第五章正弦波振蕩器5.1概述5.2反饋振蕩器的工作原理5.3LC正弦振蕩器5.4LC正弦振蕩器的頻率穩定度5.5晶體振蕩器正弦波振蕩器：能自動將直流電能轉換成（具有一定頻率和振幅的）正弦交流電能的電路。它與放大器的區別在于這種轉換不需外部信號的控制。振蕩器輸出的信號頻率、波形、幅度完全由電路自身的參數決定。應用：通信電路中作載波，本振信號；信號源及無線電測量儀表中。

產生方式：反饋式振蕩器和負阻式振蕩器分類：頻率：低頻，高頻，微波振蕩器

輸出波形：正弦振蕩器和非正弦振蕩器要求：輸出功率大，效率高，波形失真小，頻率穩定度高5.1概述開關K接在1端，Uo=AUi。這時將開關迅速地轉換到接于2端，去掉外部輸入，此時Uf=UoF=UiAF若AF=1，則Uf=Ui，沒有輸入也能維持輸出，構成了振蕩電路。回歸比：T=AF為反饋放大器的環路增益。

T>1：增幅振蕩；T<1：減幅振蕩反饋式振蕩器：

利用正反饋產生自激振蕩5.2反饋振蕩器的工作原理反饋式振蕩器的方框圖A12UiFKU05.2.1基本組成反饋系數：開環增益：2、電路組成：放大器—完成能量轉換選頻網絡—完成頻率選擇及濾波反饋網絡—完成正反饋穩幅電路—決定振蕩的穩態振幅放大器選頻網絡反饋網絡2、平衡條件：T=1振幅平衡條件：｜T｜=｜A｜?｜F｜

=1

相位平衡條件：T（）=φA+φ

F=2n(n=0,1,2,3…)相位平衡條件的含義----建立正反饋滿足振蕩平衡條件時，經過穩幅過程實現等幅輸出。1、

起振條件：T>1振幅起振條件：｜T｜=｜A｜?｜F｜

>1相位起振條件：T（）=φA+φ

F=2n(n=0,1,2,3…)二、振蕩條件3、振蕩穩定條件

當振蕩器受到外部因素的干擾失去平衡后，能自動恢復到原來的平衡狀態，或能夠在原平衡狀態附近重建平衡的，稱為穩定的平衡。穩定條件分為振幅穩定條件和相位穩定條件，振幅穩定條件是指當外界因素造成振蕩幅度變化后，振蕩器能夠自動恢復原來振蕩幅度所需滿足的條件。相位穩定條件是指相位平衡條件被破壞時，電路能夠重新建立相位平衡的條件。相位穩定條件同時也是頻率穩定條件，因為相位的變化必然引起頻率的變化。相位穩定條件：負載回路相頻特性：增大，T

減小相位條件的穩定是靠增大，T降低來實現的回路Q值越高穩定性越好AφT(ω)0A'Bω0φT(ω)（2）相位穩定條件圖中A點為穩定平衡點，B點為非穩定平衡點。互感耦合反饋式振蕩電路

利用互感耦合實現反饋振蕩5.3LC正弦波振蕩器改變同名端的位置，則反饋極性改變5.3.1互感耦合振蕩器發射極調諧R1R2ReCeCbCLUCCM集電極調諧MCbR2R1CLCcReUCCMR2UCCCLReCeR1基極調諧Cb根據LC回路與三極管不同電極的連接方式分為集電極調諧型、發射極調諧型和基極調諧型電路，如圖所示三種電路相比較，集電極調諧型電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩定，而且輸出幅度大，諧波成分小。而基極調諧型電路的振蕩頻率可以在較寬的范圍內變化，仍能保持振蕩幅度平穩。互感耦合振蕩器一般工作于工作頻率不太高的中、短波波段。兩種典型的三端式振蕩器的簡化電路：左圖：電容三端式電路，又稱為考畢茲電路，它的反饋電壓取自C1和C2組成的分壓器；右圖：電感三端式電路，又稱為哈特萊電路，它的反饋電壓取自L1和L2組成的分壓器。X1X2X3ufu0IuiX1X2X3ufu0Iui二、電容三端式振蕩器R1、R2、Re為直流偏置電阻；振蕩產生后作為自偏壓電阻，穩幅作用。Lc高頻扼流圈，防止電源旁路Ce旁路電容、Cb

