1、第第5 5章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 反饋振蕩器反饋振蕩器5.3 5.3 振蕩器的分析方法振蕩器的分析方法5.4 5.4 互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器5.4.1 單管互感耦合振蕩器單管互感耦合振蕩器5.4.2 差分對管互感耦合振蕩器差分對管互感耦合振蕩器5.5 5.5 三點式振蕩器三點式振蕩器5.5.1 構成三點式振蕩器的原則構成三點式振蕩器的原則5.5.2 電容三點式振蕩器電容三點式振蕩器考畢茲振蕩器考畢茲振蕩器5.5.3 電感三點式振蕩器電感三點式振蕩器哈特萊振蕩器哈特萊振蕩器5.5.4 電容三點式與電感三點式振蕩器比較電容三點式與電感三點式振蕩器

2、比較5.5.5 改進型電容三點式振蕩器改進型電容三點式振蕩器5.6 5.6 振蕩器頻率穩定度振蕩器頻率穩定度5.6.1 頻率準確度和頻率穩定度頻率準確度和頻率穩定度5.6.2 頻率穩定度分析頻率穩定度分析5.6.3 提高頻率穩定度措施提高頻率穩定度措施5.7 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器5.7.1 并聯型石英晶體振蕩器并聯型石英晶體振蕩器5.7.2 串聯型石英晶體振蕩器串聯型石英晶體振蕩器 振蕩器振蕩器就是自動地將直流能量轉換為具有一定波形就是自動地將直流能量轉換為具有一定波形參數的交流振蕩信號的裝置。和放大器一樣也是能量轉換參數的交流振蕩信號的裝置。和放大器一樣也是能量轉換器。它與放大器的區

3、別在于，不需要外加信號的激勵，其輸器。它與放大器的區別在于，不需要外加信號的激勵，其輸出信號的頻率，幅度和波形僅僅由電路本身的參數決定。出信號的頻率，幅度和波形僅僅由電路本身的參數決定。振蕩器振蕩器分類分類正弦振蕩正弦振蕩低頻正弦振蕩器低頻正弦振蕩器高頻正弦振蕩器高頻正弦振蕩器微波振蕩器微波振蕩器非正弦波振蕩器非正弦波振蕩器矩形波振蕩器矩形波振蕩器三角波振蕩器三角波振蕩器鋸齒波振蕩器鋸齒波振蕩器5.15.1 概概 述述 應用范圍：在發射機、接收機、測量儀器（信號發生應用范圍：在發射機、接收機、測量儀器（信號發生器）、計算機、醫療、儀器乃至電子手表等許多方面振蕩器器）、計算機、醫療、儀器乃至電子

4、手表等許多方面振蕩器都有著廣泛的應用。都有著廣泛的應用。 主要技術指標：主要技術指標： 1.振蕩頻率振蕩頻率f及頻率范圍及頻率范圍: 2.頻率穩定度頻率穩定度:調頻廣播和電視發射機要求調頻廣播和電視發射機要求:10-510-7左右左右 標準信號源標準信號源:10-610-12 要實現與火星通訊要實現與火星通訊:10-11 要為金星定位要為金星定位:10-12 3.振蕩的幅度和穩定度振蕩的幅度和穩定度: 4.4.頻譜頻譜( (殘波輻射殘波輻射):): 討論內容討論內容:從振蕩原理入手研究振蕩器判據、尋求振蕩從振蕩原理入手研究振蕩器判據、尋求振蕩條件的分析方法，討論各種振蕩電路，基本線索是振蕩器的

5、條件的分析方法，討論各種振蕩電路，基本線索是振蕩器的頻率穩定度。頻率穩定度。 右圖是反饋放大右圖是反饋放大器的方框圖器的方框圖, ,由該圖知由該圖知: :oioifiioXFAXAXFXAXXAXAX )( )(FAAXXAXAFAXiofio1 )1 (5.2.1 當放大器接成負反饋時，當放大器接成負反饋時，5.2.1式中取正號，當式中取正號，當1FA負反饋變成自激振蕩器。其負反饋變成自激振蕩器。其 振幅條件為振幅條件為1|FA5.25.2 反饋振蕩器反饋振蕩器oXiXAFiX反饋放大器方框圖反饋放大器方框圖相位條件為相位條件為.0,1,2,.n 12 argnFA 而振蕩器往往直接引入的正

6、反饋，如而振蕩器往往直接引入的正反饋，如 上圖上圖 (+)號所示。號所示。此時式此時式5.2.1式變為式變為FAAAf15.2.2當其當其1FA時，時，就會產生自激振蕩就會產生自激振蕩。其。其振幅條件為：振幅條件為：相位條件為：相位條件為：.210 2arg1|，nnFAFAFA 要使振蕩器能夠起振要使振蕩器能夠起振，在剛接通電源后在剛接通電源后，1|FA，當達當達到平衡時到平衡時，1|FA。這就是振蕩器振幅平衡條件這就是振蕩器振幅平衡條件。5.3 5.3 振蕩器的分析方法振蕩器的分析方法 分析振蕩器有兩種方法：即瞬態分析法和穩態分析法。分析振蕩器有兩種方法：即瞬態分析法和穩態分析法。這里只介

7、紹穩態分析法。這里只介紹穩態分析法。 穩態分析方法考慮問題的基礎是：振蕩器在起振時是小穩態分析方法考慮問題的基礎是：振蕩器在起振時是小信號，屬于線性電路。因此，可按線性電路的分析方法來初信號，屬于線性電路。因此，可按線性電路的分析方法來初理。而振蕩器在平衡時雖屬大信號非線性電路，但是對基波理。而振蕩器在平衡時雖屬大信號非線性電路，但是對基波而言則屬準線性電路，當引入平均參數后，即可按線性電路而言則屬準線性電路，當引入平均參數后，即可按線性電路來近似處理，使問題的分析得到簡化。所以穩態分析法是適來近似處理，使問題的分析得到簡化。所以穩態分析法是適應在線性理論基礎之上的。由前面分析可知，正反饋是產

