1、第第4 4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器(1)(1)反饋振蕩器原理及平衡狀態的穩定條件反饋振蕩器原理及平衡狀態的穩定條件4.1 4.1 反饋振蕩器的原理反饋振蕩器的原理4.1.1 4.1.1 原理分析原理分析4.1.2 4.1.2 平衡條件平衡條件4.1.3 4.1.3 起振條件和穩定條件起振條件和穩定條件作業：作業：4-1、4-21. 1. 集電極饋電電路集電極饋電電路 根據直流電源根據直流電源連接方式的不同，連接方式的不同，集電極饋電電路又集電極饋電電路又分為分為串聯饋電串聯饋電和和并并聯饋電聯饋電兩種。兩種。3.4.1 直流饋電電路直流饋電電路LCC1LC+VCCALCCC1+VCCLC

2、2(a) 串饋(b) 并饋3.4 3.4 高頻功率放大器的實際電路高頻功率放大器的實際電路 管外電路由二部分組成：直流饋電電路和濾波匹配網絡管外電路由二部分組成：直流饋電電路和濾波匹配網絡串饋電路串饋電路 指直流電源指直流電源VCC、負載回路負載回路( (匹匹配網絡配網絡) )、功率管三者首尾相接的一種直、功率管三者首尾相接的一種直流饋流饋電電路。電電路。C、L為低通濾波電路，為低通濾波電路，A A點為高頻點為高頻地電位，既阻止電源地電位，既阻止電源VCC中的高頻成分影響放中的高頻成分影響放大器的工作，又避免高頻信號在大器的工作，又避免高頻信號在LC負載回路負載回路以外不必要的損耗。以外不必要

3、的損耗。C、L的選取原則為的選取原則為 1/ C 回路阻抗回路阻抗RR 1/(50100) L1/ C (50100)(2) 并饋電路并饋電路 指直流電源指直流電源VCC、負載回路負載回路( (匹配網絡匹配網絡) )、功率管三者為并聯連接的一種、功率管三者為并聯連接的一種饋電電路。如圖饋電電路。如圖L為高頻扼流圈為高頻扼流圈，C1為高頻為高頻旁路電容旁路電容，C2為隔直流通高頻電容為隔直流通高頻電容，LC、C1、C2的選取原則與串饋電路基本相同的選取原則與串饋電路基本相同。 (3) 串、并饋直流供電電路的優缺點串、并饋直流供電電路的優缺點 并饋并饋u 回路兩端均處于回路兩端均處于直流地電位直流

4、地電位，即零電位。安裝比較方便、，即零電位。安裝比較方便、安全可靠；安全可靠；u 缺點是扼流圈分布電容影響大，影響頻率穩定性；缺點是扼流圈分布電容影響大，影響頻率穩定性； 串聯串聯u VccVcc、LL、CC均處于高頻地電位，分布電容不會影響；均處于高頻地電位，分布電容不會影響；u 缺點是回路處于直流高電位，電容動片不能直接入地，安缺點是回路處于直流高電位，電容動片不能直接入地，安裝調試不方便。裝調試不方便。2. 基極饋電電路基極饋電電路基極饋電電路也分基極饋電電路也分串饋串饋和和并饋并饋兩種。兩種。 基極偏置電壓基極偏置電壓Eb可以單獨由穩壓電源供給，也可以由集電可以單獨由穩壓電源供給，也可

5、以由集電極電源極電源EC分壓供給。在功放級輸出功率大于分壓供給。在功放級輸出功率大于1W時，基極偏置時，基極偏置常采用常采用自給偏置自給偏置、固定偏置固定偏置或或零偏置零偏置電路。電路。 (a)電路基極零偏，電路基極零偏，集電極串饋。輸出集電極串饋。輸出匹配電路為匹配電路為型電型電路。輸入、輸出阻路。輸入、輸出阻抗為抗為50。（b）電路采用）電路采用VMOS場效應管，柵極為并場效應管，柵極為并饋，電阻偏置；漏極饋，電阻偏置；漏極為串饋。輸出匹配電為串饋。輸出匹配電路路型電路。輸入、型電路。輸入、輸出阻抗為輸出阻抗為50。 振蕩器振蕩器就是自動地將直流能量轉換為具有一定波形就是自動地將直流能量轉

