概述反饋振蕩器原理振蕩條件的分析反饋型LC振蕩器線路石英晶體振蕩器

6.6

RC

振蕩器（

）第6章

正弦波振蕩器振蕩器：在沒有激勵信號的情況下，能自動的將直流電源能量轉換為周期

流信號輸出的電子電路。振蕩器的應用十分廣泛，振蕩器的種類也很多。反饋振蕩器按振蕩原理分類負阻振蕩器低頻振蕩器按振蕩頻率分類高頻振蕩器正弦波振蕩器按振蕩波形分類非正弦波振蕩器（多諧振蕩器等）LC

振蕩器RC

振蕩器晶體振蕩器等按選頻回路元件性能分類6.1

概述充電放電LCR振蕩電路補充能量可以維持振蕩,但要在合適的相位。單擺運動—RL＋CV阻尼振蕩振蕩器的基本原理6.2

反饋振蕩器原理—反饋振蕩器工作原理分析能產生自激振蕩一個基本的條件是必須構成正反饋回路，即反饋到輸入端的信號和放大器輸入信號相位相同。如果設放大器的電壓放大倍數為

A（s），反饋網絡的反饋系數為F（s）則有：vsviv

fvo閉環增益：ov

(s)Af

(s)v

(s)

,svf

(s)開環增益：oov

(s)A

(s)v

(s)ivs

(s)vf

(s)反饋系數：F(s)ov

(s)i又因為：v

(s)vo

(s)vi

(s)

vf

(s)1

A

(s)F(s)Ao(s)v

(s)

vf

(s)

o

vi

(s)

vo

(s)1Ao(s)vi

(s)vf

(s)1vo

(s)vi

(s)A

(s)of放大器A（s）反饋網絡F（s）Σ若令sj代入上式,則有：Ao

(s)F(s)Ao(

j

)F(

j

)其中：v

(s)vf

(s)T(s)

A

(s)F(s)io稱為反饋系統的環路增益。顯然在某一個工作頻率o

時,vf

(s)如果

Ao(

j

o

)F(

j

o

)1,即vi

(s)則有

Af

(

j

)

,即表明在沒有外加信號,也可以維持振蕩輸出,故自激振蕩的條件為:A(

j

)F(

j

)

1正弦波反饋振蕩器主要由三個部分構成:1

有源器件:非線性有源器件,具有一電源有源器件選頻網絡反饋網絡定的功率增益,

能維持振蕩回路不可避免的功率損耗。2

選頻回路:決定振蕩器的工作頻率,并能保證振蕩相位的穩定。3

反饋網絡:實現正反饋,一般可以通過互感(變壓器),電感及電容等獲得正反饋電壓。互感反饋振蕩器:由互感(變壓器)構成反饋網絡.根據反饋網絡電感反饋振蕩器:由電感構成反饋網絡.電容反饋振蕩器:由電容構成反饋網絡.20:44如下圖所示的電路為互感耦合正弦波振蕩器.1

．自激振蕩過程:vo

v

f

vi實際上振蕩器在開始建立振蕩時vi

ib

icic1開啟電源Rb1Cb主網絡ib+viRb2

-

ReicVTCeCVCC-vo

L1+反饋網絡MLf

+vf-應滿足的條件為:即有:A

F

1Fv

fv

oA

1

.而

A

v

o

,F

vivivoA1/Fi1i

3vi

2v

vi

4vv0302vv0104vv

f

1v

f

2f

3v如果設開啟電源后產生擾動電壓i1有vf

vi如右圖：分別為基本放大器A和反饋網絡1/F

的曲線,v,則有:f

2vi2

v

f

1i3f

2vvvvv02vi1

v01

v

f

1i2vi3

v03

v

f

3

vi4

v

f

3vi2

vi1,

vo3

vo2

vo1即有vi3可見起振初期是一個增幅的振蕩過程甲類

甲乙類

乙類

丙類狀態6.3

振蕩條件的分析起振條件為：Ao

F1起振原因：依靠電路中的選頻網絡，通過各種干擾（如噪聲電壓，接通電源等）的瞬變過程，選出符合相位平衡條件的頻率信號，不斷進行反饋和放大，從而形成振蕩。由上述分析已知振蕩條件:A(

j

)F

(

j

)

1它是維持振蕩的基本條件，通常也稱為振蕩的平衡條件又由于FAjjA

(

j

)

AeF

(

j

)

Fe所以振蕩平衡條件的約束方程可以分為兩個方程:2n

(n

0?1，2

)AF

1A

F或Z

F2n其中::為集電極基波電流ic1與基極輸入電壓vi的相角Z

:為LC諧振回路基波諧振阻抗的相角LC選頻網絡晶體管YZ反饋網絡Fviic1vc1vf2.

