石英晶體振蕩器(同名289)課件

第4章正弦波振蕩器4.1反饋振蕩器的原理4.2LC振蕩器4.3頻率穩(wěn)定度4.4LC振蕩器的設(shè)計考慮4.5石英晶體振蕩器4.6振蕩器中的幾種現(xiàn)象4.7RC振蕩器4.8負(fù)阻振蕩器思考題與習(xí)題第4章正弦波振蕩器4.1反饋振蕩器的原理引言：1.（正弦波）振蕩器---能在沒有激勵信號的情況下產(chǎn)生（正弦波信號）周期性振蕩信號的電子線路。用于廣播、電視、通信設(shè)備、各種信號源等，是核心組成部分之一。2.振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器---自動將直流電源供給的功率轉(zhuǎn)換為指定頻率和振幅的交流信號功率輸出。3.振蕩器的分類---反饋型振蕩器和負(fù)阻型振蕩器正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器

LC振蕩器、晶體振蕩器、RC振蕩器引言：1.（正弦波）振蕩器---能在沒有激勵信號的情況下產(chǎn)生4.1.1反饋振蕩器的原理分析反饋型振蕩器----由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個閉合環(huán)路。放大器----通常是以某種選頻網(wǎng)絡(luò)(如振蕩回路)作負(fù)載，是一調(diào)諧放大器。反饋網(wǎng)絡(luò)----一般由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。為了能產(chǎn)生自激振蕩，必須有正反饋----反饋到輸入端的信號和放大器輸入端的信號相位相同。圖4-1反饋型振蕩器原理框圖4.1反饋振蕩器的原理4.1.1反饋振蕩器的原理分析圖4-1反饋型振蕩器圖4-1反饋型振蕩器原理框圖對微弱信號進(jìn)行放大和選頻將部分輸出能量回接到放大器輸入端圖4-1反饋型振蕩器原理框圖對微弱信號進(jìn)行放大和選頻

放大器的電壓放大倍數(shù)為K(s)，

反饋網(wǎng)絡(luò)的電壓反饋系數(shù)為F(s)，

閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為Ku(s)，則

(4-1)(4-2)(4-3)(4-4)設(shè)放大器的電壓放大倍數(shù)為K(s)，設(shè)T(S)---反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益(4-5)(4-6)T(S)---反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益(4-5)分析：若在某一頻率ω=ω1上，T(jω1)=1→Ku(jω)→∞→表明即使沒有外加信號，也可以維持振蕩輸出→自激振蕩的條件就是環(huán)路增益為1，即T(jω)=K(jω)F(jω)=1(4-7)----稱為振蕩器的平衡條件用s=jω代入，就得到穩(wěn)態(tài)下的傳輸系數(shù)和環(huán)路增益。分析：若在某一頻率ω=ω1上，T(jω1)=1→Ku(jω)(4-8)(4-8)4.1.2平衡條件

振蕩器的平衡條件T(jω)=K(jω)F(jω)=1振幅平衡條件相位平衡條件∣T(jω)∣=KF=14.1.2平衡條件振幅平衡條件相位平衡條件∣T(jω)K(jω)與F(jω)的意義-----以單調(diào)諧諧振放大器為例來看。若ZL由Yf(jω)----晶體管的正向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納K(jω)與F(jω)的意義-----以單調(diào)諧諧振放大器為例ZL應(yīng)該考慮反饋網(wǎng)絡(luò)對回路的負(fù)載作用，它基本上是一線性元件。是電流的基波頻率分量，當(dāng)晶體管在大信號工作時，它可對ic的諧波分析得到。與成非線性關(guān)系。因而一般來說Yf和K都是隨信號大小而變化的。ZL---放大器的負(fù)載阻抗(4-11)Yf(jω)----晶體管的正向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納(4-12)ZL應(yīng)該考慮反饋網(wǎng)絡(luò)對回路的負(fù)載作用，它基本上是一線性元件。(4-13)(4-14)即振幅平衡條件和相位平衡條件分別可寫為(4-15a)(4-15b)為分析方便，引入一個與F(jω)反號的反饋系數(shù)振蕩條件可寫為(4-13)為分析方便，引入一個與F(jω)反號的反饋分析：

1.在平衡狀態(tài)中，電源供給的能量正好抵消整個環(huán)路損耗的能量，平衡時輸出幅度將不再變化，因此振幅平衡條件決定了振蕩器輸出振幅的大小。

2.必須指出，環(huán)路只有在某一特定的頻率上才能滿足相位平衡條件，也就是說相位平衡條件決定了振蕩器輸出信號的頻率大小，解

得到的根即為振蕩器的振蕩頻率，一般在回路的諧振頻率附近。分析：

振蕩的最初來源是振蕩器在接通電源時不可避免地存在的電沖擊及各種熱噪聲等。例如:

在加電時晶體管電流由零突然增加，突變的電流包含有很寬的頻譜分量→通過負(fù)載回路時，只有頻率等于回路諧振頻率的分量可以產(chǎn)生較大的輸出電壓→通過反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生出較大的正反饋電壓→加到放大器的輸入端，進(jìn)行放大、反饋，不斷地循環(huán)下去，諧振負(fù)載上將得到頻率等于回路諧振頻率的輸出信號。

振蕩器在實(shí)際應(yīng)用時，不應(yīng)有圖4-1所示的外加信號Us(s)，應(yīng)當(dāng)是振蕩器一加上電后即產(chǎn)生輸出，那么初始的激勵是從哪里來的呢？4.1.3起振條件振蕩的最初來源是振蕩器在接通電源時不可避免地存在的電沖擊起振過程----在振蕩開始時由于激勵信號較弱，輸出電壓的振幅Uo較小，經(jīng)過不斷放大、反饋循環(huán)，輸出幅度Uo逐漸增大（否則輸出信號幅度過小，沒有任何價值）。為了使振蕩過程中輸出幅度不斷增加，應(yīng)使反饋回來的信號比輸入到放大器的信號大，即振蕩開始時應(yīng)為增幅振蕩，因而由式(4-8)可知T(jω)>1稱為自激振蕩的起振條件，也可寫為

(4-16a)(4-16b)起振的振幅條件和相位條件，其中起振的相位條件即為正反饋條件。起振過程----在振蕩開始時由于激勵信號較弱，輸出電壓的振幅

振蕩器工作時由|T(jω)|>1→|T(jω)|=1的過程。我們知道放大器進(jìn)行小信號放大時必須工作在晶體管的線性放大區(qū)，即起振時放大器工作在線性區(qū)，此時放大器的輸出隨輸入信號的增加而線性增加；隨著輸入信號振幅的增加，放大器逐漸由線性放大區(qū)（很有限）進(jìn)入截止區(qū)或飽和區(qū)，進(jìn)入非線性狀態(tài)，此時的輸出信號幅度增加有限，即增益將隨輸入信號的增加而下降.振蕩器工作時由|T(jω)|>1→|T(jω)|=1如圖4-2所示。所以，振蕩器工作到一定階段，環(huán)路增益將下降。當(dāng)|T(jω)|=1即工作到圖4-2(b)中A點(diǎn)時，振幅的增長過程將停止，振蕩器到達(dá)平衡狀態(tài)，進(jìn)行等幅振蕩。因此，振蕩器由增幅振蕩過渡到穩(wěn)幅振蕩,是由放大器的非線性完成的。圖4-2振幅條件的圖解表示需要說明的是，電路的起振過程是非常短暫的，可以認(rèn)為只要電路設(shè)計合理，滿足起振條件，振蕩器一通上電，輸出端就有穩(wěn)定幅度的輸出信號。K如圖4-2所示。所以，振蕩器工作到一定階段，環(huán)路增益將下降。4.1.4穩(wěn)定條件（自學(xué)）

處于平衡狀態(tài)的振蕩器應(yīng)考慮其工作的穩(wěn)定性，這是因?yàn)檎袷幤髟诠ぷ鞯倪^程中不可避免地要受到外界各種因素的影響，如溫度改變、電源電壓的波動等等，這些變化將使放大器放大倍數(shù)和反饋系數(shù)改變，破壞了原來的平衡狀態(tài)，對振蕩器的正常工作將會產(chǎn)生影響。如果通過放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩器能在原平衡點(diǎn)附近建立起新的平衡狀態(tài)，而且當(dāng)外界因素消失后，振蕩器能自動回到原平衡狀態(tài)，則原平衡點(diǎn)是穩(wěn)定的；否則，原平衡點(diǎn)為不穩(wěn)定的。振蕩器的穩(wěn)定條件分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。4.1.4穩(wěn)定條件（自學(xué)）