6、換為具有一定波形參數的交流振蕩信號的裝置。和放大器一樣也是能量轉換參數的交流振蕩信號的裝置。和放大器一樣也是能量轉換器。它與放大器的區別在于，不需要外加信號的激勵，其輸器。它與放大器的區別在于，不需要外加信號的激勵，其輸出信號的頻率，幅度和波形僅僅由電路本身的參數決定。出信號的頻率，幅度和波形僅僅由電路本身的參數決定。振蕩器振蕩器分類分類正弦振蕩正弦振蕩低頻正弦振蕩器低頻正弦振蕩器高頻正弦振蕩器高頻正弦振蕩器微波振蕩器微波振蕩器非正弦波振蕩器非正弦波振蕩器矩形波振蕩器矩形波振蕩器三角波振蕩器三角波振蕩器鋸齒波振蕩器鋸齒波振蕩器5.1 5.1 概概 述述 應用范圍：在發射機、接收機、測量儀器（信

7、號發生應用范圍：在發射機、接收機、測量儀器（信號發生器）、計算機、醫療、儀器乃至電子手表等許多方面振蕩器器）、計算機、醫療、儀器乃至電子手表等許多方面振蕩器都有著廣泛的應用。都有著廣泛的應用。 主要技術指標：主要技術指標： 1.振蕩頻率振蕩頻率f及頻率范圍及頻率范圍: 2.頻率穩定度頻率穩定度:調頻廣播和電視發射機要求調頻廣播和電視發射機要求:10-510-7左右左右 標準信號源標準信號源:10-610-12 要實現與火星通訊要實現與火星通訊:10-11 要為金星定位要為金星定位:10-12 3.振蕩的幅度和穩定度振蕩的幅度和穩定度: 4.頻譜頻譜(殘波輻射殘波輻射): 討論內容討論內容: 從

8、振蕩原理入手研究振蕩器判據、尋從振蕩原理入手研究振蕩器判據、尋求振蕩條件的分析方法，討論各種振蕩求振蕩條件的分析方法，討論各種振蕩電路，基本線索是振蕩器的頻率穩定度。電路，基本線索是振蕩器的頻率穩定度。 由圖得到閉環電壓由圖得到閉環電壓放大倍數為放大倍數為)()()(sUsUsKSOO)()()(sUsUsKio反饋網絡的電壓反饋系數為反饋網絡的電壓反饋系數為 所以有所以有4.1 4.1 反饋振蕩器的原理反饋振蕩器的原理反饋型振蕩器原理方框圖反饋型振蕩器原理方框圖)()() s ()(1)()()(1)()(sFsKTsTsKsFsKsKsKo式中4.1.1 反饋振蕩器的原理分析反饋振蕩器的原

9、理分析放大器開環電壓放大倍數為放大器開環電壓放大倍數為)()()(sUsUsFoi稱為反饋系統的環路增益。稱為反饋系統的環路增益。相位條件：相位條件：振幅（起振）條件為：振幅（起振）條件為：相位（起振）條件為：相位（起振）條件為： 要使振蕩器能夠起振要使振蕩器能夠起振，在剛接通電源后在剛接通電源后， 當達到平衡時當達到平衡時，1)()()(jFZjYjTL 1)(jT。這就是振蕩器這就是振蕩器振幅平衡條件振幅平衡條件。 振幅振幅(平衡平衡)條件：條件：)94(1| )(|aKFjT0,1,2.n 2nFKT4.1.2 平衡條件平衡條件 在平衡狀態下，電源供給的能量正好抵消整個環路損耗的能量，平

10、衡在平衡狀態下，電源供給的能量正好抵消整個環路損耗的能量，平衡時輸出幅度不再變化。因此，振幅平時輸出幅度不再變化。因此，振幅平衡條件決定了振蕩器輸出幅度的大小。衡條件決定了振蕩器輸出幅度的大小。又因為環路只有在某一頻率上才能滿又因為環路只有在某一頻率上才能滿足相位平衡條件，因此，相位平衡條足相位平衡條件，因此，相位平衡條件決定了振蕩器的頻率。件決定了振蕩器的頻率。4.1.3 起振條件起振條件0,1,2.n 2nFLfT1)(jT4.1.4 穩定條件：穩定條件： 當某種外因使振蕩器稍微偏離原來的平衡狀態，一旦外因當某種外因使振蕩器稍微偏離原來的平衡狀態，一旦外因消除后，系統能自動恢復到原來的平衡

11、狀態嗎？這是平衡狀態消除后，系統能自動恢復到原來的平衡狀態嗎？這是平衡狀態的穩定問題。如圖所示。的穩定問題。如圖所示。iAiUUiUT 起振時，起振時，K1/F，當振幅大到，當振幅大到一定后，晶體管將進入飽和或截一定后，晶體管將進入飽和或截止。止。K很快下降。反饋系數很快下降。反饋系數F與與振幅無關，它是一條直線。兩條振幅無關，它是一條直線。兩條曲線的交點，即是平衡點。曲線的交點，即是平衡點。但不但不一定穩定一定穩定。振幅穩定條件為。振幅穩定條件為00平衡點平衡點或omoUGUK 由圖可見，由圖可見，A的變化趨勢必須同的變化趨勢必須同振幅振幅變化的趨勢變化的趨勢相反相反即即00平衡點平衡點或o

