1、第四章 正弦波振蕩器1第四章第四章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器4.1 概述概述4.2 反饋振蕩原理反饋振蕩原理 4.3 LC振蕩器振蕩器 4.4 晶體振蕩器晶體振蕩器 4.5 壓控振蕩器壓控振蕩器4.6 集成電路振蕩器集成電路振蕩器4.7 實例介紹實例介紹第四章 正弦波振蕩器24.1 4.1 概述概述 振蕩器振蕩器是一中是一中能自動地將直流能源轉換為一定波形的交能自動地將直流能源轉換為一定波形的交變振蕩信號能量的轉換電路變振蕩信號能量的轉換電路。它與放大器的區別在于，無需。它與放大器的區別在于，無需外加激勵信號，就能產生具有一定頻率、一定波形和一定振外加激勵信號，就能產生具有一定頻率、一定波形和

2、一定振幅的交流信號。幅的交流信號。 根據所產生的波形不同，可將振蕩器分成根據所產生的波形不同，可將振蕩器分成正弦波振蕩器正弦波振蕩器和和非正弦波振蕩器非正弦波振蕩器兩大類。前者能產生正弦波，后者能產生矩兩大類。前者能產生正弦波，后者能產生矩形波、三角波、鋸齒波等。形波、三角波、鋸齒波等。 按照選頻網絡所采用元件的不同，正弦波振蕩器可分為按照選頻網絡所采用元件的不同，正弦波振蕩器可分為LCLC振蕩器振蕩器、RCRC振蕩器振蕩器和和晶體振蕩器晶體振蕩器等類型。其中等類型。其中LCLC振蕩器和振蕩器和晶體振蕩器用于產生高頻正弦波，晶體振蕩器用于產生高頻正弦波，RCRC振蕩器用于產生低頻振蕩器用于產生

3、低頻正弦波。正弦波。 按照產生振蕩的方法，分為按照產生振蕩的方法，分為反饋振蕩器反饋振蕩器和和負阻振蕩器負阻振蕩器。各個頻段的振蕩器（舉例）各個頻段的振蕩器（舉例）第四章 正弦波振蕩器34.2 反饋振蕩原理4.2.1并聯諧振回路中的自由振蕩現象Us12SucuLiLiRuRRe0ic圖圖 4.2.1 RLC電路與電壓源的連接電路與電壓源的連接uc(t)0tet圖圖 4.2.2 RLC欠阻尼振蕩波形欠阻尼振蕩波形第四章 正弦波振蕩器44.2反饋振蕩原理4.2.2 振蕩過程及其中的三個振蕩條件 一個反饋振蕩器必須滿足三個條件：起振條件（保證接通電源后能逐步建立起振蕩），平衡條件（保證進入維持等幅持

4、續振蕩的平衡狀態）和穩定條件（保證平衡狀態不因外界不穩定因素影響而受到破壞）。反饋振蕩器的組成主 網 絡 反 饋 網 絡oUfUiUfU第四章 正弦波振蕩器51.起振過程與起振條件 要使振幅不斷增長的條件：環路增益：也可寫成： 10T nT20（n=0,1,2,）)()()()(0000iifUUTU1)(0TFAUUTif)(第四章 正弦波振蕩器62.平衡過程與平衡條件 反饋振蕩器的平衡條件為：10T又可寫成：10TnT20（n=0,1,2,）滿足起振和平衡條件的環路增益特性第四章 正弦波振蕩器73.平衡狀態的穩定性和穩定條件00iAiUUiUT相位的穩定條件： 00T動畫演示動畫演示第四章

5、 正弦波振蕩器84.2.3 反饋振蕩電路的判斷方法 根據上述反饋振蕩電路的基本原理和應當滿足的起振、平衡和穩定三個條件，判斷一個反饋振蕩電路能否正常工作，需考慮以下幾點： 1.可變增益放大器件（晶體管，場效應管或集成電路）應有正確的直流偏置，開始時應工作在甲類狀態，便于起振。 2.開始起振時，環路增益幅值AF(0)應大于1。由于反饋網絡通常由無源器件組成，反饋系數F小于1，故A(0)必須大于1。共射、共基電路都可以滿足這一點。為了增大A(0) ，負載電阻不能太小。第四章 正弦波振蕩器9 3.環路增益相位在振蕩頻率點應為2的整數倍，即環路應是正反饋。 4.選頻網絡應具有負斜率的相頻特性。因為在振

6、蕩頻率點附近，可以認為放大器件本身的相頻特性為常數，而反饋網絡通常由變壓器、電阻分壓器或電容分壓器組成，其相頻特性也可視為常數，所以相位穩定條件應該由選頻網絡實現。請看例題：第四章 正弦波振蕩器10 例例4.1 判斷圖例判斷圖例4.1所示各反饋振蕩電路能否正常工作。所示各反饋振蕩電路能否正常工作。 其中（其中（）、（）、（）是交流等效電路）是交流等效電路, （）是實用電路。）是實用電路。圖例4.1 Re2V2CLRe1(a)Re1V1Rc1LCRe2V2Rc2(b)Re2Re1Rb2CbCe1V1LCRe3Ce2R1Re4V2Rb1Rc1Rc2UCC(c)V1第四章 正弦波振蕩器11Re2V2

7、C LRe1( a )Re1V1Rc1LCRe2V2Rc2( b )Re2Re1Rb2CbCe1V1LCRe3Ce2R1Re4V2Rb1Rc1Rc2UCC( c )V1第四章 正弦波振蕩器121. LC并聯回路阻抗并聯回路阻抗的相頻特性和的相頻特性和LC串聯回路串聯回路導納導納的相頻特性是的相頻特性是負斜率。負斜率。2. LC并聯回路導納并聯回路導納的相頻特性和的相頻特性和LC串聯回路串聯回路阻抗阻抗的相頻特性是正斜率。的相頻特性是正斜率。注 意第四章 正弦波振蕩器13 串聯諧振曲線并聯諧振曲線第四章 正弦波振蕩器144.2.4 4.2.4 振蕩器的頻率穩定度振蕩器的頻率穩定度1 1、頻率穩定

