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1、第4章 正弦波振荡器第第4章正弦波振荡器章正弦波振荡器4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.2 LC振荡器振荡器 4.3 频率稳定度频率稳定度 4.4 LC振荡器的设计考虑振荡器的设计考虑 4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器4.6 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象 4.7 RC振荡器振荡器 4.8 负阻振荡器负阻振荡器 思考题与习题思考题与习题 第4章 正弦波振荡器4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理4.1.1 反馈振荡器的原理分析反馈振荡器的原理分析反馈型振荡器的原理框图如图4-1所示。由图可见，反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路，放大器通常是以某种选频网络
2、(如振荡回路)作负载，是一调谐放大器，反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。为了能产生自激振荡，必须有正反馈，即反馈到输入端的信号和放大器输入端的信号相位相同。第4章 正弦波振荡器图 4-1 反馈型振荡器原理框图 第4章 正弦波振荡器对于图4-1，设放大器的电压放大倍数为K(s)，反馈网络的电压反馈系数为F(s)，闭环电压放大倍数为Ku(s)，则 (4-1)由 (4-2)(4-3)(4-4)第4章 正弦波振荡器第4章 正弦波振荡器由式(4-6)还可知(4-8)第4章 正弦波振荡器4.1.2 平衡条件平衡条件振荡器的平衡条件即为T(j)=K(j)F(j)=1也可以表示为T(j)|=KF=1 (
3、4-9a)(4-9b)式(4-9a)和(4-9b)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。现以单调谐谐振放大器为例来看K(j)与F(j)的意义。若，则由式(4-2)可得(4-10)第4章 正弦波振荡器式中，ZL为放大器的负载阻抗(4-11)Yf(j)为晶体管的正向转移导纳。(4-12)ZL应该考虑反馈网络对回路的负载作用，它基本上是一线性元件。是电流的基波频率分量，当晶体管在大信号工作时，它可对ic的谐波分析得到。与成非线性关系。因而一般来说Yf和K都是随信号大小而变化的。第4章 正弦波振荡器第4章 正弦波振荡器在平衡状态中，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时输出幅度将不再变化，因此
4、振幅平衡条件决定了振荡器输出振幅的大小。必须指出，环路只有在某一特定的频率上才能满足相位平衡条件，也就是说相位平衡条件决定了振荡器输出信号的频率大小，解得到的根即为振荡器的振荡频率，一般在回路的谐振频率附近。第4章 正弦波振荡器4.1.3 起振条件起振条件振荡器在实际应用时，不应有图 4-1所示的外加信号Us(s)，应当是振荡器一加上电后即产生输出，那么初始的激励是从哪里来的呢？振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等，例如:在加电时晶体管电流由零突然增加，突变的电流包含有很宽的频谱分量，在它们通过负载回路时，由谐振回路的性质即只有频率等于回路谐振频率的分量可以产
5、生较大的输出电压，而其它频率成分不会产生压降，因此负载回路上只有频率为回路谐振频率的成分产生压降，该压降通过反馈网络产生出较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入端，进行放大、反馈，不断地循环下去，谐振负载上将得到频率等于回路谐振频率的输出信号。第4章 正弦波振荡器第4章 正弦波振荡器振荡器工作时怎样由|T(j)|1 过渡到|T(j)|=1 的呢？我们知道放大器进行小信号放大时必须工作在晶体管的线性放大区，即起振时放大器工作在线性区，此时放大器的输出随输入信号的增加而线性增加；随着输入信号振幅的增加，放大器逐渐由放大区进入截止区或饱和区，进入非线性状态，此时的输出信号幅度增加有限，即增益将
6、随输入信号的增加而下降，如图4-2所示。所以，振荡器工作到一定阶段，环路增益将下降。当|T(j)|=1 即工作到图4-2(b)中A点时，振幅的增长过程将停止，振荡器到达平衡状态，进行等幅振荡。因此，振荡器由增幅振荡过渡到稳幅振荡,是由放大器的非线性完成的。需要说明的是，电路的起振过程是非常短暂的，可以认为只要电路设计合理，满足起振条件，振荡器一通上电，输出端就有稳定幅度的输出信号。第4章 正弦波振荡器第4章 正弦波振荡器图 4-2 振幅条件的图解表示第4章 正弦波振荡器要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说即是，在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益的模值
7、T应减小，形成减幅振荡，从而阻止振幅的增大，达到新的平衡，并保证新平衡点在原平衡点附近，否则，若振幅增大，T也增大，则振幅将持续增大，远离原平衡点，不能形成新的平衡，振荡器不稳定；而当不稳定因素使振幅减小时，T应增大，形成增幅振荡，阻止振幅的减小，在原平衡点附近建立起新的平衡，否则振荡器将是不稳定的。因此，振幅稳定条件为(4-17)第4章 正弦波振荡器第4章 正弦波振荡器在解释振荡器的相位稳定性前，我们必须清楚，一个正弦信号的相位和它的频率之间的关系(4-19a)(4-19b)可见，相位的变化必然要引起频率的变化，频率的变化也必然要引起相位的变化。第4章 正弦波振荡器设振荡器原在=1时处于相位
8、平衡状态，即有，现因外界原因使振荡器的反馈电压的相位超前原输入信号。由于反馈相位提前(即每一周期中的相位均超前)，振荡周期要缩短，振荡频率要提高，比如提高到2，21。当外界因素消失后，显然2处不满足相位平衡条件，这时，不变，但由于21(如图4-3所示)，要下降，即这时相对于的幅角第4章 正弦波振荡器图4-3 振荡器稳定工作时回路的第4章 正弦波振荡器这表示落后于，导致振荡周期增长，振荡频率降低，即又恢复到原来的振荡频率1。上述相位稳定是靠增加、降低来实现的，即并联振荡回路的相位特性保证了相位稳定。因此相位稳定条件为 (4-20)回路的Q值越高，值越大，其相位稳定性越好。第4章 正弦波振荡器4.