振蕩器的平衡條件AF確定振幅確定振蕩頻率V

f

與V

i

同相AAO3.

振蕩器的穩定條件（1）振幅穩定條件由于某種因素使VOMVOMQ

,則A

1F1FOOMQVQOMVAF0,1,

2

)VOM,即AF1;VOMQOMOMQ當V

V

時

則A

1

,即AF

1FOMVOMQV軟激勵的振蕩特性(VOMA)平衡條件為：

AF

1

,

即

Aej1Fej

1Vf

Vi2n

(n振幅平衡條件為：AF相位平衡條件為：OMQV

'OMQV

''VOMQ

點為穩定的平衡點振幅穩定條件為：AVOM

VOMQ0放大器的放大倍數隨振蕩幅度的增加而下降Q

點：滿足VOMAVOM

VOMQ0Q

點為穩定的平衡點OMAOM

OMBB點：不滿足VV

V0B點的平衡狀態不穩定ABOMBVOMQVOMV1FAOO硬激勵的振蕩特性Q周期T周期Tfffo

ffo－

f（2）相位穩定條件由于某種原因：Vf

超前于ViVf

于Vif

;—

f

;外因作用使頻率隨相位的變化關系為：0即如果有一個系統使這樣就有可能抵消外因的作用

相位平衡穩定；相位平衡的穩定條件為：0并聯諧振回路的相頻特性即滿足，故并聯諧振回路具有穩頻特性。ωZ1Z2oo1o2(o1o2)①當

ω'

時，則o

o

Z2

Z1頻率變化一樣，但相角變化不一樣；o1o2

，頻率的變化不同。則Q2Q1Z(Q2

Q1)oω'②若要求相同的相角變化量(Z2

)，結論：諧振回路的Q值越高，則振蕩器的振蕩頻率越穩定。6.4

反饋型LC振蕩器線路6.4.1

互感耦合振蕩器MRb1b2RC

eC

bReCL1L2VccCe

,

Cb對高頻短路；R

,

Rb1

b2

e,

R偏置電阻；部分接入：提高回路Q值

提高頻率穩定度；6.4.2

電感反饋式三端振蕩器（哈特萊電路）滿足相位平衡條件：2n，V

f

與V

i

同相

V

f

OV

iIV

o_+V

i+V

o__V

f+1L2LCII

bI

cL12LCVo+振蕩頻率：

012111

12fC(L

L

2M

)2L1

L2

2MLC其中：LL1

M

1h起振條件為：hie

hoefe'

'L2

Mhfehfe越大，越容易起振其中h'oeoep1R'h，

pR'ce

pP2

R，L1ce12PL

L反饋系數為：FL2

ML1

MfoVFV，f

2

歸納為：①X1,X2

為同性電抗(Xce

,Xbe

)，X

3為異性電抗。X2②

對于振蕩頻率：滿足

X1

X3

0

。③瞬時極性法常用于判斷互感耦合振蕩器。6.4.5

改進型電容反饋式三端振蕩器CoCi存在問題：,不易用可變電容來調頻率Co

,

Ci影響振蕩頻率的穩定性。C3CoCipR'C

bb1RRb2eRCeC3Vcc(1)

克拉潑電路一般選C1

C3

，C2

C3

，使回路與晶體管的輸入、輸出參數隔開來，也就是實現晶體管與回路之間的松耦合。

[管子的

參數對回路的影響非常小]C1

CoC3

，C2C

C3則f031

12LCf0只由L

、C3

來決定，而與Co

、Ci幾乎無關。反饋系數為：F

=C1Co

C1C2

Ci

C2C1

、C2F

；C3f0，不影響F振蕩頻率為：1

1

1其中：C1C

C3

1Co2C

CiCi

C3C3

，C2C3，提高頻穩定性；優點：1選取C12用C3來調頻率，改變頻率比較方便。存在問題：1R2'

P

Rp

ce

pC

3(

)2R

pCce

P1C

1(

1

1 )

1 C

1

C

2

C

3C

1C

3，PcepR

'