8、生應在線性理論基礎之上的。由前面分析可知，正反饋是產生自激振蕩的必要條件。自激振蕩的必要條件。 而正反饋只是反饋放大器的特殊形而正反饋只是反饋放大器的特殊形式，我們試圖將振蕩器與反饋放大器聯系起來，如圖所示。式，我們試圖將振蕩器與反饋放大器聯系起來，如圖所示。 根據反饋理論，整個反饋放大器的根據反饋理論，整個反饋放大器的“閉環增益閉環增益”Af(s)為為)()()(1)()()(1)()()()(sDsAsAsAsFsAsAsVsVsALsof5.3.1其中其中)()()()()()(sVsVsFsVsVsAofio為放大器的電壓增益為放大器的電壓增益為反饋網絡的反饋系數為反饋網絡的反饋系數)

9、(sVo)(sVs)(sF)(sA)(sUf)(sUi反饋放大器反饋放大器為開環電壓增益為開環電壓增益為反饋放大器的特征多項式為反饋放大器的特征多項式)(1)()()()()()(sAsDsVsVsFsAsALifL 由式由式5.3.1可知，若令可知，若令UL(s)=0，則，則Af(s)趨于無窮趨于無窮,就是說在就是說在沒有輸入信號激勵的情況下沒有輸入信號激勵的情況下,就能自動地將直流能量轉換為交就能自動地將直流能量轉換為交流能量。因此，我們說振蕩器是反饋放大器的特殊形式。這流能量。因此，我們說振蕩器是反饋放大器的特殊形式。這是穩態分析方法的基本依據。是穩態分析方法的基本依據。 0)()(1)

10、()(1sDsAsFsAL5.3.2 這就是反饋放大器的特征方程。解此方程就可得振蕩頻這就是反饋放大器的特征方程。解此方程就可得振蕩頻率、振幅平衡條件和起振條件。所謂巴克好森準則、矩陣法率、振幅平衡條件和起振條件。所謂巴克好森準則、矩陣法 欲滿足振蕩條件就必須欲滿足振蕩條件就必須網孔電流法等都是以此為基礎的。網孔電流法等都是以此為基礎的。 其基本步驟是：首先畫出振蕩器的交流等效電路，進而其基本步驟是：首先畫出振蕩器的交流等效電路，進而畫出畫出Y Y參數等效電路；其次求出特征方程參數等效電路；其次求出特征方程D(s)=0D(s)=0；然后分別；然后分別由由ReD(s)=0ReD(s)=0求振幅平

11、衡條件，求振幅平衡條件，ImD(s)=0ImD(s)=0求振蕩頻率；最求振蕩頻率；最后由微變參數代替平均參數求得起振條件。后由微變參數代替平均參數求得起振條件。5.4 5.4 互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器振蕩器分類振蕩器分類互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器三三 點點 式式 振振 蕩蕩 器器電感反饋振蕩器電感反饋振蕩器電容反饋振蕩器電容反饋振蕩器基本型基本型克拉潑振蕩器克拉潑振蕩器西勒振蕩器西勒振蕩器5.4.1 單管互感耦合振蕩器單管互感耦合振蕩器 互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器(或變壓器反饋振蕩器或變壓器反饋振蕩器)又稱為調諧型振又稱為調諧型振蕩器，根據回路蕩器，根據回路

12、(選頻網絡選頻網絡)的三極管不同電極的連接點又可的三極管不同電極的連接點又可分為集電極調諧型、發射極調諧型和基極調諧型。如圖分為集電極調諧型、發射極調諧型和基極調諧型。如圖5.4-1所示。這里我們只討論集電極調諧型，而集電極調諧型又可所示。這里我們只討論集電極調諧型，而集電極調諧型又可分為共射和共基兩種類型，均得到廣泛應用。兩者相比，共分為共射和共基兩種類型，均得到廣泛應用。兩者相比，共基電路的功率增益較小，輸入阻抗較低，所以難于起振，但基電路的功率增益較小，輸入阻抗較低，所以難于起振，但截止頻率較高。此外，共基電路內部反饋比較小，工作比較截止頻率較高。此外，共基電路內部反饋比較小，工作比較穩

13、定。穩定。三種互感耦合振蕩器三種互感耦合振蕩器 以上三種電路，變壓器的同名端如圖所示。它必須滿足以上三種電路，變壓器的同名端如圖所示。它必須滿足振蕩的相位條件，在此基礎上適當調節反饋量振蕩的相位條件，在此基礎上適當調節反饋量M M以滿足振蕩以滿足振蕩的振幅條件。下面利用的振幅條件。下面利用“切環注入法切環注入法”判斷電路是否滿足相判斷電路是否滿足相位條件。位條件。 (1)(1)在電路中某一個合適的位置在電路中某一個合適的位置( (往往是放大器的輸入端往往是放大器的輸入端) )把電路斷開，把電路斷開，( (用用X X號表示號表示) )； (2)(2)在斷開出的一側在斷開出的一側( (往往是放大器

14、的輸入端往往是放大器的輸入端) )對地引入對地引入一個外加電壓源一個外加電壓源 , ,該電壓源的頻率從低到高覆蓋回路的諧該電壓源的頻率從低到高覆蓋回路的諧振頻率；振頻率； (3)(3)看經過放大器反饋網絡之后轉回到斷開處另一側對看經過放大器反饋網絡之后轉回到斷開處另一側對iU地的電壓地的電壓 是否與是否與 同相，為同相則其中必有某一個頻率滿同相，為同相則其中必有某一個頻率滿足自激振蕩的相位條件足自激振蕩的相位條件( (注意這里是實際方向注意這里是實際方向) )，電路有振蕩，電路有振蕩的可能。的可能。 如果電路又同時滿足振幅條件就可以產生正弦振蕩了。如果電路又同時滿足振幅條件就可以產生正弦振蕩了

15、。下面用巴克好森準則分析集電極調諧型反饋振蕩器的振蕩條下面用巴克好森準則分析集電極調諧型反饋振蕩器的振蕩條件。件。 設工作頻率遠小于振蕩器的特征頻率，忽略其內部反饋設工作頻率遠小于振蕩器的特征頻率，忽略其內部反饋的影響，用平均參數畫出了的影響，用平均參數畫出了圖圖(a)(a)的大信號等效電路，的大信號等效電路，如圖如圖所示所示。它與變壓器耦合放大器區別在于次級負載就是放大器。它與變壓器耦合放大器區別在于次級負載就是放大器輸入端的輸入端的G Gieie。其。其 為為fUiUoULjrGCjGUGUieoeimo12LjrCjGGUUAmio1故故5.4.1式中式中ieoeGGG2其中其中12NN