8、度定義、頻率穩定度定義 反饋振蕩器如滿足起振、平衡、穩定三個條件反饋振蕩器如滿足起振、平衡、穩定三個條件 ，就能，就能夠產生等幅持續的振蕩波形。當受到外界不穩定因素影響夠產生等幅持續的振蕩波形。當受到外界不穩定因素影響時，振蕩器的相位或振蕩頻率可能發生變化，雖然能自動時，振蕩器的相位或振蕩頻率可能發生變化，雖然能自動回到平衡狀態，但振蕩頻率在平衡點附近隨機變化這一現回到平衡狀態，但振蕩頻率在平衡點附近隨機變化這一現象卻是不可避免的。象卻是不可避免的。 通常所講的頻率穩定度一般指通常所講的頻率穩定度一般指短期頻穩度短期頻穩度，定義為：，定義為：niinffffnff120000001lim第四章

9、 正弦波振蕩器152 2、提高、提高LCLC振蕩器頻率穩定度的措施振蕩器頻率穩定度的措施（1 1）減少外界因素變化的影響）減少外界因素變化的影響（2 2）提高電路抗外界因素變化影響的能力）提高電路抗外界因素變化影響的能力 其中其中 是第是第i i次測試時的絕對頻率偏差次測試時的絕對頻率偏差。 00fffiiniinffnf1001lim是絕對頻率偏差的平均值，也就是是絕對頻率偏差的平均值，也就是絕對頻率準確度。絕對頻率準確度。 可見，頻率穩定度是用可見，頻率穩定度是用均方誤差值均方誤差值來表示的相對頻率來表示的相對頻率偏差程度。偏差程度。第四章 正弦波振蕩器164.3 LC振蕩器 定義 采用采

10、用LC諧振回路作為諧振回路作為選頻網絡的反饋振蕩器選頻網絡的反饋振蕩器 統稱為統稱為LC振蕩器振蕩器LC振蕩器可以用來產生幾十千振蕩器可以用來產生幾十千赫到幾百兆赫的正弦波信號赫到幾百兆赫的正弦波信號第四章 正弦波振蕩器17 本節介紹以單個晶體管作為放大器，以本節介紹以單個晶體管作為放大器，以LC分立分立元件作為選頻網絡的元件作為選頻網絡的LC振蕩器。其中晶體管也可以振蕩器。其中晶體管也可以改用場效應管，工作原理基本相同。改用場效應管，工作原理基本相同。LC振蕩器按其振蕩器按其反饋網絡的不同反饋網絡的不同互感耦合互感耦合電容耦合電容耦合自耦變壓器耦合自耦變壓器耦合 統稱為統稱為三端式振蕩器三端

11、式振蕩器第四章 正弦波振蕩器184.3.1互感耦合振蕩器 此電路采用共發射極組態，此電路采用共發射極組態，LC回路回路接在集電極上。接在集電極上。 互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實現互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實現正反饋正反饋，所以，應注意耦合線圈所以，應注意耦合線圈同名端同名端的的正確位置。同時，耦合系正確位置。同時，耦合系數數MM要選擇合適，使之滿足振幅起振條件。要選擇合適，使之滿足振幅起振條件。 集電級調諧型互感耦合集電級調諧型互感耦合振蕩電路如圖示振蕩電路如圖示:請看例題：MCeReRb2Rb1CbUCCCL第四章 正弦波振蕩器19【例例4.2】 判斷圖例判斷圖例4.

12、2所示兩級互感耦合振蕩電路能否所示兩級互感耦合振蕩電路能否正常工作。正常工作。C1L1L2V1ReC2L3RLV2圖 例4.2第四章 正弦波振蕩器20第四章 正弦波振蕩器214.3.2三端式振蕩器電路組成法則 三端式振蕩器是指LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接而組成的一種振蕩器。 三端式振蕩器電路用電容耦合或自耦變壓器耦合代替互感耦合，可以克服互感耦合振蕩器振蕩頻率低的缺點，是一種廣泛應用的振蕩電路，其工作頻率可達到幾百兆赫。三端式振蕩器的原理電路如動畫所示第四章 正弦波振蕩器22圖圖4.3.2 三端式振蕩器的原理電路三端式振蕩器的原理電路 iUXbeXcefUcUXbcoU第四章

13、正弦波振蕩器23 假定假定LC回路由純電抗元件組成，其電抗值分別為回路由純電抗元件組成，其電抗值分別為Xce、Xbe和和Xbc，同時不考慮晶體管的電抗效應，則當回路諧振，同時不考慮晶體管的電抗效應，則當回路諧振(=0)時，回路成純阻性，有：時，回路成純阻性，有：Xce+Xbe+Xbc=0，因此，因此-Xce=Xbe+Xbc，由于，由于Uf是是Uc在在Xbe、Xbc支路分配在支路分配在Xbe上的電上的電壓，有壓，有 因為這是一個由反相放大器組成的正反饋電路，因為這是一個由反相放大器組成的正反饋電路，U Ui i與與U Uf f 同相，同相，U Uc c與與U Ui i反相，所以反相，所以cceb

14、ebcbecbefUXXXXjUjXU 即即Xbe與與Xce必須是必須是同性質電抗同性質電抗，因而，因而Xbc必須必須是是異性質電異性質電抗抗。0cebeXX第四章 正弦波振蕩器24 結論： 在三端式電路中，LC回路中與發射極相連接的兩個電抗元件必須為同性質，另外一個電抗元件必須為異性質。這就是三端式電路組成的相位判據或稱為三端式電路的組成法則。 與發射極相連接的兩個電抗元件同為電容時的三端式電路，稱為電容三端式電路，也稱為考畢茲電路。 與發射極相連接的兩個電抗元件同為電感時的三端式電路，稱為電感三端式電路，也稱為哈特萊電路。第四章 正弦波振蕩器25電容三端式（考畢茲電路）電容三端式（考畢茲電