振蕩電壓幅度pp1

o

11

o

1

o

L

13R'(C3

)2

RC4

L2

C2LC2o31LC，Rpp

pQ

L當

Q

,

L

,

C1

不變時，C3f；ofpR'

輸出幅度C3C4Rb1Rb2C

bReC34C缺點：1

C1

，C2

不能選的太大，若

C1

，C2

過大，則振蕩電壓幅度太小。fo2

當C3

時，振蕩幅度

，嚴重時可能停振，所以振蕩頻率上限受到限制。（2）西勒電路Vcc132一般選：C C

，C3C

，

1

2

3

C31

21

3

2

3C'C'

CC'C'C'C

C'

C1C'1C

C2iC'C

C443123o

，211

1

1C'

C'C

CC

CC

1

1

f2

LC

2

L(C4

C3

)C1

Co

C1振蕩頻率只由L,C3

,C4

決定。2

i2FC

C

CceC3，P1C，

pR'(C3

)2

Rpo(C3

)2

LQC1C14Cfp

oR'ce時，P

，L

，Q

都為常數。在波段范圍內幅度平穩性大大改善。優點：頻率穩定性好，振蕩頻率較高，波段范圍內幅度比較平穩。3CC46.5

石英晶體振蕩器：Q值：100～300，一般100～150。一般LC電路Q

值：幾萬～幾百萬。石英晶體,低于10

5。頻率穩定度：10

2~

10

4頻率穩定度：10

6~

10

9

，最高10

10

~

10

11

。鍍銀引線石英諧振器CoCqLq表征晶片的彈性，相當于回路動態電容；表征晶片的慣性（質量m），相當于回路動態電感；rq

表征摩擦損耗，相當于回路動態電阻；裝架電容，包括電極之間，電極與外殼之間的分布電容；壓電效應（物理特性）石英諧振器的阻抗頻率特性。當在晶片兩面加不同極性的電壓時，晶片的幾何尺寸將得到壓縮或者伸張。外加高頻信號頻率與晶片固有振動頻率相同

時就發生諧振，故稱為石英諧振器,簡稱晶體。一般常用的晶體管參數：Cq

:0.005PF~0.1PF(非常小）；Lq:

10mH~100mH（非常大）；:

2PF~5PF;Co串聯諧振頻率：q1L并聯諧振頻率：pq

oqo1C

CLq

CCqo1CqCq1

poo

qC其中：p= q

C

CC，

，P=10-3

~

10

4q

與

p之間的范圍極其狹窄。pqq容性區qp感性區p容性區(1)晶體的主要特性：它的等效電感Lq

特別大，而等效電容Cq

和等效電阻rq都非常小，它的Q

值非常高（

QLq1rq

Cq），并且它們的數值極穩定，而且fq

與fp

之間的范圍很窄（相差100Hz左右）因此，晶體的等效阻抗具有極陡的相頻特性，所以晶體具有很高的頻率穩定度。（2）晶體的作用：作為電感元件或者作為短路元件。6.5.3

石英晶體振蕩器線路并聯諧振型晶體振蕩器：串聯諧振型晶體振蕩器：晶體作為電感元件的使用，它與外接電路構成并聯諧振回路。晶體作為短路元件的使用。并聯諧振型晶體振蕩器:晶體以電感元件方式接入振蕩電路,振蕩頻率fqf

f

p串聯諧振型晶體振蕩器:晶體以低阻抗方式串接在回路與晶體管之間,振蕩頻率ffq1并聯諧振型晶體振蕩器(PARALLEL

CRYSTALOSCILLATORS)這類晶體振蕩器的振蕩原因和一般反饋型LC

振蕩器相同,只要把晶體置于反饋網絡和振蕩回路中,作為一個感性元件,并與其它回路元件一起按照三端式電路的基本準則組成三端式振蕩器.常用的有兩種基本類型:Pierce

OcsillatorsMillor

Ocsillators(c---b)型振蕩器(b---e)型振蕩器晶體振蕩器電路(Circuit

of

Crystal

Oscillators)(1

)

Pierce

ocsillators右圖為典型的并聯晶體振蕩器,晶體接在集電極與基極之間,振f

p

,晶體呈電感性,相蕩

器

工

作

頻

率

為

f,

且

有fs

f當于Clapp電路.C1,C2即是諧振回路的一部分又構成反饋回路.C3即作為減弱晶體管與晶體間的藕合電容,也作為振蕩頻率的微調電容.（2） Millor

Oscillator晶體接在基極與發射極之間,該電路實質上是個雙回