(3.17) 若令Y+F=E，則 ZE (3.18) 第3章 正弦波振蕩器 相位是頻率的函數，在晶體管的特征頻率相位是頻率的函數，在晶體管的特征頻率fT遠大于遠大于振蕩器工作頻率時，可近似認為振蕩器工作頻率時，可近似認為Y與頻率無關，且數與頻率無關，且數值很小。反饋網絡的相移值很小。反饋網絡的相移F通常在窄帶范圍內也可認通常在窄帶范圍內也可認為與頻率無關。負載的相角為與頻率無關。負載的相角Z與負載的形式有關，圖與

8、負載的形式有關，圖3.5LC并聯振蕩回路負載相角與頻率的關系若采用并聯振蕩回路負載相角與頻率的關系若采用LC并聯振蕩回路，它的相角與頻率的關系如圖并聯振蕩回路，它的相角與頻率的關系如圖3.5中曲線中曲線所示。所示。 第3章 正弦波振蕩器 將將E隨頻率變化的曲線同時畫在一個坐標中，兩隨頻率變化的曲線同時畫在一個坐標中，兩條曲線的相交點即滿足相位平衡條件的平衡點，如圖條曲線的相交點即滿足相位平衡條件的平衡點，如圖3.5所示，所示，A點即為相位平衡點，對應的角頻率點即為相位平衡點，對應的角頻率g即為即為振蕩器的工作頻率，所以，相位平衡條件決定了振蕩振蕩器的工作頻率，所以，相位平衡條件決定了振蕩器的工

9、作頻率。為了保證振蕩器的工作頻率是惟一的，器的工作頻率。為了保證振蕩器的工作頻率是惟一的，滿足相位平衡條件的平衡點只能有一個。滿足相位平衡條件的平衡點只能有一個。第3章 正弦波振蕩器圖3.5 LC并聯振蕩回路負載相角與頻率的關系 EAg0Z第3章 正弦波振蕩器 3.1.2 穩定條件穩定條件 由于振蕩電路中存在各種干擾，如溫度變化、電壓由于振蕩電路中存在各種干擾，如溫度變化、電壓波動、噪聲、外界干擾等，這些干擾會破壞振蕩的平波動、噪聲、外界干擾等，這些干擾會破壞振蕩的平衡條件，因此，為使振蕩器的平衡狀態能夠存在，只衡條件，因此，為使振蕩器的平衡狀態能夠存在，只有使它成為穩定的平衡有使它成為穩定的

10、平衡具有返回原先平衡狀態能具有返回原先平衡狀態能力的平衡。鑒于此，除了平衡條件外還必須有穩定條力的平衡。鑒于此，除了平衡條件外還必須有穩定條件。穩定條件同樣分成振幅穩定條件和相位穩定條件。件。穩定條件同樣分成振幅穩定條件和相位穩定條件。第3章 正弦波振蕩器 1. 振幅穩定條件振幅穩定條件 從圖從圖3.6可以看出，當可以看出，當90時，放大特性與反饋時，放大特性與反饋特性有兩個交點特性有兩個交點O、A。當電源接通瞬間，。當電源接通瞬間， =0,Ui=0，由于外界電磁感應在放大器輸入端感，由于外界電磁感應在放大器輸入端感應一個應一個Ui電壓，在此電壓作用下，放大器輸出電壓，在此電壓作用下，放大器輸

11、出Uo1電電壓，經過反饋網絡，反饋電壓為壓，經過反饋網絡，反饋電壓為Uf1，由于，由于Uf1Ui，振，振蕩器就會脫離開原點而振蕩起來。蕩器就會脫離開原點而振蕩起來。 oU第3章 正弦波振蕩器圖圖3.6 3.6 9090時的放大特性與反饋特性時的放大特性與反饋特性 UoUoAUo3Uo2Uo10(O)UiUf1Uf2Uf3Ui, UfA第3章 正弦波振蕩器 由上面對平衡點穩定性的分析可知，在滿足振幅由上面對平衡點穩定性的分析可知，在滿足振幅穩定的平衡點穩定的平衡點P上，都具有放大特性斜率小于反饋特性上，都具有放大特性斜率小于反饋特性斜率的特點。即斜率的特點。即11ooppiffoppiofiUU

12、UUUUUUUU第3章 正弦波振蕩器 由于由于Uf=AFUi，在平衡點，在平衡點P上上AF|P=1,則則10PiPiPiiPPiiFAAFU AU FUUFAAFUU當F=常數時，振幅穩定條件為 0iAU第3章 正弦波振蕩器 根據此條件可知，要使振幅穩定，在穩定平衡點根據此條件可知，要使振幅穩定，在穩定平衡點上，放大器的增益應隨輸入電壓的增大而減小。當輸上，放大器的增益應隨輸入電壓的增大而減小。當輸出電壓出電壓Uo增加時，反饋電壓增加時，反饋電壓Uf增加，由于增加，由于Uf=Ui,Ui增加，增加，A減小，使減小，使Uo減小，恢復為正常值，達到穩幅。要使減小，恢復為正常值，達到穩幅。要使放大器增

13、益放大器增益A隨隨Ui變化，放大器一定要工作在非線性狀變化，放大器一定要工作在非線性狀態。所以說振幅穩定是由放大器的非線性工作保證的，態。所以說振幅穩定是由放大器的非線性工作保證的，振蕩器必然是非線性電子線路。稱這種振幅穩定方式振蕩器必然是非線性電子線路。稱這種振幅穩定方式叫內穩幅方式。當叫內穩幅方式。當A=常數時，振幅穩定條件為常數時，振幅穩定條件為0piFU第3章 正弦波振蕩器 根據這個條件可知，要使振幅穩定，在穩定平衡根據這個條件可知，要使振幅穩定，在穩定平衡點上，反饋網絡的反饋系數應隨電壓的增大而減小。點上，反饋網絡的反饋系數應隨電壓的增大而減小。當當Ui增加時，增加時，A=常數，常數

