高頻電子線路：第7章 正弦波振蕩器

1、1.1.振蕩器振蕩器 不需外加輸入信號(hào)，自動(dòng)地將直流電能轉(zhuǎn)不需外加輸入信號(hào)，自動(dòng)地將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的裝置。換為交流電能的裝置。2.2.振蕩器的振蕩器的用途用途 信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字式頻率計(jì)、無線電發(fā)送信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字式頻率計(jì)、無線電發(fā)送設(shè)備、超外差式接收機(jī)等。設(shè)備、超外差式接收機(jī)等。音 頻 放 大高 頻 振 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3.3.振蕩器的分類振蕩器的分類正弦波振蕩器正弦波振蕩器非正弦波振蕩器非正弦波振蕩

2、器振蕩器振蕩器波形波形產(chǎn)生機(jī)理產(chǎn)生機(jī)理反饋式振蕩器反饋式振蕩器負(fù)阻式振蕩器負(fù)阻式振蕩器反饋型反饋型LC振蕩器振蕩器反饋型反饋型RC振蕩器振蕩器石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器反饋式振蕩器反饋式振蕩器反饋型反饋型RC振蕩器振蕩器反饋型反饋型LC振蕩器振蕩器石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器01idtCRidtdiL, 022022idtdidtid為固有角頻率。為回路衰減系數(shù)其中：LCLR1,20)2()2(202202CLRCLR即即teLViCLRtsin)2(202時(shí)，即202j其中：1）一套振蕩回路。一套振蕩回路。包含兩個(gè)（或兩個(gè)以上）包含兩個(gè)（或兩個(gè)以上）儲(chǔ)能元件。儲(chǔ)能元件。2）一個(gè)能量來源。一

3、個(gè)能量來源。補(bǔ)充由振蕩回路電阻所產(chǎn)補(bǔ)充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的能量損失。在晶體管電路中即為電源。生的能量損失。在晶體管電路中即為電源。3）一個(gè)控制設(shè)備一個(gè)控制設(shè)備。使電源功率在正確的時(shí)刻。使電源功率在正確的時(shí)刻補(bǔ)充電補(bǔ)充電路的能量損失，以維持等幅路的能量損失，以維持等幅振蕩。振蕩。-+0) 1(1)(122LibbLfbbibribLirhhLCdtdiMhhLhCLChdtidrbfbibobbhhhhh其中：很小時(shí)）（當(dāng)rLCrhhLCibb1) 1(100XXFf反饋系數(shù)：idXXA00增益：fidXX01100FAFA或 Xo 基本放大基本放大 電路電路 Xid A Xf+Xi反饋網(wǎng)絡(luò)反

4、饋網(wǎng)絡(luò)F0FAAAf001fA（從無到有）（從無到有）（由弱到強(qiáng)）（由弱到強(qiáng)）10FA（由增到穩(wěn)）（由增到穩(wěn)）10FA10FAbcVVA1)cos1)()(11max11ccbccCPccVgiRIV)()cos1)(101cccPcARgA)cos1)(110cccPcRgA）（；為小信號(hào)線性放大倍數(shù)式中：4.2,0一般取AA8/12/1F一般取1AF), 2 , 1 , 0(2nnFA振幅平衡條件：振幅平衡條件：相位平衡條件：相位平衡條件：10FA1FA), 2 , 1 , 0(2nnFZY即正反饋。即正反饋。 以上分析了保證振蕩器由弱到強(qiáng)地建立起振蕩的以上分析了保證振蕩器由弱到強(qiáng)地建立起

5、振蕩的起振條件；保證振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)、產(chǎn)生等幅振蕩起振條件；保證振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)、產(chǎn)生等幅振蕩的平衡條件。的平衡條件。 實(shí)際上，平衡狀態(tài)下的振蕩器仍然受到外界因素實(shí)際上，平衡狀態(tài)下的振蕩器仍然受到外界因素變化的影響而可能引起幅度和頻率不穩(wěn)。因此，還應(yīng)變化的影響而可能引起幅度和頻率不穩(wěn)。因此，還應(yīng)該分析保證振蕩器的平衡狀態(tài)不因外界因素變化而受該分析保證振蕩器的平衡狀態(tài)不因外界因素變化而受到破壞的穩(wěn)定條件。到破壞的穩(wěn)定條件。 穩(wěn)定條件也分為穩(wěn)定條件也分為振幅穩(wěn)定振幅穩(wěn)定與與相位穩(wěn)定相位穩(wěn)定兩種。以兩種。以下分別討論之。下分別討論之。 (a) 不穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡 (b) 穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡 1