15、路） 電感三端式（哈特萊電路）電感三端式（哈特萊電路）第四章 正弦波振蕩器262.電容三端式電路（又稱為考畢茲電路，Coplitts）(a)(b)高頻等效電路高頻等效電路第四章 正弦波振蕩器27(a)(b)(c)電容三端式振蕩器的交流等效電路本電路的反饋系數：211CCCnF第四章 正弦波振蕩器28 在圖在圖.（）中的雙電容耦合電路里（）中的雙電容耦合電路里, 可把次級可把次級電路元件電路元件re、Re、Cbe等效到初級中等效到初級中, 如圖如圖.（）所示。所示。 其中接入系數其中接入系數n=ebCCC22eeeernRrnr221)/(1ffUnU1(因為因為reRe)211CCC第四章 正

16、弦波振蕩器2921212121CCCCCCCCCjBGUgUimfffUnU因為因為 圖圖4.3.（）又可以進一步等效為圖）又可以進一步等效為圖4.3.4（）。）。 其其中等效電導中等效電導G=gL+g e。等效電納。等效電納B=C-1(L), 第四章 正弦波振蕩器30LCjggngjBGngUUTeLmmif1振蕩角頻率振蕩角頻率LC10由此可求得由此可求得振幅起振條件振幅起振條件為為: 1.eLmggng所以環路增益所以環路增益第四章 正弦波振蕩器31即即eLeLmnggnggng1)(1其中其中eebeeLLrrgRRg11,/10本電路的本電路的反饋系數反饋系數 211CCCnF的取值

17、一般為的取值一般為1/81/2。 第四章 正弦波振蕩器32 由式（由式（4.3.1）可知）可知, 為了使電容三端式電路易于起振為了使電容三端式電路易于起振, 應選擇應選擇跨導跨導gm較大、較大、rbe較大的晶體管較大的晶體管, 其負載其負載RL和回路和回路諧振電阻諧振電阻Re0也要大也要大, 而接入系數而接入系數要合理選擇。要合理選擇。 實踐表明實踐表明, 如果選用截止頻率如果選用截止頻率fT大于振蕩頻率五倍以大于振蕩頻率五倍以上的晶體管作放大器上的晶體管作放大器, 負載負載RL不要太小（不要太小（k以上）以上）, 接接入系數入系數取值合適取值合適, 一般都能滿足起振條件。一般都能滿足起振條件

18、。 第四章 正弦波振蕩器333.電感三端式電路（也稱為哈特萊電路，Hartley）本電路的反饋系數：MLLMLnF2212(a)(b)第四章 正弦波振蕩器34兩種三端式振蕩電路優缺點的比較： 1.電容三端式振蕩器 優點是：反饋電壓取自C2,而電容對晶體管非線性特性產生的高次諧波呈現低阻抗，所以反饋電壓中高次諧波分量很小，因而輸出波形好，接近于正弦波。 缺點是：反饋系數因與回路電容有關，如果用改變回路電容的方法來調整振蕩頻率，必將改變反饋系數，從而影響起振。第四章 正弦波振蕩器35 電感三端式振蕩器優點:便于改變電容的方法來調整振蕩頻率，而不會影響反饋系數；缺點：反饋電壓取自L2,而電感線圈對高

19、次諧波呈現高阻抗，所以反饋電壓中高次諧波分量很多，輸出波形較差 兩種振蕩器共同的缺點是：晶體管輸入輸出電容分別和兩個回路電抗元件并聯，影響回路的等效電抗元件參數，從而影響振蕩頻率。 由于晶體管輸入輸出電容值隨環境溫度、電源電壓等因素而變化，所以三點式電路的頻率穩定度不高，一般在10-3量級。第四章 正弦波振蕩器36 例例. 在圖例在圖例4.3所示振蕩器交流等效電路中所示振蕩器交流等效電路中, 三個三個并并聯回路的諧振頻率分別是：聯回路的諧振頻率分別是：, 試問試問1、2、3滿足什么條件時該振蕩器滿足什么條件時該振蕩器能正常工作？且相應的振蕩頻率是多少？能正常工作？且相應的振蕩頻率是多少？ 解解

20、: 由圖可知由圖可知, 只要滿足三端式組成法則只要滿足三端式組成法則, 該振蕩器就能正常該振蕩器就能正常工作。工作。 若組成電容三端式若組成電容三端式, 則在振蕩頻率則在振蕩頻率01處處, 11回路與回路與22回路應呈現容性回路應呈現容性, L3C3回路應呈現感性。回路應呈現感性。 所以應滿足所以應滿足12013或或21013。 )2/(1),2/(1222111CLfCLf)2/(1333CLf第四章 正弦波振蕩器37圖例4.3 X0f1(或 f2)f2(或 f1)f01f3fX0f3f02f1(或 f2)ff2(或 f1)(c)(b)L1C1C3C2L3L2(a)第四章 正弦波振蕩器38在

21、兩種情況下在兩種情況下, 振蕩頻率的表達式均為振蕩頻率的表達式均為:CLff21020132321321321)(CCCCCCLLLLLLL第四章 正弦波振蕩器394.克拉波(Clapp)電路(a)克拉波電路的實用電路(b)高頻等效電路 電容三端式電路比電感三端式電路性能要好些電容三端式電路比電感三端式電路性能要好些, 但但如何減小如何減小晶體管輸入輸出電容對頻率穩定度的影響晶體管輸入輸出電容對頻率穩定度的影響仍是一個必須解決的問仍是一個必須解決的問題題, 于是出現了于是出現了改進型的電容三端式電路改進型的電容三端式電路克拉潑電路克拉潑電路。 第四章 正弦波振蕩器40各電容取值必須滿足：各電容

22、取值必須滿足：31, 3 2, 這樣可使電路的振蕩頻率近似只與這樣可使電路的振蕩頻率近似只與3、有關。有關。先不考慮晶體管輸入輸出電容的影響。先不考慮晶體管輸入輸出電容的影響。 因為因為3遠遠小于遠遠小于1或或2, 所以所以1、2 、3三個電容串聯后的等效電容三個電容串聯后的等效電容3231333132213211CCCCCCCCCCCCCCCC3011LCLC結論：結論： 克拉潑電路的振蕩頻率幾乎與克拉潑電路的振蕩頻率幾乎與1、2無關無關。 振蕩角頻率振蕩角頻率第四章 正弦波振蕩器41現在分析晶體管結電容現在分析晶體管結電容ce、be 對振蕩頻率的影響。對振蕩頻率的影響。 由圖由圖4.3.6

