第4章 正弦波振蕩器

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

4.1反饋振蕩器的原理

4.1.1反饋振蕩器的原理分析反饋型振蕩器的原理框圖如圖4─1所示。由圖可見,反饋型振蕩器是由放大器和反饋網(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)一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。(4─1)(4─2)(4─3)(4─4)(4─5)(4─6)由得其中自激振蕩的條件就是環(huán)路增益為1,即(4─7)通常又稱為振蕩器的平衡條件。由式(4─5)還可知形成增幅振蕩形成減幅振蕩(4─8)

4.1.2平衡條件振蕩器的平衡條件即為也可以表示為(4─9a)(4─9b)式(4─9a)和(4─9b)分別稱為振幅平衡條件和相位平衡條件?，F(xiàn)以單調(diào)諧諧振放大器為例來看K(jω)與F(jω)的意義。若由式(4─2)可得(4─10)式中,ZL為放大器的負(fù)載阻抗(4─11)Yf(jω)為晶體管的正向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納。(4─12)與F(jω)反號的反饋系數(shù)F′(jω)(4─13)這樣,振蕩條件可寫為(4─14)振幅平衡條件和相位平衡條件分別可寫為(4─15a)(4─15b)

4.1.3起振條件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)可知稱為自激振蕩的起振條件,也可寫為(4─16a)(4─16b)式(4─16a)和(4─16b)分別稱為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。圖4─2振幅條件的圖解表示4.1.4穩(wěn)定條件振蕩器的穩(wěn)定條件分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。振幅穩(wěn)定條件為(4─17)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)一個正弦信號的相位φ和它的頻率ω之間的關(guān)系(4─19a)(4─19b)相位穩(wěn)定條件為(4─20)

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,因而稱為互感耦合式的反饋振蕩器,或稱為變壓器耦合振蕩器。圖4─4互感耦合振蕩器

4.2LC振蕩器

4.2.1振蕩器的組成原則

基本電路就是通常所說的三端式(又稱三點(diǎn)式)的振蕩器,即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

根據(jù)諧振回路的性質(zhì),諧振時回路應(yīng)呈純電阻性,因而有(4─21)一般情況下,回路Q值很高,因此回路電流遠(yuǎn)大于晶體管的基極電流?b、集電極電流?

c以及發(fā)射極電流?e,故由圖4─5有(4─22a)(4─22b)因此X1、X2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件。三端式振蕩器有兩種基本電路,如圖4─6所示。圖4─6(a)中X1和X2為容性,X3為感性,滿足三端式振蕩器的組成原則,反饋網(wǎng)絡(luò)是由電容元件完成的,稱為電容反饋振蕩器,也稱為考必茲(Colpitts)振蕩器圖4─6兩種基本的三端式振蕩器(a)電容反饋振蕩器;(b)電感反饋振蕩器圖4─7是一些常見振蕩器的高頻電路,讀者不妨自行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

4.2.2電容反饋振蕩器

圖4─8(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。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)高頻等效電路圖4─8電路的振蕩頻率為(4─23)(4─24)C為回路的總電容由圖4─8(c)可知,當(dāng)不考慮gie的影響時,反饋系數(shù)F(jω)的大小為(4─25)(4─26)將gie折算到放大器輸出端,有(4─27)因此,放大器總的負(fù)載電導(dǎo)gL為則由振蕩器的振幅起振條件YfRLF′>1,可以得到(4─28)(4─29)

4.2.3電感反饋振蕩器

圖4─9是一電感反饋振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。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,即式中的L為回路的總電感,由圖4─9有(4─30)(4─31)由相位平衡條件分析,振蕩器的振蕩頻率表達(dá)式為(4─32)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)

4.2.4兩種改進(jìn)型電容反饋振蕩器1.克拉潑振蕩器圖4─10是克拉潑振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。圖4─10克拉潑振蕩器電路(a)實(shí)際電路;(b)交流等效電路

由圖4─10可知,回路的總電容為(4─35)(4─36)(4─37)(4─38)(4─39)2.西勒振蕩器

圖4─11是西勒振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。它的主要特點(diǎn),就是與電感L并聯(lián)一可變電容C4。圖4─11西勒振蕩器電路(a)實(shí)際電路;(b)交流等效電路