12、moUGUK如果晶體管的工作點選的太低，如果晶體管的工作點選的太低，反饋系數又太小，這時可能出反饋系數又太小，這時可能出現二個交點現二個交點Q和和Q，Q是不穩是不穩定的平衡點。定的平衡點。Q是穩定的是穩定的平衡點平衡點，符合，符合 。相位平衡的穩定條件相位平衡的穩定條件 電壓的波動或工作點的變化會使晶電壓的波動或工作點的變化會使晶體管正向傳輸導納的相角體管正向傳輸導納的相角 發生變化，發生變化，導致頻率的變化。設導致頻率的變化。設T T0 0，即，即反饋反饋電壓相位超前輸入電壓電壓相位超前輸入電壓，相當于提前給，相當于提前給回路補充能量，振蕩頻率就增加了。反回路補充能量，振蕩頻率就增加了。反之

13、，振蕩頻率就下降了。即之，振蕩頻率就下降了。即fe0oUK1 為了使振蕩器的相位平衡條件穩定，必須使得為了使振蕩器的相位平衡條件穩定，必須使得頻率變化時產頻率變化時產生相反方向的相位變化生相反方向的相位變化，以補償外因引起的相位變化。因此，以補償外因引起的相位變化。因此，相位平衡的穩定條件是：相位平衡的穩定條件是：0gFZYFZAFZYFA為反饋網絡的相移為回路相移為晶體管正向傳輸導納振蕩器的相移,當當 ， 時，時，因此，相位平衡的穩定條件為：因此，相位平衡的穩定條件為： AFZZZ0z并聯諧振回路并聯諧振回路的相頻特性的相頻特性（并聯諧振回路的相位特性正好保證了相位平衡（并聯諧振回路的相位特

14、性正好保證了相位平衡的穩定條件，且回路的穩定條件，且回路Q值越高，穩頻能力越強。）值越高，穩頻能力越強。）反饋式振蕩器的振蕩條件：反饋式振蕩器的振蕩條件：1、正反饋條件：、正反饋條件：.210 2arg，nnKFFA2、振蕩器的幅度、振蕩器的幅度起振起振條件：條件：3、振蕩器的幅度、振蕩器的幅度平衡平衡條件：條件：4、幅度平衡的、幅度平衡的穩定穩定條件：條件：5、相位平衡的、相位平衡的穩定穩定條件：條件：0z00omoUGUK或1|KF1KF1|KF4.1.5 4.1.5 振蕩器線路舉例振蕩器線路舉例-互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器振蕩器分類振蕩器分類互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器石英晶體振蕩器石

15、英晶體振蕩器三三 點點 式式 振振 蕩蕩 器器電感反饋振蕩器電感反饋振蕩器電容反饋振蕩器電容反饋振蕩器基本型基本型(考畢茲考畢茲)克拉潑振蕩器克拉潑振蕩器西勒振蕩器西勒振蕩器u 單管互感耦合振蕩器單管互感耦合振蕩器 互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器(或變壓器反饋振蕩器或變壓器反饋振蕩器)又稱為又稱為調諧型調諧型振振蕩器，根據回路蕩器，根據回路(選頻網絡選頻網絡)的三極管不同電極的連接點又可的三極管不同電極的連接點又可分為分為集電極調諧型、發射極調諧型和基極調諧型集電極調諧型、發射極調諧型和基極調諧型。如圖。如圖5.4-1所示。這里我們只討論集電極調諧型，而集電極調諧型又可所示。這里我們只討論集電極

16、調諧型，而集電極調諧型又可（電路構成方法）（電路構成方法）（哈特萊）（哈特萊）分為分為共射共射和和共基共基兩種類型，均得到廣泛應用。兩者相比，共兩種類型，均得到廣泛應用。兩者相比，共基電路的功率增益較小，輸入阻抗較低，所以難于起振，但基電路的功率增益較小，輸入阻抗較低，所以難于起振，但截止頻率較高。此外，共基電路內部反饋比較小，工作比較截止頻率較高。此外，共基電路內部反饋比較小，工作比較穩定。穩定。三種互感耦合振蕩器三種互感耦合振蕩器 以上三種電路，變壓器的同名端如圖所示。它必須滿足振以上三種電路，變壓器的同名端如圖所示。它必須滿足振蕩的相位條件，在此基礎上適當調節反饋量蕩的相位條件，在此基礎

