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1、 6.7 振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题 6.8 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 6.9 负阻负阻振荡器振荡器6.10 几种特殊振荡现象几种特殊振荡现象6.11 集成电路集成电路振荡器振荡器6.12 RC振荡器振荡器频率稳频率稳频率稳频率稳定条件定条件定条件定条件常用常用常用常用电路电路电路电路第第6章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高高频频电电路路1.1.定义定义高功放高功放不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能。不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能。6.1 概述a、振荡器：一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。b、振荡器与放大器的区别在于：无需
2、外加激励信号,就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。2.2.振荡器的分类振荡器的分类正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器:矩形波、三角波、锯齿波振荡器振荡器波形波形产生机理产生机理反馈式振荡器反馈式振荡器按照选频网络按照选频网络所采用元件的不同所采用元件的不同负阻式振荡器负阻式振荡器利用负阻器件所组成的电路来产生正弦波,主要用在微波波段 反馈型反馈型LC振荡器振荡器高频正弦波反馈型反馈型RC振荡器振荡器低频正弦波 本章主要介绍反馈型本章主要介绍反馈型RC、LCLC振荡器和石英晶体振荡器振荡器和石英晶体振荡器的工作原理。的工作原理。石英晶体振荡器石英晶体振荡器高频正
3、弦波6.1 概述3 3.应用应用6.1 概述(1)无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号。无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号。(2)超外差接收机用它产生本地振荡信号。超外差接收机用它产生本地振荡信号。(3)电子测量设备和计时仪表用它产生频率（或时电子测量设备和计时仪表用它产生频率（或时间）基准信号。间）基准信号。(4)工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等。工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等。由于大多数振荡器都是利用由于大多数振荡器都是利用由于大多数振荡器都是利用由于大多数振荡器都是利用LCLC回路来产生振荡的，因此回路来产生振荡的，因此回路来产生振荡的，因此回路来产生振荡的，因此应首
4、先研究应首先研究应首先研究应首先研究LCLC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。作原理的预备知识。作原理的预备知识。作原理的预备知识。图图图图 6.2.1 6.2.1 LCRLCR自由振荡电路自由振荡电路自由振荡电路自由振荡电路 所谓所谓“谐振谐振”，就能量关系而，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻转换；外加电动势只提供回路电阻
5、所消耗的能量，以维持回路的等幅所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。振荡。6.2 LCR回路中的瞬变现象回路中的瞬变现象 图6.2.1 LCR自由振荡电路由基尔霍夫定律可得：代入初始条件：解上述微分方程得：图6.2.1 LCR自由振荡电路1）过阻尼2）临界阻尼3）欠阻尼振荡频率为图图图图 6.2.4 6.2.4 2 2 2 2 时产生振荡电流的情形时产生振荡电流的情形时产生振荡电流的情形时产生振荡电流的情形6.2 LCR回路中的瞬变现象回路中的瞬变现象6.2 LCR回路中的瞬变现象回路中的瞬变现象为了获得等幅振荡，就必须使为了获得等幅振荡，就必须使LC回路中的电阻等于零。回路中的电阻等于零。由于