9、1.5 振荡线路举例振荡线路举例互感耦合振荡器互感耦合振荡器图4-4是一LC振荡器的实际电路，图中反馈网络由L和L1间的互感M担任，因而称为互感耦合式的反馈振荡器，或称为变压器耦合振荡器。设振荡器的工作频率等于回路谐振频率，当基极加有信号时，由三极管中的电流流向关系可知集电极输出电压与输入电压反相，根据图中两线圈上所标的同名端，可以判断出反馈线圈L1两端的电压与反相，故 与 同相，该反馈为正反馈。因此只要电路设计合理，在工作时满足 条件，在输出端就会有正弦波输出。互感耦合反馈振荡器的正反馈是由互感耦合回路中的同名端来保证的。第4章 正弦波振荡器第4章 正弦波振荡器4.2 LC 振振 荡荡 器器
10、4.2.1 振荡器的组成原则振荡器的组成原则LC振荡器除上节介绍的互感耦合反馈型振荡器外，还有很多其它类型的振荡器，它们大多是由基本电路引出的。基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器，即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路，如图4-5所示。由图可见，除晶体管外还有三个电抗元件X1、X2、X3，它们构成了决定振荡频率的并联谐振回路，同时也构成了正反馈所需的反馈网络，为此，三者必须满足一定的关系。根据谐振回路的性质，谐振时回路应呈纯电阻性，因而有X1+X2+X3=0 (4-21)所以电路中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。第4章 正弦
11、波振荡器图 4-5 三端式振荡器的组成第4章 正弦波振荡器在不考虑晶体管参数(如输入电阻、极间电容等)的影响并假设回路谐振时，有，。为了满足相位平衡条件，即正反馈条件，应要求。根据式(4-11)，应与同相，一般情况下，回路Q值很高，因此回路电流远大于晶体管的基极电流、集电极电流以及发射极电流，故由图4-5有 (4-22a)(4-22b)因此X1、X2应为同性质的电抗元件。第4章 正弦波振荡器第4章 正弦波振荡器三端式振荡器有两种基本电路，如图4-6所示。图4-6(a)中X1和X2为容性，X3为感性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电容元件完成的，称为电容反馈振荡器，也称为考必兹(Col
12、pitts)振荡器；图4-6(b)中X1和X2为感性，X3为容性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电感元件完成的，称为电感反馈振荡器，也称为哈特莱(Hartley)振荡器。第4章 正弦波振荡器图 4-6 两种基本的三端式振荡器(a)电容反馈振荡器；(b)电感反馈振荡器第4章 正弦波振荡器第4章 正弦波振荡器图 4-7 几种常见振荡器的高频电路 第4章 正弦波振荡器4.2.2 电容反馈振荡器电容反馈振荡器图 4-8(a)是一电容反馈振荡器的实际电路，图(b)是其交流等效电路。由图(b)可看出该电路满足振荡器的相位条件，且反馈是由电容产生的，因此称为电容反馈振荡器。图(a)中，电阻R1、R
13、2、Re起直流偏置作用，在开始振荡前这些电阻决定了静态工作点，当振荡产生以后，由于晶体管的非线性及工作在截止状态，基极、发射极电流将发生变化，这些电阻又起自偏压作用，从而限制和稳定了振荡的幅度大小；Ce为旁路电容，Cb为隔直电容，保证起振时具有合适的静态工作点及交流通路。图中的扼流圈Lc可以防止集电极交流电流从电源入地，Lc的交流电阻很大，可以视为开路，但直流电阻很小，可为集电极提供直流通路。第4章 正弦波振荡器图 4-8 电容反馈振荡器电路(a)实际电路；(b)交流等效电路；(c)高频等效电路第4章 正弦波振荡器下面分析一下该电路的振荡频率及起振条件。图4-8(c)示出了图4-8(a)的高频
14、小信号等效电路，由于起振时晶体管工作在小信号线性放大区，因此可以用小信号Y参数等效电路。为分析方便起见，在等效时作了以下简化:(1)忽略晶体管内部反馈Yre=0 的影响;(2)晶体管的输入电容、输出电容很小，可以忽略它们的影响，也可以将它们包含在回路电容C1、C2中，所以不单独考虑;(3)忽略晶体管集电极电流ic对输入信号ub的相移，将Yfe用跨导gm表示。第4章 正弦波振荡器另外在图4-8(c)中，表示除晶体管以外的电路中所有电导折算到CE两端后的总电导。由(c)图可以得出环路增益T(j)的表达式，并令T(j)虚部在频率为1时等于零，则根据振荡器的相位平衡条件，1即为振荡器的振荡频率，因此图