14、，Uo增加，增加，F減小，減小，Uf減小，由減小，由于于Uf=Ui，Ui減小，使之恢復到正常值，達到振幅穩定。減小，使之恢復到正常值，達到振幅穩定。反饋網絡的反饋系數反饋網絡的反饋系數F隨電壓隨電壓Ui變化，反饋網絡只能是變化，反饋網絡只能是非線性網絡或時變網絡。稱這種振幅穩定方式叫外穩非線性網絡或時變網絡。稱這種振幅穩定方式叫外穩幅方式。幅方式。 第3章 正弦波振蕩器 2. 相位穩定條件相位穩定條件 根據相位平衡條件可知，在相位平衡點上根據相位平衡條件可知，在相位平衡點上 與與 同相。相位平衡就可重新恢復，以實現相位的穩定。同相。相位平衡就可重新恢復，以實現相位的穩定。這一過程可用如下流程關

15、系表示：這一過程可用如下流程關系表示： fUiU第3章 正弦波振蕩器 由此可得相位穩定條件為由此可得相位穩定條件為 ()0YFZPPPP (3.112) 在窄帶情況下，均可認為則相位穩定條件為 0,0FY0ZP(3.113) 第3章 正弦波振蕩器 3.1.3 起振條件起振條件 電源剛一接通的瞬間，振蕩器起始振蕩，起始振電源剛一接通的瞬間，振蕩器起始振蕩，起始振蕩的條件應為蕩的條件應為1()2fiA FUUn(3.114a) (3.114b) 式(3.114a)為振幅起振條件，式(3.114b)為相位起振條件。由于UfUi，所以在極其微小的電磁感應激勵下，通過選頻網絡就可取出工作頻率的電壓形成增

16、幅振蕩，直至在穩定平衡點工作。 第3章 正弦波振蕩器 根據振蕩器的振蕩條件，可歸納如下：根據振蕩器的振蕩條件，可歸納如下： (1)振幅平衡條件是反饋電壓幅值等于輸入電壓幅振幅平衡條件是反饋電壓幅值等于輸入電壓幅值。根據振幅平衡條件，可以確定振蕩幅度的大小并值。根據振幅平衡條件，可以確定振蕩幅度的大小并研究振幅的穩定。研究振幅的穩定。 (2)相位平衡條件是反饋電壓與輸入電壓同相，即相位平衡條件是反饋電壓與輸入電壓同相，即正反饋。根據相位平衡條件可以確定振蕩器的工作頻正反饋。根據相位平衡條件可以確定振蕩器的工作頻率和頻率的穩定。率和頻率的穩定。 (3)振蕩幅度的穩定是由器件非線性保證的，所以振蕩幅

17、度的穩定是由器件非線性保證的，所以振蕩器是非線性電路。振蕩器是非線性電路。第3章 正弦波振蕩器 (4)振蕩頻率的穩定是由相頻特性斜率為負的網絡振蕩頻率的穩定是由相頻特性斜率為負的網絡來保證的。來保證的。 (5)振蕩器的組成必須包含有放大器和反饋網絡，振蕩器的組成必須包含有放大器和反饋網絡，它們必須能夠完成選頻、穩頻、穩幅的功能。它們必須能夠完成選頻、穩頻、穩幅的功能。 (6)利用自偏置保證振蕩器能自行起振，并使放大利用自偏置保證振蕩器能自行起振，并使放大器由甲類工作狀態轉換成丙類工作狀態。器由甲類工作狀態轉換成丙類工作狀態。第3章 正弦波振蕩器 另外，根據振蕩條件，振蕩器應包括放大器、選另外，

18、根據振蕩條件，振蕩器應包括放大器、選頻網絡，反饋網絡。放大器采用的有源器件，頻網絡，反饋網絡。放大器采用的有源器件， 可以是可以是晶體三極管、場效應管、差分放大器、運算放大器等。晶體三極管、場效應管、差分放大器、運算放大器等。選頻網絡可以是選頻網絡可以是LC并聯諧振回路，也可以是并聯諧振回路，也可以是RC選頻選頻網絡，還可以是晶體濾波器等。反饋網絡可以是網絡，還可以是晶體濾波器等。反饋網絡可以是RC移移相網絡，也可以是電容分壓網絡、電感分壓網絡、變相網絡，也可以是電容分壓網絡、電感分壓網絡、變壓器耦合反饋網絡或電阻分壓網絡等。由此可見，振壓器耦合反饋網絡或電阻分壓網絡等。由此可見，振蕩器電路形

19、式不勝枚舉，本章將對蕩器電路形式不勝枚舉，本章將對LC振蕩器、晶體振振蕩器、晶體振蕩器、蕩器、RC振蕩器的電路組成、工作原理分別予以介紹。振蕩器的電路組成、工作原理分別予以介紹。第3章 正弦波振蕩器3.2 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 3.2.1 LC正弦波振蕩器電路構成的原則正弦波振蕩器電路構成的原則 凡采用凡采用LC諧振回路作為選頻網絡的反饋式振蕩器稱為諧振回路作為選頻網絡的反饋式振蕩器稱為LC正弦波振蕩器。正弦波振蕩器。LC振蕩電路的形式很多，按反饋網絡振蕩電路的形式很多，按反饋網絡的形式來分，有變壓器耦合反饋式及電感或電容反饋式振的形式來分，有變壓器耦合反饋式及電感或電容反饋式振蕩電路

