高頻電子線路 正弦波振蕩器

1、7.1 概述概述 本章討論的是自激式振蕩器，它是在無需外加激勵(lì)信號(hào)本章討論的是自激式振蕩器，它是在無需外加激勵(lì)信號(hào)的情況下，能將直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定波形、一定頻率和的情況下，能將直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定波形、一定頻率和一定幅度的交變能量電路。一定幅度的交變能量電路。振蕩器的分類：振蕩器的分類：按波形分：正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器按波形分：正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器按工作方式：負(fù)阻型振蕩器和反饋型振蕩器按工作方式：負(fù)阻型振蕩器和反饋型振蕩器 按選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的原件分：按選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的原件分： LC振蕩器、振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型振蕩器和晶體振蕩器等類型音 頻 放 大高 頻 振

2、蕩倍 頻高 頻 放 大調(diào) 制緩 沖傳 輸 線話 筒聲 音（ 直 流 電 源 未 畫 ） 高頻放大 fs fs 本地振蕩 fo 混頻 fofs=fi fi 低頻放大 檢波 中頻放大 F F 高頻電路高頻電路高功放高功放振蕩器在通信系統(tǒng)中的位置振蕩器在通信系統(tǒng)中的位置本章主要討論本章主要討論反饋型正弦波振蕩器的基本工作原理反饋型正弦波振蕩器的基本工作原理 ; ; 平衡、起振、穩(wěn)定的條件；平衡、起振、穩(wěn)定的條件；電路的組成、結(jié)構(gòu)和判斷準(zhǔn)則；電路的組成、結(jié)構(gòu)和判斷準(zhǔn)則；電路特點(diǎn)、性能指標(biāo)等。電路特點(diǎn)、性能指標(biāo)等。 振蕩器的主要應(yīng)用：振蕩器的主要應(yīng)用： 無線電發(fā)射機(jī)中的載波信號(hào)源無線電發(fā)射機(jī)中的載波信號(hào)

3、源 超外差接收機(jī)中的本機(jī)振蕩超外差接收機(jī)中的本機(jī)振蕩 電子測量儀器中的正弦波信號(hào)源電子測量儀器中的正弦波信號(hào)源 數(shù)字系統(tǒng)中的時(shí)鐘信號(hào)數(shù)字系統(tǒng)中的時(shí)鐘信號(hào)7.2 反饋型振蕩器基本工作原理反饋型振蕩器基本工作原理 實(shí)際中的反饋振蕩器是由反饋實(shí)際中的反饋振蕩器是由反饋放大器演變而來，如右圖。放大器演變而來，如右圖。 + vf vo L C + + vi K 1 2 Rb2 Re Ce +VCC M + 自激振蕩建立的物理過程自激振蕩建立的物理過程 若開關(guān)若開關(guān)K撥向撥向“1”時(shí)，該電時(shí)，該電路則為調(diào)諧放大器，當(dāng)輸入信號(hào)路則為調(diào)諧放大器，當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，放大器輸出負(fù)載互為正弦波時(shí)，放大器輸出負(fù)載

4、互感耦合變壓器感耦合變壓器L2上的電壓為上的電壓為vo(vf) ，調(diào)整互感調(diào)整互感M及同名端以及回路參及同名端以及回路參數(shù)，可以使數(shù)，可以使 vi = vo 。 此時(shí)，若將開關(guān)此時(shí)，若將開關(guān)K快速撥向快速撥向“2”點(diǎn)，則集電極電路和基點(diǎn)，則集電極電路和基極電路都維持開關(guān)極電路都維持開關(guān)K接到接到“1”點(diǎn)時(shí)的狀態(tài)，即始終維持著與點(diǎn)時(shí)的狀態(tài)，即始終維持著與vi相同頻率的正弦信號(hào)。這時(shí)，調(diào)諧放大器就變?yōu)樽约ふ袷幤鳌Ｏ嗤l率的正弦信號(hào)。這時(shí)，調(diào)諧放大器就變?yōu)樽约ふ袷幤鳌?在電源開關(guān)閉合的瞬間，電流的跳變?cè)诩姌O在電源開關(guān)閉合的瞬間，電流的跳變?cè)诩姌OLC振蕩電振蕩電路中激起振蕩。選頻網(wǎng)絡(luò)帶寬極窄，在回

5、路兩端產(chǎn)生正弦波路中激起振蕩。選頻網(wǎng)絡(luò)帶寬極窄，在回路兩端產(chǎn)生正弦波電壓電壓vo，并通過互感耦合變壓器反饋到基級(jí)回路，這就是激，并通過互感耦合變壓器反饋到基級(jí)回路，這就是激勵(lì)信號(hào)。勵(lì)信號(hào)。 由于晶體管特性的非線性，振幅會(huì)自動(dòng)穩(wěn)定到一定的幅由于晶體管特性的非線性，振幅會(huì)自動(dòng)穩(wěn)定到一定的幅度。因此振蕩的幅度不會(huì)無限增大。度。因此振蕩的幅度不會(huì)無限增大。 起始振蕩信號(hào)十分微弱，但是由于不斷地對(duì)它進(jìn)行放起始振蕩信號(hào)十分微弱，但是由于不斷地對(duì)它進(jìn)行放大大選頻選頻反饋反饋再放大等多次循環(huán)，于是一個(gè)與振蕩回路再放大等多次循環(huán)，于是一個(gè)與振蕩回路固有頻率相同的自激振蕩便由小到大地增長起來。固有頻率相同的自激振