15、4-8电路的振荡频率为(4-23)C为回路的总电容(4-24)第4章 正弦波振荡器通常式(4-23)中的第二项远小于第一项，也就是说振荡器的振荡频率1可以近似用回路的谐振频率表示，因此我们在分析计算振荡器的振荡频率时可以近似用回路的谐振频率来表示，即 (4-25)由图4-8(c)可知，当不考虑gie的影响时，反馈系数F(j)的大小为 (4-26)工程上一般采用上式估算反馈系数的大小。第4章 正弦波振荡器将gie折算到放大器输出端，有 (4-27)因此，放大器总的负载电导gL为(4-28)则由振荡器的振幅起振条件，可以得到(4-29)第4章 正弦波振荡器只要在设计电路时使晶体管的跨导满足上式，振
16、荡器就可以振荡。上式右边第一项表示输出电导和负载电导对振荡的影响，F越大，越容易振荡；第二项表示输入电阻对振荡的影响，gie、F越大，越不容易振荡。因此，考虑晶体管输入电阻对回路的加载作用，反馈系数F并非越大越好。在gm、gie、goe一定时，可以通过调整F、来保证起振。反馈系数F的大小一般取0.10.5。为了保证振荡器有一定的稳定振幅，起振时环路增益一般取35。第4章 正弦波振荡器4.2.3 电感反馈振荡器电感反馈振荡器图4-9是一电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路。由图可见它是依靠电感产生反馈电压的，因而称为电感反馈振荡器。通常电感是绕在同一带磁芯的骨架上，它们之间存在有互感，用M表示
17、。同电容反馈振荡器的分析一样，振荡器的振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示，即(4-30)式中的L为回路的总电感，由图4-9有L=L1+L2+2M (4-31)第4章 正弦波振荡器图 4-9 电感反馈振荡器电路(a)实际电路；(b)交流等效电路；(c)高频等效电路第4章 正弦波振荡器由相位平衡条件分析，振荡器的振荡频率表达式为(4-32)式中的与电容反馈振荡器相同，表示除晶体管以外的所有电导折算到ce两端后的总电导。由式(4-30)和式(4-32)可见，振荡频率近似用回路的谐振频率表示时其偏差较小，而且线圈耦合越紧，偏差越小。第4章 正弦波振荡器工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响，反馈系
18、数的大小为 (4-33)由起振条件分析，同样可得起振时的gm应满足(4-34)第4章 正弦波振荡器在讨论了电容反馈的振荡器和电感反馈的振荡器后，对它们的特点比较如下:(1)两种线路都简单，容易起振。电感反馈振荡器只要改变线圈抽头位置就可以改变反馈值F，而电容反馈振荡器需要改变C1、C2的比值。(2)由于晶体管存在极间电容，对于电感反馈振荡器，极间电容与回路电感并联，在频率高时极间电容影响大，有可能使电抗的性质改变，故电感反馈振荡器的工作频率不能过高；电容反馈振荡器，其极间电容与回路电容并联，不存在电抗性质改变的问题，故工作频率可以较高。第4章 正弦波振荡器(3)振荡器在稳定振荡时，晶体管工作在
19、非线性状态，在回路上除有基波电压外还存在少量谐波电压(谐波电压大小与回路的Q值有关)。对于电容反馈振荡器，由于反馈是由电容产生的，所以，高次谐波在电容上产生的反馈压降较小；而对于电感反馈的振荡器，反馈是由电感产生的，所以，高次谐波在电感上产生的反馈压降较大，即电感反馈振荡器输出的谐波较电容反馈振荡器的大，因此电容反馈振荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好。第4章 正弦波振荡器(4)改变电容能够调整振荡器的工作频率。电容反馈振荡器在改变频率时，反馈系数也将改变，影响了振荡器的振幅起振条件，故电容反馈振荡器一般工作在固定频率；电感反馈振荡器改变频率时，并不影响反馈系数，工作频带较电容反馈振
20、荡器的宽。需要指出的是，电感反馈振荡器的工作频带不会很宽，这是因为改变频率，将改变回路的谐振阻抗，可能使振荡器停振。综上所述，由于电容反馈振荡器具有工作频率高、波形好等优点，在许多场合得到了应用。第4章 正弦波振荡器4.2.4 两种改进型电容反馈振荡器两种改进型电容反馈振荡器由于极间电容对电容反馈振荡器及电感反馈振荡器的回路电抗均有影响，所以对振荡频率也会有影响。而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以上述两种电路的频率稳定度不高。为了提高稳定度，需要对电路作改进以减少晶体管极间电容对回路的影响，此时，可以采用减弱晶体管与回路之间耦合的方法，由此得到两种改进型电容反馈的振荡器克拉泼