20、兩種。蕩電路兩種。第3章 正弦波振蕩器 1.變壓器耦合振蕩器變壓器耦合振蕩器 變壓器耦合反饋振蕩器采用變壓器耦合反饋振蕩器采用LC諧振回路作為選頻網絡，諧振回路作為選頻網絡，并利用變壓器耦合電路作為反饋網絡。并利用變壓器耦合電路作為反饋網絡。 按照同樣的分析方法可知，圖按照同樣的分析方法可知，圖3.7(b)、3.7(c)所示的振蕩所示的振蕩器電路中，變壓器初、次級繞組應對地具有相同的同名端，器電路中，變壓器初、次級繞組應對地具有相同的同名端，才能滿足相位平衡條件。可見，變壓器耦合振蕩器的相位平才能滿足相位平衡條件。可見，變壓器耦合振蕩器的相位平衡條件是依靠變壓器的初、次級繞組具有合適的同名端來

21、保衡條件是依靠變壓器的初、次級繞組具有合適的同名端來保證的。證的。第3章 正弦波振蕩器圖3.7 變壓器耦合振蕩器 TrUfUoUi(a)(b)TrUfUoUiTrUfUoUi(c)第3章 正弦波振蕩器 2. 三點式振蕩器三點式振蕩器 晶體管有三個電極晶體管有三個電極c,b,e，由三個電抗元件，由三個電抗元件x1、x2、x3構成的選頻網絡也有三個引出端，把它們對應連接起構成的選頻網絡也有三個引出端，把它們對應連接起來構成反饋式正弦振蕩器電路，如圖來構成反饋式正弦振蕩器電路，如圖3.8(a)所示。這種所示。這種振蕩器稱為三點式振蕩器。振蕩器稱為三點式振蕩器。x1,x2、x3三個電抗元件應如三個電抗

22、元件應如何選取才能滿足相位平衡條件呢何選取才能滿足相位平衡條件呢?在晶體管特征頻率在晶體管特征頻率fT遠大于振蕩器工作頻率遠大于振蕩器工作頻率fg和窄帶工作頻率的條件下，和窄帶工作頻率的條件下， 第3章 正弦波振蕩器 可認為可認為E0，根據相位平衡條件，根據相位平衡條件E=-Z，則，則Z0。因此由因此由x1、x2、x3構成的回路可認為是諧振工作。諧振構成的回路可認為是諧振工作。諧振工作的條件是回路的電抗之和等于零，即工作的條件是回路的電抗之和等于零，即x1+x2+x3=0。晶體三極管三個電極之間交流電壓間的關系如圖晶體三極管三個電極之間交流電壓間的關系如圖3.8(a)所示。所示。第3章 正弦波

23、振蕩器 圖3.8 三點式振蕩器組成 x3x2x1cbeLC2cbeC1L2CcbeL1(a)(b)(c)第3章 正弦波振蕩器圖3.9 多回路三點式振蕩器組成 (a)C1C2C3LRGgds(b)L2C3C2C1L1(02)(01)(c)L2L3C2C1L1(01)(02)第3章 正弦波振蕩器 3.2.2 三點式振蕩器電路分析三點式振蕩器電路分析 1. 電容三點式振蕩器電路分析電容三點式振蕩器電路分析 圖圖3.10(a)示出某振蕩器電路。下面從示出某振蕩器電路。下面從4個方面對該個方面對該振蕩器的性能加以分析。振蕩器的性能加以分析。 第3章 正弦波振蕩器圖3.10 電容三點式振蕩器(a)電路圖；

24、(b)交流通路(a)RLC1C2CC1000 pFRE700 RB22 kCB0.033 FRB1*L1.3 H0.033 FEC(15 V)2000 pF第3章 正弦波振蕩器圖3.10 電容三點式振蕩器(a)電路圖；(b)交流通路(b)REUiUoLRe0C1C2UfRL第3章 正弦波振蕩器 1)畫出該振蕩器的交流等效電路，判斷其電路畫出該振蕩器的交流等效電路，判斷其電路類型類型 圖中圖中RB1、RB2、RE為直流偏置電阻。為直流偏置電阻。CB是基極是基極偏置的濾波電容，偏置的濾波電容，CC是集電極耦合電容，它們對交是集電極耦合電容，它們對交流應當等效短路。直流電源流應當等效短路。直流電源E

25、C對于交流等效短路接對于交流等效短路接地。地。RB1、RB2被交流短路。由此可畫出該電路的交被交流短路。由此可畫出該電路的交流等效電路，如圖流等效電路，如圖3.10(b)所示。所示。 第3章 正弦波振蕩器 2) 求該振蕩器的工作角頻率求該振蕩器的工作角頻率g 在工程設計的近似條件下，可認為振蕩器的工作在工程設計的近似條件下，可認為振蕩器的工作頻率頻率g等于由等于由L、C1、C2組成的回路的諧振頻率組成的回路的諧振頻率0。所以該振蕩器的工作頻率所以該振蕩器的工作頻率 012121gC CLCC(3.21) 第3章 正弦波振蕩器 3 )求反饋系數求反饋系數F 共基組態放大器從射極和基極之間輸入，集

26、電極和共基組態放大器從射極和基極之間輸入，集電極和基極之間輸出。輸出電壓基極之間輸出。輸出電壓 經由電容組成的反饋網絡，經由電容組成的反饋網絡，從從C2兩端取得反饋電壓兩端取得反饋電壓 ，把它加到放大器的輸入端，把它加到放大器的輸入端(晶體管的射極晶體管的射極)，構成正反饋。放大器的輸入電阻，構成正反饋。放大器的輸入電阻ri是放是放大器負載的一部分，放大器輸入端的電容大器負載的一部分，放大器輸入端的電容Cbe與與C2并聯。并聯。所以反饋網絡是由所以反饋網絡是由C1和和C2+Cbe分壓構成。在忽略與反饋分壓構成。在忽略與反饋網絡各端點相并聯的電阻影響的條件下，反饋系數可近網絡各端點相并聯的電阻影