16、互感耦合振蕩器大信號等效電路互感耦合振蕩器大信號等效電路而而LjrMjILjrIMjUUFLLof5.4.2 根據巴克好森準則，根據巴克好森準則，1FA即即11LjrMjLjrCjGGFAm5.4.3可得可得012mMGrCLGjLCrG5.4.4012rGLCjMGrCLGm即即0012mMGCrLGLCrG5.4.5解上述方程組得解上述方程組得MCrLGGrGLCm115.4.6 起振時，應用微變參數代替平均參數，因此互感耦合振起振時，應用微變參數代替平均參數，因此互感耦合振蕩器的起振條件是：蕩器的起振條件是：MLGCrggmmmin)(5.4.7 上式說明，上式說明，r越大越大，M越小越

17、小，電路起振所需要的跨導電路起振所需要的跨導gm就越大就越大。當當M=0時時，起振需要的跨導起振需要的跨導gm為無窮大為無窮大。這表明這表明電路已不再是振蕩器了電路已不再是振蕩器了。 由式由式5.4.6還可以看出，振蕩器的頻率和晶體管的參數有還可以看出，振蕩器的頻率和晶體管的參數有關。（關。（G G=G=Goeoe+2 2G Gieie）實際上，管子的極間電容對高頻振蕩）實際上，管子的極間電容對高頻振蕩頻率影響較大，這一點是不希望的。因為這些參數與溫度有頻率影響較大，這一點是不希望的。因為這些參數與溫度有關。關。5.4.2 5.4.2 差分對管互感耦合振蕩器差分對管互感耦合振蕩器 如圖所示。兩

18、差分對管的集電極分別接有由如圖所示。兩差分對管的集電極分別接有由L L1 1、C C1 1、R R1 1和和L L2 2、C C2 2、R R2 2組成并聯諧振回路。反饋電壓組成并聯諧振回路。反饋電壓 和輸出電壓和輸出電壓 分別由兩管的集電極取出。振蕩器的閉環回路由分別由兩管的集電極取出。振蕩器的閉環回路由BGBG1 1fUoU差分振蕩器差分振蕩器的集電極經互感線圈耦合到的集電極經互感線圈耦合到BGBG2 2的基極，然后通過共發耦合的基極，然后通過共發耦合電路回到電路回到BGBG1 1的集電極。圖的集電極。圖A A與與D D同相，環路滿足正反饋特性。同相，環路滿足正反饋特性。再調節互感再調節互

19、感M M使之滿足振幅平衡條件，電路便可進入振蕩狀使之滿足振幅平衡條件，電路便可進入振蕩狀態。態。 與單管振蕩器比較，差分對管振蕩器更為優越：與單管振蕩器比較，差分對管振蕩器更為優越：1.1.輸出回路不在反饋環路內輸出回路不在反饋環路內，只要只要BGBG2 2不工作在飽和區內不工作在飽和區內，負負載與環路就處于隔離狀態載與環路就處于隔離狀態，振蕩器的頻率穩定度和幅度穩定振蕩器的頻率穩定度和幅度穩定度都會有所提高度都會有所提高；2.2.輸出不含有偶次諧波輸出不含有偶次諧波，且奇次諧波成分比較小且奇次諧波成分比較小，故失真大故失真大為減小為減小。5.55.5 三點式振蕩器三點式振蕩器 什么叫三點式振

20、蕩器什么叫三點式振蕩器? ? 所謂三點式振蕩器就是對于交流所謂三點式振蕩器就是對于交流等效電路而言等效電路而言，由由LCLC回路引出三個端點分別與晶體管三個電回路引出三個端點分別與晶體管三個電極相連的振蕩器極相連的振蕩器。 依靠電容產生反饋電壓構成的振蕩器則稱為電容三點式依靠電容產生反饋電壓構成的振蕩器則稱為電容三點式振蕩器，又稱振蕩器，又稱考畢茲考畢茲振蕩器。振蕩器。 依靠電感產生反饋電壓構成的振蕩器則稱為電感三點式依靠電感產生反饋電壓構成的振蕩器則稱為電感三點式振蕩器，又稱振蕩器，又稱哈特萊哈特萊振蕩器。振蕩器。 構成三點式的基點是如何取出滿足相位條件的正反饋電構成三點式的基點是如何取出滿

21、足相位條件的正反饋電壓。壓。5.5.1 5.5.1 構成三點式振蕩器的原則構成三點式振蕩器的原則( (相位判據相位判據) ) 假設假設: (1)不計晶體管的電抗效應；不計晶體管的電抗效應； (2)LC回路由純電阻元件組成，即回路由純電阻元件組成，即為滿足相位條件，回路引出的三個端點應如何與晶體管的三為滿足相位條件，回路引出的三個端點應如何與晶體管的三個電極相連接？個電極相連接？ 如圖所示如圖所示，振蕩器的振蕩頻率十分接近回路的諧振，振蕩器的振蕩頻率十分接近回路的諧振頻率，于是有頻率，于是有cbcbbebececejXZjXZjXZcbbececbbeceXXXXXX0即即5.5.25.5.35

22、.5.1三點式振蕩器的相位判據三點式振蕩器的相位判據 放大器已經倒相放大器已經倒相, ,即即 與與 差差180180，所以要求反饋電所以要求反饋電壓壓 必須與必須與 反相才能滿足相位條件反相才能滿足相位條件，如圖，如圖5.5-1所示。所示。oUiUfUoUcebecebeofXXjXIjXIUUF5.5.4 因此，因此，Xbe必須與必須與Xce同性質同性質，才能保證才能保證 與與 反相反相。 由由5.5.3和和5.5.4式，歸結起來，式，歸結起來，Xbe和和Xce性質相同性質相同；Xcb和和Xce、Xbe性質相反性質相反。這就是三點式振蕩器的相位判據這就是三點式振蕩器的相位判據。也。也可以這樣