要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力。具體來說即是，在平衡點(diǎn)附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅增大時，環(huán)路增益的模值T應(yīng)減小，形成減幅振蕩，從而阻止振幅的增大，達(dá)到新的平衡，并保證新平衡點(diǎn)在原平衡點(diǎn)附近，否則，若振幅增大，T也增大，則振幅將持續(xù)增大，遠(yuǎn)離原平衡點(diǎn)，不能形成新的平衡，振蕩器不穩(wěn)定；而當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅減小時，T應(yīng)增大，形成增幅振蕩，阻止振幅的減小，在原平衡點(diǎn)附近建立起新的平衡，否則振蕩器將是不穩(wěn)定的。因此，振幅穩(wěn)定條件為(4-17)要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力由于反饋網(wǎng)絡(luò)為線性網(wǎng)絡(luò)，即反饋系數(shù)大小F不隨輸入信號改變，故振幅穩(wěn)定條件又可寫為(4-18)K----放大器增益大小。由于放大器的非線性，只要電路設(shè)計合理，振幅穩(wěn)定一般很容易滿足。若振蕩器采用自偏壓電路，并工作到截止?fàn)顟B(tài)，其大，振幅穩(wěn)定性就好。由于反饋網(wǎng)絡(luò)為線性網(wǎng)絡(luò)，即反饋系數(shù)大小F不隨輸入信號改變在解釋振蕩器的相位穩(wěn)定性前，我們必須清楚，一個正弦信號的相位和它的頻率ω之間的關(guān)系(4-19a)(4-19b)可見，相位的變化必然要引起頻率的變化，頻率的變化也必然要引起相位的變化。在解釋振蕩器的相位穩(wěn)定性前，我們必須清楚，一個正弦信號的設(shè)振蕩器原在ω=ω1時處于相位平衡狀態(tài)，即有，現(xiàn)因外界原因使振蕩器的反饋電壓的相位超前原輸入信號。由于反饋相位提前(即每一周期中的相位均超前)，振蕩周期要縮短，振蕩頻率要提高，比如提高到ω2，ω2>ω1。當(dāng)外界因素消失后，顯然ω2處不滿足相位平衡條件，這時，不變，但由于ω2>ω1(如圖4-3所示)，要下降，即這時相對于的幅角設(shè)振蕩器原在ω=ω1時處于相位平衡狀態(tài)，即有圖4-3振蕩器穩(wěn)定工作時回路的相頻特性圖4-3振蕩器穩(wěn)定工作時回路的相頻特性這表示落后于，導(dǎo)致振蕩周期增長，振蕩頻率降低，即又恢復(fù)到原來的振蕩頻率ω1。上述相位穩(wěn)定是靠ω增加、降低來實(shí)現(xiàn)的，即并聯(lián)振蕩回路的相位特性保證了相位穩(wěn)定。因此相位穩(wěn)定條件為

(4-20)回路的Q值越高，值越大，其相位穩(wěn)定性越好。這表示落后于，導(dǎo)致振蕩周期增長，振蕩頻率降低，即又恢4.1.5振蕩線路舉例——互感耦合振蕩器圖4-4是一LC振蕩器的實(shí)際電路，圖中反饋網(wǎng)絡(luò)由L和L1間的互感M擔(dān)任--------稱為互感耦合式的反饋振蕩器，或稱為變壓器耦合振蕩器。4.1.5振蕩線路舉例——互感耦合振蕩器4.1.5振蕩線路舉例——互感耦合振蕩器設(shè)振蕩器的工作頻率等于回路諧振頻率，當(dāng)基極加有信號時，由三極管中的電流流向關(guān)系可知集電極輸出電壓與輸入電壓反相，根據(jù)圖中兩線圈上所標(biāo)的同名端，可以判斷出反饋線圈L1兩端的電壓與反相，故與同相，該反饋為正反饋。

因此只要電路設(shè)計合理，在工作時滿足條件，在輸出端就會有正弦波輸出?；ジ旭詈戏答佌袷幤鞯恼答伿怯苫ジ旭詈匣芈分械耐藖肀ＷC的。圖4-4互感耦合振蕩器4.1.5振蕩線路舉例——互感耦合振蕩器4.2.1振蕩器的組成原則1、互感耦合反饋型振蕩器2、其它類型的振蕩器（大多是由基本電路引出的）?；倦娐?--三端式(又稱三點(diǎn)式)振蕩器----LC回路的三個端點(diǎn)與晶體管的三個電極分別連接而成的電路，如圖4-5所示。圖4-5三端式振蕩器的組成4.2LC振蕩器4.2.1振蕩器的組成原則圖4-5三端式振蕩器的組圖4-5三端式振蕩器的組成三個電抗元件X1、X2、X3——構(gòu)成了決定振蕩頻率的并聯(lián)諧振回路，同時也構(gòu)成了正反饋所需的反饋網(wǎng)絡(luò)。三者必須滿足諧振時回路應(yīng)呈純電阻性的關(guān)系。

X1+X2+X3=0-----三個電抗元件不能同時為感抗或容抗，必須由兩種不同性質(zhì)的電抗元件組成。圖4-5三端式振蕩器的組成三個電抗元件X1、X2、X3在不考慮晶體管參數(shù)(如輸入電阻、極間電容等)的影響并假設(shè)回路諧振時，有，。為了滿足相位平衡條件，即正反饋條件，應(yīng)要求。應(yīng)與同相（與反相），

一般情況下，回路Q值很高，因回路電流＞＞、、

(4-22a)(4-22b)X1、X2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件。在不考慮晶體管參數(shù)(如輸入電阻、極間電容等)的影響并假設(shè)綜上所述，從相位平衡條件判斷圖4-5所示的三端式振蕩器能否振蕩的原則：

(1)X1和Ｘ2的電抗性質(zhì)相同;

(2)X3與X1、X2的電抗性質(zhì)相反。

原則具體化:晶體管“射同余異”、場效應(yīng)管“源同余異”。即與晶體管發(fā)射極相連的兩個電抗元件必須是同性質(zhì)的，而不與發(fā)射極相連的另一電抗與它們的性質(zhì)相反。綜上所述，從相位平衡條件判斷圖4-5所示的

兩種基本的三端式振蕩器電路(a)中X1和X2為容性，X3為感性，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電容元件完成，稱為電容反饋振蕩器，也稱為考必茲(Colpitts)振蕩器(b)中X1和X2為感性，X3為容性，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電感元件完成的，稱為電感反饋振蕩器，也稱為哈特萊(Hartley)振蕩器。圖4-6兩種基本的三端式振蕩器電容反饋振蕩器(b)電感反饋振蕩器兩種基本的三端式振蕩器電路圖4-6兩種基本的三端式圖4-7幾種常見振蕩器的高頻電路圖4-7是一些常見振蕩器的高頻電路，判斷它們是由哪種基本線路演變而來的。圖4-7幾種常見振蕩器的高頻電路圖4-7是一些4.2.2電容反饋振蕩器圖(a)是一電容反饋振蕩器的實(shí)際電路，圖(b)是其交流等效電路。R1、R2、Re---直流偏置作用，在開始振蕩前這些電阻決定了靜態(tài)工作點(diǎn)，當(dāng)振蕩產(chǎn)生以后，由于Re的自偏壓作用和晶體管的非線性使晶體管逐漸工作在截止?fàn)顟B(tài)，基極、發(fā)射極電流將發(fā)生變化，從而限制和穩(wěn)定了振蕩的幅度大??；4.2.2電容反饋振蕩器圖4-8電容反饋振蕩器電路

(a)實(shí)際電路；(b)交流等效電路；(c)高頻等效電路Ce為旁路電容，Cb為隔直電容，保證起振時具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)及交流通路，扼流圈Lc可以防止集電極交流電流從電源入地，Lc的交流電阻很大，可以視為開路，但直流電阻很小，可為集電極提供直流通路。圖4-8電容反饋振蕩器電路Ce為旁路電容，Cb為隔直振蕩頻率及起振條件分析。圖(c)是圖(a)的高頻小信號等效電路，由于起振時晶體管工作在小信號線性放大區(qū)，因此可以用小信號Y參數(shù)等效電路。為分析方便起見，在等效時作了以下簡化:

(1)忽略晶體管內(nèi)部反饋Yre=0的影響;

(2)晶體管的輸入電容、輸出電容很小，可以忽略它們的影響，也可以將它們包含在回路電容C1、C2中，所以不單獨(dú)考慮;

(3)忽略晶體管集電極電流ic對輸入信號ub的相移，將Yfe用跨導(dǎo)gm表示振蕩頻率及起振條件分析。圖(c)是圖(a)的高頻小信號等效電

-----除晶體管以外的電路中所有電導(dǎo)折算到CE兩端后的總電導(dǎo)。由(c)圖可以得出環(huán)路增益T(jω)的表達(dá)式，并令T(jω)虛部在頻率為ω1時等于零，則根據(jù)振蕩器的相位平衡條件，ω1即為振蕩器的振蕩頻率，因此圖4-8電路的振蕩頻率為(4-23)C為回路的總電容(4-24)-----除晶體管以外的電路中所有電導(dǎo)折算到CE兩端后的當(dāng)不考慮gie的影響時，反饋系數(shù)F(jω)的大小為因?yàn)槭荈(jω)的模當(dāng)不考慮gie的影響時，反饋系數(shù)F(jω)的大小為將gie折算到放大器輸出端