27、響的條件下，反饋系數可近似為似為fUoU112b eCFCCC(3.22a) 第3章 正弦波振蕩器 當當CbeC2時時 112CFCC(3.22b) 4)起振條件分析 在直流電源剛剛接通的瞬間，振蕩器應滿足起振條件。由于起始振蕩振幅很小，所以振蕩器處于線性小信號狀態下工作，通角=180。隨振蕩幅度的增加，振蕩逐步進入到非線性大信號狀態下工作，通角1達到達到AF=1，達到平衡。可以通過起振條，達到平衡。可以通過起振條件的研究，找到影響振蕩器起振的各種因素，從而指件的研究，找到影響振蕩器起振的各種因素，從而指導正確進行振蕩器的設計、裝配和調試。由于起振的導正確進行振蕩器的設計、裝配和調試。由于起振

28、的一刻是線性小信號狀態工作，所以晶體管可以用微變一刻是線性小信號狀態工作，所以晶體管可以用微變等效電路去等效，如圖等效電路去等效，如圖3.11所示。所示。 第3章 正弦波振蕩器圖3.11 圖3.10所示電路起振時交流等效電路(a)晶體管等效電路；(b)振蕩器等效電路eUbereCbe gmUbebc(a)第3章 正弦波振蕩器圖3.11 圖3.10所示電路起振時交流等效電路(a)晶體管等效電路；(b)振蕩器等效電路ereCbe gmUibUbe(Ui)UoRLLreC1C2RECbe Ufce(b)第3章 正弦波振蕩器 根據圖根據圖3.11可以看出可以看出RL、Re0并接在并接在c、b兩端，輸兩

29、端，輸入電阻入電阻ri=REre處于處于e、b兩端。如何把兩端。如何把ri折合到折合到c,b之之間呢間呢?通常用能量守恒的方法。也就是說通常用能量守恒的方法。也就是說ri在在e,b之間消之間消耗的功率應等于把耗的功率應等于把ri折合到折合到c、b之間的等效電阻之間的等效電阻Ri所所消耗的功率，即消耗的功率，即2222222,/ebcbiEeiicboiiiiebiUUrRrrRUUrRrrUUF (3.23)第3章 正弦波振蕩器 所以，所以，RL應等于應等于RL、Reo、Ri三者的并聯，即三者的并聯，即 /1LLeoimLRRRRg R F(3.24) (3.25) 在負載和反饋系數已知的條件

30、下，可以導出滿足起振條件要求的晶體管跨導gm的范圍。第3章 正弦波振蕩器111111111(1)(1)(1)mLLeoimmLeoEeLeomLeoEFgR FR FR FrFFgg FR FR FRrR FR FFgR FFR FFRF(3.26) 第3章 正弦波振蕩器 由式由式(3.26)可確定滿足起振條件的晶體管跨導范可確定滿足起振條件的晶體管跨導范圍。晶體管的靜態工作點電流圍。晶體管的靜態工作點電流IEQ越大，越大，gm越大越大(re越越小小)，振蕩器越容易起振；，振蕩器越容易起振；RL越大、越大、Reo越大、越大、RE越大越大越容易起振；而越容易起振；而F應有一個適當的數值，太小不容

31、易起應有一個適當的數值，太小不容易起振，太大也不容易起振。振，太大也不容易起振。 在晶體管跨導和負載已知的條件下，同樣可以導在晶體管跨導和負載已知的條件下，同樣可以導出滿足起振條件的反饋系數范圍。出滿足起振條件的反饋系數范圍。2111mLmLmeom iFFg Rg Rg Rg r(3.27) 第3章 正弦波振蕩器 當當F1時，隨F的增加，F2/gmri項的影響會越來越大，以致使不等式211m imLmeoFFg rg Rg R第3章 正弦波振蕩器 在晶體管跨導和反饋系數已知的條件下，同樣可在晶體管跨導和反饋系數已知的條件下，同樣可導出滿足起振條件的負載電阻導出滿足起振條件的負載電阻RL的范圍

32、。的范圍。11()LmreiRFF gR Fr(3.29a) 在RiRL，ReoRL條件下，RLRL，則1LmRFg(3.29b) 第3章 正弦波振蕩器 2. 電感三點式振蕩器電路分析電感三點式振蕩器電路分析 圖圖3.12(a)所示振蕩器電路中，電阻所示振蕩器電路中，電阻RB1、RB2、RE為基極直流偏置電阻；為基極直流偏置電阻；CB、CC1、CC2、CE分別為耦合分別為耦合電容和旁路、濾波電容，它們對交流均可認為短路；電容和旁路、濾波電容，它們對交流均可認為短路；LC為集電極直流饋電扼流圈，對交流可認為開路；為集電極直流饋電扼流圈，對交流可認為開路；L1、L2、C為振蕩器的選頻網絡；電感為振

33、蕩器的選頻網絡；電感L1、L2構成反饋網構成反饋網絡，反饋電壓絡，反饋電壓 取自取自L2兩端。由此可畫出該電路的兩端。由此可畫出該電路的交流等效電路，如圖交流等效電路，如圖3.12(b)所示。由圖可見，該振蕩所示。由圖可見，該振蕩器是電感回授三點式振蕩器，放大器為共射組態電路。器是電感回授三點式振蕩器，放大器為共射組態電路。fU第3章 正弦波振蕩器圖3.12 電感回授三點式振蕩器及其等效電路(a)L1CC1RERB2CBRB1LC ECCEL2CCC2RLUiUf第3章 正弦波振蕩器圖3.12 電感回授三點式振蕩器及其等效電路RBRLcL1L2Cbe(b)(c)RBRLcL1L2CerbebU