23、來記憶，可以這樣來記憶，與發射極相連接的兩個電抗性質相同與發射極相連接的兩個電抗性質相同，另另一個電抗則性質相反一個電抗則性質相反。fUoU5.5.2 5.5.2 電容三點式振蕩器電容三點式振蕩器考畢茲振蕩器考畢茲振蕩器 圖所示電路是電容三點式的典型電路。圖所示電路是電容三點式的典型電路。LC回路的三個回路的三個端點分別與三個電極相連，且端點分別與三個電極相連，且Xce和和Xbe為容抗，為容抗，Xcb為感抗。為感抗。故屬電容反饋三點式振蕩器，又稱考畢茲振蕩器。故屬電容反饋三點式振蕩器，又稱考畢茲振蕩器。電容三點式振蕩器電容三點式振蕩器 其中其中ZLZL為高頻扼流圈，防止高頻交流接地。為高頻扼流

24、圈，防止高頻交流接地。R Rb1b1、R Rb2b2、Re為偏置電阻。下面分析該電路的振蕩條件，圖為偏置電阻。下面分析該電路的振蕩條件，圖 (a)畫了交畫了交流等效電路。流等效電路。(b)為為Y參數等效電路。參數等效電路。電容三點式振蕩器的等效電路電容三點式振蕩器的等效電路 容易判斷振蕩器屬并容易判斷振蕩器屬并- -并聯接，電壓取樣電流求和的反并聯接，電壓取樣電流求和的反饋放大器。設其信號源電流為饋放大器。設其信號源電流為 ，負載電流為，負載電流為 ，顯然，顯然sILIooifLoriisUYUYIUYUYI5.5.5式中，式中，Yi網絡網絡aa-bb的大信號輸入導納；的大信號輸入導納； Yr

25、網絡網絡aa-bb的大信號反向傳輸導納；的大信號反向傳輸導納； Yf網絡網絡aa-bb的大信號正向傳輸導納；的大信號正向傳輸導納； Yo網絡網絡aa-bb的大信號輸出導納。的大信號輸出導納。 實際上實際上 ，這只不過是虛構的。而，這只不過是虛構的。而意味著式意味著式5.5.5是線性齊次方程。即是線性齊次方程。即00LsII，00oiUU， 其系數行列式為其系數行列式為0 0，即，即00ooiforiiUyUyUyUy0y y o rfiyy5.5.65.5.7 因網絡因網絡aa-bb是兩個網絡是兩個網絡(有源和無源有源和無源)并并-并聯接，所并聯接，所以以0y y y y y y y y oT

26、rTonrnrTrToronfnfTrniniTfninfTiTfiyyyyyyyyyyyy 式中，式中，T表示晶體管，表示晶體管，n表示無源網絡。即表示無源網絡。即5.5.8 這就是反映振蕩器滿足平衡條件這就是反映振蕩器滿足平衡條件。使用上述方法時，應。使用上述方法時，應使兩個網絡的電壓、電流方向符合電壓取樣、電流求和的條使兩個網絡的電壓、電流方向符合電壓取樣、電流求和的條件。件。 5.5.9式中式中yT是晶體管參數，可以測得和計算出是晶體管參數，可以測得和計算出,yn則則可以由具體網絡根據可以由具體網絡根據y參數的定義求得。參數的定義求得。 假設，振蕩器的工作頻率遠低于假設，振蕩器的工作頻

27、率遠低于fT，且忽略內部反饋的，且忽略內部反饋的影響和不計晶體管的電抗效應，有影響和不計晶體管的電抗效應，有 0fnfTrnrTonoTiniTyyyyyyyy5.5.9oernG G0 ieTGy5.5.10 由由下圖下圖，根據，根據y y參數的定義，可求得無源網絡參數的定義，可求得無源網絡|y|yn n| |為為LjCjUIyLjUIyLjUIyLjCjUIyioioUooonUiofnUoirnUiiin1111100020 將式將式 5.5.10和和5.5.11代入式代入式5.5.9得得 0111112LjGLjLjCjGLjCjGrnoeie整理得整理得無源網絡無源網絡5.5.120

28、21212221LCCCCGGjLGGGGCGCoeieoeiernoeie 令其虛部等于令其虛部等于0,可求得振蕩頻率為可求得振蕩頻率為211CGCGLCoeieg5.5.13式中式中2121CCCCC 可見，可見，電容三點式振蕩器的振蕩頻率略高于回路的諧振電容三點式振蕩器的振蕩頻率略高于回路的諧振頻率頻率，且與晶體管的參數有關且與晶體管的參數有關。 令其實部等于令其實部等于0 0，并近似認為，并近似認為 ，可求得其，可求得其振蕩振蕩平平衡條件為衡條件為LC1ieoemGCCGCCG21125.5.14 用微變參數代替平均參數，可求得起振時所要求的最小用微變參數代替平均參數，可求得起振時所要

29、求的最小跨導跨導(gm)min，其起振條件為，其起振條件為ieoemmgCCgCCgg2112min5.5.15因因2112CCCjICjIUUFof5.5.16代入上式得代入上式得 從從圖（圖（a a）可以看出，可以看出，反饋電壓反饋電壓 不僅取決于電容不僅取決于電容C C2 2 ，還與晶體管的輸入導納還與晶體管的輸入導納gie有關有關。當。當gie較小時，較小時，gie的分路作的分路作用可以忽略，此時第一項起主要作用用可以忽略，此時第一項起主要作用ieoemmFggFgg1min5.5.17fUFggoemminmin2mgFC當當，利于起振利于起振。 當當gie較大時，較大時，gie的分

30、流作用不能忽略，此時第二項起主的分流作用不能忽略，此時第二項起主 要作用，要作用，iemFggmin則則 min2mgFC，難于起振難于起振。 所以不能簡單地認為反饋系數越大，就越易起振，而應所以不能簡單地認為反饋系數越大，就越易起振，而應該有一定范圍。另外反饋系數的大小還會影響振蕩波形的好該有一定范圍。另外反饋系數的大小還會影響振蕩波形的好壞，反饋系數過大會產生較大的波形失真。通常壞，反饋系數過大會產生較大的波形失真。通常F0.011且一般取得較小。且一般取得較小。 以上的討論，沒有考慮線圈的損耗，如考慮到以上的討論，沒有考慮線圈的損耗，如考慮到r的影響的影響,則起振條件應該修正，如則起振條