6、蕩便由小到大地增長起來。 振蕩器通常工作在丙類，因此它的工作狀態(tài)是非線性的，振蕩器通常工作在丙類，因此它的工作狀態(tài)是非線性的，嚴(yán)格的分析應(yīng)該用非線性理論，但這是很困難的。在本章將嚴(yán)格的分析應(yīng)該用非線性理論，但這是很困難的。在本章將振蕩器用甲類線性放大來進(jìn)行分析。振蕩器用甲類線性放大來進(jìn)行分析。反饋型自激振蕩器的電路構(gòu)成必須由三部分組成：反饋型自激振蕩器的電路構(gòu)成必須由三部分組成：1) 包含兩個(gè)包含兩個(gè)(或兩個(gè)以上或兩個(gè)以上)儲(chǔ)能元件的振蕩回路。儲(chǔ)能元件的振蕩回路。 2) 可以補(bǔ)充由振蕩回路電阻產(chǎn)生損耗的能量來源?？梢匝a(bǔ)充由振蕩回路電阻產(chǎn)生損耗的能量來源。3) 使能量在正確的時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充到電路中的

7、控制設(shè)備。使能量在正確的時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充到電路中的控制設(shè)備。振蕩器的起振條件振蕩器的起振條件AF+vi+vo基本反饋環(huán)基本反饋環(huán)FA1AAoof0VVVAfioo如右圖：如右圖：若在某種情況下若在某種情況下1- =0時(shí)，此時(shí)即使沒時(shí)，此時(shí)即使沒有輸入信號(hào)有輸入信號(hào)(vi=0)時(shí)，放大器仍有輸出時(shí)，放大器仍有輸出電壓放大器變?yōu)檎袷幤?。電壓放大器變?yōu)檎袷幤?。FAo 要維持一定振幅的振蕩，反饋系數(shù)要維持一定振幅的振蕩，反饋系數(shù)F F應(yīng)設(shè)計(jì)得大一應(yīng)設(shè)計(jì)得大一些。一般取些。一般取8121這樣就可以使得在這樣就可以使得在 1時(shí)的情況下起振。時(shí)的情況下起振。FAo由上分析知，反饋型正弦波振蕩器的起振條件是：由上分

8、析知，反饋型正弦波振蕩器的起振條件是：12(0,1,)oAFA FnnFAo1 其物理意義是：振幅起振條件要求反饋電壓幅度其物理意義是：振幅起振條件要求反饋電壓幅度vf要一次要一次比一次大，而相位起振條件則要求環(huán)路保持正反饋。比一次大，而相位起振條件則要求環(huán)路保持正反饋。 放大器增益放大器增益A與輸出電壓幅度與輸出電壓幅度Vo之之間的關(guān)系叫間的關(guān)系叫振蕩特性振蕩特性，F(xiàn)與與Vo之間的關(guān)之間的關(guān)系叫系叫反饋特性反饋特性。起振的幅度條件可用右。起振的幅度條件可用右上圖表示。上圖表示。A0QVomQ反饋特性振蕩特性VomF1起振條件與平衡條件起振條件與平衡條件 圖解圖解( (軟激勵(lì)起振軟激勵(lì)起振)

9、) 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，振在實(shí)際設(shè)計(jì)中，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，振蕩特性可能不是單調(diào)下降的，而如右下蕩特性可能不是單調(diào)下降的，而如右下圖所示。其靜態(tài)工作點(diǎn)太低，圖所示。其靜態(tài)工作點(diǎn)太低，ICQ太小，太小，因而因而A0太小，以至不滿足太小，以至不滿足 。 這種振蕩器電路一般不能自行起振，這種振蕩器電路一般不能自行起振，而必須給以一個(gè)較大幅度的初始激勵(lì)，使而必須給以一個(gè)較大幅度的初始激勵(lì)，使動(dòng)態(tài)點(diǎn)越過不穩(wěn)定平衡點(diǎn)動(dòng)態(tài)點(diǎn)越過不穩(wěn)定平衡點(diǎn)B才能起振，這叫才能起振，這叫硬激勵(lì)起振，設(shè)計(jì)電路要力加避免。硬激勵(lì)起振，設(shè)計(jì)電路要力加避免。VomA0F1F1ABQ硬激勵(lì)起振特性硬激勵(lì)起振特性F1A0振蕩器的平衡條

10、件振蕩器的平衡條件 所謂平衡條件是指振蕩已經(jīng)建立，為了維持自激振蕩必所謂平衡條件是指振蕩已經(jīng)建立，為了維持自激振蕩必須滿足的幅度與相位關(guān)系。須滿足的幅度與相位關(guān)系。振蕩器的平衡條件為振蕩器的平衡條件為FA1()2(0,1,) ()AFAFnn振振幅幅平平衡衡相相位位平平衡衡=1 在平衡條件下，反饋到放大管的輸入信號(hào)正好等于放大管在平衡條件下，反饋到放大管的輸入信號(hào)正好等于放大管維持及所需要的輸入電壓，從而保持反饋環(huán)路各點(diǎn)電壓的平維持及所需要的輸入電壓，從而保持反饋環(huán)路各點(diǎn)電壓的平衡，使振蕩器得以維持。衡，使振蕩器得以維持。振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件 形成穩(wěn)定平衡點(diǎn)的關(guān)鍵在