34、iUfgmUi第3章 正弦波振蕩器 在在fTfg條件下，晶體管極間電容的影響可忽略不條件下，晶體管極間電容的影響可忽略不計。振蕩器的工作頻率計。振蕩器的工作頻率121()gLL C(3.210) L1的匝數為N1，L2的匝數為N2，在L1、L2相互獨立，不存在互感的條件下，在忽略晶體管極間電容和并聯電阻影響的條件下，反饋系數2211LNFLN(3.211)第3章 正弦波振蕩器 起振瞬間振蕩器的等效電路如圖起振瞬間振蕩器的等效電路如圖3.12(c)所示。放所示。放大器的增益大器的增益A=gmRL。負載電阻。負載電阻RL應等于外負載電阻應等于外負載電阻RL、回路無載諧振阻抗、回路無載諧振阻抗Reo

35、和放大器的輸入電阻和放大器的輸入電阻Ri折合折合到到c、e兩端的等效輸入電阻兩端的等效輸入電阻Ri三者的并聯。三者的并聯。 /LLeoiRRRR(3.212) 其中，Ri=(RBrbe)/F2，RB=RB1RB2，rbe=rbb+(1+)re，則起振條件gmRLF1可以寫成11mLeoBbeFFgFRFRRr(3.213) 第3章 正弦波振蕩器 電容三點式與電感三點式振蕩器電路各有特點。電容電容三點式與電感三點式振蕩器電路各有特點。電容回授三點式振蕩器電路由于輸出端和反饋支路都是電容，回授三點式振蕩器電路由于輸出端和反饋支路都是電容，對于高次諧波，容抗小，所以濾除高次諧波的能力強；高對于高次諧

36、波，容抗小，所以濾除高次諧波的能力強；高次諧波的反饋電壓小，振蕩器的波形質量好。對于電容三次諧波的反饋電壓小，振蕩器的波形質量好。對于電容三點式電路，晶體管極間電容點式電路，晶體管極間電容Cbe、Cce均與回路電容均與回路電容C2、C1并聯，因此極間電容均可并入回路電容中一起考慮。并聯，因此極間電容均可并入回路電容中一起考慮。 第3章 正弦波振蕩器 電感回授三點式振蕩器由于放大器輸出和反饋電電感回授三點式振蕩器由于放大器輸出和反饋電壓都取自于電感，電感對高次諧波呈現的阻抗大，所壓都取自于電感，電感對高次諧波呈現的阻抗大，所以諧波的反饋電壓大，波形失真也大。此外，晶體管以諧波的反饋電壓大，波形失

37、真也大。此外，晶體管極間電容極間電容Cbe、Cce分別與分別與L2、L1并聯。當工作頻率較并聯。當工作頻率較高時，極間電容的影響不能忽略，晶體管高時，極間電容的影響不能忽略，晶體管c、e兩極之兩極之間外接的是由間外接的是由L1和和Cce組成的并聯回路，組成的并聯回路，b、e兩極之間兩極之間外接的是由外接的是由L2、Cbe并聯組成的回路，振蕩器成為多并聯組成的回路，振蕩器成為多回路電路，如圖回路電路，如圖3.9(c)所示。所示。 第3章 正弦波振蕩器 3.2.3 其他其他LC振蕩器電路振蕩器電路 1.克拉撥振蕩器和席勒振蕩器克拉撥振蕩器和席勒振蕩器 晶體管極間的寄生參量，如極間電容、極間電阻晶體

38、管極間的寄生參量，如極間電容、極間電阻等都與電壓、溫度、環境等因素有關，因此晶體管寄等都與電壓、溫度、環境等因素有關，因此晶體管寄生參量的影響必然使振蕩器的穩定性下降。為了減小生參量的影響必然使振蕩器的穩定性下降。為了減小晶體管寄生參量的影響，提出了克拉撥振蕩器和席勒晶體管寄生參量的影響，提出了克拉撥振蕩器和席勒振蕩器。其出發點就是減小晶體管各端極之間的接入振蕩器。其出發點就是減小晶體管各端極之間的接入系數系數P。圖。圖3.13(a)所示為克拉撥振蕩器電路，圖所示為克拉撥振蕩器電路，圖3.13(b)是它的交流等效電路。是它的交流等效電路。第3章 正弦波振蕩器 克拉撥振蕩器與電容回授三點式電路的

39、主要區別克拉撥振蕩器與電容回授三點式電路的主要區別是在電感支路內串入了一個小電容是在電感支路內串入了一個小電容C3，且，且C3C1、 C3C3)。選頻回路的諧振頻率。選頻回路的諧振頻率043411()L CCLC(3.218) 振蕩器工作頻率g0，它的改變可通過調整C4實現。C4改變，而C3不變，接入系數也不變，從而振蕩器的工作頻率范圍展寬，穩定性也得以提高。 第3章 正弦波振蕩器圖3.14 席勒振蕩器及交流等效電路 (a)原理圖；(b)交流等效電路RLC1C2RELVC4C3(a)(b)RLC1C2RERB2CBRB1 ECRCLVC4C3第3章 正弦波振蕩器 2. LC差分振蕩器差分振蕩器