(4-27)放大器總的負(fù)載電導(dǎo)gL

(4-29)(4-28)由振幅起振條件將gie折算到放大器輸出端(4-28)由振幅起振條件

只要在設(shè)計電路時使晶體管的跨導(dǎo)滿足上式，振蕩器就可以振蕩。右邊第一項(xiàng)表示輸出電導(dǎo)goe和負(fù)載電導(dǎo)gL對振蕩的影響，F(xiàn)（KF）越大，越容易振蕩；

第二項(xiàng)表示輸入電阻對振蕩的影響，gie、F越大，越不容易振蕩。因此，考慮晶體管輸入電阻gie對回路的加載作用，反饋系數(shù)F并非越大越好。在gm、gie、goe一定時，可以通過調(diào)整F、來保證起振。反饋系數(shù)F的大小一般取0.1~0.5。為了保證振蕩器有一定的穩(wěn)定振幅，起振時環(huán)路增益一般取3~5。只要在設(shè)計電路時使晶體管的跨導(dǎo)滿足上式，振蕩圖4-9電感反饋振蕩器電路(b)交流等效電路(a)實(shí)際電路4.2.3電感反饋振蕩器-----依靠電感產(chǎn)生反饋電壓(4-30)L為回路的總電感，由圖4-9有

L=L1+L2+2M(4-31)通常電感是繞在同一帶磁芯的骨架上，它們之間存在有互感，用M表示。同電容反饋振蕩器的分析一樣，振蕩器的振蕩頻率可以用回路的諧振頻率近似表示，即(c)高頻等效電路圖4-9電感反饋振蕩器電路(b)交流等效電路(a)圖4-9電感反饋振蕩器電路(a)實(shí)際電路；(b)交流等效電路；(c)高頻等效電路圖4-9電感反饋振蕩器電路

---與電容反饋振蕩器相同，表示除晶體管以外的所有電導(dǎo)折算到ce兩端后的總電導(dǎo)。分析：由式(4-30)和式(4-32)可見，振蕩頻率近似用回路的諧振頻率表示時其偏差較小，而且線圈耦合越緊（L1×L2-M2→0），偏差越小。(4-30)由相位平衡條件分析，振蕩器的振蕩頻率表達(dá)式為(4-32)---與電容反饋振蕩器相同，表示除晶體管以外的所有電導(dǎo)折工程上在計算反饋系數(shù)時不考慮gie的影響，反饋系數(shù)的大小為

(4-33)由起振條件分析，同樣可得起振時的gm應(yīng)滿足(4-34)工程上在計算反饋系數(shù)時不考慮gie的影響，反饋系數(shù)的大小電容反饋的振蕩器和電感反饋的振蕩器的特點(diǎn)比較:

(1)兩種線路都簡單，容易起振。電感反饋振蕩器只要改變線圈抽頭位置就可以改變反饋值F，而電容反饋振蕩器需要改變C1、C2的比值。

(2)由于晶體管存在極間電容，對于電感反饋振蕩器，極間電容與回路電感并聯(lián)，在頻率高時極間電容影響大，有可能使電抗的性質(zhì)改變，故電感反饋振蕩器的工作頻率不能過高；電容反饋振蕩器工作頻率可以較高，因其極間電容與回路電容并聯(lián)，不存在電抗性質(zhì)改變的問題。電容反饋的振蕩器和電感反饋的振蕩器的特點(diǎn)比較:

(3)振蕩器在穩(wěn)定振蕩時，晶體管工作在非線性狀態(tài)，在回路上除有基波電壓外還存在少量諧波電壓(諧波電壓大小與回路的Q值有關(guān))。

對于電容反饋振蕩器，由于反饋是由電容產(chǎn)生的，所以，高次諧波在電容上產(chǎn)生的反饋壓降較??；對于電感反饋的振蕩器，反饋是由電感產(chǎn)生的，所以，高次諧波在電感上產(chǎn)生的反饋壓降較大，即電感反饋振蕩器輸出的諧波較電容反饋振蕩器的大。因此電容反饋振蕩器的輸出波形比電感反饋振蕩器的輸出波形要好。(3)振蕩器在穩(wěn)定振蕩時，晶體管工作在非線性狀態(tài)，在回

(4)改變電容能夠調(diào)整振蕩器的工作頻率。電容反饋振蕩器在改變頻率時，反饋系數(shù)也將改變，影響了振蕩器的振幅起振條件，故電容反饋振蕩器一般工作在固定頻率；電感反饋振蕩器改變頻率時，并不影響反饋系數(shù)，工作頻帶較電容反饋振蕩器的寬。需要指出的是，電感反饋振蕩器的工作頻帶不會很寬，這是因?yàn)楦淖冾l率，將改變回路的諧振阻抗，可能使振蕩器停振。綜上所述，由于電容反饋振蕩器具有工作頻率高、波形好等優(yōu)點(diǎn)，在許多場合得到了應(yīng)用。(4)改變電容能夠調(diào)整振蕩器的工作頻率。電容反饋振蕩器

對電容反饋振蕩器及電感反饋振蕩器，極間電容影響回路電抗→影響振蕩頻率→頻率穩(wěn)定度不高。極間電容受環(huán)境溫度、電源電壓等因素的影響較大。

為了提高穩(wěn)定度，采用減弱晶體管與回路之間耦合的方法，由此得到兩種改進(jìn)型電容反饋的振蕩器——克拉潑(Clapp)振蕩器和西勒(Siler)振蕩器。4.2.4兩種改進(jìn)型電容反饋振蕩器對電容反饋振蕩器及電感反饋振蕩器，極間電容影響回路電抗→

1.克拉潑振蕩器

用電感L和可變電容Ｃ3的串聯(lián)電路代替原電容反饋振蕩器中的電感構(gòu)成的，且C3<<C1、C2。只要L和C3串聯(lián)電路等效為一電感(在振蕩頻率上)，該電路即滿足三端式振蕩器的組成原則，而且屬于電容反饋式振蕩器。圖4-10克拉潑振蕩器電路(a)實(shí)際電路；(b)交流等效電路為等效電感1.克拉潑振蕩器圖4-10克拉潑振蕩器電路為等效圖4-10克拉潑振蕩器電路(a)實(shí)際電路；(b)交流等效電路忽略Rc、Re的影響圖4-10克拉潑振蕩器電路忽略Rc、Re的影響回路的總電容為(4-35)分析：——回路的總電容C將主要由C3決定，

因極間電容與C1、C2并聯(lián)，所以極間電容對總電容的影響就很??；并且C1、C2只是回路的一部分，晶體管以部分接入的形式與回路連接，減弱了晶體管與回路之間的耦合。接入系數(shù)p為

(4-36)回路的總電容為C1、C2的取值越大，接入系數(shù)p越小，耦合越弱——克拉潑振蕩器的頻率穩(wěn)定度得到了提高。但C1、C2不能過大，假設(shè)電感兩端的電阻為Ro(即回路的諧振電阻)，則由圖4-10可知等效到晶體管ce兩端的負(fù)載電阻RL為(4-37)因此，C1過大，負(fù)載電阻RL很小，放大器增益就較低，環(huán)路增益也就較小，有可能使振蕩器停振。C1、C2的取值越大，接入系數(shù)p越小，耦合越弱——克拉潑振蕩振蕩器的振蕩頻率為(4-38)反饋系數(shù)的大小為

(4-39)克拉潑振蕩器主要用于固定頻率或波段范圍較窄的場合。這是因?yàn)檎{(diào)整C3→改變振蕩器頻率和RL，放大器的增益也將變化，調(diào)頻率時有可能因環(huán)路增益不足而停振；另外，由于負(fù)載電阻RL的變化→振蕩器輸出幅度也將變化，導(dǎo)致波段范圍內(nèi)輸出振幅變化較大?？死瓭娬袷幤鞯念l率覆蓋系數(shù)(最高工作頻率與最低工作頻率之比)一般只有1.2~1.3。振蕩器的振蕩頻率為克拉潑振蕩器主要用于固定頻率或波段范圍較窄

2.西勒振蕩器主要特點(diǎn)：與電感L并聯(lián)一可變電容C4。與克拉潑振蕩器一樣，圖中C3<<C1、C2，因此晶體管與回路之間耦合較弱，頻率穩(wěn)定度高。與電感L并聯(lián)的可變電容C4是用來改變振蕩器的工作波段，而電容C3是起微調(diào)頻率的作用。圖4-11西勒振蕩器電路(a)實(shí)際電路；(b)交流等效電路2.西勒振蕩器圖4-11西勒振蕩器電路回路的總電容為