隔直流電容L、C1、C2構成諧振回路，決定振蕩頻率：CbR2R1R2ReCeC1C2LLCUCCRb包含在gie中；yfe=gm忽略晶體管內部反饋：yre=0Cie、Coe包含在C1、C2；gL'是集電極等效負載;Zce為三極管c、e端的等效阻抗；RbC1C2LRieC1C2LgiegoegL'gieUiUfU0gmUiZce拆環等效電路拆環：將閉合反饋環路的輸入端斷開，考慮到輸入回路對輸出回路的影響，在輸出端加入gie。一般取：F=0.1～0.5，起振時T=3～5三、電感三端式振蕩器緊耦合時，反饋系數為線圈匝數比L1L2Cu0uiCL2L1giegoegL'gieUiUfU0gmUiZce拆環等效電路通過改變回路電容調整頻率時，基本不影響F；但產生信號的頻率較低；由于反饋電壓取自L2，使輸出含有較大的諧波電壓。兩種振蕩器的比較電容三點式電感三點式改變C1、C2比值來改變F能夠振蕩的最高頻率較高：極間電容與C1、C2并聯。輸出電壓波形好：c、e間接C2，高次諧波阻抗小，諧波電壓小。改變抽頭位置來改變F能夠振蕩的最高頻率較低：極間電容與L1、L2并聯,高頻時會改變電抗性質。輸出電壓波形差：c、e間接L2，高次諧波阻抗大，諧波電壓大。5.3.3兩種改進型電容反饋式振蕩器引入：晶體管各個電極與電抗元件并聯，極間電容對振蕩器的影響很大，為提高頻率穩定性，要盡量減小晶體管與回路的耦合。一、克拉潑振蕩器晶體管以部分接入方式與回路連接C3小，C主要由C3決定，C3小，頻率可調范圍小。C1C2C3LR1R2ReLRCUCCC1C2C3CbRL+UCCRbRbCbCc2CLCc1C1C2Luiu0uf-UBBI0VT1VT25.3.4其它LC振蕩器簡介一、差分對振蕩器二、集成LC振蕩器VT14VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT7VT8VT9VT10VT11VT12VT13VD2VD1LCCbUCC輸圖是CE1648單片集成振蕩器的內部電路。由VT10~VT14組成直流饋電電路；VT7、VT8、VT9及外接的LC并聯回路構成差分振蕩器；VT4、VT5組成共射—共基放大器，對VT8的集電極輸出電壓進行放大，VT2、VT3組成第二級差分放大，最后經射隨器VT1輸出。

VT6組成直流負反饋電路，當VT8輸出電壓增大時，VT6集電極直流電壓減小，使差分振蕩器恒流源I0減小，跨導gm減小，限制輸出電壓的增大，提高輸出振幅的穩定性。振蕩器的工作頻率：

Ci是CE1648第10、12腳間的輸入電容，典型值為6pF。當fg=100MHz時，C1取值為1~7pF，L1取值約0.22H；當fg=10MHz時，C1取值為15~150pF，L1取值約2.72H。

外部連接電路。如圖所示1234567891011121314+5V+9VLC0.10.1輸出CE1468

對頻率穩定度的要求視用途而異，一般的短波、超短波發射機的相對頻穩度為10-4~10-5數量級；電視發射機為10-7數量級；衛星通信發射機為10-9~10-11數量級。普通信號發生器為10-4~10-5數量級，高精度信號發生器為10-7~10-9數量級。用于國家時間標準的頻率源，要求在10-12數量級。5.4.2LC振蕩器的頻率穩定分析其中，φfe是BJT正向傳輸導納Yfe(ω)的相移，φF是反饋系數F(ω)的相移C1C2LRbRieU0Uf電容三端式振蕩器交流通路Ui決定,振蕩器的振蕩頻率由相位平衡條件