40、 圖圖3.15(a)示出的是用差分放大器構成的示出的是用差分放大器構成的LC振蕩器電路，振蕩器電路，圖圖3.15(b)是該振蕩器的交流等效電路。是該振蕩器的交流等效電路。CCC2LRLRBV1V2UiCC1UfC1C2UoL ECCBRBV3IoRE EE(a)圖3.15 差分振蕩器及交流等效電路 (a)原理圖；(b)交流等效電路第3章 正弦波振蕩器圖3.15 差分振蕩器及交流等效電路 (a)原理圖；(b)交流等效電路(b)CLRLV1V2UiUfC1C2Uo第3章 正弦波振蕩器 通過耦合電容通過耦合電容CC2輸出，外負載為輸出，外負載為RL。V1集電極外集電極外接的接的LC回路作為輸出帶通濾

41、波器，不參與振蕩器的工回路作為輸出帶通濾波器，不參與振蕩器的工作，所以外負載不影響振蕩器的工作，從而提高了振作，所以外負載不影響振蕩器的工作，從而提高了振蕩器的穩定性。該振蕩器的工作頻率蕩器的穩定性。該振蕩器的工作頻率12121gC CLCC(3.219)反饋系數 212CFCC(3.220) 第3章 正弦波振蕩器 根據起振條件根據起振條件AF1，可求得滿足起振條件的恒流，可求得滿足起振條件的恒流源源Io的數值范圍的數值范圍4ToFUIR F(3.221) 差分振蕩器與單個晶體管的振蕩器相比，有很多優點。首先，差分放大器具有“共模抑制、差模放大”的特點，所以差分振蕩器輸出的質量相比之下要高。差

42、分放大兩個管子分別處于放大和截止狀態交替工作。 第3章 正弦波振蕩器 3.單片集成單片集成LC振蕩器振蕩器 單片集成單片集成LC高頻振蕩器高頻振蕩器E1648內部電路如圖內部電路如圖3.16(a)所所示，振蕩電路部分如圖示，振蕩電路部分如圖3.16(b)所示，器件外部連接電路如所示，器件外部連接電路如圖圖3.16(c)所示。所示。 集成電路具有外接元件少、穩定性高、可靠性好、調集成電路具有外接元件少、穩定性高、可靠性好、調整使用方便等優點。由于目前集成技術的限制，最高工作整使用方便等優點。由于目前集成技術的限制，最高工作頻率還低于分立元件電路，電壓和功率也難以做到分立元頻率還低于分立元件電路，

43、電壓和功率也難以做到分立元件的水平。但是，盡管這樣，集成電路依然是微電子技術件的水平。但是，盡管這樣，集成電路依然是微電子技術的發展方向，其性能將會不斷得到提高。的發展方向，其性能將會不斷得到提高。第3章 正弦波振蕩器 E1648內部電路由三個部分組成。第一部分是電源部內部電路由三個部分組成。第一部分是電源部分，由晶體管分，由晶體管V10V14組成直流電源饋給電路。第二部分是組成直流電源饋給電路。第二部分是差分振蕩器部分，由差分振蕩器部分，由V7、V8、V9晶體管和晶體管和12、10腳外接的腳外接的LC并聯回路構成，并聯回路構成，V9是恒流源電路。第三部分是輸出部是恒流源電路。第三部分是輸出部

44、分，由分，由V4、V5構成共射構成共射共基組態放大器，對共基組態放大器，對V8集電極輸集電極輸出電壓進行放大；再經出電壓進行放大；再經V3、V2組成的差分放大器放大；最組成的差分放大器放大；最后經射隨器后經射隨器V1隔離，由隔離，由腳輸出。腳輸出。 第3章 正弦波振蕩器 圖中圖中V6是直流負反饋電路，是直流負反饋電路，腳外接濾波電容腳外接濾波電容 CB；當；當V8輸出電壓幅度增加時，輸出電壓幅度增加時，V5射極電壓增加，射極電壓增加，V6集電極直流集電極直流電壓減小，從而使差分振蕩器恒流源電壓減小，從而使差分振蕩器恒流源Io減小，跨導減小，跨導gm減小，減小，限制了限制了V8輸出電壓的增加，提

45、高了振幅的穩定性。該電路輸出電壓的增加，提高了振幅的穩定性。該電路的工作頻率的工作頻率1()giL CC第3章 正弦波振蕩器 圖3.16 E1648單片集成振蕩器 (a)內部電路；(b)振蕩電路部分；(c)外接電路V14VD2V13V12V8V7IoV9VD1V6V5V4V11V10LCCB輸出V3V2V1EC1214(a)第3章 正弦波振蕩器 圖3.16 E1648單片集成振蕩器 (a)內部電路；(b)振蕩電路部分；(c)外接電路 EB ECLCV8V7Io輸出1413121110981234567E1648LC0.1 F5 V9 V1 k0.1 FUo1(b)(c)第3章 正弦波振蕩器3.

46、3 RC正弦振蕩器正弦振蕩器 3.3.1 RC移相振蕩器移相振蕩器 RC移相振蕩器是利用移相振蕩器是利用RC網絡作為移相網絡，使網絡作為移相網絡，使之滿足相位平衡條件，達到之滿足相位平衡條件，達到 。最簡單的。最簡單的RC移相網絡可以用電阻和電容串聯構成，如圖移相網絡可以用電阻和電容串聯構成，如圖3.17所示。所示。 圖圖3.17(a)所示是超前移相網絡。其頻率響應所示是超前移相網絡。其頻率響應 fiUU()11j CRjH jj CRj(3.31) 第3章 正弦波振蕩器圖3.17 RC串聯移相網絡 ICRUoUiICRUoUi(a)(b)第3章 正弦波振蕩器 其中，時常數其中，時常數=RC。