31、件應該修正，如圖（圖（b）所示。所示。 將將r經過兩次折算，折算到經過兩次折算，折算到ce兩端和兩端和goe并聯，所以起振并聯，所以起振條件應修正為條件應修正為ieLoeieLoemmFgggFgCCggCCgg12112min5.5.18圖（圖（a a）影響起振因素）影響起振因素圖（圖（b b）起振條件修正）起振條件修正5.5.3 5.5.3 電感三點式振蕩器電感三點式振蕩器哈特萊振蕩器哈特萊振蕩器 電感三點式振蕩器電路如圖所示。電感三點式振蕩器電路如圖所示。 是從是從L2取得的取得的,故稱為電感反饋三點式振蕩器。通常故稱為電感反饋三點式振蕩器。通常L1、L2同繞在一個骨架同繞在一個骨架上，

32、它們之間存在著互感，且耦合系數上，它們之間存在著互感，且耦合系數M1。fU電感三點式等效電路電感三點式等效電路 下面利用基爾霍夫定律列出網孔方程來分析其振蕩條件下面利用基爾霍夫定律列出網孔方程來分析其振蕩條件. .由由圖圖 (c)列出回路方程：列出回路方程：0)()(12IIMjIILjIGcbbie012010121121122ICjMjLjLjILjMjILjMjIMjLjILjGIGGGMjIMjLjIMjILjGcbcoeboeiemcbie5.5.19 令上面方程組系數行列式令上面方程組系數行列式D D的虛部等于零，得的虛部等于零，得0 1 2122121MLLCCMLLGGoeie

33、得得221212 21MLLGGCMLLoeieg5.5.20 可見，可見，g略低于回路諧振角頻率略低于回路諧振角頻率0，且振蕩頻率與晶且振蕩頻率與晶體管參數有關體管參數有關。通常。通常2212122MLLGGMLLCoeie故故LCg15.5.21 式中式中L=LL=L1 1+L+L2 2+2M+2M 為求起振條件，設式為求起振條件，設式5.5.205.5.20第三個方程中第三個方程中 的系數為的系數為0,0,此時令此時令5.5.205.5.20式的系數行列式的實部等于式的系數行列式的實部等于0 0，即，即I022221222oeoeiemieGLMMLMLGGGGML可得振蕩平衡條件可得振

34、蕩平衡條件MLMLGMLMLGGieoem12215.5.22因此振蕩條件是因此振蕩條件是 MLMLGMLMLGggieoemm1221min5.5.23 故起振條件可寫成：故起振條件可寫成：1212F NNMLMLUUofieoemmgFgFgg1min5.5.245.5.25 至于反饋系數的選取，為兼顧振蕩的振蕩波形，通常取至于反饋系數的選取，為兼顧振蕩的振蕩波形，通常取F=0.10.5。5.5.4 5.5.4 電容三點式與電感三點式振蕩器比較電容三點式與電感三點式振蕩器比較電容三點式電容三點式: 1.輸出波形好，接近于正弦波；輸出波形好，接近于正弦波； 2.因晶體管的輸入輸出電容與回路電

35、容并聯，可因晶體管的輸入輸出電容與回路電容并聯，可 適當增加回路電容提高穩定性；適當增加回路電容提高穩定性； 3.工作頻率可以做得較高（利用極間電容）工作頻率可以做得較高（利用極間電容） 缺點：調整頻率困難，起振困難。缺點：調整頻率困難，起振困難。電感三點式：優點是起振容易，調整方便；缺點是輸出波形電感三點式：優點是起振容易，調整方便；缺點是輸出波形 不好，在頻率較高時，不易起振。不好，在頻率較高時，不易起振。優點優點5.5.5 5.5.5 改進型電容三點式振蕩器改進型電容三點式振蕩器 前面研究的三種振蕩器，其振蕩頻率前面研究的三種振蕩器，其振蕩頻率不僅取決于不僅取決于LCLC回回路路參數，還

36、與晶體管的內部參數參數，還與晶體管的內部參數(Goe、Gie、Coe、Cie)有關，有關，而晶體管的參數又隨環流溫度、電源電壓的變化而變化，因而晶體管的參數又隨環流溫度、電源電壓的變化而變化，因此其頻率穩定度不高。以電容三點式為例，如圖所示此其頻率穩定度不高。以電容三點式為例，如圖所示,Cie和和Coe分別與回路電容并聯，其振蕩頻率可近似寫成分別與回路電容并聯，其振蕩頻率可近似寫成)()(12121ieoeieoegCCCCCCCCL 如何減小晶體管電容如何減小晶體管電容Coe、Cie對頻率的影響呢？對頻率的影響呢？1.加大回路電容加大回路電容C1和和C2的值，但它限制了振蕩頻率的提高，的值，

37、但它限制了振蕩頻率的提高，同時為確保同時為確保的不變，減小了的不變，減小了L的值，隨之帶來的值，隨之帶來Q值下降，值下降，5.5.26使振使振蕩幅度下降甚至停振。這種方法只適用于頻率不高的場蕩幅度下降甚至停振。這種方法只適用于頻率不高的場合。合。2.同時減小接入系數同時減小接入系數pce和和pbe，而又不改變反饋系數，這就是，而又不改變反饋系數，這就是圖所示的克拉潑圖所示的克拉潑(Clapp)振蕩器。振蕩器。這種電路就是在這種電路就是在L支路中串支路中串接一個可變的小電容器接一個可變的小電容器C3，所以又叫做串聯型電容三點式反所以又叫做串聯型電容三點式反饋振蕩器饋振蕩器，它是在電容三點式的基礎

38、上進行了改進它是在電容三點式的基礎上進行了改進。晶體管電容晶體管電容Coe、Cie 對振蕩頻對振蕩頻率的影響率的影響克拉潑振蕩器克拉潑振蕩器所以可采用電容三點式的分析方法。所以可采用電容三點式的分析方法。3231, CCCC故故LCg105.5.27式中式中3323121321CCCCCCCCCCC5.5.2830g1 LC5.5.29 可見，可見，g只取決于只取決于L、C3，而與而與C1、C2基本無關基本無關。于是于是可以增加可以增加C1、C2(不必減小電感不必減小電感L)以減小晶體管極間電容對頻以減小晶體管極間電容對頻率的影響率的影響，提高了頻率穩定度提高了頻率穩定度，改變改變C3即可改變