6、实际由于实际LC回路本身总是正电阻，因此可得维持等幅正弦信回路本身总是正电阻，因此可得维持等幅正弦信号的两种思路：号的两种思路：1.引入一个引入一个“负电阻负电阻”补充回路中补充回路中“正电阻正电阻”消耗的能量，消耗的能量，这这就就是负阻振荡器。是负阻振荡器。2.在回路中利用适量的正反馈适时给回路提供能量，在回路中利用适量的正反馈适时给回路提供能量，抵消回抵消回路损耗，这就形成反馈振荡器。路损耗，这就形成反馈振荡器。(1)一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与两个元件中，当一个释
7、放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。如LC(2)一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。(3)一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。成的。由于大多数振荡器都是利用由于大多数振荡器都是利用由于大多
8、数振荡器都是利用由于大多数振荡器都是利用LCLC回路来产生振荡的，因此回路来产生振荡的，因此回路来产生振荡的，因此回路来产生振荡的，因此应首先研究应首先研究应首先研究应首先研究LCLC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。作原理的预备知识。作原理的预备知识。作原理的预备知识。如有源器件和正反馈电路6.3 LC振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理图图图图 6.3.1 6.3.1 互感耦合调集振荡器互感耦合调集振荡器互感耦合调集振荡器互感耦合调集振荡器En
9、d-+12126.3 LC振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理6.4 由正反馈的观点来决定震荡的条件由正反馈的观点来决定震荡的条件本节以前，我们用了电路中的瞬态分析方法确定了起始振本节以前，我们用了电路中的瞬态分析方法确定了起始振荡条件和振荡频率。荡条件和振荡频率。本节将以反馈放大器方法来确定起始振荡条件和振荡频率本节将以反馈放大器方法来确定起始振荡条件和振荡频率仍然通过互感耦合调集振荡器为例，最终证明无论采用瞬仍然通过互感耦合调集振荡器为例，最终证明无论采用瞬态分析方法还是反馈放大器分析方法得到结论是相同的态分析方法还是反馈放大器分析方法得到结论是相同的图图图图 6.4.1 6.4.1
10、反馈振荡器方框图反馈振荡器方框图反馈振荡器方框图反馈振荡器方框图14146.4 由正反馈的观点来决定震荡的条件由正反馈的观点来决定震荡的条件图为反馈放大器框图。假设基极电路在S处断开，输入电压为Vi，输出电压为Vo（=-vc），再经由反馈网络输出的反馈电压为Vf。如果Vf和Vi振幅和相位相同，则接通S，撤掉vi，以Vf替代，放大器将继续工作。由于此时已没有外加信号，所以它变成了振荡器。图图图图 6.4.2 6.4.2 调集振荡器的交流等效电路调集振荡器的交流等效电路调集振荡器的交流等效电路调集振荡器的交流等效电路End16166.4 由正反馈的观点来决定震荡的条件由正反馈的观点来决定震荡的条件
11、6.5.1 振荡器的平衡条件6.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件18186.5 振荡器的平衡与稳定条件振荡器的平衡与稳定条件19196.5 振荡器的平衡与稳定条件振荡器的平衡与稳定条件 当振荡器接通了电源，就会产生瞬变电流，瞬变电流所含当振荡器接通了电源，就会产生瞬变电流，瞬变电流所含频带很宽，是由频带很宽，是由LC谐振回路选出所需的频率，其它频率成分谐振回路选出所需的频率，其它频率成分则被大幅衰减了。则被大幅衰减了。由于正反馈作用，谐振频率信号越来越强，振荡的振幅逐由于正反馈作用，谐振频率信号越来越强，振荡的振幅逐步增大，但振幅不可能无限增大，达到一定幅度后就会自动步增大，但振幅不可能无限增
12、大，达到一定幅度后就会自动稳定下来。稳定下来。本节将研究振荡如何达到平衡及平衡的稳定条件。本节将研究振荡如何达到平衡及平衡的稳定条件。20206.5.1 振荡器的平衡条件6.4节已证明：节已证明：1-AoF=O或或AoF-1就是正反馈放大器的产生就是正反馈放大器的产生等幅振荡的条件。等幅振荡的条件。如果刚好满足条件如果刚好满足条件1-AoF=O或或AoF-1时，所需频率的信号则时，所需频率的信号则得不到有效放大，只能淹没在噪声中。得不到有效放大，只能淹没在噪声中。上面的振荡产生条件是假定晶体管工作在小信号放大状态，上面的振荡产生条件是假定晶体管工作在小信号放大状态，即即没有考虑电子器件的非线性