11、于在平衡點(diǎn)附近，放大倍數(shù)隨形成穩(wěn)定平衡點(diǎn)的關(guān)鍵在于在平衡點(diǎn)附近，放大倍數(shù)隨振幅的變化特性具有負(fù)的斜率，即振幅的變化特性具有負(fù)的斜率，即omQomomVVVA02) 相位平衡的穩(wěn)定條件相位平衡的穩(wěn)定條件1) 振幅平衡的穩(wěn)定條件振幅平衡的穩(wěn)定條件 相位穩(wěn)定條件指相位平衡條件遭到破壞時(shí)，線路本身能相位穩(wěn)定條件指相位平衡條件遭到破壞時(shí)，線路本身能重新建立起相位平衡點(diǎn)的條件；若能建立則仍能保持其穩(wěn)定重新建立起相位平衡點(diǎn)的條件；若能建立則仍能保持其穩(wěn)定的振蕩。的振蕩。相位穩(wěn)定條件應(yīng)為相位穩(wěn)定條件應(yīng)為00)(FZY或或增強(qiáng)增強(qiáng)衰減衰減7.3 反饋型反饋型LC振蕩器線路振蕩器線路 LC振蕩器按其反饋網(wǎng)絡(luò)的不同

12、，可分為互感耦合振蕩器、振蕩器按其反饋網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為互感耦合振蕩器、電感反饋式振蕩器和電容反饋式振蕩器三種類型。電感反饋式振蕩器和電容反饋式振蕩器三種類型。一、互感耦合振蕩器一、互感耦合振蕩器 互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)正反饋互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)正反饋的，耦合線圈同名端的正確位置的放置，可用瞬時(shí)極性法進(jìn)的，耦合線圈同名端的正確位置的放置，可用瞬時(shí)極性法進(jìn)行判斷，選擇合適的耦合量行判斷，選擇合適的耦合量M，使之滿足振幅起振條件很重，使之滿足振幅起振條件很重要。要。 互感耦合振蕩器有三種形式：調(diào)基電路、調(diào)集電路和調(diào)互感耦合振蕩器有三種形式：調(diào)基電路、調(diào)集電

13、路和調(diào)發(fā)電路，這是根據(jù)振蕩回路是在集電極電路、基極電路和發(fā)發(fā)電路，這是根據(jù)振蕩回路是在集電極電路、基極電路和發(fā)射極電路來區(qū)分的。射極電路來區(qū)分的。 本部分內(nèi)容重點(diǎn)介紹不同型式的反饋型本部分內(nèi)容重點(diǎn)介紹不同型式的反饋型LC振蕩器，以振蕩器，以三點(diǎn)式振蕩器作為重點(diǎn)。三點(diǎn)式振蕩器作為重點(diǎn)。 由于基極和發(fā)射極由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回為了避免過多地影響回路的路的Q值，故在調(diào)基和值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個(gè)電路中，晶調(diào)發(fā)這兩個(gè)電路中，晶體管與振蕩回路作部分體管與振蕩回路作部分耦合。耦合。 調(diào)基電路振蕩頻率調(diào)基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時(shí)，在較寬的范圍改

14、變時(shí)，振幅比較平穩(wěn)。振幅比較平穩(wěn)。VCCRb1Rb2CbCeMCL1L2ReL(a) 調(diào)基電路調(diào)基電路調(diào)基電路調(diào)基電路調(diào)集電路在高頻輸出方調(diào)集電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，面比其它兩種電路穩(wěn)定，而且幅度較大，諧波成而且幅度較大，諧波成分較小。分較小。v1Rb1Rb2ReCbCeVCCCM（b）調(diào)集電路）調(diào)集電路 由于基極和發(fā)射極由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回為了避免過多地影響回路的路的Q值，故在調(diào)基和調(diào)值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個(gè)電路中，晶體發(fā)這兩個(gè)電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦管與振蕩回路作部分耦合。合。VCCRb1Rb2RoCbCeM

15、CL2L1（c）調(diào)發(fā)電路）調(diào)發(fā)電路 互感耦合振蕩器在調(diào)整反饋互感耦合振蕩器在調(diào)整反饋(改變改變M)時(shí)，基本上不影響時(shí)，基本上不影響振蕩頻率。但由于分布電容的存在，在頻率較高時(shí)，難于做振蕩頻率。但由于分布電容的存在，在頻率較高時(shí)，難于做出穩(wěn)定性高的變壓器。因此，它們的工作頻率不宜過高，一出穩(wěn)定性高的變壓器。因此，它們的工作頻率不宜過高，一般應(yīng)用于中、短波波段。般應(yīng)用于中、短波波段。根據(jù)根據(jù)h參數(shù)等效電路分析可知互感耦合振蕩器的振蕩頻率參數(shù)等效電路分析可知互感耦合振蕩器的振蕩頻率1111122boibhfrLChLC 起振條件：起振條件：ibbh rCLhM hfb其中其中r為為L中的損耗電阻，中