39、振蕩頻率而即可改變振蕩頻率而不影響反饋系數不影響反饋系數，改變改變C C1 1、C C2 2可調節反饋系數而不會影響振可調節反饋系數而不會影響振蕩頻率蕩頻率。 起振條件可以用式起振條件可以用式5.5.18來得出，問題是如何求得來得出，問題是如何求得gL，由下圖所示。由下圖所示。克拉潑振蕩器的起振條件克拉潑振蕩器的起振條()(CCCCCCCCCCCpce故故021300022021002312111QLCLQLCLQCCpggcepL5.5.30因而起振條件為因而起振條件為ieoemmgCCQLCgCCgg210213012min5.5.31而基本放大器諧振時增益為而基

40、本放大器諧振時增益為LoemuogggA5.5.32(1)(1)若若C C1 1gL(分路作用增強分路作用增強) (gm)min 難于起振難于起振; Auo 振蕩幅度減小振蕩幅度減小(2)若若C3 0gL (gm)min 難于起振難于起振; Auo 振蕩幅度減小振蕩幅度減小(3)若若Q0 gL (gm)min 易于起振。易于起振。 Auo 振蕩幅度增大振蕩幅度增大 頻率穩定性提高頻率穩定性提高 克拉潑振蕩器存在的問題是當增大克拉潑振蕩器存在的問題是當增大C1和減小和減小C3時引起時引起振蕩幅度下降振蕩幅度下降，難于起振難于起振。原因在于。原因在于pce下降，使得下降，使得gL增大，增大，因為因

41、為gL和和03成正比，解決這一矛盾，成正比，解決這一矛盾，可以保持可以保持C3不變不變，而而 由由5.5.31和和5.5.32式可見：式可見：在電感在電感L L兩端并聯一個小的可變電容兩端并聯一個小的可變電容，用以改變振蕩頻率用以改變振蕩頻率。這就是西勒這就是西勒(Seiler)振蕩器振蕩器。因為。因為C4與與L并聯，所以又成為并并聯，所以又成為并聯型電容三點式振蕩器。聯型電容三點式振蕩器。如下圖所示如下圖所示西勒振蕩器的原理圖西勒振蕩器的原理圖 由于由于C C1 1、C C2 2遠小于遠小于C C4 4，所以回路電容，所以回路電容3432141111CCCCCCC430g1 CCL5.5.3

42、3 再看起振條件，利用式再看起振條件，利用式5.5.18ieLoemmgCCggCCgg2112min 將將圖圖 (a)再變換一下，再變換一下，如下圖所示如下圖所示，求出，求出gL。CCCCCCCCCCpce5.5.34LQCCgpgpceL002212115.5.35西勒振蕩器的起振條件西勒振蕩器的起振條件pce與與C4無關，改變無關，改變C4不會影響不會影響pce，也不會影響，也不會影響gL；C40gL(gm)min利于起振利于起振; Auo振蕩幅度增加振蕩幅度增加 這樣，可以補償由于頻率增加引起的這樣，可以補償由于頻率增加引起的Gm下降，使振蕩下降，使振蕩幅度下

43、降，使振蕩幅度變化不大。因此，作為波段振蕩器的幅度下降，使振蕩幅度變化不大。因此，作為波段振蕩器的波段覆蓋可以較寬，波段覆蓋可以較寬，ka1.61.8，且在波段內幅度較均勻，且在波段內幅度較均勻，其工作頻率也較高，可達到數百兆赫。這是一種性能較好的其工作頻率也較高，可達到數百兆赫。這是一種性能較好的振蕩器。振蕩器。C3的選取應綜合考慮波段覆蓋系數，頻率穩定度和起振，的選取應綜合考慮波段覆蓋系數，頻率穩定度和起振，在保證起振的條件下，在保證起振的條件下，C3應選得小一點好。應選得小一點好。 可見：可見：5.65.6 振蕩器的頻率穩定度振蕩器的頻率穩定度 頻率穩定度是振蕩器非常重要的電氣指標之一。

44、例如電頻率穩定度是振蕩器非常重要的電氣指標之一。例如電子鐘時鐘頻率不穩，直接影響計時的精度；子鐘時鐘頻率不穩，直接影響計時的精度；FMFM廣播如廣播如FMFM發射發射頻率非常穩定，就可實現自動播音，取代有線廣播。頻率非常穩定，就可實現自動播音，取代有線廣播。5.6.1 頻率準確度和頻率穩定度頻率準確度和頻率穩定度 評價振蕩頻率的主要指標是頻率準確度和穩定度。評價振蕩頻率的主要指標是頻率準確度和穩定度。 頻率準確度表明實際工作頻率偏離標稱頻率的程度。它頻率準確度表明實際工作頻率偏離標稱頻率的程度。它可以分為絕對頻率準確度和相對頻率準確度?？梢苑譃榻^對頻率準確度和相對頻率準確度。定義：定義：絕對頻

45、率準確度絕對頻率準確度offf相對頻率準確度相對頻率準確度ooofffff5.6.15.6.2 式中，式中，f f為實際工作頻率，為實際工作頻率，f fo o為標稱頻率。為標稱頻率。 頻率穩定度頻率穩定度：是在指定時間間隔內頻率準確度變化的最是在指定時間間隔內頻率準確度變化的最大值大值。也分為絕對頻率穩定度和相對頻率穩定度也分為絕對頻率穩定度和相對頻率穩定度。常用相對。常用相對頻率穩定度表示。頻率穩定度表示。時間間隔oofffmax|5.6.3 頻率穩定度按時間間隔分為頻率穩定度按時間間隔分為: 長期頻率穩定度長期頻率穩定度數月或一年內的相對頻率準確度數月或一年內的相對頻率準確度; 短期頻率穩