23、（）可以看到）可以看到, , cece與諧振回路的接入系數與諧振回路的接入系數2132123231213232321323232132)(CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCn串串第四章 正弦波振蕩器42與電容三點式電路中與電容三點式電路中cece與諧振回路的接入系數與諧振回路的接入系數n=n=C C2 2( (C C1 1+ +C C2 2) )比較比較, , 由于由于3 31 1, , 3 3 2 2, , 所以所以。 由于由于cece的接入系數大大減小的接入系數大大減小, , 所以它等效到回路兩端所以它等效到回路兩端的電容值也大大減小的電容值也大大減小, , 對振蕩頻

24、率的影響也大大減小。對振蕩頻率的影響也大大減小。 同理同理, ,bebe對振蕩頻率的影響也極小。對振蕩頻率的影響也極小。 因此因此, , 克拉潑電路的頻率穩定度比電容三點式電路要好。克拉潑電路的頻率穩定度比電容三點式電路要好。 在實際電路中在實際電路中, ,根據所需的振蕩頻率決定根據所需的振蕩頻率決定、3 3的值的值, , 然后取然后取1 1、2 2遠大于遠大于3 3即可。但是即可。但是3 3不能取得太小不能取得太小, ,否則否則將影響振蕩器的起振。將影響振蕩器的起振。 第四章 正弦波振蕩器43 晶體管c 、b兩端與回路A、B兩端之間的接入系數所以，A、B兩端的等效電阻 RL=RL/Re0 ，

25、折算到c、b兩端后為：11213213212131CCCCCCCCCCCn022132121 11eLLLLLLRRRRRCCCCCRnR第四章 正弦波振蕩器445.西勒(Seiler)電路(a)實用電路(b)高頻等效電路第四章 正弦波振蕩器45 針對克拉潑電路的缺陷針對克拉潑電路的缺陷, , 出現了另一種改進型電容三端出現了另一種改進型電容三端式電路式電路西勒電路。圖西勒電路。圖4.3.74.3.7（）是其實用電路）是其實用電路, , （）是其高頻等效電路。是其高頻等效電路。 西勒電路是在克拉潑電路基礎上西勒電路是在克拉潑電路基礎上, , 在電感在電感兩端并聯了兩端并聯了一個小電容一個小電容

26、4, , 且滿足且滿足1 、2遠大于遠大于3 , 1 、2遠大于遠大于4, 所以其回路等效電容所以其回路等效電容434323121321CCCCCCCCCCCCC振蕩頻率為：振蕩頻率為：)(2121430CCLLCf西勒電路可用作波段振蕩器西勒電路可用作波段振蕩器, ,其波段覆蓋系數為其波段覆蓋系數為1.61.61.8左右。左右。 結論：結論：第四章 正弦波振蕩器46電容、電感兩種三點式振蕩電路優缺點：電容、電感兩種三點式振蕩電路優缺點：1.電容三點式振蕩器電容三點式振蕩器優點是：優點是： 反饋電壓取自反饋電壓取自C2,C2,而電容對晶體管非線性而電容對晶體管非線性特性產生的高次諧波呈現低阻抗

27、，所以反特性產生的高次諧波呈現低阻抗，所以反饋電壓中高次諧波分量很小，因而輸出波饋電壓中高次諧波分量很小，因而輸出波形好，接近于正弦波。形好，接近于正弦波。 缺點是：缺點是：反饋系數因與回路電容有關，如反饋系數因與回路電容有關，如果用改變回路電容的方法來調整果用改變回路電容的方法來調整振蕩頻率，必將改變反饋系數，振蕩頻率，必將改變反饋系數，從而影響起振從而影響起振回顧：回顧：4.4 4.4 晶體振蕩器晶體振蕩器第四章 正弦波振蕩器472.電感三點式振蕩器電感三點式振蕩器優點優點: :便于改變電容的方法來調整便于改變電容的方法來調整振蕩頻率，而不會影響反饋振蕩頻率，而不會影響反饋系數；系數；缺點

28、：缺點：反饋電壓取自反饋電壓取自L2,L2,而電感線圈對高次而電感線圈對高次諧波呈現高阻抗，所以反饋電壓中高諧波呈現高阻抗，所以反饋電壓中高次諧波分量很多，輸出波形較差次諧波分量很多，輸出波形較差共同的缺點：共同的缺點：兩種振蕩器晶體管輸入輸出電容分別和兩個回路電兩種振蕩器晶體管輸入輸出電容分別和兩個回路電抗元件并聯，影響回路的等效電抗元件參數，從而影抗元件并聯，影響回路的等效電抗元件參數，從而影響振蕩頻率。且電容值隨環境溫度、電源電壓等因素響振蕩頻率。且電容值隨環境溫度、電源電壓等因素而變化，所以三點式電路的頻率穩定度不高，一般在而變化，所以三點式電路的頻率穩定度不高，一般在 1010-3-

29、3量級。量級。第四章 正弦波振蕩器48 由分析可知：電容三點式電路比電感三點式電路性能要好由分析可知：電容三點式電路比電感三點式電路性能要好些些, 但但如何減小晶體管輸入輸出電容對頻率穩定度的影響如何減小晶體管輸入輸出電容對頻率穩定度的影響仍是仍是一個必須解決的問題一個必須解決的問題, 于是出現了于是出現了改進型的電容三點式電路改進型的電容三點式電路克拉潑電路克拉潑電路。 優點：由于優點：由于3.克拉潑電路克拉潑電路3231333132213211CCCCCCCCCCCCCCCC3011LCLC克拉潑電路的振蕩頻率幾乎與克拉潑電路的振蕩頻率幾乎與1、2無關，所以，穩定。無關，所以，穩定。 缺點