振蕩器的振蕩頻率為(4-41)分析：主要通過調(diào)整C4改變頻率，且并不影響接入系數(shù)p(西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器的相同)→波段內(nèi)輸出幅度較平穩(wěn)。由式(4-41)可見，C4改變，頻率變化較明顯，故西勒振蕩器的頻率覆蓋系數(shù)較大，可達(dá)1.6~1.8。西勒振蕩器適用于較寬波段工作，在實(shí)際中用得較多。(4-40)回路的總電容為分析：主要通過調(diào)整C4改變頻率，且并不影響接入4.2.5場效應(yīng)管振蕩器分析方法與晶體三極管振蕩器類似，在此不再詳細(xì)分析。舉幾個電路說明場效應(yīng)管振蕩器。

4.2.5場效應(yīng)管振蕩器圖4-12由場效應(yīng)管構(gòu)成的振蕩器電路

(a)互感耦合場效應(yīng)管振蕩器；(b)電感反饋場效應(yīng)管振蕩器；(c)電容反饋場效應(yīng)管振蕩器圖4-12(a)是一柵極調(diào)諧型場效應(yīng)管振蕩器的線路，它是由結(jié)型場效應(yīng)管構(gòu)成的互感耦合振蕩器，圖上兩線圈的極性關(guān)系保證了此振蕩器的正反饋；圖4-12(b)是電感反饋場效應(yīng)管振蕩器線路；圖4-12(c)是電容反饋場效應(yīng)管振蕩器線路。源同余異圖4-12由場效應(yīng)管構(gòu)成的振蕩器電路圖4-12(a)是在LC振蕩器決定振蕩頻率的LC回路中，使用電壓控制電容器(變?nèi)莨?，可以在一定的頻率范圍內(nèi)構(gòu)成電調(diào)諧振蕩器。壓控振蕩器----含有壓控元件作為頻率控制器件的振蕩器。應(yīng)用----廣泛應(yīng)用于頻率調(diào)制器、鎖相環(huán)路，以及無線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中。4.2.6壓控振蕩器在LC振蕩器決定振蕩頻率的LC回路中，使用電壓控制電容器但在實(shí)際電路中，控制電壓和振蕩電壓都加在變?nèi)莨軆啥耍@使得振蕩頻率在一定程度上也隨振蕩幅度而變化，這是不希望的。為了減小振蕩頻率隨振蕩幅度的變化，應(yīng)盡量減小振蕩器的輸出振蕩電壓幅度，并使變?nèi)莨芄ぷ髟谳^大的固定直流偏壓(如大于1V)上。但在實(shí)際電路中，控制電壓和振蕩電壓都加在變?nèi)莨軆啥?，這使圖4-13壓控振蕩器線路圖4-13示出了一壓控振蕩器線路，它的基本電路是一個柵極電路調(diào)諧的互感耦合振蕩器。決定頻率的回路元件為L1、C1、C2和壓控變?nèi)莨躒2呈現(xiàn)的電容Cj。圖4-13壓控振蕩器線路圖4-13示出了一壓控振蕩器壓控振蕩器的主要性能指標(biāo)----壓控靈敏度和線性度。壓控靈敏度定義：單位控制電壓引起的振蕩頻率的變化量，用S表示，即

(4-42)

圖4-14壓控振蕩器的頻率-控制電壓特性-----一般情況下，這一特性是非線性的，非線性程度與變?nèi)莨茏內(nèi)葜笖?shù)及電路形式有關(guān)。圖4-14壓控振蕩器的頻率與控制電壓關(guān)系壓控振蕩器的主要性能指標(biāo)----壓控靈敏度和線性度。圖4-14.2.7E1648單片集成振蕩器單片集成振蕩器E1648為ECL中規(guī)模集成電路，內(nèi)部原理圖如圖4-15所示。E1648可以產(chǎn)生正弦波輸出，也可以產(chǎn)生方波輸出。

E1648輸出正弦電壓時的典型參數(shù)為:最高振蕩頻率225MHz，電源電壓5V，功耗150mW，振蕩回路輸出峰峰值電壓500mV。圖4-15E1648內(nèi)部原理圖及構(gòu)成的振蕩器4.2.7E1648單片集成振蕩器圖4-15E16圖4-15E1648內(nèi)部原理圖及構(gòu)成的振蕩器圖4-15E1648內(nèi)部原理圖及構(gòu)成的振蕩器

E1648單片集成振蕩器的振蕩頻率是由10腳和12腳之間的外接振蕩電路的L、C值決定，并與兩腳之間的輸入電容Ci有關(guān)，其表達(dá)式為

改變外接回路元件參數(shù)，可以改變E1648單片集成振蕩器的工作頻率。在5腳外加一正電壓時，可以獲得方波輸出。E1648單片集成振蕩器的振蕩頻率是由10腳和12腳之間4.3.1頻率穩(wěn)定度的意義和表征

頻率穩(wěn)定度----指由于外界條件的變化，引起振蕩器的實(shí)際工作頻率偏離標(biāo)稱頻率的程度，它是振蕩器的一個很重要的指標(biāo)。振蕩頻率的不穩(wěn)定的危害----振蕩器一般是作為某種信號源使用的，不穩(wěn)定將有可能使設(shè)備和系統(tǒng)的性能惡化。

例如：在通信中所用的振蕩器，若頻率的不穩(wěn)定將有可能使所接收的信號部分甚至完全收不到，另外還有可能干擾原來正常工作的鄰近頻道的信號。再如在數(shù)字設(shè)備中用到的定時器都是以振蕩器為信號源的，頻率的不穩(wěn)定會造成定時不穩(wěn)等。4.3頻率穩(wěn)定度4.3.1頻率穩(wěn)定度的意義和表征4.3頻率穩(wěn)定頻率穩(wěn)定度在數(shù)量上通常用頻率偏差來表示。頻率偏差：指振蕩器的實(shí)際頻率和指定頻率之間的偏差，它可分為絕對偏差和相對偏差。設(shè)f1為實(shí)際工作頻率，f0為標(biāo)稱頻率,

則絕對偏差為

(4-43)相對偏差為

(4-44)頻率穩(wěn)定度在數(shù)量上通常用頻率偏差來表示。頻率穩(wěn)定度：通常定義為在一定時間間隔內(nèi)，振蕩器頻率的相對變化，用Δf/f1|時間間隔表示，這個數(shù)值越小，頻率穩(wěn)定度越高。按照時間間隔長短不同，常將頻率穩(wěn)定度分為以下幾種:

長期穩(wěn)定度:

一般指一天以上以至幾個月的時間間隔內(nèi)的頻率相對變化，通常是由振蕩器中元器件老化而引起的。

短期穩(wěn)定度:

一般指一天以內(nèi)，以小時、分鐘或秒計時的時間間隔內(nèi)頻率的相對變化。產(chǎn)生這種頻率不穩(wěn)定的因素有溫度、電源電壓等。頻率偏差的來源-----

由于置定和測量不準(zhǔn)引起的偏差(這一般稱為：頻率準(zhǔn)確度)；頻率隨時間變化而產(chǎn)生的偏差，通常稱為頻率穩(wěn)定度(實(shí)際上應(yīng)稱為頻率不穩(wěn)定度)——人們最關(guān)心的。頻率穩(wěn)定度：通常定義為在一定時間間隔內(nèi)，振蕩器頻率的相對變化

瞬時穩(wěn)定度:

一般指秒或毫秒時間間隔內(nèi)的頻率相對變化。這種頻率變化一般都具有隨機(jī)性質(zhì)。這種頻率不穩(wěn)定有時也被看作振蕩信號附有相位噪聲。引起這類頻率不穩(wěn)定的主要因素是振蕩器內(nèi)部的噪聲。衡量時常用統(tǒng)計規(guī)律表示。

一般我們說的頻率穩(wěn)定度主要是指短期穩(wěn)定度，而且由于引起頻率不穩(wěn)的因素很多，我們籠統(tǒng)說振蕩器的頻率穩(wěn)定度多大，是指在各種外界條件下頻率變化的最大值。一般短波、超短波發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度要求是10－4~10－5量級，電視發(fā)射臺要求5×10－7，一些軍用、大型發(fā)射機(jī)及精密儀器則要求10－6量級或更高。瞬時穩(wěn)定度:一般指秒或毫秒時間間隔內(nèi)的頻率相對變化。這4.3.2振蕩器的穩(wěn)頻原理由振蕩器的工作原理可知，振蕩器的振蕩頻率ω1是由振蕩器的相位平衡條件所決定→從相位平衡條件出發(fā)來討論振蕩器的頻率穩(wěn)定性。由式(4-15b)有設(shè)回路Q值較高，根據(jù)第2章的討論可知，振蕩回路在ω0附近的幅角可以近似表示為因此相位平衡條件可以表示為(4-45)并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗4.3.2振蕩器的穩(wěn)頻原理并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗

反映了振蕩器的不穩(wěn)定因素，可用圖4-16表示?，F(xiàn)在對各因素加以說明。即(4-46)因而有(4-47)考慮到QL值較高，即

，有(4-48)反映了振蕩器的不穩(wěn)定因素圖4-16從相位平衡條件看振蕩頻率的變化

(a)相位平衡條件；(b)ω0的變化；(c)、QL的變化ω0的變化

、QL的變化圖4-16從相位平衡條件看振蕩頻率的變化ω0的變化

1.回路諧振頻率ω0的影響

ω0由構(gòu)成回路的電感L和電容C決定，它不但要考慮回路的線圈電感、調(diào)諧電容和反饋電路元件外，還應(yīng)考慮并在回路上的其它電抗，如晶體管的極間電容，后級負(fù)載電容(或電感)等。設(shè)回路電感和電容的總變化量分別為ΔL、ΔC，則由可得

(4-49)由此可見，回路元件L和C的穩(wěn)定度將影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度。1.回路諧振頻率ω0的影響

2.、QL對頻率的影響由式(4-48)的第二、第三項(xiàng)可以看出:頻率穩(wěn)定度取決于和，其中主要取決于晶體管內(nèi)部的狀態(tài)，受晶體管電流ic、ib變化的影響，通常因負(fù)載變化而引起；另外，還可以看出，若的絕對值越小，頻率穩(wěn)定度就越高。通常振蕩器工作頻率越高，的絕對值也就越大。主要是由于基極輸入電阻引起的，輸入電阻對回路的加載越重，反饋系數(shù)F′越大，的值也就越大。另外，回路的QL越大，頻率穩(wěn)定度就越高，這是提高振蕩器頻率穩(wěn)定度的一項(xiàng)重要措施。但是，當(dāng)回路線圈的無載值Q0一定時，提高QL，就意味著負(fù)載對回路的加載要輕，回路的效率要降低。在穩(wěn)定性要求高的振蕩器中，只是很小一部分功率送給了負(fù)載，振蕩器的總效率是很低的。2.、QL對頻率的影響4.3.3提高頻率穩(wěn)定度的措施

1.提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性----指回路元件和電容的標(biāo)準(zhǔn)性。溫度是影響的主要因素:

溫度的改變，導(dǎo)致電感線圈和電容器極板的幾何尺寸將發(fā)生變化，而且電容器介質(zhì)材料的介電系數(shù)及磁性材料的導(dǎo)磁率也將變化，從而使電感、電容值改變。為減少溫度的影響，應(yīng)該采用溫度系數(shù)較小的電感、電容，如電感線圈可采用高頻瓷骨架，固定電容可采用陶瓷介質(zhì)電容，可變電容宜采用極片和轉(zhuǎn)軸為膨脹系數(shù)小的金屬材料(如鐵鎳合金)。還可以用負(fù)溫度系數(shù)的電容補(bǔ)償正溫度系數(shù)的電感的變化，在對頻率穩(wěn)定度要求較高的振蕩器中，為減少溫度對振蕩頻率的影響，可以將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)。4.3.3提高頻率穩(wěn)定度的措施

2.減少晶體管的影響在上節(jié)分析反饋型振蕩器原理時已提到，極間電容將影響頻率穩(wěn)定度，在設(shè)計電路時應(yīng)盡可能減少晶體管和回路之間的耦合。另外，應(yīng)選擇fT較高的晶體管，fT越高，高頻性能越好，可以保證在工作頻率范圍內(nèi)均有較高的跨導(dǎo)，電路易于起振；而且fT越高，晶體管內(nèi)部相移越小。一般可選擇fT>(3～10)f1max，f1max為振蕩器最高工作頻率。2.減少晶體管的影響

3.提高回路的品質(zhì)因數(shù)我們先回顧一下相位穩(wěn)定條件，要使相位穩(wěn)定，回路的相頻特性應(yīng)具有負(fù)的斜率，斜率越大，相位越穩(wěn)定。根據(jù)LC回路的特性，回路的Q值越大，回路的相頻特性斜率就越大，即回路的Q值越大，相位越穩(wěn)定。從相位與頻率的關(guān)系可得，此時的頻率也越穩(wěn)定。（P108）前面介紹的電容、電感反饋的振蕩器，其頻率穩(wěn)定度一般為10－3量級，兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器克拉潑振蕩器和西勒振蕩器，由于降低了晶體管和回路之間的耦合，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10－4量級。對于LC振蕩器，即使采用一定的穩(wěn)頻措施，其頻率穩(wěn)定度也不會太高，這是由于受到回路標(biāo)準(zhǔn)性的限制。要進(jìn)一步提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度就要采用其它的電路和方法。3.提高回路的品質(zhì)因數(shù)

4.減少電源、負(fù)載等的影響電源電壓的波動，會使晶體管的工作點(diǎn)、電流發(fā)生變化，從而改變晶體管的參數(shù)，降低頻率穩(wěn)定度。為了減小其影響，振蕩器電源應(yīng)采取必要的穩(wěn)壓措施。負(fù)載電阻并聯(lián)在回路的兩端，這會降低回路的品質(zhì)因數(shù)，從而使振蕩器的頻率穩(wěn)定度下降。為了減小其影響，應(yīng)減小負(fù)載對回路的耦合，可以在負(fù)載與回路之間加射極跟隨器等措施。另外，為提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，在制作電路時應(yīng)將振蕩電路安置在遠(yuǎn)離熱源的位置，以減小溫度對振蕩器的影響；為防止回路參數(shù)受寄生電容及周圍電磁場的影響，可以將振蕩器屏蔽起來，以提高穩(wěn)定度。4.減少電源、負(fù)載等的影響由振蕩器的原理可以看出，振蕩器實(shí)際上是一個具有反饋的非線性系統(tǒng)，精確計算是很困難的，而且也是不必要的。因此，

振蕩器的設(shè)計通常是進(jìn)行一些設(shè)計考慮和近似估算，選擇合理的線路和工作點(diǎn)，確定元件的數(shù)值，而工作狀態(tài)和元件的準(zhǔn)確數(shù)值需要在調(diào)整、調(diào)試中最后確定。

4.4LC振蕩器的設(shè)計考慮由振蕩器的原理可以看出，振蕩器實(shí)際上是一個具有反饋的非線

1．振蕩器電路選擇

LC振蕩器一般工作在幾百千赫茲至幾百兆赫茲范圍。振蕩器線路主要根據(jù)工作的頻率范圍及波段寬度來選擇。

短波范圍，電感反饋振蕩器、電容反饋振蕩器都可以采用

中、短波收音機(jī)中，為簡化電路常用變壓器反饋振蕩器做本地振蕩器。在要求波段范圍較寬的信號產(chǎn)生器中常用電感反饋振蕩器。

在短波、超短波波段的通信設(shè)備中常用電容反饋振蕩器。當(dāng)頻率穩(wěn)定度要求較高，波段范圍又不很寬的場合，常用克拉潑、西勒振蕩器。西勒振蕩器電路調(diào)節(jié)頻率方便，有一定的波段工作范圍，用得較多。1．振蕩器電路選擇

2．晶體管選擇從穩(wěn)頻的角度出發(fā)，應(yīng)選擇fT較高的晶體管，這樣晶體管內(nèi)部相移較小。通常選擇fT>(3～10)f1max。同時希望電流放大系數(shù)β大些，這既容易振蕩，也便于減小晶體管和回路之間的耦合。雖然不要求振蕩器中的晶體管輸出多大功率，但考慮到穩(wěn)頻等因素，晶體管的額定功率也應(yīng)有足夠的余量。2．晶體管選擇

3．直流饋電線路的選擇為保證振蕩器起振的振幅條件，起始工作點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在線性放大區(qū)；從穩(wěn)頻出發(fā)，穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)在截止區(qū)，而不應(yīng)在飽和區(qū)，否則回路的有載品質(zhì)因數(shù)QL將降低。所以，通常應(yīng)將晶體管的靜態(tài)偏置點(diǎn)設(shè)置在小電流區(qū)，電路應(yīng)采用自偏壓。對于小功率晶體管，集電極靜態(tài)電流約為1~4mA。3．直流饋電線路的選擇

4．振蕩回路元件選擇從穩(wěn)頻出發(fā)，振蕩回路中電容C應(yīng)盡可能大，但C過大，不利于波段工作；電感L也應(yīng)盡可能大，但L大后，體積大，分布電容大，L過小，回路的品質(zhì)因數(shù)過小，因此應(yīng)合理地選擇回路的C、L。在短波范圍，C一般取幾十至幾百皮法，L一般取0.1至幾十微亨。4．振蕩回路元件選擇

5．反饋回路元件選擇由前述可知，為了保證振蕩器有一定的穩(wěn)定振幅以及容易起振，在靜態(tài)工作點(diǎn)通常應(yīng)選擇YfRLF′=3～5(4-50)當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)確定后，Yf的值就一定，對于小功率晶體管可以近似為反饋系數(shù)的大小應(yīng)在下列范圍選擇F=0.1～0.5(4-51)在按上述方法選擇參數(shù)RL、F時，顯然不能夠預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)時的電壓、電流，只能保證在合理的狀態(tài)下產(chǎn)生振蕩。5．反饋回路元件選擇