46、定度短期頻率穩定度一天內的相對頻率穩定度一天內的相對頻率穩定度; 瞬時頻率穩定度瞬時頻率穩定度秒或毫秒內的相對頻率穩定度。秒或毫秒內的相對頻率穩定度。 頻率穩定度數據處理方法有：頻率穩定度數據處理方法有：1.1.均方根值表示法：它是用在指定的時間間隔內測得的各頻均方根值表示法：它是用在指定的時間間隔內測得的各頻率準確度與其平均值的偏差的均方根值來表征的。即率準確度與其平均值的偏差的均方根值來表征的。即 nioonffffn12215.6.4 式中式中,n為測量次數，為測量次數，off為為n個測量數據的平均值。個測量數據的平均值。 2.阿倫阿倫(Allon)方差表示法：方差表示法：2 12222

47、11lim)(jjonyfffn5.6.5 式中，式中，每次測量的取樣時間；每次測量的取樣時間；n為測量組數；為測量組數；fo為為標稱頻率；標稱頻率；j為正整數為正整數(j=1,2,3,n)；f2j，f2j-1分別為分別為2j次和次和2j-1次所測得的頻率值。次所測得的頻率值。5.6.2 5.6.2 頻率穩定度分析頻率穩定度分析 為尋求提高頻率穩定度的途徑，就必須找出引起頻率不為尋求提高頻率穩定度的途徑，就必須找出引起頻率不穩的因素。穩的因素。一、相位平衡條件一、相位平衡條件 由物理知識可知，任何平衡都要相應地考慮是否穩定平由物理知識可知，任何平衡都要相應地考慮是否穩定平衡。所謂穩定平衡是當外

48、因使系統偏離原來的平衡狀態，一衡。所謂穩定平衡是當外因使系統偏離原來的平衡狀態，一旦外因消除后，系統能自動地恢復到原來的狀態；否則就是旦外因消除后，系統能自動地恢復到原來的狀態；否則就是不穩定平衡。例如一個小球放置在拋物面形的鍋底就屬于穩不穩定平衡。例如一個小球放置在拋物面形的鍋底就屬于穩定平衡，雜技表演者用頭頂籃球就是不穩定平衡。定平衡，雜技表演者用頭頂籃球就是不穩定平衡。 作為正弦振蕩器，通常情況下，人們希望它是穩定振蕩作為正弦振蕩器，通常情況下，人們希望它是穩定振蕩其振蕩的幅度、頻率其振蕩的幅度、頻率( (相角相角) )不隨時間而變化。即使有變化，不隨時間而變化。即使有變化，希望它盡快地

49、恢復到原來的穩定狀態。希望它盡快地恢復到原來的穩定狀態。 不穩定因素也會破壞相位平衡條件。如電流電壓的波動不穩定因素也會破壞相位平衡條件。如電流電壓的波動或者工作點的變化會使晶體管或者工作點的變化會使晶體管Y Yfefe的相角的相角fefe發生變化。相角發生變化。相角的變化必然會引起頻率的變化。因為的變化必然會引起頻率的變化。因為dtd 設外因引起的相角變化設外因引起的相角變化 ，即反饋電壓，即反饋電壓 比原來的比原來的輸入電壓輸入電壓 的相位超前了，相當于提高給回路的補充能量，的相位超前了，相當于提高給回路的補充能量，振蕩頻率就提高了；反之，振蕩頻率就提高了；反之， ， 相位滯后于相位滯后于

50、 ，頻率就，頻率就下降。因此外因引起的相角的變化，相位變化又引起頻率變下降。因此外因引起的相角的變化，相位變化又引起頻率變fUiU0fUiU0化的趨勢是化的趨勢是0 為了使振蕩器的相位平衡條件穩定，必須使得頻率變化為了使振蕩器的相位平衡條件穩定，必須使得頻率變化時產生相反方向的相位變化，以補償外因引起的相位變化。時產生相反方向的相位變化，以補償外因引起的相位變化。因此，相位平衡的穩定條件是：因此，相位平衡的穩定條件是：0g5.6.6而振蕩器的相移而振蕩器的相移:FZYFA5.6.7式中，式中，Y為晶體管正向傳輸導納相移，為晶體管正向傳輸導納相移，Z為回路相移，為回路相移，F為反饋網絡相移。為反

51、饋網絡相移。FZY5.6.8當當|ZFZY，時時Z因此，相位的穩定條件為因此，相位的穩定條件為0Z 由此可見，振蕩器的相位平衡條件是靠并聯回路的相頻由此可見，振蕩器的相位平衡條件是靠并聯回路的相頻特性來保證的?；芈返钠焚|因數特性來保證的?；芈返钠焚|因數Q值越高，這種穩頻能力越值越高，這種穩頻能力越強。強。二、頻率穩定度分析二、頻率穩定度分析 根據式根據式5.4.65.4.611rGLC，振蕩器的，振蕩器的主要取決于主要取決于回路的回路的L、C，當然也與晶體管的參數，當然也與晶體管的參數(G)有關。從相位平有關。從相位平衡條件可知，電路中任何一個相角發生變化都會使振蕩頻率衡條件可知，電路中任何一

52、個相角發生變化都會使振蕩頻率產生變化，而使振蕩器重新平衡在某一新的頻率上。例如溫產生變化，而使振蕩器重新平衡在某一新的頻率上。例如溫度、濕度、電源電壓、負載等的變化以及機械振動的影響都度、濕度、電源電壓、負載等的變化以及機械振動的影響都有可能引起回路元件參數有可能引起回路元件參數(L、C、Q等等)。有源器件參量和相。有源器件參量和相角角 、 、 發生變化，而使發生變化，而使發生變化。令發生變化。令代表外界不代表外界不穩定因素，由于振蕩器各相角都是外界不穩定因素穩定因素，由于振蕩器各相角都是外界不穩定因素和頻率和頻率的函數。所以相位平衡條件可以寫成：的函數。所以相位平衡條件可以寫成：YZF 當當

53、變化時，變化時，也相應變化，只要相位平衡條件重新得也相應變化，只要相位平衡條件重新得0, ,FAFZY5.6.9到滿足，則到滿足，則0,對式對式5.6.9全微分全微分0,FZYFZY因而因而FZYFZY由于由于 、 對頻率變化的敏感性遠小于對頻率變化的敏感性遠小于 對頻率變化的對頻率變化的YFZ敏感性，即敏感性，即FYZ又又0則上式可近似寫成則上式可近似寫成ZFZY005.6.10 從式從式5.6.10可知提高振蕩器頻率穩定度的一般規律：可知提高振蕩器頻率穩定度的一般規律：(1) 要小。要盡量減小外界不穩定因素要小。要盡量減小外界不穩定因素的變化，最主要的變化，最主要LC10的是減小振蕩回路固