21、(Clapp)振荡器和西勒(Siler)振荡器。第4章 正弦波振荡器1.克拉泼振荡器克拉泼振荡器图4-10是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路，它是用电感L和可变电容3的串联电路代替原电容反馈振荡器中的电感构成的，且C3C1、C2。只要L和C3串联电路等效为一电感(在振荡频率上)，该电路即满足三端式振荡器的组成原则，而且属于电容反馈式振荡器。第4章 正弦波振荡器图 4-10 克拉泼振荡器电路(a)实际电路；(b)交流等效电路第4章 正弦波振荡器由图4-10可知，回路的总电容为(4-35)可见，回路的总电容C将主要由C3决定，而极间电容与C1、C2并联，所以极间电容对总电容的影响就很小；并且C
22、1、C2只是回路的一部分，晶体管以部分接入的形式与回路连接，减弱了晶体管与回路之间的耦合。接入系数p为(4-36)第4章 正弦波振荡器C1、C2的取值越大，接入系数p越小，耦合越弱。因此，克拉泼振荡器的频率稳定度得到了提高。但C1、C2不能过大，假设电感两端的电阻为Ro(即回路的谐振电阻)，则由图4-10可知等效到晶体管ce两端的负载电阻RL为(4-37)因此，C1过大，负载电阻RL很小，放大器增益就较低，环路增益也就较小，有可能使振荡器停振。第4章 正弦波振荡器振荡器的振荡频率为(4-38)反馈系数的大小为 (4-39)克拉泼振荡器主要用于固定频率或波段范围较窄的场合。这是因为克拉泼振荡器频
23、率的改变是通过调整C3来实现的，根据式(4-37)可知，C3的改变，负载电阻RL将随之改变，放大器的增益也将变化，调频率时有可能因环路增益不足而停振；另外，由于负载电阻RL的变化，振荡器输出幅度也将变化，导致波段范围内输出振幅变化较大。克拉泼振荡器的频率覆盖系数(最高工作频率与最低工作频率之比)一般只有1.21.3。第4章 正弦波振荡器2.西勒振荡器西勒振荡器图4-11是西勒振荡器的实际电路和交流等效电路。它的主要特点，就是与电感L并联一可变电容C4。与克拉泼振荡器一样，图中C3(310)f1max，f1max为振荡器最高工作频率。第4章 正弦波振荡器3.提高回路的品质因数提高回路的品质因数我
24、们先回顾一下相位稳定条件，要使相位稳定，回路的相频特性应具有负的斜率，斜率越大，相位越稳定。根据LC回路的特性，回路的Q值越大，回路的相频特性斜率就越大，即回路的Q值越大，相位越稳定。从相位与频率的关系可得，此时的频率也越稳定。前面介绍的电容、电感反馈的振荡器，其频率稳定度一般为103量级，两种改进型的电容反馈振荡器克拉泼振荡器和西勒振荡器，由于降低了晶体管和回路之间的耦合，频率稳定度可以达到104量级。对于LC振荡器，即使采用一定的稳频措施，其频率稳定度也不会太高，这是由于受到回路标准性的限制。要进一步提高振荡器的频率稳定度就要采用其它的电路和方法。第4章 正弦波振荡器4.减少电源、负载等的
25、影响减少电源、负载等的影响电源电压的波动，会使晶体管的工作点、电流发生变化，从而改变晶体管的参数，降低频率稳定度。为了减小其影响，振荡器电源应采取必要的稳压措施。负载电阻并联在回路的两端，这会降低回路的品质因数，从而使振荡器的频率稳定度下降。为了减小其影响，应减小负载对回路的耦合，可以在负载与回路之间加射极跟随器等措施。另外，为提高振荡器的频率稳定度，在制作电路时应将振荡电路安置在远离热源的位置，以减小温度对振荡器的影响；为防止回路参数受寄生电容及周围电磁场的影响，可以将振荡器屏蔽起来，以提高稳定度。第4章 正弦波振荡器4.4 LC振荡器的设计考虑振荡器的设计考虑由振荡器的原理可以看出，振荡器
26、实际上是一个具有反馈的非线性系统，精确计算是很困难的，而且也是不必要的。因此，振荡器的设计通常是进行一些设计考虑和近似估算，选择合理的线路和工作点，确定元件的数值，而工作状态和元件的准确数值需要在调整、调试中最后确定。第4章 正弦波振荡器1 振荡器电路选择振荡器电路选择LC振荡器一般工作在几百千赫兹至几百兆赫兹范围。振荡器线路主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择。在短波范围，电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以采用。在中、短波收音机中，为简化电路常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。在要求波段范围较宽的信号产生器中常用电感反馈振荡器。在短波、超短波波段的通信设备中常用电容反馈振荡器。当频率稳定度