石英晶體振蕩器----利用石英晶體諧振器作濾波元件構(gòu)成的振蕩器，其振蕩頻率由石英晶體諧振器決定。與LC諧振回路相比優(yōu)點(diǎn)：有很高的標(biāo)準(zhǔn)性和極高的品質(zhì)因數(shù)，因此石英晶體振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度和穩(wěn)頻措施后，石英晶體振蕩器可以達(dá)到10－4~10－9的頻率穩(wěn)定度。4.5石英晶體振蕩器4.5石英晶體振蕩器4.5.1石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度石英晶體振蕩器之所以能獲得很高的頻率穩(wěn)定度，由第2章可知，是由于石英晶體諧振器與一般的諧振回路相比具有優(yōu)良的特性，具體表現(xiàn)為:

(1)石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。石英晶體振蕩器的振蕩頻率主要由石英晶體諧振器的諧振頻率決定。石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fq主要取決于晶片的尺寸，石英晶體的物理性能和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定，它的尺寸受外界條件如溫度、濕度等影響很小，因而其等效電路的Lq、Cq值很穩(wěn)定，使得fq很穩(wěn)定。4.5.1石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度

(2)石英晶體諧振器與有源器件的接入系數(shù)p很小，一般為10－3~10－4。這大大減弱了有源器件的極間電容等參數(shù)和外電路中不穩(wěn)定因素對石英晶體振蕩器決定頻率振蕩系統(tǒng)的影響。

(3)石英晶體諧振器具有非常高的Q值。Q值一般為104~106,與Q值僅為幾百數(shù)量級的普通LC回路相比，其Q值極高，維持振蕩頻率穩(wěn)定不變的能力極強(qiáng)。(2)石英晶體諧振器與有源器件的接入系數(shù)p很小，一般為4.5.2晶體振蕩器電路

類型很多，但根據(jù)晶體在電路中的作用晶體振蕩器歸為兩大類:

并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器。

在并聯(lián)型晶體振蕩器中，晶體起等效電感的作用，它和其它電抗元件組成決定頻率的并聯(lián)諧振回路與晶體管相連。由晶體的阻抗頻率特性可知，并聯(lián)型晶體振蕩器的振蕩頻率在石英晶體諧振器的fq與f0之間；

在串聯(lián)型晶體振蕩器中，振蕩器工作在鄰近fq處，晶體以低阻抗接入電路，即晶體起選頻短路線的作用。兩類電路都可以利用基頻晶體或泛音晶體。（見下頁）4.5.2晶體振蕩器電路（見下頁）圖

2-23晶體諧振器的電抗曲線由此式可得晶體諧振器的電抗特性（忽略晶體電阻rq，晶體的Q值非常高）。除了并聯(lián)諧振頻率附近外，此曲線與實(shí)際電抗曲線(即不忽略rq)很接近。ω<ωq，晶體諧振器呈容性ω在ωq和ω0之間，晶體諧振器等效為數(shù)值巨大的非線性一電感2-46比普通回路要大幾個數(shù)量級，并不等于石英晶體片本身的等效電感Lqω>ω0時，晶體諧振器呈容性圖2-23晶體諧振器的電抗曲線由此式可得晶體諧振器的電

1．并聯(lián)型晶體振蕩器圖4-17示出了一種典型的晶體振蕩器電路，當(dāng)振蕩器的振蕩頻率在晶體的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間時晶體呈感性，該電路滿足三端式振蕩器的組成原則，而且該電路與電容反饋的振蕩器對應(yīng)，通常稱為皮爾斯(Pierce)振蕩器。C3起到微調(diào)振蕩器頻率的作用，同時也起到減小晶體管和晶體之間的耦合作用。C1、C2既是回路的一部分，也是反饋電路。1．并聯(lián)型晶體振蕩器圖4-17皮爾斯振蕩器工作頻率應(yīng)由C1、C2、C3及晶體構(gòu)成的回路決定，即由晶體電抗Xe與外部電容相等的條件決定，設(shè)外部電容為CL，則(4-52)(4-53)圖4-17皮爾斯振蕩器工作頻率應(yīng)由C1、C2、C3及將式(4-52)用圖形表示為圖4-18的情形。圖中有兩個交點(diǎn)，靠近晶體串聯(lián)頻率ωq附近的ω1是穩(wěn)定工作點(diǎn)。當(dāng)ω1靠近ωq時，由圖4-18，電抗Xe與忽略晶體損耗時的晶體電抗X很接近，因此振蕩頻率f1等于包括并聯(lián)電容CL在內(nèi)的并聯(lián)諧振頻率。因CL實(shí)際與晶體靜電容C0并聯(lián)，因此只要引入一等效接入系數(shù)p′圖4-18并聯(lián)型晶體振蕩器穩(wěn)頻原理(4-54)將式(4-52)用圖形表示為圖4-18的情形。圖中有兩個圖4-18并聯(lián)型晶體振蕩器穩(wěn)頻原理圖4-18并聯(lián)型晶體振蕩器穩(wěn)頻原理則由前面并聯(lián)諧振頻率公式可得

(4-55)分析：改變CL可以微調(diào)振蕩頻率。通常電路中C3<<C1、C2，CL主要由C3決定，實(shí)際電路中用與晶體串一小電容C3來微調(diào)振蕩頻率。通常，晶體制造廠家為便利用戶，對用于并聯(lián)型電路的晶體，規(guī)定一標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載電容CL，可以將振蕩頻率調(diào)整到晶體標(biāo)稱頻率上。在幾兆赫茲至幾十兆赫茲范圍，一般CL規(guī)定為30pF。則由前面并聯(lián)諧振頻率公式可得

反饋系數(shù)F的大小為(4-56)

由于晶體的品質(zhì)因數(shù)Qq很高，故其并聯(lián)諧振電阻Ro也很高，雖然接入系數(shù)p較小，但等效到晶體管CE兩端的阻抗RL仍較高，因此放大器的增益較高，電路很容易滿足振幅起振條件。反饋系數(shù)F的大小為圖4-19并聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)用線路圖4-19是并聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)際線路，其適宜的工作頻率范圍為0.85~15MHz。圖4-19并聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)用線路圖4-19是并聯(lián)型晶

密勒(Miler)振蕩器----另一種并聯(lián)型晶體振蕩器電路，晶體呈現(xiàn)感性，----電感反饋的振蕩器。

由于晶體與晶體管的低輸入阻抗并聯(lián)，降低了有載品質(zhì)因數(shù)QL，故密勒振蕩器的頻率穩(wěn)定度較低。圖4-20密勒振蕩器皮爾斯振蕩器的頻率穩(wěn)定度比密勒振蕩器高，實(shí)際應(yīng)用的晶體振蕩器大多為皮爾斯振蕩器，

在頻率較高時可以采用泛音晶體構(gòu)成。密勒(Miler)振蕩器----另一種并聯(lián)型晶體振蕩器電

應(yīng)用泛音晶體構(gòu)成的皮爾斯振蕩器電路。L、C1構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路-----用以破壞基頻和低次泛音的相位條件，使振蕩器工作在設(shè)定的泛音頻率上。圖4-21泛音晶體皮爾斯振蕩器圖4-21泛音晶體皮爾斯振蕩器圖4-21泛音晶體皮爾斯振蕩器

如電路需要工作在5次泛音頻率上，應(yīng)使L、C1構(gòu)成的并聯(lián)回路的諧振頻率低于5次泛音頻率，但高于所要抑制的3次泛音頻率，這樣對低于工作頻率的低泛音頻率來說，L、C1并聯(lián)回路呈現(xiàn)一感性→不能滿足三端式振蕩器的組成原則，電路不能振蕩,

但工作在所需的5次泛音上時，L、C1并聯(lián)回路就呈現(xiàn)容性，滿足三端式的組成原則，電路能工作。需要注意的是，并聯(lián)型晶體振蕩器電路工作的泛音不能太高，一般為3、5、7次，高次泛音振蕩時，由于接入系數(shù)的降低，等效到晶體管輸出端的負(fù)載電阻將下降，使放大器增益減小，振蕩器停振。圖4-21泛音晶體皮爾斯振蕩器如電路圖4-22場效應(yīng)管晶體并聯(lián)型振蕩器線路場效應(yīng)管晶體并聯(lián)型振蕩器線路，晶體等效成一感抗，構(gòu)成一等效的電容反饋振蕩器。圖4-22場效應(yīng)管晶體并聯(lián)型振蕩器線路場效應(yīng)管晶