30、：缺點：不適合于作波段振蕩器，不適合于作波段振蕩器，C3不能太小，否則影響起振。不能太小，否則影響起振。第四章 正弦波振蕩器494.西勒電路西勒電路針對克拉潑電路的缺陷針對克拉潑電路的缺陷, , 出現的另一種改出現的另一種改進型電容三點式電路進型電容三點式電路434323121321CCCCCCCCCCCCC)(2121430CCLLCf結論：結論：西勒電路可用作波段振蕩器西勒電路可用作波段振蕩器,其波段覆蓋系數為其波段覆蓋系數為1.61.8左右。左右。第四章 正弦波振蕩器504.4 4.4 晶體振蕩器晶體振蕩器 4.4.1石英晶體及其阻抗頻率特性1、石英晶體諧振器 石英是礦物質硅石的一種，化

31、學成分是SiO2，形狀是呈角錐形的六棱結晶體。石英晶體具有壓電效應。 當交流電壓加在晶體兩端, 晶體先隨電壓變化產生應變, 然后機械振動又使晶體表面產生交變電荷。 當晶體幾何尺寸和結構一定時, 它本身有一個固有的機械振動頻率。工作原理第四章 正弦波振蕩器51 當外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻 率時, 晶體片的機械振動最大, 晶體表面電荷量 最多, 外電路中的交流電流最強, 于是產生了諧 振。 因此, 將石英晶體按一定方位切割成片, 兩邊敷以電極, 焊上引線, 再用金屬或玻璃外殼封裝即構成石英晶體諧振器（簡稱石英晶振）。32.768KHz第四章 正弦波振蕩器52 2）.石英晶振的振動具有石英

32、晶振的振動具有多諧性多諧性, 即除了即除了基頻振動基頻振動外外, 還有還有奇次諧波奇次諧波泛音泛音振動振動。 對于石英晶振對于石英晶振, 既可利用其基頻振動既可利用其基頻振動, 也可利用其泛音振也可利用其泛音振動。動。 基頻振動稱為基頻晶體基頻振動稱為基頻晶體,奇次諧波泛音振動稱為泛音晶體。奇次諧波泛音振動稱為泛音晶體。 3）.工作頻率較低時（小于工作頻率較低時（小于20MHz ）常采用基頻晶體，工）常采用基頻晶體，工作頻率較高時（大于作頻率較高時（大于20 MHz ）, 常采用泛音晶體。常采用泛音晶體。特點：特點： 1 1）. .石英晶振的固有頻率十分穩定石英晶振的固有頻率十分穩定, , 它

33、的溫度系數（溫它的溫度系數（溫度變化度變化所引起的固有頻率相對變化量）在所引起的固有頻率相對變化量）在1010-6-6以下；以下；第四章 正弦波振蕩器532、石英晶振的阻抗頻率特性圖4.1是石英晶振的符號和等效電路。 圖圖 4.4.1 石英晶體諧振器石英晶體諧振器(a) 符號；符號； (b) 基頻等效電路；基頻等效電路； (c) 完整等效電路完整等效電路(a)(b)(c)第四章 正弦波振蕩器54封裝電容C0約1pF10pF動態電感Lq約10-3H102H動態電容Cq約10-4pF10-1pF動態電阻rq約幾十歐到幾百歐由以上參數可以看到： (1)石英晶振的Q值和特性阻抗都非常高。Q值可以達到幾

34、萬到幾百萬，因為Lq較大,Cq與rq很小的緣故。qqqqCLrQ1第四章 正弦波振蕩器55 綜合以上兩點，不難理解石英晶振的頻率穩定度是非常高的。 (2)由于石英晶振的接入系數n=Cq/(C0+Cq)很小，所以外接元器件參數對石英晶振的影響很小。串聯諧振頻率并聯諧振頻率qqsCLf2100000121CCfCCCfCCCCLfqsqsqqqp第四章 正弦波振蕩器56晶振的頻率特性曲線晶振的頻率特性曲線第四章 正弦波振蕩器574.4.2 4.4.2 晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路 將晶振作為高 Q值諧振回路元件接入正反饋電路中，就組成了晶體振蕩器。 1. 將晶振作為等效電感元件作用在三端式電路中，

35、工作在感性區，稱為并聯型晶體振蕩器； 2. 將晶振作為一個短路元件串接于正反饋支路上，工作在它的串聯諧振頻率上，稱為串聯型晶體振蕩器。根據晶振在振蕩器中的作用原理分類根據晶振在振蕩器中的作用原理分類第四章 正弦波振蕩器581 1、皮爾斯（、皮爾斯（PiercePierce）振蕩電路）振蕩電路 使石英晶體等效于電容三端式中的電感使石英晶體等效于電容三端式中的電感 皮爾斯電路是最常用的振蕩電路之一。 圖4.4.3（）是皮爾斯電路, （）是其高頻等效電路, 其中虛線框內是晶振的等效電路。Rb1Rb2CbReC1C2UCCLc(a)(b)CcRLLqCqrqRe晶 體RLC1C2C0第四章 正弦波振蕩

36、器59皮爾斯（皮爾斯（PiercePierce）振蕩電路分析）振蕩電路分析 (1)(1)振蕩回路與晶體管、負載之間的耦合很弱。晶體管振蕩回路與晶體管、負載之間的耦合很弱。晶體管c c、b b端，端，c c、e e端和端和e e、b b端的接入系數分別是：端的接入系數分別是： LqqcbCCCCn02121CCCCCLcbcenCCCn212cbebnCCCn211 由圖由圖4.（）可以看出）可以看出, 皮爾斯電路類似于克拉潑皮爾斯電路類似于克拉潑電路電路, 但由于石英晶振中但由于石英晶振中q極小極小, q極高極高, 所以皮爾斯電路所以皮爾斯電路具有以下一些特點：具有以下一些特點： 結論：結論：

37、以上三個接入系數一般均小于以上三個接入系數一般均小于10-310-4, 所以外電路中所以外電路中的不穩定參數對振蕩回路影響很小的不穩定參數對振蕩回路影響很小, 提高了回路的標準性。提高了回路的標準性。第四章 正弦波振蕩器60 (2)(2)振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數決定，而石英晶振本振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數決定，而石英晶振本身的參數具有高度的穩定性。身的參數具有高度的穩定性。振蕩頻率振蕩頻率 LqsLqLqqCCCfCCCCCCLf0000121 其中，其中，C CL L是和晶振兩端并聯的外電路各電容的等效值，是和晶振兩端并聯的外電路各電容的等效值，即根據產品要求的負載電容。即根據產品要求