47、幅頻特性。幅頻特性 22( )1( )arctan2H 相頻特性 (3.32) (3.33) 如圖3.18所示。由圖可見，該電路可實現090之間的相移，不同頻率對應不同的相移值。對應截止頻率 的相移(C)=45。 1C第3章 正弦波振蕩器 圖圖3.17(b)所示是滯后相移網絡。其頻率響應所示是滯后相移網絡。其頻率響應11()11( )arctan( )arctanH jj CRjH (3.34)(3.35)(3.36) 幅頻特性 相頻特性 如圖3.19所示。由圖可見，該電路可實現090之間的相移，截止頻率 對應的相移(C)=-45。1C第3章 正弦波振蕩器圖3.18 RC串聯超前網絡頻率特性

48、10.70C1450C90H()()第3章 正弦波振蕩器圖3.19 RC串聯滯后網絡頻率特性 10.70C145090H()()C1第3章 正弦波振蕩器圖3.20 RC相移振蕩器及交流等效電路RB2RB1RCREVUiUoCERRCCCUf ECRBrbeIbRCRRCCCIb(a)(b)(c)RBrbeIbRCRCI1RCCRCI2I3Ib第3章 正弦波振蕩器 忽略晶體管極間電容和輸出電阻的影響，放大器忽略晶體管極間電容和輸出電阻的影響，放大器的輸入電阻的輸入電阻Ri=RBrbe，RB=RB1RB2；設計使；設計使RBrbe，且且rberbe，滿足相位平衡條件，必須使 3bII3222222

49、511(3)64)iiiRRRRRRRRRCj CC(3.37) (3.37)式成立，必須虛部為零，即2221640igRRRC(3.38)第3章 正弦波振蕩器 由此式求得該振蕩器的工作頻率由此式求得該振蕩器的工作頻率2222211(64)(64)giiRRRR CR CR(3.39)當RiR時16gRC(3.310)將g代入(3.37)式，可求得振幅平衡條件2229234iiRRRR(3.311) 當RiR時2 9(3.312) 所以該振蕩器的起振條件為29(3.313) 第3章 正弦波振蕩器 將圖將圖3.20中晶體管放大器換成運算放大器，如圖中晶體管放大器換成運算放大器，如圖3.21所示。

50、取所示。取R1=R，同樣可以導出該電路的工作頻率，同樣可以導出該電路的工作頻率16gRC振幅平衡條件 129fRR(3.315) 起振條件 129fRR(3.316) 第3章 正弦波振蕩器圖3.21 反相輸入運放構成的 RR1RfCCCRRUfUiUo第3章 正弦波振蕩器 RC移相網絡種類很多，放大器種類也很多，所以移相網絡種類很多，放大器種類也很多，所以RC移相振蕩器電路形式很多。圖移相振蕩器電路形式很多。圖3.22示出的是一種用示出的是一種用RC有源移相器構成的振蕩器電路。該電路的平衡條件有源移相器構成的振蕩器電路。該電路的平衡條件是是2431()11Rj CRRj CR(3.317) 第

51、3章 正弦波振蕩器圖3.22 RC有源移相正交振蕩器RCR1R1A3R4R3A1A2uo1R2R2RCuo2第3章 正弦波振蕩器 由此可導出工作頻率由此可導出工作頻率4311gRCRR起振條件 (3.318) (3.319) uo1為正弦波輸出時，uo2為余弦波輸出，彼此互為正交關系，所以又稱該電路為正交信號產生器。雖然RC移相振蕩器電路很多，但都可以采用上述的方法求得其工作頻率和起振條件。第3章 正弦波振蕩器 3.3.2 RC選頻振蕩器選頻振蕩器 用電阻、電容構成的選頻網絡很多，如用電阻、電容構成的選頻網絡很多，如RC串并聯串并聯網絡、網絡、RC雙雙T網絡等。目前應用最為廣泛的是網絡等。目前

52、應用最為廣泛的是RC串并串并聯網絡，如圖聯網絡，如圖3.23(a)所示。其頻率特性所示。其頻率特性21()13()1()19()H jjCRCRH jCRCR(3.320) (3.321) 幅頻特性 第3章 正弦波振蕩器 如圖如圖3.23(b)所示。由圖可見，所示。由圖可見，RC串并聯網絡具有選頻特串并聯網絡具有選頻特性，與性，與LC并聯回路的頻率特性相似。在諧振頻率并聯回路的頻率特性相似。在諧振頻率0=1/(RC)處，處，H(0)=1/3，(0)=0。當。當0時，隨時，隨的增加，的增加，H()減小并趨于零，減小并趨于零，()趨于趨于-90。 相頻特性 11( )arctan()3CRCR (

53、3.322) 第3章 正弦波振蕩器 其帶寬其帶寬B30，品質因數，品質因數Q1/3。由此可見，這種電路。由此可見，這種電路與與LC諧振電路相比，品質因數很低，帶寬很寬，選頻諧振電路相比，品質因數很低，帶寬很寬，選頻特性遠遠低于特性遠遠低于LC選頻網絡。這是選頻網絡。這是RC網絡共有的特點，網絡共有的特點，所以利用所以利用RC網絡構成的振蕩器波形質量差。網絡構成的振蕩器波形質量差。 第3章 正弦波振蕩器圖3.23 RC串并聯網絡及頻率特性 UoRCCRUf(a)01RC13H(0(9090(b)(c)第3章 正弦波振蕩器 圖圖3.24(a)所示是利用同相輸入運算放大器構成的所示是利用同相輸入運算