2．串聯(lián)型晶體振蕩器

——晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點(diǎn)之間，通常接在反饋電路中。圖4-23示出了一串聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)際線路和等效電路。由圖可見，如果將晶體短路，該電路即為一電容反饋的振蕩器。圖4-23一種串聯(lián)型晶體振蕩器(a)實(shí)際線路；(b)等效電路2．串聯(lián)型晶體振蕩器圖4-23一種串聯(lián)型晶體振蕩電路的工作原理為:

當(dāng)回路的諧振頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率fq時，晶體的阻抗最小，近似為一短路線，電路滿足相位條件和振幅條件，故能正常工作；

當(dāng)回路的諧振頻率距串聯(lián)諧振頻率較遠(yuǎn)時，晶體的阻抗增大，使反饋減弱，從而使電路不能滿足振幅條件，電路不能工作。

串聯(lián)型晶體振蕩器的工作頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率，不需要外加負(fù)載電容CL.圖4-23一種串聯(lián)型晶體振蕩器(a)實(shí)際線路；(b)等效電路電路的工作原理為:圖4-23一種串聯(lián)型晶體振蕩器

3．使用注意事項(xiàng)

(1)石英晶體諧振器的標(biāo)稱頻率都是在出廠前，在石英晶體諧振器上并接一定負(fù)載電容條件下測定的，實(shí)際使用時也必須外加負(fù)載電容，并經(jīng)微調(diào)后才能獲得標(biāo)稱頻率。為了保持晶振的高穩(wěn)定性，負(fù)載電容應(yīng)采用精度較高的微調(diào)電容。

(2)石英晶體諧振器的激勵電平應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。過高的激勵功率會使石英晶體諧振器內(nèi)部溫度升高，使石英晶片的老化效應(yīng)和頻率漂移增大，嚴(yán)重時還會使晶片因機(jī)械振動過大而損壞。3．使用注意事項(xiàng)

(3)在并聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體起等效電感的作用，若作為容抗，則在石英晶片失效時，石英諧振器的支架電容還存在，線路仍可能滿足振蕩條件而振蕩，石英晶體諧振器失去了穩(wěn)頻作用。

(4)晶體振蕩器中一塊晶體只能穩(wěn)定一個頻率，當(dāng)要求在波段中得到可選擇的許多頻率時，就要采取別的電路措施，如頻率合成器，它是用一塊晶體得到許多穩(wěn)定頻率，頻率合成器的有關(guān)內(nèi)容將在第8章介紹。(3)在并聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體起等效電感的作用，4.5.3高穩(wěn)定晶體振蕩器前面介紹的并聯(lián)、串聯(lián)型晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度一般可達(dá)10－5量級，若要得到更高穩(wěn)定度的信號，需要在一般晶體振蕩器基礎(chǔ)上采取專門措施來制作。影響晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度的因素仍然是溫度、電源電壓和負(fù)載變化，其中最主要的還是溫度的影響。4.5.3高穩(wěn)定晶體振蕩器

為減小溫度變化對晶體頻率及振蕩頻率的影響，一個辦法就是采用溫度系數(shù)低的晶體晶片，目前在幾兆赫茲至幾十兆赫茲范圍內(nèi)廣泛采用AT切片，其具有的溫度特性如圖4-24所示。由圖可見，在(－20～70)℃的正常工作溫度范圍內(nèi)，相對頻率變化小于5×10－6；并且在(50～55)℃溫度范圍內(nèi)有接近于零的溫度系數(shù)(在此處有一拐點(diǎn)，約在52℃處)。另一個有效的辦法就是保持晶體及有關(guān)電路在恒定溫度環(huán)境中工作，即采用恒溫裝置，恒溫溫度最好在晶片的拐點(diǎn)溫度處，溫度控制得越精確，穩(wěn)定度越高。為減小溫度變化對晶體頻率及振蕩頻率的影響，一個辦法就是采圖4-24AT切片的頻率溫度特性圖4-24AT切片的頻率溫度特性圖4-25是一種恒溫晶體振蕩器的組成框圖。它由兩大部分組成:晶體振蕩器和恒溫控制電路。圖4-25中虛框內(nèi)表示一恒溫槽，它是一絕熱的小容器，晶體安放在此槽內(nèi)。圖4-25是一種恒溫晶體振蕩器的組成框圖。它由兩大部分圖4-25恒溫晶體振蕩器的組成恒溫的原理:槽內(nèi)的感溫電阻(如溫敏電阻)作為電橋的一臂，當(dāng)溫度等于所需某一溫度(拐點(diǎn)溫度)時，電橋輸出直流電壓經(jīng)放大后，對加熱電阻絲加熱，以維持平衡溫度；當(dāng)環(huán)境溫度變化，從而使槽溫偏離原來溫度時，通過感溫電阻的變化改變加熱電阻的電流，從而減少槽溫的變化。圖中的自動增益控制(AGC)起到振幅穩(wěn)定的作用，同時，由于振蕩器振幅穩(wěn)定，晶體的激勵電平不變，也使得晶體的頻率穩(wěn)定。目前，恒溫控制的晶體振蕩器已制成標(biāo)準(zhǔn)部件供用戶使用。恒溫晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度達(dá)10－7～10－9圖4-25恒溫晶體振蕩器的組成恒溫的原理:槽內(nèi)的感溫

恒溫控制的晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度雖高，但存在著電路復(fù)雜、體積大、重量重等缺點(diǎn)，應(yīng)用上受到一定限制。在頻率穩(wěn)定度要求不十分高而又希望電路簡單、體積小、耗電省的場合，常采用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，如圖4-26所示。恒溫控制的晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度雖高，但存在著電路復(fù)雜、體

當(dāng)環(huán)境溫度改變時→晶體的頻率變化→振蕩器頻率變化→溫敏電阻RT改變→加在變?nèi)莨苌系钠秒妷焊淖儭鷱亩棺內(nèi)莨茈娙葑兓a(bǔ)償晶體頻率的變化→整個振蕩器頻率隨溫度變化很小，從而得到較高的頻率穩(wěn)定度。要在整個工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，其補(bǔ)償電路是很復(fù)雜的。溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10－5～10－6。圖4-26溫度補(bǔ)償晶振的原理線路當(dāng)環(huán)境溫度改變時→晶體的頻率變化→振蕩器頻率4.6振蕩器中的幾種現(xiàn)象4.6.1間歇振蕩