17、上適當調節反饋量 M M以滿足振蕩的振以滿足振蕩的振幅條件。下面利用幅條件。下面利用“切環注入法切環注入法”判斷電路是否滿足相位條件。判斷電路是否滿足相位條件。 (1)(1)在電路中某一個合適的位置在電路中某一個合適的位置( (往往是放大器的輸入端往往是放大器的輸入端) )把把電路斷開，電路斷開，( (用用X X號表示號表示) )； (2)(2)在斷開出的一側在斷開出的一側( (往往是放大器的輸入端往往是放大器的輸入端) )對地引入一個對地引入一個外加電壓源外加電壓源 , ,該電壓源的頻率從低到高覆蓋回路的諧振頻率；該電壓源的頻率從低到高覆蓋回路的諧振頻率； (3)(3)看經過放大器反饋網絡之

18、后轉回到斷開處另一側對看經過放大器反饋網絡之后轉回到斷開處另一側對地的地的電壓電壓 是否與是否與 同相，為同相則其中必有某一個頻率滿足自激振同相，為同相則其中必有某一個頻率滿足自激振蕩的相位條件蕩的相位條件(注意這里是實際方向注意這里是實際方向)，電路有振蕩的可能。，電路有振蕩的可能。iU4.2 LC4.2 LC振蕩器振蕩器 什么叫三點式振蕩器什么叫三點式振蕩器? ? 所謂三點式振蕩器就是對于交流所謂三點式振蕩器就是對于交流等效電路而言等效電路而言，由由LCLC回路引出三個端點分別與晶體管三個電回路引出三個端點分別與晶體管三個電極相連的振蕩器極相連的振蕩器。 依靠電容產生反饋電壓構成的振蕩器則

19、稱為依靠電容產生反饋電壓構成的振蕩器則稱為電容三點式電容三點式振蕩器，又稱振蕩器，又稱考畢茲考畢茲振蕩器。振蕩器。 依靠電感產生反饋電壓構成的振蕩器則稱為依靠電感產生反饋電壓構成的振蕩器則稱為電感三點式電感三點式振蕩器，又稱振蕩器，又稱哈特萊哈特萊振蕩器。振蕩器。 構成三點式的基點是如何取出滿足相位條件的正反饋電構成三點式的基點是如何取出滿足相位條件的正反饋電壓。壓。5.5.1 5.5.1 構成三點式振蕩器的原則構成三點式振蕩器的原則( (相位判據相位判據) ) 假設假設: (1)不計晶體管的電抗效應；不計晶體管的電抗效應； (2)LC回路由純電抗元件組成，即回路由純電抗元件組成，即 為滿足相

20、位條件，回路引出的三個端點應如何與晶體管為滿足相位條件，回路引出的三個端點應如何與晶體管的三個電極相連接的三個電極相連接 ？ 如圖所示，振蕩器的振蕩頻率十分接近回路的諧振如圖所示，振蕩器的振蕩頻率十分接近回路的諧振頻率，于是有頻率，于是有cbcbbebececejXZjXZjXZcbbececbbeceXXXXXX0即即5.5.25.5.35.5.1三點式振蕩器的相位判據三點式振蕩器的相位判據 放大器已經倒相放大器已經倒相, ,即即 與與 差差180180，所以要求反饋電所以要求反饋電壓壓 必須與必須與 反相才能滿足相位條件反相才能滿足相位條件，如圖，如圖5.5-1所示。所示。oUiUfUoU

21、cebecebeofXXjXIjXIUUF5.5.4 因此，因此，Xbe必須與必須與Xce同性質同性質，才能保才能保證證 與與 反相反相。 由由5.5.3和和5.5.4式，歸結起來，式，歸結起來，Xbe和和Xce性性質相同；質相同；Xcb和和Xce、Xbe性質相反性質相反,即分別為電即分別為電感和電容。感和電容。這就是三點式振蕩器的相位判據這就是三點式振蕩器的相位判據。fUoU 可以這樣來記憶：可以這樣來記憶：與發射極相連接的兩與發射極相連接的兩個電抗性質相同個電抗性質相同，另一個電抗則性質相反另一個電抗則性質相反。（或是或是CB接的與其他二極接的性質相反。接的與其他二極接的性質相反。）5.5.2 5.5.2 電容反饋振蕩器電容反饋振蕩器考畢茲振蕩器考畢茲振蕩器 圖所示電路是電容三點式的典型電路。圖所示電路是電容三點式的典型電路。LC回路的三個回路的三個端點分別與三個電極相連，且端點分別與三個電極相連，且Xce和和Xbe為容抗，為容抗，Xcb為感抗。為感抗。故屬電容反饋三點式振蕩器，又稱考畢茲振蕩器。故屬電容反饋三點式振蕩器，又稱考畢茲振蕩器。電