27、要求较高，波段范围又不很宽的场合，常用克拉泼、西勒振荡器。西勒振荡器电路调节频率方便，有一定的波段工作范围，用得较多。第4章 正弦波振荡器2 晶体管选择晶体管选择从稳频的角度出发，应选择fT较高的晶体管，这样晶体管内部相移较小。通常选择fT(310)f1max。同时希望电流放大系数大些，这既容易振荡，也便于减小晶体管和回路之间的耦合。虽然不要求振荡器中的晶体管输出多大功率，但考虑到稳频等因素，晶体管的额定功率也应有足够的余量。第4章 正弦波振荡器3 直流馈电线路的选择直流馈电线路的选择为保证振荡器起振的振幅条件，起始工作点应设置在线性放大区；从稳频出发，稳定状态应在截止区，而不应在饱和区，否则
28、回路的有载品质因数QL将降低。所以，通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路应采用自偏压。对于小功率晶体管，集电极静态电流约为14 mA。第4章 正弦波振荡器4 振荡回路元件选择振荡回路元件选择从稳频出发，振荡回路中电容C应尽可能大，但C过大，不利于波段工作；电感L也应尽可能大，但L大后，体积大，分布电容大，L过小，回路的品质因数过小，因此应合理地选择回路的C、L。在短波范围，C一般取几十至几百皮法，L一般取0.1至几十微亨。第4章 正弦波振荡器5 反馈回路元件选择反馈回路元件选择由前述可知，为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振，在静态工作点通常应选择YfRLF=35 (4-50)
29、当静态工作点确定后，Yf的值就一定，对于小功率晶体管可以近似为反馈系数的大小应在下列范围选择F=0.10.5 (4-51)在按上述方法选择参数RL、F时，显然不能够预期稳定状态时的电压、电流，只能保证在合理的状态下产生振荡。第4章 正弦波振荡器4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器是利用石英晶体谐振器作滤波元件构成的振荡器，其振荡频率由石英晶体谐振器决定。与LC谐振回路相比，石英晶体谐振器具有很高的标准性和极高的品质因数，因此石英晶体振荡器具有较高的频率稳定度，采用高精度和稳频措施后，石英晶体振荡器可以达到104109的频率稳定度。第4章 正弦波振荡器4.5.1 石英晶体振荡器频率
30、稳定度石英晶体振荡器频率稳定度石英晶体振荡器之所以能获得很高的频率稳定度，由第2章可知，是由于石英晶体谐振器与一般的谐振回路相比具有优良的特性，具体表现为:(1)石英晶体谐振器具有很高的标准性。石英晶体振荡器的振荡频率主要由石英晶体谐振器的谐振频率决定。石英晶体的串联谐振频率fq主要取决于晶片的尺寸，石英晶体的物理性能和化学性能都十分稳定，它的尺寸受外界条件如温度、湿度等影响很小，因而其等效电路的Lq、Cq值很稳定，使得fq很稳定。第4章 正弦波振荡器(2)石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小，一般为10310 4。这大大减弱了有源器件的极间电容等参数和外电路中不稳定因素对石英晶体振荡器决
31、定频率振荡系统的影响。(3)石英晶体谐振器具有非常高的Q值。Q值一般为104106,与Q值仅为几百数量级的普通LC回路相比，其Q值极高，维持振荡频率稳定不变的能力极强。第4章 正弦波振荡器4.5.2 晶体振荡器电路晶体振荡器电路晶体振荡器的电路类型很多，但根据晶体在电路中的作用，可以将晶体振荡器归为两大类:并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。在并联型晶体振荡器中，晶体起等效电感的作用，它和其它电抗元件组成决定频率的并联谐振回路与晶体管相连。由晶体的阻抗频率特性可知，并联型晶体振荡器的振荡频率在石英晶体谐振器的fq与fp之间；在串联型晶体振荡器中，振荡器工作在邻近fq处，晶体以低阻抗接入电路，即
32、晶体起选频短路线的作用。两类电路都可以利用基频晶体或泛音晶体。第4章 正弦波振荡器1 并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器图4-17示出了一种典型的晶体振荡器电路，当振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时晶体呈感性，该电路满足三端式振荡器的组成原则，而且该电路与电容反馈的振荡器对应，通常称为皮尔斯(Pierce)振荡器。C3起到微调振荡器频率的作用，同时也起到减小晶体管和晶体之间的耦合作用。C1、C2既是回路的一部分，也是反馈电路。第4章 正弦波振荡器图 4-17 皮尔斯振荡器 第4章 正弦波振荡器皮尔斯振荡器的工作频率应由C1、C2、C3及晶体构成的回路决定，即由晶体电抗Xe与