38、的負載電容。 在實用時，一般需加入微調電容，用以微調回路的諧振在實用時，一般需加入微調電容，用以微調回路的諧振頻率，保證電路工作在晶振外殼上所注明的標稱頻率頻率，保證電路工作在晶振外殼上所注明的標稱頻率f fN N上。上。第四章 正弦波振蕩器61 (4)由于晶振的Q值和特性阻抗 都很高，所以晶振的諧振電阻也很高，一般可達1010以上。qqCL / (3)由于振蕩頻率f0一般調諧在標稱頻率fN上，位于晶振的感性區內，電抗曲線陡峭，穩頻性能極好。 結論：結論：即使外電路接入系數很小，此諧振電阻等效到即使外電路接入系數很小，此諧振電阻等效到晶體管輸出端的阻抗仍很大，使晶體管的電壓增益能晶體管輸出端的

39、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。滿足振幅起振條件的要求。第四章 正弦波振蕩器62 例例 4.5 圖例圖例4.（）是一個數字頻率計晶振電路）是一個數字頻率計晶振電路, 試分試分析其工作情況。析其工作情況。 20 kC5 MHz5.6 k20 p5 35 p200 p330 p0.01 4.7 2.7 kV11.5 kV2UCC20 p5 35 p200 pV1330 p 4.7 (a )(b )20 kC5 MHz5.6 k20 p5 35 p200 p330 p0.01 4.7 2.7 kV11.5 kV2UCC20 p5 35 p200 pV1330 p 4.7 (

40、a )( b )圖 例4.5 第四章 正弦波振蕩器63 解解: 先畫出先畫出V1管高頻交流等效電路管高頻交流等效電路, 如圖例如圖例4.（）所示所示, 0.01F電容較大電容較大, 作為高頻旁路電路作為高頻旁路電路, V2管作射隨器。管作射隨器。 由高頻交流等效電路可以看到由高頻交流等效電路可以看到, V1管的管的c、e極之間有極之間有一個一個LC回路回路, 其諧振頻率為其諧振頻率為:MHzf0 . 410330107 . 4211260 所以在晶振工作頻率所以在晶振工作頻率5MHz處處, 此回路等效為一此回路等效為一個電容。可見個電容。可見, 這是一個皮爾斯振蕩電路這是一個皮爾斯振蕩電路,

41、晶振等效為電晶振等效為電感感, 容量為容量為5pF35pF的可變電容起微調作用的可變電容起微調作用, 使振蕩器工使振蕩器工作在晶振的標稱頻率作在晶振的標稱頻率5MHz上。上。 第四章 正弦波振蕩器642.2.密勒（密勒（MillerMiller）振蕩電路）振蕩電路 石英晶體等效于電感三端式中的電感石英晶體等效于電感三端式中的電感 密勒振蕩電路密勒振蕩電路為什么通常密勒振蕩電路為什么通常不采用晶體管？不采用晶體管？ 原因是：原因是：正向偏置時高頻正向偏置時高頻晶體管發射結電阻太小晶體管發射結電阻太小, , 雖然晶振與發射結的耦合雖然晶振與發射結的耦合很弱很弱, , 但也會在一定程度但也會在一定程

42、度上降低回路的標準性和頻上降低回路的標準性和頻率的穩定性。率的穩定性。結論：結論：采用輸入阻抗高的采用輸入阻抗高的場效應管。場效應管。第四章 正弦波振蕩器653.3.泛音晶振電路泛音晶振電路(a)(a)并聯型泛音晶體振蕩電路并聯型泛音晶體振蕩電路 (b)LC(b)LC1 1回路的電抗特性回路的電抗特性(a)(b)在工作頻率較高的晶體振蕩器中在工作頻率較高的晶體振蕩器中, 多采用泛音晶體振蕩電路。多采用泛音晶體振蕩電路。第四章 正弦波振蕩器66分析：圖（）并聯型泛音晶體振蕩電路分析：圖（）并聯型泛音晶體振蕩電路假設泛音晶振為五次泛音假設泛音晶振為五次泛音, 標稱頻率為標稱頻率為5MHz， 基頻為

43、基頻為1MHz。 問：問：L1回路必須調諧在什么頻率之間？回路必須調諧在什么頻率之間？ 答：答：1回路必須調諧在三次和五次泛音頻率之間。回路必須調諧在三次和五次泛音頻率之間。分析：分析： 由由1回路的電抗特性曲線可知：頻率在回路的電抗特性曲線可知：頻率在3.57 MHz之間之間為電容性，且在為電容性，且在5MHz 頻率上頻率上, 1回路呈容性回路呈容性, 振蕩電路滿足振蕩電路滿足組成法則和幅度條件。組成法則和幅度條件。 對于基頻和三次泛音頻率來說對于基頻和三次泛音頻率來說, 1回路呈感性回路呈感性, 電路不符電路不符合組成法則合組成法則, 不能起振。不能起振。 第四章 正弦波振蕩器674.4.

44、串聯型晶體振蕩器串聯型晶體振蕩器概念：概念：將石英晶振用于正反饋支路中將石英晶振用于正反饋支路中, , 利用其串利用其串聯諧振時等效為聯諧振時等效為短路元件短路元件, , 電路反饋作用電路反饋作用最強最強, , 滿足振幅起振條件滿足振幅起振條件, , 使振蕩器在晶使振蕩器在晶振串聯諧振頻率振串聯諧振頻率fs上起振。上起振。圖圖 4.4.6 4.4.6 串聯型晶體振蕩電路串聯型晶體振蕩電路第四章 正弦波振蕩器68特點：特點：1.1.在振蕩電路的正反饋支路上增加了一個晶振；在振蕩電路的正反饋支路上增加了一個晶振；2.、1 1、2 2和和3 3組成并聯諧振回路，而且調組成并聯諧振回路，而且調諧在振蕩