54、放大器構成的RC選頻振蕩器。其工作頻率選頻振蕩器。其工作頻率1gRC(3.323) 同相運算放大器的增益A=1+Rf/R1，反饋系數F=1/3，根據起振條件AF1，可求得該振蕩器的起振條件是12fRR(3.324) 第3章 正弦波振蕩器 由于由于RC串串/并聯支路與并聯支路與Rf、R1構成了電橋的構成了電橋的4個臂，個臂，運算放大器接在橋的中點上，如圖運算放大器接在橋的中點上，如圖3.24(b)所示，因此所示，因此把這種振蕩器又稱為文氏橋振蕩器。電橋的一個重要把這種振蕩器又稱為文氏橋振蕩器。電橋的一個重要特點是橋路中點的電位差反映了橋路的平衡程度，這特點是橋路中點的電位差反映了橋路的平衡程度，

55、這種不平衡經過放大器放大，再反饋至輸入端，加以調種不平衡經過放大器放大，再反饋至輸入端，加以調整，從而提高了穩幅能力，改善了波形。所以這種電整，從而提高了穩幅能力，改善了波形。所以這種電路較之路較之RC移相振蕩器質量好，得到了廣泛的應用。移相振蕩器質量好，得到了廣泛的應用。 第3章 正弦波振蕩器圖3.24 文氏橋振蕩器 ARCCRUfUoRftUitR1ARCRfR1RC(a)(b)第3章 正弦波振蕩器 文氏橋振蕩器電路形式很多。圖文氏橋振蕩器電路形式很多。圖3.25示出了一種用兩級共示出了一種用兩級共射組態放大器級聯和射組態放大器級聯和RC串并聯網絡構成的文氏橋振蕩器電路。串并聯網絡構成的文

56、氏橋振蕩器電路。圖圖3.26示出了一種用場效應管做負反饋穩幅電路的文氏橋振蕩示出了一種用場效應管做負反饋穩幅電路的文氏橋振蕩器電路。設計使場效應管工作在可變電阻區，代替圖器電路。設計使場效應管工作在可變電阻區，代替圖3.24所示所示電路中的電阻電路中的電阻R1。運算放大器的輸出經耦合電容。運算放大器的輸出經耦合電容C1加在二極管加在二極管電路上。電路上。 第3章 正弦波振蕩器圖3.25 RC橋式振蕩器 6.2 k t3 k4.7 kRFRE12.7 k20 F100 k 33 k4.7 k1.3 k 12 V50 F3.9 k50 F100 F100 k 68 k5.6 k0.033 F30

57、F0.033 F5.6 kZ1UfUiUo第3章 正弦波振蕩器 VD、C2、R2、R3和電位器和電位器W2構成整流濾波電路，取得一構成整流濾波電路，取得一個負極性的直流電壓，加在場效應管的柵極和源極之間，為個負極性的直流電壓，加在場效應管的柵極和源極之間，為uGS。uGS的絕對值的絕對值|uGS|正比于振蕩器輸出電壓的幅值正比于振蕩器輸出電壓的幅值Uom。當。當Uom增大時，增大時，|uGS|增大，場效應管等效的電阻即漏源電阻增大，場效應管等效的電阻即漏源電阻Rds增增大，從而使放大器負反饋增加，輸出電壓大，從而使放大器負反饋增加，輸出電壓Uom減小，從而實現減小，從而實現振幅的穩定。振幅的穩

58、定。第3章 正弦波振蕩器 圖3.26 閉環電平穩幅的文氏橋振蕩器 AW1RRCW2R3R2R1C2C1輸出C15 VVD第3章 正弦波振蕩器3.4 振蕩器的頻率穩定度振蕩器的頻率穩定度 3.4.1 振蕩器頻率的技術參量振蕩器頻率的技術參量 絕對靜止的、固定的事物在宇宙中是不存在的。絕對靜止的、固定的事物在宇宙中是不存在的。一個頻率等于一個頻率等于1kHz，振幅等于，振幅等于5V的正弦波振蕩電壓的正弦波振蕩電壓u=5sin2103t在實際生活中是不存在的。實際生活中在實際生活中是不存在的。實際生活中存在的是存在的是 u=Um+(t)sin0t+(t)第3章 正弦波振蕩器 式中，式中，Um是電壓振

59、幅的數學期望值，即統計平均值，是電壓振幅的數學期望值，即統計平均值，(t)是振幅抖動值，是振幅抖動值，0是角頻率的統計平均值，是角頻率的統計平均值，(t)是相位是相位抖動值。相位的微分等于角頻率。所以該信號的角頻率抖動值。相位的微分等于角頻率。所以該信號的角頻率00( )( )dttdt ( )dtdt是頻率抖動值。第3章 正弦波振蕩器 1. 頻率的精確度頻率的精確度 頻率的精確度是指頻率的統計平均值與理論設計頻率的精確度是指頻率的統計平均值與理論設計值接近的程度，通常用相對誤差表示。如統計平均值值接近的程度，通常用相對誤差表示。如統計平均值(即測量值即測量值)為為0，理論設計值為，理論設計值

60、為i，則頻率的精確度定，則頻率的精確度定義為義為 0iii第3章 正弦波振蕩器 2. 頻率的再現性頻率的再現性 所謂頻率的再現性就是指按照同一個原理、同一所謂頻率的再現性就是指按照同一個原理、同一設計圖紙、元件參數都在預定值范圍內時，制做出的設計圖紙、元件參數都在預定值范圍內時，制做出的振蕩器頻率的相近程度。對同一臺振蕩器的頻率再現振蕩器頻率的相近程度。對同一臺振蕩器的頻率再現性是指它的重調性、開機重復性、不同地點不同環境性是指它的重調性、開機重復性、不同地點不同環境的重現性；對相同型號多臺振蕩器之間也要有頻率再的重現性；對相同型號多臺振蕩器之間也要有頻率再現性，即可復制性、相互符合度等。這是