6、1、振幅平衡的穩(wěn)定條件、振幅平衡的穩(wěn)定條件 振幅穩(wěn)定是指振幅平衡條件遭到破壞時(shí)，振幅平振幅穩(wěn)定是指振幅平衡條件遭到破壞時(shí)，振幅平衡能重新建立，且仍能保持相對(duì)穩(wěn)定的振蕩幅度。衡能重新建立，且仍能保持相對(duì)穩(wěn)定的振蕩幅度。0omQomomVVVA振幅平衡的穩(wěn)定條件：振幅平衡的穩(wěn)定條件：2 2、相位平衡的穩(wěn)定條件、相位平衡的穩(wěn)定條件 相位穩(wěn)定條件是指相位平衡條件遭到破壞時(shí)，相位相位穩(wěn)定條件是指相位平衡條件遭到破壞時(shí)，相位平衡能重新建立，且仍能保持相對(duì)穩(wěn)定的振蕩頻率。平衡能重新建立，且仍能保持相對(duì)穩(wěn)定的振蕩頻率。外部擾外部擾動(dòng)動(dòng) 穩(wěn)定原理：穩(wěn)定原理： 頻率頻率 相位相位 頻率頻率 tttd)()(相位平

7、衡的穩(wěn)定條件：相位平衡的穩(wěn)定條件： 12QQ 從上面的討論可知，要使反饋振蕩器能夠產(chǎn)生持從上面的討論可知，要使反饋振蕩器能夠產(chǎn)生持續(xù)的等幅振蕩，必須滿足振蕩的起振條件、平衡條件續(xù)的等幅振蕩，必須滿足振蕩的起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件，它們是缺一不可的。因此，反饋型正弦和穩(wěn)定條件，它們是缺一不可的。因此，反饋型正弦波振蕩器應(yīng)該包括：波振蕩器應(yīng)該包括：1 AF1AF幅度穩(wěn)定幅度穩(wěn)定相位穩(wěn)定相位穩(wěn)定(+)(+)(+)(+) 由于三極管結(jié)電容和其它分布電容的存在，在頻由于三極管結(jié)電容和其它分布電容的存在，在頻率較高而率較高而LC回路電容較小時(shí)，將影響穩(wěn)定性?；芈冯娙葺^小時(shí)，將影響穩(wěn)定性。(-)(+)(

8、+)(+)(+)(+)(+)(-)(-)(+) 正反饋網(wǎng)絡(luò)由正反饋網(wǎng)絡(luò)由LC諧振回路中的電感分壓電路將諧振回路中的電感分壓電路將輸出信號(hào)送回輸入回路，所形成的是電感反饋式三端輸出信號(hào)送回輸入回路，所形成的是電感反饋式三端振蕩器。振蕩器。MLMLF12L1L2CMLMLF1212LL電路的特點(diǎn)電路的特點(diǎn): :4容易起振容易起振FA1改變電容不影響改變電容不影響F。4調(diào)整頻率方便調(diào)整頻率方便4振蕩波形不夠好振蕩波形不夠好高次諧波反饋較強(qiáng)，高次諧波反饋較強(qiáng)，波形失真較大。波形失真較大。4不適于很高頻率工作不適于很高頻率工作分布電容和極間電容并聯(lián)于分布電容和極間電容并聯(lián)于L1與與L2兩端，兩端，F(xiàn)隨頻

9、率變化而改變。隨頻率變化而改變。ieCoeCL1L2CoVfV)(HPF 高通CpI21CCF 如果正反饋網(wǎng)絡(luò)由如果正反饋網(wǎng)絡(luò)由LC諧振回路中的電容分壓電路將諧振回路中的電容分壓電路將輸出信號(hào)送回輸入回路，所形成的是電容反饋式三端輸出信號(hào)送回輸入回路，所形成的是電容反饋式三端振蕩器。振蕩器。C1C2LC1C2L電路的特點(diǎn)電路的特點(diǎn): :ieCoeCoVfV改變電容影響改變電容影響F，變電感不便。，變電感不便。4調(diào)整頻率不太方便調(diào)整頻率不太方便4輸出波形較好輸出波形較好高次諧波反饋較弱，高次諧波反饋較弱，波形接近正弦波。波形接近正弦波。4頻率穩(wěn)定度較好頻率穩(wěn)定度較好分布電容和極間電容并聯(lián)于分布電