13、没有考虑电子器件的非线性获得的。由于自给偏压的作用，获得的。由于自给偏压的作用，振荡器起振后，振幅不断增长，振荡管的工作状态由甲类逐振荡器起振后，振幅不断增长，振荡管的工作状态由甲类逐渐向乙类再向丙类过渡。渐向乙类再向丙类过渡。放大器的放大倍数放大器的放大倍数Ao是随振幅增大而下降的，但反馈系数是随振幅增大而下降的，但反馈系数F，是由网络决定与振幅无关。，是由网络决定与振幅无关。6.5.1 振荡器的平衡条件要维持一定的振荡幅度，要维持一定的振荡幅度，通常将反馈系数取得较大，通常将反馈系数取得较大，F=1/8 1/2，这样振荡器可在，这样振荡器可在A0F1的情况下起振。的情况下起振。随着振幅的增
14、大，放大倍数随着振幅的增大，放大倍数Ao减小而趋于减小而趋于A，直到振幅增，直到振幅增大到一定程度后，出现大到一定程度后，出现AF=1时振荡变成为等幅振荡，也时振荡变成为等幅振荡，也就是说达到平衡状态。就是说达到平衡状态。因此，振荡器的起振条件为因此，振荡器的起振条件为：AoF1，增幅振荡增幅振荡 振荡器的平衡条件为振荡器的平衡条件为：AF=1，等幅振荡等幅振荡为了便于分析平衡条件，将其写成复数形式为了便于分析平衡条件，将其写成复数形式，即：即：再分别用模和幅角表示得出：再分别用模和幅角表示得出：振幅平衡条件为：振幅平衡条件为：相位平衡条件为：相位平衡条件为：6.5.1 振荡器的平衡条件振荡器
15、的平衡条件End 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。稳稳稳稳幅幅幅幅的的的的作作作作用用用用就就就就是是是是，当当当当输输输输出出出出信信信信号号号号幅幅幅幅值值值值增增增增加加加加到到到到一一一一定定定定程程程程度度度度时时时时，使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 AFAF1 1 到到到到AFAF=1=1。（由增到稳）（由增到稳）22226.5.1 振荡器的平衡条件23236.5.1 振荡器
16、的平衡条件振幅平衡条件说明：振幅在平衡状态时，其闭环增益等于振幅平衡条件说明：振幅在平衡状态时，其闭环增益等于1。即：反馈信号即：反馈信号Vf与原输入信号与原输入信号Vi的振幅相同。的振幅相同。相位平衡条件说明：振荡器在平衡状态时，其闭路总相移为相位平衡条件说明：振荡器在平衡状态时，其闭路总相移为零或零或2的整数倍。即：反馈信号的整数倍。即：反馈信号Vf与原输入信号与原输入信号Vi的相位相的相位相同同。理论分析中，振幅平衡条件可确定振荡器振幅。理论分析中，振幅平衡条件可确定振荡器振幅。相位平衡条件可确定振荡器的频率。相位平衡条件可确定振荡器的频率。1 1）振幅平衡的稳定条件）振幅平衡的稳定条件
17、 要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变化时，化时，AF的大小朝反方向变化。的大小朝反方向变化。图图图图 6.5.2 6.5.2 软自激的振荡特性软自激的振荡特性软自激的振荡特性软自激的振荡特性图图图图 6.5.3 6.5.3 硬自激的振荡特性硬自激的振荡特性硬自激的振荡特性硬自激的振荡特性24246.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件2 2）相位平衡的稳定条件）相位平衡的稳定条件 相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。新建立，且仍
18、能保持相对稳定的振荡频率。外部外部扰动扰动 稳定原理：稳定原理：频率频率 相位相位 频率频率 25256.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件图图图图 6.5.4 6.5.4 并联谐振回路的并联谐振回路的并联谐振回路的并联谐振回路的相频特性相频特性相频特性相频特性2 2）相位平衡的稳定条件）相位平衡的稳定条件26266.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件End44放大电路放大电路放大电路放大电路3）基本组成部分基本组成部分44正反馈网络正反馈网络正反馈网络正反馈网络44选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈选频网络（选择满足相位平衡条
19、件的一个频率。经常与反馈选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈 网络合二为一。）网络合二为一。）网络合二为一。）网络合二为一。）44稳幅环节稳幅环节稳幅环节稳幅环节44稳定环节稳定环节稳定环节稳定环节 从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：从从从从 回到回到回到回到幅度稳定幅度稳定相位稳定相位稳定27276.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件