33、外部电容相等的条件决定，设外部电容为CL，则 (4-52)由图有(4-53)将式(4-52)用图形表示为图4-18的情形。图中有两个交点，靠近晶体串联频率q附近的1是稳定工作点。当1靠近q时，由图4-18，电抗Xe与忽略晶体损耗时的晶体电抗很接近，因此振荡频率f1等于包括并联电容CL在内的并联谐振频率。因CL实际与晶体静电容并联，因此只要引入一等效接入系数p(4-54)第4章 正弦波振荡器图 4-18 并联型晶体振荡器稳频原理第4章 正弦波振荡器则由前面并联谐振频率公式可得 (4-55)由上式可见，改变CL可以微调振荡频率。通常电路中C3C1、C2，CL主要由C3决定，实际电路中用与晶体串一小
34、电容C3来微调振荡频率。通常，晶体制造厂家为便利用户，对用于并联型电路的晶体，规定一标准的负载电容CL，可以将振荡频率调整到晶体标称频率上。在几兆赫兹至几十兆赫兹范围，一般CL规定为30 pF。第4章 正弦波振荡器反馈系数F的大小为(4-56)由于晶体的品质因数Qq很高，故其并联谐振电阻Ro也很高，虽然接入系数p较小，但等效到晶体管CE两端的阻抗RL仍较高，因此放大器的增益较高，电路很容易满足振幅起振条件。图4-19是并联型晶体振荡器的实际线路，其适宜的工作频率范围为0.8515 MHz。第4章 正弦波振荡器图4-19 并联型晶体振荡器的实用线路第4章 正弦波振荡器如图4-20示出了另一种并联
35、型晶体振荡器电路，该电路晶体接在基极和发射极之间，只要晶体呈现感性，该电路即满足三端式振荡器的组成原则，且电路类似于电感反馈的振荡器，又称为密勒(Miler)振荡器。由于晶体与晶体管的低输入阻抗并联，降低了有载品质因数QL，故密勒振荡器的频率稳定度较低。第4章 正弦波振荡器图 4-20 密勒振荡器 第4章 正弦波振荡器由于皮尔斯振荡器的频率稳定度比密勒振荡器高，故实际应用的晶体振荡器大多为皮尔斯振荡器，在频率较高时可以采用泛音晶体构成。图4-21给出了一种应用泛音晶体构成的皮尔斯振荡器电路。图中L、C1构成的并联谐振回路是用以破坏基频和低次泛音的相位条件，使振荡器工作在设定的泛音频率上。如电路
36、需要工作在5次泛音频率上，应使L、C1构成的并联回路的谐振频率低于5次泛音频率，但高于所要抑制的3次泛音频率，这样对低于工作频率的低泛音频率来说，L、C1并联回路呈现一感性，不能满足三端式振荡器的组成原则，电路不能振荡,但工作在所需的5次泛音上时，L、C1并联回路就呈现容性，满足三端式的组成原则，电路能工作。需要注意的是，并联型晶体振荡器电路工作的泛音不能太高，一般为3、5、7次，高次泛音振荡时，由于接入系数的降低，等效到晶体管输出端的负载电阻将下降，使放大器增益减小，振荡器停振。第4章 正弦波振荡器图 4-21 泛音晶体皮尔斯振荡器 第4章 正弦波振荡器图4-22是一场效应管晶体并联型振荡器
37、线路，晶体等效成一感抗，构成一等效的电容反馈振荡器。第4章 正弦波振荡器图 4-22 场效应管晶体并联型振荡器线路 第4章 正弦波振荡器2 串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路中。图4-23示出了一串联型晶体振荡器的实际线路和等效电路。由图可见，如果将晶体短路，该电路即为一电容反馈的振荡器。电路的工作原理为:当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，晶体的阻抗最小，近似为一短路线，电路满足相位条件和振幅条件，故能正常工作；当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时，晶体的阻抗增大，使反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能工
38、作。串联型晶体振荡器的工作频率等于晶体的串联谐振频率，不需要外加负载电容CL，通常这种晶体标明其负载电容为无穷大，在实际制作中，若fq有小的误差，则可以通过回路调谐来微调。第4章 正弦波振荡器图 4-23 一种串联型晶体振荡器(a)实际线路；(b)等效电路第4章 正弦波振荡器串联型晶体振荡器能适应高次泛音工作，这是由于晶体只起到控制频率的作用，对回路没有影响，只要电路能正常工作，输出幅度就不受晶体控制。第4章 正弦波振荡器3 使用注意事项使用注意事项使用石英晶体谐振器时应注意以下几点:(1)石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前，在石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的，实际使用时也必须外