16、的損耗電阻，M與與hf越大，越容易起振。越大，越容易起振。bobibfbrbhhhhh二、三端式二、三端式LC振蕩器振蕩器 三端式三端式LC振蕩電路是經(jīng)常被采用的，其工作頻率約在振蕩電路是經(jīng)常被采用的，其工作頻率約在幾幾MHz到幾百到幾百M(fèi)Hz的范圍，頻率穩(wěn)定度也比變壓器耦合振的范圍，頻率穩(wěn)定度也比變壓器耦合振蕩電路高一些，約為蕩電路高一些，約為103104量級(jí)，采取一些穩(wěn)頻措施后，量級(jí)，采取一些穩(wěn)頻措施后，還可以再提高一點(diǎn)。還可以再提高一點(diǎn)。三端式三端式LC振蕩器有多種形式，主要有：振蕩器有多種形式，主要有：電感三端式，又稱哈特萊振蕩器電感三端式，又稱哈特萊振蕩器(Hartley)；電容三端

17、式，又稱考畢茲振蕩器電容三端式，又稱考畢茲振蕩器(Coplitts)；串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱克拉潑振蕩器串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱克拉潑振蕩器(Clapp)；并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱西勒振蕩器并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱西勒振蕩器(Selier)。LC三端式振蕩器組成法則三端式振蕩器組成法則( (相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則) )v1Rb1Rb2Cb VCCCLL1L2CeRe (a) (a) 共發(fā)電感反饋三端式振蕩器電路共發(fā)電感反饋三端式振蕩器電路v1CN1N2L1L2+vivf(b) 等效電路等效電路電感三端式振蕩電路電感三端式振蕩電路由由h參數(shù)等效電路可以推導(dǎo)，電感反

18、饋三端電路的起振條件參數(shù)等效電路可以推導(dǎo)，電感反饋三端電路的起振條件MLMLRhRFh21piepiepfeieRhh hfe 電感反饋三端電路的振蕩頻率為電感反饋三端電路的振蕩頻率為021212111122(2)()oeiefhLCC LLMLLMh電感反饋三端式振蕩器電感反饋三端式振蕩器( (哈特萊電路哈特萊電路) )21LMFLM哈特萊電路的優(yōu)點(diǎn)：哈特萊電路的優(yōu)點(diǎn)： 1、L1、L2之間有互感，反饋較強(qiáng)，容易起振；之間有互感，反饋較強(qiáng)，容易起振；電路的缺點(diǎn)：電路的缺點(diǎn)：1、振蕩波形不好，因?yàn)榉答侂妷菏窃陔姼猩汐@得，振蕩波形不好，因?yàn)榉答侂妷菏窃陔姼猩汐@得， 而電感對(duì)高次諧波呈高阻抗，因此對(duì)

19、高次諧波的而電感對(duì)高次諧波呈高阻抗，因此對(duì)高次諧波的 反饋較強(qiáng)，使波形失真大；反饋較強(qiáng)，使波形失真大；2、電感反饋三端電路的振蕩頻率不能做得太高，這電感反饋三端電路的振蕩頻率不能做得太高，這 是因?yàn)轭l率太高，是因?yàn)轭l率太高，L L太小且分布參數(shù)的影響太太小且分布參數(shù)的影響太 大。大。2、振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容、振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容C的大小即可。的大小即可。3、而且、而且C的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。電容反饋三端振蕩器電容反饋三端振蕩器( (考畢茲電路考畢茲電路) ) v1 Cb Re Ce VCC L Rc Cc C1 C2 v1C1C

20、2+Lvivf電容三端式振蕩電路電容三端式振蕩電路（a）（b）可推導(dǎo)電容反饋三端電路的起振條件可推導(dǎo)電容反饋三端電路的起振條件12pieCCRhpfeieRhh hfe 電容反饋三端電路的振蕩頻率電容反饋三端電路的振蕩頻率21ieoe21210CChhCLCCC21f111222oiCCCCFCCCC考畢茲電路的優(yōu)點(diǎn)：考畢茲電路的優(yōu)點(diǎn)：1）電容反饋三端電路的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好。）電容反饋三端電路的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好。2）電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電容量，就可）電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電容量，就可 以減小不穩(wěn)定因素對(duì)振蕩頻率的影響。以減小不穩(wěn)定因素對(duì)振蕩頻率的影響。3）電容三端

21、電路的工作頻率可以做得較高，可直接利用振）電容三端電路的工作頻率可以做得較高，可直接利用振 蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工作蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工作 頻率可做到幾十頻率可做到幾十MHz到幾百到幾百M(fèi)Hz的甚高頻波段范圍。的甚高頻波段范圍。電路的缺點(diǎn)：電路的缺點(diǎn)： 調(diào)調(diào)C1或或C2來改變振蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。那來改變振蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。那么在波段工作時(shí)就會(huì)使輸出幅度不穩(wěn)定。但只要在么在波段工作時(shí)就會(huì)使輸出幅度不穩(wěn)定。但只要在L兩端兩端并上一個(gè)可變電容器，并令并上一個(gè)可變電容器，并令C1與與C2為固定電容，則在調(diào)整為固定電容，則在調(diào)整頻率時(shí)