10、容和極間電容并聯(lián)于C1與與C2兩端，被較大兩端，被較大C1與與C2 吸收。吸收。4適用于較高的工作頻率適用于較高的工作頻率甚至可只利用器件的輸入電容甚至可只利用器件的輸入電容和輸出電容。和輸出電容。)(LPF 低通L1L2CC1C2L 為簡便起見，假定諧振回為簡便起見，假定諧振回路三個(gè)元件都是純電抗，即：路三個(gè)元件都是純電抗，即：振蕩器的振蕩頻率等于回路的固有諧振頻率，即振蕩器的振蕩頻率等于回路的固有諧振頻率，即0cbcebeXXX結(jié)論結(jié)論: :4三端式振蕩器組成原則：三端式振蕩器組成原則：Xbe與與Xce同性質(zhì)，同性質(zhì)，Xcb和和Xbe、Xce性質(zhì)相反性質(zhì)相反 。4成立成立cbcebeXXX

11、ce1jXZ be2jXZ cb3jXZ 舉例舉例: : 振蕩器的振蕩頻率應(yīng)低于振蕩器的振蕩頻率應(yīng)低于L1和和C1支路的串聯(lián)諧振頻率，此支路的串聯(lián)諧振頻率，此時(shí)，該支路呈容性，整個(gè)回路滿足電容三端的相位條件。時(shí)，該支路呈容性，整個(gè)回路滿足電容三端的相位條件。振蕩器的振蕩頻率振蕩器的振蕩頻率2121210)(1CCCCLL 一、頻率穩(wěn)定問題一、頻率穩(wěn)定問題 主要指標(biāo)主要指標(biāo):準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度。一定時(shí)間間隔內(nèi)，頻率準(zhǔn)確度的變化。一定時(shí)間間隔內(nèi)，頻率準(zhǔn)確度的變化。1、準(zhǔn)確度、準(zhǔn)確度振蕩器實(shí)際工作頻率振蕩器實(shí)際工作頻率f與標(biāo)稱頻率與標(biāo)稱頻率 f 0之間的偏差。之間的偏差。2、穩(wěn)定度、穩(wěn)定度

12、根據(jù)所指定的時(shí)間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分根據(jù)所指定的時(shí)間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為長期頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬間頻率穩(wěn)為長期頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬間頻率穩(wěn)定度三種。定度三種。影響振蕩頻率的有如下三種因素影響振蕩頻率的有如下三種因素）振蕩回路參數(shù)）振蕩回路參數(shù)與與;）回路電阻）回路電阻；）有源器件的參數(shù)。）有源器件的參數(shù)。穩(wěn)定頻率的措施穩(wěn)定頻率的措施1）減小溫度的影響）減小溫度的影響;2）穩(wěn)定電源電壓；）穩(wěn)定電源電壓；3）減小負(fù)載的影響；）減小負(fù)載的影響；4 4）管子與回路之間的連接采用松耦合；管子與回路之間的連接采用松耦合；5）提高回路的品質(zhì)因數(shù)。）提高回路的品質(zhì)因數(shù)。二、克拉潑

13、電路二、克拉潑電路3211111CCCC21CCF131ceCCCCp特點(diǎn)：特點(diǎn)：311LCLC1.提高頻率穩(wěn)定度；提高頻率穩(wěn)定度；2.C1、C2不能過大，否則振蕩幅度太低；不能過大，否則振蕩幅度太低；3.頻率調(diào)節(jié)不方便。頻率調(diào)節(jié)不方便。)(1143CCLLC三、西勒電路三、西勒電路LC1C2C3C4AB131ceCCCCp特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.提高頻率穩(wěn)定度提高頻率穩(wěn)定度;4.C3的大小要適當(dāng)，否則影響電路性能。的大小要適當(dāng)，否則影響電路性能。3.頻率調(diào)節(jié)方便；頻率調(diào)節(jié)方便；2.振蕩頻率可以較高；振蕩頻率可以較高；名稱名稱電容三端式電容三端式電感三端式電感三端式克拉潑電路克拉潑電路西勒電路西勒電路