LC振蕩器在建立振蕩的過程中，有兩個互有聯(lián)系的暫態(tài)過程，一個是回路上高頻振蕩的建立過程；另一個是偏壓的建立過程?；芈酚袃δ茏饔?，要建立穩(wěn)定的振蕩器需要有一定的時間?；芈返挠休dQ值越低，K0F值越大于1，則振蕩建立得越快。由于偏壓電路的穩(wěn)幅作用，上述過程也受偏壓變化的影響。偏壓的建立，主要由偏壓電路的電阻、電容決定(偏壓由ib、ic對電阻、電容充放電而產(chǎn)生)，同時也取決于基極激勵的強(qiáng)弱。當(dāng)這兩個暫態(tài)過程能協(xié)調(diào)一致進(jìn)行時，高頻振蕩和偏壓就能一致趨于穩(wěn)定，從而得到振幅穩(wěn)定的振蕩。當(dāng)高頻振蕩建立較快，而偏壓電路由于時常數(shù)過大而變化過慢時，就會產(chǎn)生間歇振蕩。圖4-27是產(chǎn)生間歇振蕩時Ub和偏壓Eb波形。在t=0時，4.6振蕩器中的幾種現(xiàn)象由于K0F值很大，振蕩電壓Ub迅速增加，此時因RbCb或ReCe值過大，偏壓Eb開始變化不大。Ub增加的結(jié)果是，晶體管很快工作到截止?fàn)顟B(tài)(θ<180°)，或工作到飽和狀態(tài)。由于非線性作用，放大量K0下降使K0F=1，振蕩電壓Ub開始趨于穩(wěn)定。隨后偏壓Eb繼續(xù)變負(fù)(它的變化比Ub變化要晚一些)。在t=t1至t=t2時間內(nèi)，振蕩器處于平衡狀態(tài)。由于Eb是變化的，故平衡時的Ub仍稍有下降。至t=t2時，由于Ub的減小導(dǎo)致K0的下降(在C類欠壓狀態(tài)，Ub的下降會使K0下降)，使K0F<1，即不滿足振幅平衡條件，于是振蕩振幅迅速衰減到零。在此過程中，由于Eb的變化跟不上Ub的變化，不會出現(xiàn)K0F=1。再經(jīng)過一段時間，偏壓Eb恢復(fù)到起振時電壓，又重復(fù)上述過程，形成了間歇振蕩。由于K0F值很大，振蕩電壓Ub迅速增加，此時因RbCb或Re圖4-27間歇振蕩時Ub與Eb的波形圖4-27間歇振蕩時Ub與Eb的波形若偏壓電路時間常數(shù)(RbCb、ReCe)不是很大，在Ub衰減的過程中仍能維持K0F=1時，就會產(chǎn)生持續(xù)的振幅起伏振蕩，這也是間歇振蕩的一種形式。當(dāng)出現(xiàn)間歇振蕩時，通常集電極直流電流很小，回路上的高頻電壓很大，可以用示波器觀察間歇振蕩的波形。為保證振蕩器的正常工作，應(yīng)防止間歇振蕩，除了起振時K0F不要太大外，主要的方法是適當(dāng)?shù)剡x取偏壓電路中Cb、Ce的值。Cb、Ce適當(dāng)選小些，使偏壓Eb的變化能跟上Ub的變化，其具體數(shù)值通常由實(shí)驗(yàn)決定。附帶說明一點(diǎn)，高Q值的晶體振蕩器，通常不會產(chǎn)生間歇振蕩現(xiàn)象。若偏壓電路時間常數(shù)(RbCb、ReCe)不是很大，在Ub4.6.2頻率拖曳現(xiàn)象前面討論的LC振蕩器，都是以單振蕩回路作為晶體管的負(fù)載，其振蕩頻率基本上等于回路諧振頻率。有時候以耦合振蕩回路作為負(fù)載，在一定的條件下會產(chǎn)生所謂的頻率拖曳現(xiàn)象。圖4-28(a)是一個互感耦合的變壓器反饋振蕩器。其中L1C1是與晶體管直接連接的初級回路，L2C2是與它耦合的次級回路。圖4-28(b)是耦合回路的等效電路。4.6.2頻率拖曳現(xiàn)象圖4-28變壓器反饋振蕩器(a)實(shí)際電路；(b)耦合回路的等效電路圖4-28變壓器反饋振蕩器由第2章耦合回路的分析可知，當(dāng)次級回路為高Q電路且兩回路為緊耦合時(k>k0)，初級兩端的并聯(lián)阻抗ZL具有雙峰，而其幅角的頻率特性上有三個零值點(diǎn)，也可以說有三個諧振頻率ωI、ωII、ωIII，如圖4-29所示。這三個諧振頻率既取決于初、次級本身的諧振頻率ω01、ω02，也取決于兩回路間的耦合系數(shù)k。從振蕩器的原理可知，若對ωI、ωII同時滿足振蕩的相位平衡和相位穩(wěn)定條件(，)，這種振蕩器就可以在ωI和ωII中的一個頻率上產(chǎn)生振蕩，至于是在ωI還是在ωII上振蕩，則取決于振幅平衡條件(由于振蕩器中固有的非線性作用，即使ωI、ωII都滿足振幅條件，一種振蕩已建立后將抑制另一種振蕩的建立，因此不會產(chǎn)生兩個頻率的同時振蕩)。當(dāng)耦合系數(shù)k和初級諧振頻率ω01一定時，ωI、ωII(實(shí)際上是ω2I、ω2II)隨次級諧振頻率ω02變化的關(guān)系曲線如圖4-30(a)所示。當(dāng)k和ω02固定時，ωI、ωII與ω01也有相同的曲線。由圖可以看出以下幾點(diǎn):

(1)ωII始終大于ωI，且有ωII>ω01，ωI<ω01；由第2章耦合回路的分析可知，當(dāng)次級回路為高Q電路且兩回路圖4-29阻抗ZL的幅角的頻率特性圖4-29阻抗ZL的幅角的頻率特性

(2)當(dāng)ω02遠(yuǎn)低于ω01時，ω02對ωI影響較大；當(dāng)ω02遠(yuǎn)大于ω01時，ω02對ωII影響較大。此外，兩回路耦合越緊，k越大，ωI與ωII相差越大(當(dāng)ω01、ω02一定時)。(2)當(dāng)ω02遠(yuǎn)低于ω01時，ω02對ωI影響較大；當(dāng)

頻率拖曳現(xiàn)象是指在上述緊耦合回路的振蕩器中，當(dāng)變化一個回路(如次級回路)的諧振頻率時，振蕩器頻率具有非單值的變化。圖4-30(b)就是振蕩頻率隨次級諧振頻率ω02變化的曲線。振蕩頻率與初級回路的諧振頻率ω01之間也有相似的關(guān)系曲線。當(dāng)ω02從很低頻率增加時，由于ωII在頻率上滿足振幅平衡條件，振蕩頻率為ωII。在ωM<ω02<N范圍時，雖然在ωI上也能滿足振幅平衡條件，但因?yàn)樵瓉硪言讦豂I上振蕩，故將抑制ωI的振蕩。當(dāng)ω02增加到ω02>ωN時，因ωII不再滿足振幅平衡條件，而ωI滿足振蕩條件，所以振蕩頻率突跳至較低的ωI上，并按ωI的規(guī)律變化。以上過程，按圖中的a、b、c、d、e順序變化。若ω02再從大至小變化，則根據(jù)同樣的道理，曲線將按圖中e、d、c、b、a的順序變化，在ω02=ωM時產(chǎn)生向上突跳。這樣的頻率變化稱為頻率拖曳現(xiàn)象，并構(gòu)成一拖曳環(huán)。當(dāng)ω02位于ωM與ωN之間，而振蕩器開始工作時，振蕩器可能在ωII工作，也可能在ωI工作，這時的振蕩器頻率不是惟一確定的，它可能受外部條件的影響而產(chǎn)生頻率跳變現(xiàn)象。頻率拖曳現(xiàn)象是指在上述緊耦合回路的振蕩器中，當(dāng)變化一個回圖4-30ωI、ωII與ω02的關(guān)系曲線及拖曳環(huán)的形成圖4-30ωI、ωII與ω02的關(guān)系曲線及拖曳環(huán)的形成頻率拖曳現(xiàn)象一般應(yīng)該避免，因?yàn)樗拐袷幤鞯念l率不是單調(diào)的變化和受回路諧振頻率惟一確定。為避免產(chǎn)生頻率拖曳現(xiàn)象，應(yīng)該減小兩回路的耦合，或減小次級回路Q值。另外，若次級回路頻率遠(yuǎn)離所需的振蕩頻率范圍，也不會產(chǎn)生拖曳現(xiàn)象(振蕩頻率由ω01調(diào)節(jié))。但在要求有高效率輸出的耦合回路振蕩器中，拖曳現(xiàn)象通常不能避免，此時應(yīng)利用以上知識進(jìn)行調(diào)整。在某些微波振蕩器中(包括一些利用負(fù)阻器件的振蕩器)也可以利用拖曳效應(yīng)用高Q值和高穩(wěn)定參數(shù)的次級回路進(jìn)行穩(wěn)頻，即讓振蕩器工作在受ω02控制較大的部分(如圖4-30(b)上的ωM附近的ωI或ωN附近的ωII上)，這種穩(wěn)頻方法稱為牽引穩(wěn)頻，次級回路由穩(wěn)頻腔擔(dān)任。頻率拖曳現(xiàn)象一般應(yīng)該避免，因?yàn)樗拐袷幤鞯念l率不是單調(diào)的4.6.3振蕩器的頻率占據(jù)現(xiàn)象

在一般LC振蕩器中，若從外部引入一頻率為fs的信號，當(dāng)fs接近振蕩器原來的振蕩頻率f1時，會發(fā)生占據(jù)現(xiàn)象，表現(xiàn)為當(dāng)fs接近f1時，振蕩器受外加信號影響，振蕩頻率向接近fs的頻率變化，而當(dāng)fs進(jìn)一步接近原來f1時，振蕩頻率甚至等于外加信號頻率fs，產(chǎn)生強(qiáng)迫同步。當(dāng)fs離開原來f1時，則發(fā)生相反的變化。這是因?yàn)?，?dāng)外加信號頻率fs在振蕩回路的帶寬以內(nèi)時，外信號的加入會改變振蕩器的相位平衡狀態(tài)，使相位平衡條件在頻率上得到滿足，從而發(fā)生占據(jù)現(xiàn)象。4-31(a)為解釋占據(jù)現(xiàn)象的振蕩器線路，其中為外加信號，現(xiàn)等效到晶體管的基極電路。圖4-31(b)表示有占據(jù)現(xiàn)象時振蕩頻率和信號頻率fs之間頻率差與信號頻率fs的變化關(guān)系，圖(b)中fA至fB及fC至fD范圍為開始產(chǎn)生頻率牽引的范圍，fB至fC為占據(jù)頻率范圍，2Δf稱為占據(jù)帶寬。4.6.3振蕩器的頻率占據(jù)現(xiàn)象圖4-31占據(jù)現(xiàn)象圖4-31占據(jù)現(xiàn)象下面用矢量圖來分析占據(jù)過程。為了簡單起見，設(shè)無外加信號時的振蕩頻率f1等于回路諧振頻率f0，這表示在圖4-31(a)上的電壓、電流(、、)及反饋電壓都同相?，F(xiàn)加入信號，其頻率fs處于占據(jù)帶，并以作參考可