由圖4─11可知,回路的總電容為(4─40)(4─41)振蕩器的振蕩頻率為

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

4.2.6壓控振蕩器壓控振蕩器的主要性能指標(biāo)為壓控靈敏度和線性度。壓控靈敏度定義為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示出了一壓控振蕩器的頻率-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─13壓控振蕩器線路

圖4─14壓控振蕩器的頻率與控制電壓關(guān)系

4.2.7E1648單片集成振蕩器

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4.3頻率穩(wěn)定度

4.3.1頻率穩(wěn)定度的意義和表征

振蕩器的頻率穩(wěn)定度是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)。頻率穩(wěn)定度在數(shù)量上通常用頻率偏差來表示。頻率偏差是指振蕩器的實(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：(4─44)(4─43)絕對偏差相對偏差

4.3.2振蕩器的穩(wěn)頻原理由振蕩器的相位平衡條件[式(4─9b)]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φL可以近似表示為將帶入上式，相位平衡條件可表示為(4─45)(4─46)(4─47)考慮到QL值較高,即,有(4─48)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)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)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。由相位平衡條件圖形表示ω0的影響：LC變化→ω0

變化→曲線形狀不變，位置平移。引起ωosc變化Δωosc。2.QL、對回路諧振頻率ω0的影響★：QL變化，曲線斜率變化，曲線斜率的變化引起振蕩頻率變化Δωosc變?yōu)棣う亍痮sc★此外，不僅與QL變化的大小有關(guān)，還和的大小有關(guān)。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)性是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。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。3.提高回路的品質(zhì)因數(shù)Q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。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。4.4LC振蕩器的設(shè)計考慮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。

√在短波范圍：電感反饋振蕩器、電容反饋振蕩器都可以采用。在中、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。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。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。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。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(4─51)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(4─51)反饋系數(shù)的大小應(yīng)在下列范圍選擇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。(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。(3)石英晶體諧振器具有非常高的Q值。復(fù)習(xí)：石英晶體振蕩器（參見本書第二章§2）1、壓電特性電壓→機(jī)械變形機(jī)械變形→電荷（電壓）交變電壓的頻率＝晶體的固有振動頻率晶體的振幅最強(qiáng)，感應(yīng)的電荷量最大。石英晶體具有多諧性。晶體的物理性能極穩(wěn)定。1、兩個電極加上交變電壓，晶體產(chǎn)生機(jī)械振動，機(jī)械振動在晶體的兩個電極上產(chǎn)生符號相反，數(shù)值相等的電荷。形成交變電壓。2、這一交變電壓經(jīng)放大器放大后以相同相位反饋到晶體兩端，從而維持了機(jī)械振動。3、振蕩器的振蕩頻率被控制在晶體的機(jī)械振動頻率上?！嗥鹫耠妷骸w→固有振動頻率電壓→放大器→晶體。形成穩(wěn)定振蕩。2、工作原理3、晶體的等效電路電路符號完整等效電路基頻等效電路1、參數(shù)的說明交變電壓與石英片共振時，兩電極上交變電荷量最大，也就是交流電流最大，所以用串聯(lián)諧振支路等效。C0為電極與石英片構(gòu)成的靜態(tài)電容、及支架、引線的分布電容。

安裝電容C0約１pF～１０ｐF動態(tài)電感Lq約10-3H～102H動態(tài)電容Cq約10-4pF～10-1pF動態(tài)電阻rq約幾十歐到幾百歐由以上參數(shù)可以看到：石英晶振的Ｑ值和特性阻抗ρ都非常高。Ｑ值可達(dá)幾萬～幾百萬,因?yàn)槭⒕д耠娍诡l率特性曲線如圖(實(shí)線)所示。串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率fqfs4.5.2晶體振蕩器電路

晶體振蕩器的電路類型很多,但根據(jù)晶體在電路中的作用,可以將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。

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(f1)在晶體的串聯(lián)諧振頻率（fq)和并聯(lián)諧振頻率(fp)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。

圖4─17皮爾斯振蕩器呈感性皮爾斯振蕩器的工作頻率應(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)由圖有(4─55)(4─54)圖4─18并聯(lián)型晶體振蕩器穩(wěn)頻原理圖4─19并聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)用線路一些并聯(lián)型晶體振蕩器實(shí)例反饋系數(shù)F的大小為由于晶體的品質(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,所以放大器的增益較高,電路很容易滿足振幅起振條件。(4─56)