45、頻率上。諧在振蕩頻率上。 3. 振蕩頻率與晶振的串聯諧振頻率相同，這時晶振蕩頻率與晶振的串聯諧振頻率相同，這時晶振呈現為一個小電阻，相移為零。振呈現為一個小電阻，相移為零。4.串聯型晶體振蕩器的振蕩頻率受晶振控制，具串聯型晶體振蕩器的振蕩頻率受晶振控制，具有很高的頻率穩定度有很高的頻率穩定度。結論：結論：晶體振蕩器的頻率穩定度很高晶體振蕩器的頻率穩定度很高, , 但振蕩頻率的可調范但振蕩頻率的可調范圍很小。采用變容二極管組成的壓控振蕩器可使振蕩頻率隨圍很小。采用變容二極管組成的壓控振蕩器可使振蕩頻率隨外加電壓而變化外加電壓而變化, , 在調頻和鎖相環路里有很大的用途。在調頻和鎖相環路里有很大的

46、用途。 第四章 正弦波振蕩器694.5 壓控振蕩器壓控振蕩器4.5.1變容二極管變容二極管 變容二極管是利用變容二極管是利用PNPN結的結電容隨反向電壓變化這一特結的結電容隨反向電壓變化這一特性制成的一種壓控電抗元件。變容二極管的符號和結電容變化性制成的一種壓控電抗元件。變容二極管的符號和結電容變化曲線如圖曲線如圖4.5.14.5.1所示。所示。 變容二極管變容二極管結電容結電容可表示為可表示為: :nBjjUuCC1)0(4.5.1)壓控振蕩器（壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator）簡稱）簡稱VCO，在頻，在頻率調制、頻率合成，鎖相環電路、電視調諧器、頻譜分

47、析儀率調制、頻率合成，鎖相環電路、電視調諧器、頻譜分析儀等方面都有應用。等方面都有應用。第四章 正弦波振蕩器70 變容二極管必須工作在變容二極管必須工作在反向偏壓反向偏壓狀態狀態, , 所以所以工作時需工作時需加負的靜態直流偏壓加負的靜態直流偏壓UQ。若交流控制電壓。若交流控制電壓u為正弦為正弦信號信號, , 變容管上的電壓為變容管上的電壓為: : u=-(UQ+u)=-(UQ+Um cost) 其中其中為變容指數為變容指數, , 其值隨半導體摻雜濃度和其值隨半導體摻雜濃度和PNPN結的結的結構不同而變化結構不同而變化, , j（0）為外加電壓為外加電壓u0時的結電容值時的結電容值, , UB

48、為為PN結的內建電位差。結的內建電位差。第四章 正弦波振蕩器71圖圖 4.5.1 變容二極管變容二極管 (a) 符號；符號； (b) 結電容結電容-電壓曲線電壓曲線 t0u u00CjCj(t)Cj(0)CjQUQUmt(a)(b)第四章 正弦波振蕩器72代入式代入式(4.5.1), ), 則有則有: :njQnQBjQjtmCUUuCC)cos1 (1其中其中靜態結電容靜態結電容nBQjjQUUCC1)0(結電容調制度結電容調制度1QBmUUUm第四章 正弦波振蕩器734.5.24.5.2變容二極管壓控振蕩器變容二極管壓控振蕩器 將變容二極管作為壓控電容接入將變容二極管作為壓控電容接入LC振

49、蕩器中，就組振蕩器中，就組成了成了LC壓控振蕩器。壓控振蕩器。 需要注意的是需要注意的是, , 為了使變容二極管能正常工作為了使變容二極管能正常工作, , 必須正必須正確地給其提供靜態負偏壓和交流控制電壓確地給其提供靜態負偏壓和交流控制電壓, , 而且要抑制高而且要抑制高頻振蕩信號對直流偏壓和低頻控制電壓的干擾頻振蕩信號對直流偏壓和低頻控制電壓的干擾, , 所以所以, , 在電在電路設計時要適當采用高頻扼流圈、旁路電容、隔直流電容路設計時要適當采用高頻扼流圈、旁路電容、隔直流電容等。等。 無論是分析振蕩器還是壓控振蕩器都必須正確畫出振蕩無論是分析振蕩器還是壓控振蕩器都必須正確畫出振蕩器的直流通

50、路和高頻振蕩回路。對于后者器的直流通路和高頻振蕩回路。對于后者, , 還須畫出變容還須畫出變容二極管的直流偏置電路與低頻控制回路。二極管的直流偏置電路與低頻控制回路。 例例4.64.6說明了具說明了具體方法與步驟。體方法與步驟。 第四章 正弦波振蕩器74 例例4.6 畫出圖例畫出圖例4.6(a)所示中心頻率為所示中心頻率為360MHz的變的變容二極管壓控振蕩器中晶體管的直流通路和高頻振蕩容二極管壓控振蕩器中晶體管的直流通路和高頻振蕩回路回路, , 變容二極管的直流偏置電路和低頻控制回路。變容二極管的直流偏置電路和低頻控制回路。 解: 畫晶體管直流通路, 只需將所有電容開路、電感短路即可, 變容

51、二極管也應開路, 因為它工作在反偏狀態, 如圖(b)所示。 畫變容二極管直流偏置電路, 需將與變容二極管有關的電容開路, 電感短路, 晶體管的作用可用一個等效電阻表示。由于變容二極管的反向電阻很大, 可以將其它和它相連的電阻作近似處理。如本例中變容二極管的負端可直接與15 V電源相接, 見圖(c)。 第四章 正弦波振蕩器751000 pC41 pC1R41000 pC3R3470 15 V0.5 pC2Cj1000 pC5R2R110 Vu15 V(a) 15 VR4R3 15 V(b)15 V10 VR1R2LCjC2C1(c)(d )Cju(e)LCjR4第四章 正弦波振蕩器76圖圖 例例

52、4.6 1000 pC41 pC1R41000 pC3R3470 15 V0.5 pC2Cj1000 pC5R2R110 Vu15 V(a) 15 VR4R3 15 V(b)15 V10 VR1R2LCjC2C1(c)(d )Cju(e)LCjR41000 pC41 pC1R41000 pC3R3470 15 V0.5 pC2Cj1000 pC5R2R110 Vu15 V(a) 15 VR4R3 15 V(b)15 V10 VR1R2LCjC2C1(c)(d )Cju(e)LCjR4（b）第四章 正弦波振蕩器771000 pC41 pC1R41000 pC3R347015 V0.5 pC2Cj