39、加负载电容，并经微调后才能获得标称频率。为了保持晶振的高稳定性，负载电容应采用精度较高的微调电容。(2)石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。过高的激励功率会使石英晶体谐振器内部温度升高，使石英晶片的老化效应和频率漂移增大，严重时还会使晶片因机械振动过大而损坏。第4章 正弦波振荡器(3)在并联型晶体振荡器中，石英晶体起等效电感的作用，若作为容抗，则在石英晶片失效时，石英谐振器的支架电容还存在，线路仍可能满足振荡条件而振荡，石英晶体谐振器失去了稳频作用。(4)晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率，当要求在波段中得到可选择的许多频率时，就要采取别的电路措施，如频率合成器，它是用一块晶体得到许多稳
40、定频率，频率合成器的有关内容将在第8章介绍。第4章 正弦波振荡器4.5.3 高稳定晶体振荡器高稳定晶体振荡器前面介绍的并联、串联型晶体振荡器的频率稳定度一般可达105量级，若要得到更高稳定度的信号，需要在一般晶体振荡器基础上采取专门措施来制作。影响晶体振荡器频率稳定度的因素仍然是温度、电源电压和负载变化，其中最主要的还是温度的影响。第4章 正弦波振荡器为减小温度变化对晶体频率及振荡频率的影响，一个办法就是采用温度系数低的晶体晶片，目前在几兆赫兹至几十兆赫兹范围内广泛采用AT切片，其具有的温度特性如图4-24所示。由图可见，在(2070)的正常工作温度范围内，相对频率变化小于5106；并且在(5
41、055)温度范围内有接近于零的温度系数(在此处有一拐点，约在52处)。另一个有效的办法就是保持晶体及有关电路在恒定温度环境中工作，即采用恒温装置，恒温温度最好在晶片的拐点温度处，温度控制得越精确，稳定度越高。第4章 正弦波振荡器图 4-24 AT切片的频率温度特性 第4章 正弦波振荡器图 4-25是一种恒温晶体振荡器的组成框图。它由两大部分组成:晶体振荡器和恒温控制电路。图4-25 中虚框内表示一恒温槽，它是一绝热的小容器，晶体安放在此槽内。恒温的原理为，槽内的感温电阻(如温敏电阻)作为电桥的一臂，当温度等于所需某一温度(拐点温度)时，电桥输出直流电压经放大后，对加热电阻丝加热，以维持平衡温度
42、；当环境温度变化，从而使槽温偏离原来温度时，通过感温电阻的变化改变加热电阻的电流，从而减少槽温的变化。图中的自动增益控制(AGC)起到振幅稳定的作用，同时，由于振荡器振幅稳定，晶体的激励电平不变，也使得晶体的频率稳定。目前，恒温控制的晶体振荡器已制成标准部件供用户使用。恒温晶体振荡器的频率稳定度可达10710 9。第4章 正弦波振荡器图 4-25 恒温晶体振荡器的组成 第4章 正弦波振荡器恒温控制的晶体振荡器频率稳定度虽高，但存在着电路复杂、体积大、重量重等缺点，应用上受到一定限制。在频率稳定度要求不十分高而又希望电路简单、体积小、耗电省的场合，常采用温度补偿晶体振荡器，如图4-26所示。图中
43、RT为温敏电阻，当环境温度改变时，由于晶体的频率随温度变化，振荡器频率也随温度变化，温度改变时，温敏电阻改变，加在变容管上的偏置电压改变，从而使变容管电容变化，以补偿晶体频率的变化，因此整个振荡器频率随温度变化很小，从而得到较高的频率稳定度。需要说明的是，要在整个工作温度范围内实现温度补偿，其补偿电路是很复杂的。温度补偿晶体振荡器的频率稳定度可达10510 6。第4章 正弦波振荡器图 4-26 温度补偿晶振的原理线路 第4章 正弦波振荡器4.6 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象4.6.1 间歇振荡间歇振荡LC振荡器在建立振荡的过程中，有两个互有联系的暂态过程，一个是回路上高频振荡的建立过程
44、；另一个是偏压的建立过程。回路有储能作用，要建立稳定的振荡器需要有一定的时间。回路的有载Q值越低，K0F值越大于1，则振荡建立得越快。由于偏压电路的稳幅作用，上述过程也受偏压变化的影响。偏压的建立，主要由偏压电路的电阻、电容决定(偏压由ib、ic对电阻、电容充放电而产生)，同时也取决于基极激励的强弱。当这两个暂态过程能协调一致进行时，高频振荡和偏压就能一致趋于稳定，从而得到振幅稳定的振荡。当高频振荡建立较快，而偏压电路由于时常数过大而变化过慢时，就会产生间歇振荡。图4-27是产生间歇振荡时Ub和偏压Eb波形。在t=0时，第4章 正弦波振荡器由于K0F值很大，振荡电压Ub迅速增加，此时因RbCb