22、，基本上不會(huì)影響反饋系數(shù)。頻率時(shí)，基本上不會(huì)影響反饋系數(shù)。串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器( (克拉潑電路克拉潑電路) )CbReVCCRsC3C1C2LRb2Rb1ABRLC1LABCceCbeC2RebCcbceRLReoC3（a a）克拉潑電路的實(shí)用用電路）克拉潑電路的實(shí)用用電路（b b）高頻等效電路）高頻等效電路因?yàn)橐驗(yàn)镃3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C1或或C2，所以三電容串聯(lián)后的等效電容，所以三電容串聯(lián)后的等效電容323133313221321CCCCC1CCCCCCCCCCC30LC1LC1振蕩角頻率振蕩角頻率故克拉潑電路的振蕩頻率幾乎與故克拉潑電路的振蕩頻率幾乎與C1、

23、C2無關(guān)。無關(guān)。(1)由于由于Cce、Cbe的接入系數(shù)減小，晶體管與諧振回路是松耦合。的接入系數(shù)減小，晶體管與諧振回路是松耦合。(2)調(diào)整調(diào)整C1 C2的值可以改變反饋系數(shù)的值可以改變反饋系數(shù),但對(duì)諧振頻率的影響很小。但對(duì)諧振頻率的影響很小。 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可知，放大倍數(shù)與頻率的立方成反比，故隨著經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可知，放大倍數(shù)與頻率的立方成反比，故隨著放大頻率的升高振蕩的幅度明顯下降，上限頻率受到限制。放大頻率的升高振蕩的幅度明顯下降，上限頻率受到限制。故故: :(3)調(diào)整值調(diào)整值C3可以改變系統(tǒng)的諧振頻率可以改變系統(tǒng)的諧振頻率,對(duì)反饋系數(shù)無影響。對(duì)反饋系數(shù)無影響。(1) 克拉潑電路的波段覆蓋的范圍窄?？死?/p>

24、潑電路的波段覆蓋的范圍窄。(2) 工作波段內(nèi)輸出波形隨著頻率的變化大。工作波段內(nèi)輸出波形隨著頻率的變化大?？死瓭婋娐返奶攸c(diǎn)克拉潑電路的特點(diǎn): :并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(西勒西勒(Seiler)電路電路) Cb Re VCC Rs C1 C2 L Rb2 Rb1 C3 C4 C2LC1C4C3(a)(a)實(shí)際電路實(shí)際電路(b)(b)高頻等效電路高頻等效電路其回路等效電容其回路等效電容434323121321CCCCCCCCCCCCC振蕩頻率振蕩頻率)CC(L21LC21f430其特點(diǎn)：其特點(diǎn)：(1) 波段覆蓋率寬。波段覆蓋率寬。(2) 工作波段內(nèi)工作波段內(nèi),輸出波形

25、隨頻率變化小。輸出波形隨頻率變化小。LC三端式振蕩器組成法則三端式振蕩器組成法則(相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則)Xbe+bXceXcbvivf+voce三端式振蕩器的原理電路三端式振蕩器的原理電路三端式三端式LC振蕩器是一種反饋式振蕩器是一種反饋式LC振蕩器。振蕩器。當(dāng)回路元件的電阻很小，可以當(dāng)回路元件的電阻很小，可以忽略其影響，同時(shí)也忽略三極忽略其影響，同時(shí)也忽略三極管的輸入阻抗與輸出阻抗的影管的輸入阻抗與輸出阻抗的影響，則電路要振蕩必須滿足條響，則電路要振蕩必須滿足條件：件： xbe+xce+xcb=0電路特點(diǎn)簡言之就是電路特點(diǎn)簡言之就是“ce，be同抗件，同抗件，cb反抗

26、件反抗件”。以此準(zhǔn)。以此準(zhǔn)則可迅速判斷振蕩電路組成是否合理，能否起振。也可用則可迅速判斷振蕩電路組成是否合理，能否起振。也可用于分析復(fù)雜電路與寄生振蕩現(xiàn)象。于分析復(fù)雜電路與寄生振蕩現(xiàn)象。127.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定問題振蕩器的頻率穩(wěn)定問題 頻率穩(wěn)定，就是在各種外界條件發(fā)生變化的情況下，要頻率穩(wěn)定，就是在各種外界條件發(fā)生變化的情況下，要求振蕩器的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差及偏差的變化求振蕩器的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差及偏差的變化最小。最小。 振蕩器的頻率穩(wěn)定度則是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，由于各振蕩器的頻率穩(wěn)定度則是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，由于各種因素變化，引起的振蕩頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率變化的程度

27、。種因素變化，引起的振蕩頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率變化的程度。絕對(duì)準(zhǔn)確度絕對(duì)準(zhǔn)確度0fff相對(duì)準(zhǔn)確度相對(duì)準(zhǔn)確度000fffff短期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度: :一天內(nèi)，頻率的相對(duì)變化最大值。一天內(nèi)，頻率的相對(duì)變化最大值。外界因素所引起的頻率變化大都屬于這一類。通外界因素所引起的頻率變化大都屬于這一類。通常稱為頻率漂移。用來評(píng)測測量儀器和通訊設(shè)備常稱為頻率漂移。用來評(píng)測測量儀器和通訊設(shè)備中的主振器的頻率穩(wěn)定指標(biāo)。中的主振器的頻率穩(wěn)定指標(biāo)。長期頻率穩(wěn)定度：長期頻率穩(wěn)定度：一天以上以至幾個(gè)月。評(píng)價(jià)天一天以上以至幾個(gè)月。評(píng)價(jià)天文臺(tái)或高精度頻率標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)時(shí)設(shè)備。文臺(tái)或高精度頻率標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)時(shí)設(shè)備。瞬間頻率穩(wěn)定度：瞬間