53、1000 pC5R2R110 Vu15 V(a)15 VR4R315 V(b)15 V10 VR1R2LCjC2C1(c)(d )Cju(e)LCjR41000 pC41 pC1R41000 pC3R3470 15 V0.5 pC2Cj1000 pC5R2R110 Vu15 V(a ) 15 VR4R3 15 V(b )15 V10 VR1R2LCjC2C1(c )(d )Cju(e )LCjR4第四章 正弦波振蕩器78 壓控振蕩器的壓控振蕩器的主要性能指標主要性能指標是是壓控靈敏度壓控靈敏度和和線性度線性度。其。其中壓控靈敏度定義為單位控制電壓引起的振蕩頻率的增量中壓控靈敏度定義為單位控制電

54、壓引起的振蕩頻率的增量, , 用用S表示表示, , 即即ufS(4.5.3) 圖圖4.5.2時變容二極管壓控制震蕩器的頻率時變容二極管壓控制震蕩器的頻率電壓特性。一電壓特性。一般情況下，這一特性是非線性的，其非線性程度與變容指數和般情況下，這一特性是非線性的，其非線性程度與變容指數和電路結構有關。電路結構有關。在中心頻率附近較小區域內線性較好，靈敏度在中心頻率附近較小區域內線性較好，靈敏度也較高也較高. .第四章 正弦波振蕩器79圖圖4.5.2 變容二極壓控振蕩器的頻率變容二極壓控振蕩器的頻率電壓特性電壓特性 ff00U第四章 正弦波振蕩器80 【例例 47】 在圖例在圖例4.6()所示電路中

55、所示電路中, 若調整若調整2使變容二使變容二極管靜態偏置電壓為極管靜態偏置電壓為-6, 對應的變容二極管靜態電容對應的變容二極管靜態電容jQ20 pF, 內建電位差內建電位差UB0.6, 變容指數變容指數n3。求振蕩回路的。求振蕩回路的電感電感和交流控制信號和交流控制信號u為振幅為振幅Um=1V的正弦波時對應的的正弦波時對應的壓控靈敏度。壓控靈敏度。 解解: 由圖例由圖例4.6（）可知）可知, 諧振回路總等效電容由三個電容諧振回路總等效電容由三個電容串聯而成串聯而成, 所以靜態時總電容為所以靜態時總電容為 第四章 正弦波振蕩器81jQQCCCC111121pF3279. 02015 . 011

56、1中心振蕩頻率中心振蕩頻率MHzLCfQ360210所以HCfLQ596. 0103279. 0)103602(1)2(1122620第四章 正弦波振蕩器82312)cos6 . 611 (1020)cos1 (ttUUUCCnQBmjQjpFCj74.32)6 . 611 (1020312maxpFCj10.13)6 . 611 (1020312minpFCCCCj330. 0/1/1/11max21max又第四章 正弦波振蕩器83所以MHzLCf87.35821maxmin0MHzLCf62.36121minmax0由MHzfff62. 10max01MHzfff13. 1min002pF

57、CCCCj325. 0/1/1/11min21min第四章 正弦波振蕩器84可求得可求得壓控靈敏度壓控靈敏度VMHzUfSm/62. 111VMHzUfSm/13. 122 可見可見, 正向和負向壓控靈敏度略有差別正向和負向壓控靈敏度略有差別, 說明壓控特性是非說明壓控特性是非線性的。線性的。 第四章 正弦波振蕩器854.6 集成電路振蕩器4.6.1差分對管振蕩電路 LCUBBUCCV2V1RLoUI0(a)V1V2RLCLReeoUiU(b)圖圖 4.6.1 差分對管振蕩電路差分對管振蕩電路 第四章 正弦波振蕩器86 在集成電路振蕩器里在集成電路振蕩器里, , 廣泛采用如圖廣泛采用如圖4.6

58、.1（）所示）所示的差分對管振蕩電路的差分對管振蕩電路, , 其中其中V2V2管集電極外接的回路調管集電極外接的回路調諧在振蕩頻率上。（諧在振蕩頻率上。（）圖為其交流等效電路。）圖為其交流等效電路。( (b b) )圖中圖中R Reeee為恒流源為恒流源I I0 0的交流等效電阻。的交流等效電阻。 可見可見, , 這是一個共集這是一個共集共基反饋電路。由于共集電路共基反饋電路。由于共集電路與共基電路均為同相放大電路與共基電路均為同相放大電路, , 且電壓增益可調至大于且電壓增益可調至大于, , 根 據 瞬 時 極 性 法 判 斷根 據 瞬 時 極 性 法 判 斷 , , 在在 V 1V 1 管

59、 基 極 斷 開管 基 極 斷 開 , , 有有ub1ue1(ue2)uc2ub1, , 所以是正反饋。所以是正反饋。 在振蕩頻率點在振蕩頻率點, , 并聯并聯LC回路阻抗最大回路阻抗最大, , 正反饋電壓正反饋電壓u uf f（u uo o）最強）最強, , 且滿足相位穩定條件。且滿足相位穩定條件。 綜上所述綜上所述, , 此振蕩器電路能正常工作。此振蕩器電路能正常工作。 第四章 正弦波振蕩器874.6.2單片集成振蕩器電路E1648圖圖4.6.2 單片集成振蕩器單片集成振蕩器E1648內部電路圖內部電路圖 V8V7V5V4R5V9R6R7V6V15R8V10R4V11R3V12R2V13V

60、16R1V14R17R16R15R14UCC2R13R12R11R9R10輸 出V3V2UCC1V1AGCUE四章 正弦波振蕩器881648采用典型的差分對管振蕩電路。該電路由三部分采用典型的差分對管振蕩電路。該電路由三部分組成：差分對管振蕩電路、放大電路和偏置電路。組成：差分對管振蕩電路、放大電路和偏置電路。V7V7、V8V8、 V9V9管與管與1010腳、腳、1212腳之間外接腳之間外接LCLC回路組成差分對管回路組成差分對管振蕩電路振蕩電路, , 其中其中V9V9管為可控恒流源。振蕩信號由管為可控恒流源。振蕩信號由V7V7管基極管基極取出取出, , 經兩級放大電