以圖所示電容三端式振蕩電路為例來分析頻率穩定程度與元件參數的關系。

由電路可得到：凡能引起φz、φfe和φF變化的因素都會引起振蕩頻率的變化

因為在諧振頻率附近，φfe和φF隨ω的變化遠小于Φz

(ω)的變化，在分析時將φF+φfe近似為一個常數，這樣相位條件就變為：－f

Z()0g已知LC并聯諧振回路的等效阻抗的幅角φz(ω）為：代入相位平衡條件式，得φz(ω）與－φf的交點就是相位平衡點，交點處對應的頻率就是振蕩頻率ωg。

-φf

Z()ω(a)

0變化的影響00+0gg+gZ()－φf0gg+gQeQe+Q(b)Qe變化的影響ω－φf

Z()0gg+g(c)

f變化的影響－φf+?φfω右圖形象的表示了ω0、Qe和φf分別變化時ωg相應的變化過程。5.4.3提高頻率穩定度的措施二、提高振蕩回路的標準性一、減小外界因素的變化采用恒溫槽減小溫度變化的影響；采用屏蔽措施減小磁場變化的影響；加入減振裝置減小機械振動的影響；采用隔離電路減小負載變化的影響等。選用參數高度穩定的L、C元件，如用石英晶體替代諧振回路的L，或者采用溫度補償來減小溫度變化對元件帶來的影響。已知：與諧振回路元件參數L、C的關系為：，則三、減小晶體管對振蕩頻率的影響采用加大回路總電容的方法可以減小極間電容的相對影響，但是大電容會使頻率調諧范圍變窄，使振蕩變弱；減弱三極管與回路之間的耦合，也就是將三極管以部分接入方式接入回路，也可以減小極間電容對諧振回路的影響；通過穩定晶體管的工作點可以減小gm的變化，從而減小φf的變化，也能夠穩定振蕩頻率等方法。5.5晶體振蕩器優點：頻率穩定度高。缺點：單頻工作——標稱頻率。串聯諧振頻率：并聯諧振頻率：(Cq<<C0)q0X0感性容性容性C0Cq1Lq1Rq1iu~+-JT5.5.1石英晶體諧振特性并聯型晶體振蕩器：含有石英晶體的電容三端式振蕩器，也稱為皮爾斯振蕩器，如圖所示。振蕩器的振蕩頻率在晶體的串聯諧振與并聯諧振頻率之間，晶體等效為一個非線性電感。5.5.2晶體振蕩器R1RcR2C1C2JTRLCcUCCCb(a)皮爾斯振蕩器ReReC1C2RLL(b)等效交流通路一、并聯型晶體振蕩器密勒振蕩器：屬于電感三端式電路。晶體和L1C1回路均等效為電感，因此要求振蕩器工作頻率g低于L1C1回路的固有諧振頻率01。輸出波形較好，但有載Qe值低，與皮爾斯振蕩器相比，頻率穩定度較低，為了減少三極管輸入電阻對石英晶體的影響，可以采用場效應管代替三極管構成振蕩電路。R1R2JTReCeL1C1UCC(a)密勒振蕩器C2L1C1C2JT(b)等效交流通路4.7H200pF3~10PF20PF5MHZUCC0.010.120330pF20K5.6Kuo4.7H330pF200pF3~10pF20pF5MHz15MHzUCCC16.6HL1220pF430pF20pF3~15pF6.6H430pF220pF3~15pF20pF泛音晶體振蕩器串聯型晶體振蕩器：電路通過晶體形成正反饋，振蕩器的振蕩頻率等于晶體的串聯諧振頻率，即o≈s，晶體等效為選頻開關（一小電阻或近似短路線）。晶體工作于fs附近，呈現低阻抗，這時反饋最強且不帶來附加相移，因此在這個頻率上產生振蕩。二、串聯型晶體振蕩器12V0.01F0.03FC1C2C3R1RcLReCbR2JT圖所示電路，是一個電容三端式振蕩器，在諧振回路與三極管之間的反饋支路中接入了一個具有選頻能力的晶體。L、C1、C2、C3組成并聯諧振回路，振蕩頻率調諧在串聯諧振頻率處，石英諧振器阻抗最小為，相移為0，形成正反饋，滿足振幅和相位條件，產生振蕩。+24V2.4k2k1.5k2k3.9k4.3k2.4k680JT100pF10100.041020F20FL