28、頻率穩(wěn)定度：秒或毫秒內(nèi)隨即頻率變化。稱秒或毫秒內(nèi)隨即頻率變化。稱為振蕩器的相位抖動(dòng)或相位噪聲。為振蕩器的相位抖動(dòng)或相位噪聲。 短期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度主要與溫度變化、電源電壓主要與溫度變化、電源電壓變化和電路參數(shù)不穩(wěn)定性等因素有關(guān)。變化和電路參數(shù)不穩(wěn)定性等因素有關(guān)。長期頻率長期頻率穩(wěn)定度穩(wěn)定度主要取決于有源器件和電路元件及石英晶主要取決于有源器件和電路元件及石英晶體和老化特性，與頻率的瞬間變化無關(guān)。而體和老化特性，與頻率的瞬間變化無關(guān)。而瞬間瞬間頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度主要是由于頻率源內(nèi)部噪聲而引起的主要是由于頻率源內(nèi)部噪聲而引起的頻率起伏，它與外界條件和長期頻率穩(wěn)定度無關(guān)。頻率起伏，它與外界

29、條件和長期頻率穩(wěn)定度無關(guān)。一、影響頻率穩(wěn)定度的因素一、影響頻率穩(wěn)定度的因素1. 振蕩回路參數(shù)對(duì)頻率的影響振蕩回路參數(shù)對(duì)頻率的影響因?yàn)檎袷庮l率因?yàn)檎袷庮l率LC10其相對(duì)頻率變化量為其相對(duì)頻率變化量為)CCLL(21002. 回路品質(zhì)因素回路品質(zhì)因素Q值對(duì)頻率的影響值對(duì)頻率的影響如右圖，如右圖，Q值越高，則相同的相角變化值越高，則相同的相角變化引起頻率偏移越小。引起頻率偏移越小。ZYFoo2YFYFYFo2o2ZYFQ2Q1Q1Q21o1o13. 有源器件的參數(shù)對(duì)頻率的影響有源器件的參數(shù)對(duì)頻率的影響 振蕩管為有源器件，若它的工作狀態(tài)振蕩管為有源器件，若它的工作狀態(tài)(電源電壓或周電源電壓或周圍溫度等

30、圍溫度等)有所改變，則由式有所改變，則由式 如果晶體管參數(shù)如果晶體管參數(shù) h與與hi將發(fā)生變化，即引起振蕩頻將發(fā)生變化，即引起振蕩頻率的改變。率的改變。1111122oihfrLChLC 另外，另外， 當(dāng)外界因素當(dāng)外界因素(如電源電壓、溫度、濕度等如電源電壓、溫度、濕度等)變化變化時(shí)，這些參數(shù)隨之而來的變化就會(huì)造成振蕩器頻率的變化。時(shí)，這些參數(shù)隨之而來的變化就會(huì)造成振蕩器頻率的變化。二、振蕩器穩(wěn)定頻率的方法二、振蕩器穩(wěn)定頻率的方法1. 減小外因變化，根除減小外因變化，根除“病因病因”減小溫度的變化，可將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)；另使振減小溫度的變化，可將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)；另使振 蕩器遠(yuǎn)離熱源，如采

31、用正、負(fù)溫度系數(shù)不同的蕩器遠(yuǎn)離熱源，如采用正、負(fù)溫度系數(shù)不同的L、C，抵消，抵消 L、 C。減小電源的變化，采用二次穩(wěn)壓電源供電；或者振蕩減小電源的變化，采用二次穩(wěn)壓電源供電；或者振蕩器采取單獨(dú)供電。器采取單獨(dú)供電。3) 減小濕度和大氣壓力的影響，通常將振蕩器密封起來。減小濕度和大氣壓力的影響，通常將振蕩器密封起來。4) 減小磁場感應(yīng)對(duì)頻率的影響，對(duì)振蕩器進(jìn)行屏蔽。減小磁場感應(yīng)對(duì)頻率的影響，對(duì)振蕩器進(jìn)行屏蔽。5) 消除機(jī)械振動(dòng)的影響消除機(jī)械振動(dòng)的影響 通?？杉酉鹌|圈作減振器。通常可加橡皮墊圈作減振器。減小負(fù)載的影響，在振蕩器和下級(jí)電路之間加緩沖減小負(fù)載的影響，在振蕩器和下級(jí)電路之間加緩沖 器