45、或ReCe值过大，偏压Eb开始变化不大。Ub增加的结果是，晶体管很快工作到截止状态(180)，或工作到饱和状态。由于非线性作用，放大量K0下降使K0F=1，振荡电压Ub开始趋于稳定。随后偏压Eb继续变负(它的变化比Ub变化要晚一些)。在t=t1至t=t2时间内，振荡器处于平衡状态。由于Eb是变化的，故平衡时的Ub仍稍有下降。至t=t2时，由于Ub的减小导致K0的下降(在C类欠压状态，Ub的下降会使K0下降)，使K0Fk0)，初级两端的并联阻抗ZL具有双峰，而其幅角的频率特性上有三个零值点，也可以说有三个谐振频率I、II、III，如图4-29所示。这三个谐振频率既取决于初、次级本身的谐振频率01
46、、02，也取决于两回路间的耦合系数k。从振荡器的原理可知，若对I、II同时满足振荡的相位平衡和相位稳定条件(，)，这种振荡器就可以在I和II中的一个频率上产生振荡，至于是在I还是在II上振荡，则取决于振幅平衡条件(由于振荡器中固有的非线性作用，即使I、II都满足振幅条件，一种振荡已建立后将抑制另一种振荡的建立，因此不会产生两个频率的同时振荡)。当耦合系数k和初级谐振频率01一定时，I、II(实际上是2I、2II)随次级谐振频率02变化的关系曲线如图4-30(a)所示。当k和02固定时，I、II与01也有相同的曲线。由图可以看出以下几点:(1)II始终大于I，且有II01，I01；第4章 正弦波
47、振荡器图 4-29 阻抗ZL的幅角的频率特性第4章 正弦波振荡器(2)当02远低于01时，02对I影响较大；当02远大于01时，02对II影响较大。此外，两回路耦合越紧，k越大，I与II相差越大(当01、02一定时)。第4章 正弦波振荡器频率拖曳现象是指在上述紧耦合回路的振荡器中，当变化一个回路(如次级回路)的谐振频率时，振荡器频率具有非单值的变化。图4-30(b)就是振荡频率随次级谐振频率02变化的曲线。振荡频率与初级回路的谐振频率01之间也有相似的关系曲线。当02从很低频率增加时，由于II在频率上满足振幅平衡条件，振荡频率为II。在M02N时，因II不再满足振幅平衡条件，而I满足振荡条件，
48、所以振荡频率突跳至较低的I上，并按I的规律变化。以上过程，按图中的a、b、c、d、e顺序变化。若02再从大至小变化，则根据同样的道理，曲线将按图中e、d、c、b、a的顺序变化，在02=M时产生向上突跳。这样的频率变化称为频率拖曳现象，并构成一拖曳环。当02位于M与N之间，而振荡器开始工作时，振荡器可能在II工作，也可能在I工作，这时的振荡器频率不是惟一确定的，它可能受外部条件的影响而产生频率跳变现象。第4章 正弦波振荡器图 4-30 I、II与02的关系曲线及拖曳环的形成第4章 正弦波振荡器频率拖曳现象一般应该避免，因为它使振荡器的频率不是单调的变化和受回路谐振频率惟一确定。为避免产生频率拖曳
49、现象，应该减小两回路的耦合，或减小次级回路Q值。另外，若次级回路频率远离所需的振荡频率范围，也不会产生拖曳现象(振荡频率由01调节)。但在要求有高效率输出的耦合回路振荡器中，拖曳现象通常不能避免，此时应利用以上知识进行调整。在某些微波振荡器中(包括一些利用负阻器件的振荡器)也可以利用拖曳效应用高Q值和高稳定参数的次级回路进行稳频，即让振荡器工作在受02控制较大的部分(如图4-30(b)上的M附近的I或N附近的II上)，这种稳频方法称为牵引稳频，次级回路由稳频腔担任。第4章 正弦波振荡器4.6.3 振荡器的频率占据现象振荡器的频率占据现象在一般LC振荡器中，若从外部引入一频率为fs的信号，当fs
50、接近振荡器原来的振荡频率f1时，会发生占据现象，表现为当fs接近f1时，振荡器受外加信号影响，振荡频率向接近fs的频率变化，而当fs进一步接近原来f1时，振荡频率甚至等于外加信号频率fs，产生强迫同步。当fs离开原来f1时，则发生相反的变化。这是因为，当外加信号频率fs在振荡回路的带宽以内时，外信号的加入会改变振荡器的相位平衡状态，使相位平衡条件在频率上得到满足，从而发生占据现象。4-31(a)为解释占据现象的振荡器线路，其中为外加信号，现等效到晶体管的基极电路。图4-31(b)表示有占据现象时振荡频率和信号频率fs之间频率差与信号频率fs的变化关系，图(b)中fA至fB及fC至fD范围为开始