下圖是某通信機用的9kHz串聯晶體振蕩器。9kHz石英諧振器串接在兩級放大器的反饋支路上，只有在晶體和負載電容CL所決定的串聯諧振頻率上，正反饋最強，才產生振蕩。第一級放大器采用諧振回路作負載，利用它的選頻作用，輸出端可以得到波形較好的正弦波。

三、集成晶體振蕩器下圖是用E1648組成的100MHz晶體振蕩器，晶體標稱頻率為100MHz，LC回路應調諧于晶體標稱頻率處，不過回路諧振頻率與標稱頻率偏差10%時仍能工作，但頻率穩定度會受影響。實測此振蕩器的頻率穩定度為10-5，輸出電壓峰—峰值不小于750mV。0.223300p2-10p0.1JT+5V輸出3300p1k1k0.147p86100.1100MHz12345678910111213145.6振蕩器中的幾種現象在實際振蕩電路中，由于各種原因，還可能產生一些特殊的振蕩現象。如寄生振蕩，間歇振蕩，頻率占據，頻率拖曳等。這些振蕩現象一般應盡量避免，但有時也可以利用間歇振蕩和頻率占據現象來實現某些功能。5.6.1寄生振蕩

寄生振蕩是指某些特定頻率上，由電路中某些集總參數和分布參數構成的閉合環路，滿足振蕩條件而產生的自激振蕩，一般是疊加在正常振蕩的波形上，引起振蕩波形的畸變。低頻寄生振蕩——由電路中的電感量較大的高頻扼流圈、電容量較大的隔直流電容或旁路電容所引起。超高頻寄生振蕩——分布參數（如引線電感、管子極間電容）所引起。RbCbCeReLCUBBUCCUfUbU0(a)t1t2UBBubtt(b)5.6.2間歇振蕩如果振蕩電路中某些元件參數選擇不當，就會產生間歇振蕩，這時輸出電壓的波形如下圖(b)所示。電源接通后，振蕩建立速度快，振蕩電壓迅速增加，管子進入非線性區域，實現穩幅，振蕩很容易趨于穩定（圖b的t1~t2時間段內）。如果在t2時刻，UBB繼續變負，振蕩幅度會有所減小，A也隨之下降，造成環路增益小于1，若在此期間偏壓不能迅速建立，則振蕩迅速衰減到零，停振，直到偏壓又增加到起振時的電壓，開始新一輪振蕩。

為防止間歇振蕩的產生，偏置電壓的變化速度必須跟上振蕩振幅的變化速度。為此，可以通過增大回路的值來減小振蕩振幅的變化速度，同時要減小偏置電路中Cb、Ce取值來加快偏壓建立的瞬態過程。

R1R2CbCeReLCUCCUsf1f2f3f4f’1=f1|fs–f’1|f|fs–f1|455.6.3頻率占據若從外部引入一個頻率為的信號，當接近振蕩器的振蕩頻率時，振蕩器受外加信號的影響，會向fs附近變化，甚至就等于fs，產生強迫同步。 發生頻率占據的fs范圍稱為占據頻帶，用Δf表示：Δf=Δf3-Δf2

實際中，外來信號往往來自周圍的干擾或鄰近的其它信號，當發生頻率占據時，整個系統的工作都受到影響，可以采取措施切斷或減弱振蕩器與外來信號之間的耦合，以防止產生頻率占據。但在某些情況下，可以利用頻率占據現象實現注入同步，對振蕩器進行強制的頻率和相位的同步，或者實現同步分頻，即對振蕩頻率的某次諧波進行強制同步。R1R2CbCeReL1C1U