32、，提高回路器，提高回路Q值；本級(jí)輸出與下一級(jí)采取松耦合；值；本級(jí)輸出與下一級(jí)采取松耦合； 采取克拉潑或西勒電路，減弱晶體管與振蕩回路之采取克拉潑或西勒電路，減弱晶體管與振蕩回路之間耦合，使折算到回路內(nèi)的有源器件參數(shù)減小，提高回間耦合，使折算到回路內(nèi)的有源器件參數(shù)減小，提高回路標(biāo)準(zhǔn)性，提高頻率穩(wěn)定度。路標(biāo)準(zhǔn)性，提高頻率穩(wěn)定度。 2. 提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性 所謂回路的標(biāo)準(zhǔn)性即指振蕩回路在外界因素變化時(shí)保持其所謂回路的標(biāo)準(zhǔn)性即指振蕩回路在外界因素變化時(shí)保持其固有諧振頻率不變的能力。固有諧振頻率不變的能力。 要提高回路標(biāo)準(zhǔn)性即要減小要提高回路標(biāo)準(zhǔn)性即要減小 L L和和 C C，因此可采取優(yōu)

33、質(zhì)材，因此可采取優(yōu)質(zhì)材料的電感和電容。料的電感和電容。 3. 減小相角減小相角 YF及其變化量及其變化量YF 為使振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，則要求為使振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，則要求 YF的數(shù)值小，且的數(shù)值小，且變化量小。變化量小。 可使振蕩器的工作頻率比振蕩管的的特性頻率低很多，可使振蕩器的工作頻率比振蕩管的的特性頻率低很多，即即ffT并選用電容三端式振蕩電路，使振蕩波形良好。并選用電容三端式振蕩電路，使振蕩波形良好。3.3.直流饋電線路的選擇；直流饋電線路的選擇；為保證起振振幅條件，起始工作點(diǎn)應(yīng)在線性放大區(qū)，為保證起振振幅條件，起始工作點(diǎn)應(yīng)在線性放大區(qū)，從穩(wěn)頻出發(fā)，穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)在截止區(qū)，不應(yīng)在飽和區(qū)

34、，否則易從穩(wěn)頻出發(fā)，穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)在截止區(qū)，不應(yīng)在飽和區(qū)，否則易降低品質(zhì)因數(shù)降低品質(zhì)因數(shù)Q Q。4.4.振蕩回路元件的選擇；振蕩回路元件的選擇；從穩(wěn)頻出發(fā)，從穩(wěn)頻出發(fā)，L L、C C應(yīng)盡可能大，但應(yīng)盡可能大，但C C大不利于波段工大不利于波段工作，作，L L大分布電容大，大分布電容大，L L小小Q Q值小，一般值小，一般C C取幾十幾百皮法，取幾十幾百皮法，L L取取0.10.1幾十微亨。幾十微亨。7.5 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器一、石英晶體及其特性一、石英晶體及其特性 石英晶體具有正反壓電效應(yīng)。當(dāng)晶體幾何尺石英晶體具有正反壓電效應(yīng)。當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí)，它本身有一個(gè)固有的機(jī)械振動(dòng)寸和結(jié)

35、構(gòu)一定時(shí)，它本身有一個(gè)固有的機(jī)械振動(dòng)頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí)，晶體片的機(jī)械振動(dòng)最大，晶體表面電荷量率時(shí)，晶體片的機(jī)械振動(dòng)最大，晶體表面電荷量最多，外電路中的交流電流最強(qiáng)，于是產(chǎn)生了諧最多，外電路中的交流電流最強(qiáng)，于是產(chǎn)生了諧振。振。1. 1. 石英晶體諧振器石英晶體諧振器 石英晶振的固有頻率十分穩(wěn)定，它的溫度系數(shù)（溫度變石英晶振的固有頻率十分穩(wěn)定，它的溫度系數(shù)（溫度變化化1所引起的固有頻率相對(duì)變化量）在所引起的固有頻率相對(duì)變化量）在106以下。以下。 石英晶振的振動(dòng)具有多諧性石英晶振的振動(dòng)具有多諧性,有基頻振動(dòng)和奇次諧波泛有基頻振

36、動(dòng)和奇次諧波泛音振動(dòng)。前者稱為基頻晶體，后者稱為泛音晶體。音振動(dòng)。前者稱為基頻晶體，后者稱為泛音晶體。 晶體厚度與振動(dòng)頻率成反比，工作頻率越高，要求晶晶體厚度與振動(dòng)頻率成反比，工作頻率越高，要求晶片越薄。機(jī)械強(qiáng)度越差，加工越困難，使用中也易損壞。片越薄。機(jī)械強(qiáng)度越差，加工越困難，使用中也易損壞。2. 2. 石英晶體的阻抗頻率特性石英晶體的阻抗頻率特性C0(a) (b)CqLqrqC0Cq1Lq1rq1Cq3Lq3rq3Cq5Lq5rq5CqkLqkrqk(c) 符號(hào)符號(hào) 基頻等效電路基頻等效電路 完整等效電路完整等效電路 石英晶體諧振器石英晶體諧振器如上圖：如上圖：安裝電容安裝電容C0 約約1

37、10pF動(dòng)態(tài)電感動(dòng)態(tài)電感Lq 約約103102H動(dòng)態(tài)電容動(dòng)態(tài)電容Cq 約約104101pF動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻rq 約幾十約幾十幾百幾百 由以上參數(shù)可以看到由以上參數(shù)可以看到石英晶振的石英晶振的Q值和特性阻抗值和特性阻抗 都非常高。都非常高。Q值可達(dá)幾萬到幾值可達(dá)幾萬到幾百萬。百萬。（2） 由于石英晶振的接入系數(shù)由于石英晶振的接入系數(shù)P= Cq/(C0+ Cq)很小，所以外很小，所以外 接元器件參數(shù)對(duì)石英晶振的影響很小。接元器件參數(shù)對(duì)石英晶振的影響很小。 因?yàn)橐驗(yàn)閝qqqqrCLrQ11而而Lq較大，較大，Cq與與rq很小很?。?） 上圖上圖(b)可以看到，石英晶振可以等效為一個(gè)串聯(lián)諧振可以看到，