54、有頻率的是減小振蕩回路固有頻率的變化量的變化量(2) 分子分子FZY越小越好，在外界因素越小越好，在外界因素變化時，變化時，不完全同號，相互抵消。不完全同號，相互抵消。FZY、的變化量盡量小?；蛘咴O法使的變化量盡量小。或者設法使FZY、三個量三個量(3) 分母分母Z越大越好。即要求并聯諧振回路相頻特性的斜越大越好。即要求并聯諧振回路相頻特性的斜率要大，在較小斜率增量作用下，能產生足夠的相位來補償率要大，在較小斜率增量作用下，能產生足夠的相位來補償外因所引起的外因所引起的 的相移。的相移。 由并聯振蕩回路的相頻特性可知，由并聯振蕩回路的相頻特性可知，Q越高，越高，越接近越接近0相頻特性就越大。因

55、此應盡量提高相頻特性就越大。因此應盡量提高Q值，減小值，減小 相角。相角。 以上研究了提高頻率穩定度的原則性措施，為了將上述以上研究了提高頻率穩定度的原則性措施，為了將上述措施具體化，下面討論振蕩頻率與電路參量之間的關系。措施具體化，下面討論振蕩頻率與電路參量之間的關系。FY、Z由相位平衡條件：由相位平衡條件：02arctanQZ5.6.110YFZFYZ得得02arctan0YFQ則振蕩頻率則振蕩頻率為：為：YFQtan2110即即YFQtan2005.6.12 對式對式5.6.12全微分得：全微分得： 并聯諧振回路的相頻特性為：并聯諧振回路的相頻特性為：當當YFYFYFYFYFYFQQQQ

56、QQ2020000cos122tantan211 12tanQYF時，時，YFYFYFQQQ22000cos22tan5.6.13該式表明了該式表明了YFQ、0對頻率穩定度影響的定量對頻率穩定度影響的定量關系，可以看出：關系，可以看出：(1)YFQ、0均影響振蕩器的頻率穩定度；均影響振蕩器的頻率穩定度；(2)對頻率穩定度的影響最嚴重；對頻率穩定度的影響最嚴重；0(3) Q對頻率穩定度的影響要考慮到系數對頻率穩定度的影響要考慮到系數22tanQYF，Q越高，越高，YF越小，越小，Q的影響越弱；的影響越弱；(4)YF對頻率穩定度的影響要考慮到系數對頻率穩定度的影響要考慮到系數YFQ2cos21，Q

57、越高，越高，YF越小，則越小，則YF的影響越弱。的影響越弱。 結論：要提高頻率穩定度，首先要提高回路的標準性。結論：要提高頻率穩定度，首先要提高回路的標準性。所謂回路的標準性就是指回路在外界因素變化時保持其固有所謂回路的標準性就是指回路在外界因素變化時保持其固有諧振頻率不變的能力。諧振頻率不變的能力。|越小標準性越高。此外，要求越小標準性越高。此外，要求Q值要高，值要高，YF要小。要小。5.6.3 5.6.3 提高頻率穩定度的措施提高頻率穩定度的措施 要提高頻率穩定度可采取如下兩方面的措施：要提高頻率穩定度可采取如下兩方面的措施：1.1.減小減小；2.2.減小外界因素對減小外界因素對0 0、Q

58、 Q、 的影響，即為外界因的影響，即為外界因素變化時，設法使素變化時，設法使0 0、Q Q、 盡可能小。盡可能小。1. 減小外界因素變化減小外界因素變化的措施的措施 影響振蕩頻率的外界因素主要有：機械振動，環境溫度影響振蕩頻率的外界因素主要有：機械振動，環境溫度的變化、濕度及大氣壓力的變化、電源電壓的變化、周圍電的變化、濕度及大氣壓力的變化、電源電壓的變化、周圍電磁場的影響、負載不穩定等。磁場的影響、負載不穩定等。 (1)機械振動：回路線圈、電容應具有較高的機械強度，機械振動：回路線圈、電容應具有較高的機械強度，底板和屏蔽罩必須結實。元器件焊接牢固。加防震措施和調底板和屏蔽罩必須結實。元器件焊

59、接牢固。加防震措施和調YFYF諧回路鎖定裝置。諧回路鎖定裝置。 (2)溫度：將主要元器件放在恒溫槽中。合理選擇回路元溫度：將主要元器件放在恒溫槽中。合理選擇回路元件的材料，如選用膨脹系數小的金屬材料和介質材料。采用件的材料，如選用膨脹系數小的金屬材料和介質材料。采用正負溫度補償。也可用熱敏電阻穩定偏置。正負溫度補償。也可用熱敏電阻穩定偏置。 (3)濕度和大氣壓力：將振蕩器和主要元件密封，還可選濕度和大氣壓力：將振蕩器和主要元件密封，還可選用吸潮性較小的介質和絕緣材料。用吸潮性較小的介質和絕緣材料。 (4)電源電壓：采用性能好的穩壓電源，振蕩器單獨供電。電源電壓：采用性能好的穩壓電源，振蕩器單獨

60、供電。 (5)周圍電磁場的影響：采用電磁屏蔽措施。周圍電磁場的影響：采用電磁屏蔽措施。 (6)負載變化：加緩沖級（跟隨器）。負載變化：加緩沖級（跟隨器）。 (7)老化：預先對元器件進行老化處理。老化：預先對元器件進行老化處理。2.2.提高電路抗外界因素影響的能力提高電路抗外界因素影響的能力 (1)提高振蕩回路的標準性提高振蕩回路的標準性 所謂振蕩回路的標準性就是指振蕩回路在外界因素變化所謂振蕩回路的標準性就是指振蕩回路在外界因素變化時，保持諧振頻率不變的能力。因此，回路的標準性越高，時，保持諧振頻率不變的能力。因此，回路的標準性越高，0隨外界因素的變化越小。隨外界因素的變化越小。 在高在高Q時