14、振蕩頻率振蕩頻率波形波形好好差差好好好好反饋系數(shù)反饋系數(shù)接入系數(shù)接入系數(shù)頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度差差差差好好好好頻率調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)不方便不方便可以可以方便，但幅方便，但幅度不穩(wěn)定度不穩(wěn)定 方便，幅方便，幅度穩(wěn)定度穩(wěn)定 最高振蕩最高振蕩頻率頻率 幾百至幾幾百至幾千兆赫，千兆赫，但頻率穩(wěn)但頻率穩(wěn)定度下降定度下降幾十兆赫幾十兆赫 百兆赫，百兆赫，但幅度下但幅度下降降 百兆赫至百兆赫至千兆赫千兆赫21211CCCCLCMLL)2(12131LC)(143CCL21CC21CC21CCMLML12212CCC211LLL13CC13CCcepLC1C2C3C4ABL1L2CC1C2L一般一般LC振蕩器的頻率穩(wěn)

15、定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度f /f0只能達(dá)到只能達(dá)到10-3 10-5。若要求頻率穩(wěn)定度超過。若要求頻率穩(wěn)定度超過10-5，需用石英，需用石英晶體振蕩器。晶體振蕩器。1. 石英晶體濾波器的特點(diǎn)石英晶體濾波器的特點(diǎn)2. 石英晶體濾波器的應(yīng)用石英晶體濾波器的應(yīng)用 O X容性容性 容性容性 感感性性 sfpf4作電感用作電感用4工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)振蕩電路可分為兩類：振蕩電路可分為兩類：(1)并聯(lián)諧振型晶體振蕩器并聯(lián)諧振型晶體振蕩器；(2) 串聯(lián)諧振型晶體振蕩器串聯(lián)諧振型晶體振蕩器。 C0 (a) (b) Cq Lq rq C0 Cq1 Lq1 rq1 Cq3 Lq3 rq3 Cq5 L

16、q5 rq5 Cqk Lqk rqk (c) 石英晶體諧振器(a) 符號(hào) (b) 基頻等效電路 (c) 完整等效電路 除了以上基頻振動(dòng)模式外，石英片的振動(dòng)還會(huì)除了以上基頻振動(dòng)模式外，石英片的振動(dòng)還會(huì)產(chǎn)生奇次（產(chǎn)生奇次（2n-1）諧波的泛音振動(dòng)。）諧波的泛音振動(dòng)。基頻振動(dòng)模式時(shí)，基頻振動(dòng)模式時(shí)，產(chǎn)生奇次諧波諧振的支路因阻抗較高可忽略。產(chǎn)生奇次諧波諧振的支路因阻抗較高可忽略。4奇次諧波的泛音振動(dòng)奇次諧波的泛音振動(dòng)將晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為將晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為一個(gè)感性元件，并與其他回路元件一起按照三端一個(gè)感性元件，并與其他回路元件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成三端振蕩器

17、。電路的基本準(zhǔn)則組成三端振蕩器。 若若上的電位升方向與上的電位升方向與電流方向相同，呈負(fù)電阻，電流方向相同，呈負(fù)電阻，故此負(fù)電阻相當(dāng)于發(fā)電機(jī)作故此負(fù)電阻相當(dāng)于發(fā)電機(jī)作用，它不但不消耗功率，反用，它不但不消耗功率，反而向外界輸出功率。注意，而向外界輸出功率。注意，以上針對(duì)以上針對(duì)交流電阻交流電阻。串聯(lián)型負(fù)串聯(lián)型負(fù)阻振蕩器線路和并聯(lián)型負(fù)阻振蕩器線路。阻振蕩器線路和并聯(lián)型負(fù)阻振蕩器線路。snRr pnGg 1. 寄生振蕩的危害寄生振蕩的危害2. 寄生振蕩的類型及產(chǎn)生原因寄生振蕩的類型及產(chǎn)生原因3. 寄生振蕩寄生振蕩的排除和防止措施的排除和防止措施1. 間歇振蕩間歇振蕩2. 自偏壓的建立過程自偏壓的建立過程電電路路的的偏偏置置電電壓壓EeCC2b1b2bEBBEIRVRRRVVV3. 頻率占據(jù)（或牽引）頻率占據(jù)（或牽引）4. 頻率拖曳現(xiàn)象頻率拖曳現(xiàn)象1. RC相移網(wǎng)絡(luò)相移網(wǎng)絡(luò)jiFeRCjRCjCjRRVVFa11)(0圖：RCRCRCF1arctan)(12jiFeRCjVVFb11)(0圖：RCRCFarctan)(112（1）隨著頻率的變化，單節(jié)）隨著頻率的變化，單節(jié)RC電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的