38、石英晶振可以等效為一個(gè)串聯(lián)諧振 回路和一個(gè)并聯(lián)諧振回路?；芈泛鸵粋€(gè)并聯(lián)諧振回路。若忽略若忽略rq，則晶振兩端呈現(xiàn)純電抗。，則晶振兩端呈現(xiàn)純電抗。串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率 qqqCL21f并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率0qqq00qq0q0qpCC1fCCCfCCCCL21f二、晶體振蕩器電路二、晶體振蕩器電路1. 皮爾斯皮爾斯(Pierce)振蕩電路振蕩電路CoLqC1C2rqbceCqaLqrqCqaCoCLcbCbReVCCC1C2Rb2Rb1Lc皮爾斯皮爾斯(Pierce)振蕩電路振蕩電路 振蕩回路與晶體振蕩回路與晶體 管、負(fù)載之間的管、負(fù)載之間的耦耦 合很弱。合很弱。(2) 振蕩頻率幾乎由石

39、英晶振蕩頻率幾乎由石英晶 振的參數(shù)決定，而石英振的參數(shù)決定，而石英 晶振本身的參數(shù)具有高晶振本身的參數(shù)具有高 度的穩(wěn)定性。度的穩(wěn)定性。(3) 由于振蕩頻率由于振蕩頻率f0一般調(diào)諧在標(biāo)稱頻率一般調(diào)諧在標(biāo)稱頻率fN上，位于晶振的上，位于晶振的 感性區(qū)間，電抗曲線陡峭，穩(wěn)頻性能極好。感性區(qū)間，電抗曲線陡峭，穩(wěn)頻性能極好。(4) 由于晶振的由于晶振的Q值和特性阻抗值和特性阻抗 都很高，所以晶振都很高，所以晶振 的諧振電阻也很高，一般可達(dá)的諧振電阻也很高，一般可達(dá)1010 以上。這樣以上。這樣 即使外電路接入系數(shù)很小，此諧振電阻等效到即使外電路接入系數(shù)很小，此諧振電阻等效到 晶體管輸出端的阻抗仍很大，使

40、晶體管的電壓晶體管輸出端的阻抗仍很大，使晶體管的電壓 增益能滿足振幅起振條件的要求。增益能滿足振幅起振條件的要求。2. 密勒密勒(Miller)振蕩電路振蕩電路300p61122H0.022.2kVDDCgd10M1MHz 密勒振蕩電路密勒振蕩電路 右圖是場效應(yīng)管密勒振蕩電路。石右圖是場效應(yīng)管密勒振蕩電路。石英晶體作為電感元件連接在柵極和源英晶體作為電感元件連接在柵極和源極之間。極之間。LC并聯(lián)回路在振蕩頻率點(diǎn)等并聯(lián)回路在振蕩頻率點(diǎn)等效為電感，作為另一電感元件連接在效為電感，作為另一電感元件連接在漏極和源極之間，極間電容漏極和源極之間，極間電容Cgd作為作為構(gòu)成電感三點(diǎn)式電路中的電容元件。構(gòu)成

41、電感三點(diǎn)式電路中的電容元件。由于由于Cgd又稱為密勒電容，故此電路又稱為密勒電容，故此電路有密勒振蕩電路之稱。有密勒振蕩電路之稱。 密勒振蕩電路通常不采用晶體管，原因是正向偏置時(shí)晶密勒振蕩電路通常不采用晶體管，原因是正向偏置時(shí)晶體管發(fā)射結(jié)電阻太小，雖然晶振與發(fā)射結(jié)的耦合很弱，但也體管發(fā)射結(jié)電阻太小，雖然晶振與發(fā)射結(jié)的耦合很弱，但也會(huì)在一定程度上降低回路的標(biāo)準(zhǔn)性和頻率的穩(wěn)定性，所以采會(huì)在一定程度上降低回路的標(biāo)準(zhǔn)性和頻率的穩(wěn)定性，所以采用輸入阻抗高的場效應(yīng)管。用輸入阻抗高的場效應(yīng)管。石英晶體的基頻越高，晶片的厚度越薄。頻率太高時(shí)，晶石英晶體的基頻越高，晶片的厚度越薄。頻率太高時(shí)，晶片的厚度太薄，加工困難，且易振碎。因此在要求更高頻率工片的厚度太薄，加工困難，且易振碎。因此在要求更高頻率工作時(shí)，可以在晶體振蕩器后面加倍頻器。另一個(gè)辦法就是令晶作時(shí)，可以在晶體振蕩器后面加倍頻器。另一個(gè)辦法就是令晶體工作于它的泛音頻率上，構(gòu)成泛音晶體振蕩器。體工作于它的泛音頻率上，構(gòu)成泛音晶體振蕩器。 3. 泛音晶體振蕩電路泛音晶體振蕩電路圖圖 7.8.5 泛音晶體振蕩