2023/2/51第四章正弦振蕩器第六節RC振蕩器第一節反饋振蕩器的基本原理第二節三點式LC振蕩器第三節石英晶體振蕩器第四節壓控振蕩器第五節集成電路振蕩器2023/2/52概述以前學過的放大器都是在外界激勵信號的作用下，將信號能量轉換成交流能量。我們設想，如果從輸出反饋到輸入（正反饋）作為激勵信號，也能完成直流能量轉換為交流能量，這就是本章要講的振蕩器。振蕩器分類：分為正弦振蕩器和非正弦振蕩器一、按振蕩波形分：分為高頻振蕩器

和低頻振蕩器二、按頻率分：三、按振蕩原理分：分為反饋型振蕩器和負阻型振器分為LC振蕩器和RC振蕩器四、按選頻回路分：2023/2/53對振蕩器性能的要求：

1．振蕩頻率和頻率穩定度高

2．振蕩幅度和振蕩穩定度高

3．波形純度好振蕩器的組成（三部分）：

1．控制能量轉換的有源器件

2．具有正反饋的選頻網路

3．穩幅的限幅電路（通常由有源器件本身完成）下面首先分析振蕩器的基本理論，然后據前述性能要求對各種振蕩器進行討論。2023/2/54第一節反饋振蕩器的基本原理一、振蕩的必要條件一般情況下，反饋振蕩的框圖可表示為：此即著名的巴克豪森條件。將上式分解為幅值條件和相位條件：表明補充能量等于消耗能量表明正反饋因此正反饋是振蕩的必要條件。顯然當即產生自激振蕩反饋振蕩器方框圖幅值條件相位條件2023/2/55下面以互感耦合LC振蕩器為例來具體討論：如果不看反饋電路，它就是典型的調諧放大器。輸入信號Ui經過放大在LC兩端輸出Uo。當諧振時Uo與Ui反相，經過互感耦合在次級得到反饋電壓Uf。按圖示同名端，Uf=Ui,形成了正反饋環路，構成了自激振蕩器。圖4-3互感耦合LC振蕩器2023/2/56二、振蕩器的起振過程和起振條件起振過程：起振之初，當電源一閉合，電流呈階躍信號，它包含有各種頻率成分。通過LC回路的選頻作用，只有和回路諧振頻率相同的成分被放大，產生Uf，當電壓回輸到輸入，再進一步放大，如此下去便由小到大的振蕩起來。這個振蕩不斷增長的過程即是起振過程。根據以上分析，可直接寫出振蕩器的起振條件：即AB>1,表明補充能量>消耗能量表明是正反聵分解后得：2023/2/57三、平衡過程和平衡條件起振之初是增幅振蕩，但這種增幅不會一直“增”下去。這主要是由于管子非線性和限幅作用，使A隨Ui增長而下降，直到|AB|=1，進入等幅狀態為止。大信號情況下，振蕩器工作在丙類，按折線性分析法，有顯見其中稱平均跨導2023/2/58三、平衡過程和平衡條件當下降到AB=1（平衡狀態）時，振蕩器滿足Ui=Uf，保持等幅振蕩。∴振蕩平衡的幅值條件和相位條件為：

應該指出的是|AB|=1φA+φB=2nπ(n=0,1,2…)表明：補充的能量=消耗的能量表明：是正反饋Au起>Au平2023/2/59四、振蕩器的穩定條件上述的平衡條件，只能說明能等幅振蕩，并不說明這種平衡狀態是否穩定。實際上，不穩定因素總是存在的，如Ec、T、RL、Gm、L、C的變化破壞了平衡，最終導致Uo、fo、A的變化。如果不穩定因素去掉后，振蕩器仍能回到原來的平衡狀態，則稱是穩定的，否則稱非穩定的。下面我們設法找出穩定平衡的振幅條件和相位條件。平衡時AB=1或A=1/B,B一般與Ui

無關。所以1/B為一條水平線，如圖：Au(Gm)UiQUiQ1/BUiAu關系曲線如圖所示交點在平衡點Q（一）幅度穩定條件2023/2/510我們考察一下，A在Q點附近變化的情況：若從Q點向右變若從Q點向左變增幅減幅所以我們稱Q點為穩定平衡點，顯然要使Uo、Ui穩定，必須在振蕩平衡點有阻止幅度變化的能力，即A（或Gm）的變化趨勢必須同Ui相反。此即振幅平衡的穩定條件。或2023/2/511（二）相位穩定條件不穩定因素也會破壞相位平衡條件，而相位的變化會導致f的變化，這是因為當相當于提前向LC補償能量,使要使振蕩器的相位得到穩定，必須在f變化時，產生反方向的相位變化，以便補償原來的相位變化，所以相位穩定條件是：實際上，LC回路具有補償相位變化的作用，為了說明這一點，看其相頻特性:當相當于滯后向LC補償能量,使2023/2/512當外界干擾引入（提前補償能量）回路引入相移（滯后補償能量）使f不再增長，當外界干擾撤去反之亦然。應該指出：穩定平衡不應理解為在不穩定因素影響下振幅、相位不變，而是一種振幅和相位上的動態平衡。綜合以上分析，可得結論：（1）影響振幅平衡的主要不穩定因素是電阻性的（2）影響相位平衡的主要不穩定因素是電抗性的2023/2/513起振條件：振幅條件相位條件平衡條件：振幅條件相位條件穩定條件：振幅條件相位條件|AB|=1φA+φB=2nπ(n=0,1,2…)|AB|>1φA+φB=2nπ(n=0,1,2…)起振、平衡、穩定三個條件缺一不可。2023/2/5141．長期穩定度：我們通常講的穩定度是指短期穩定度，它定義為:（三）振蕩器的頻穩度頻率穩定度是衡量振蕩器的重要指標，根據測試時間的長短分為：其中第i次測試時的絕對頻率偏差絕對頻率偏差的平均值——用于天文臺或計量單位——用于評價通信測量設備——用于衡量設備的瞬時穩定度2．短期穩定度：3．瞬間穩定度：2023/2/515提高穩定度的措施，主要從兩方面著手：減小外界因素的變化；提高電路本身抵抗外界因素影響的能力。1．減小外界因素變化的影響：可采用穩壓、溫補、恒溫、屏蔽等方法。2．提高電路抵抗外界因素變化影響的能力：（1）提高電路的標準性（2）選取合理的電路形式。2023/2/516第二節三點式LC振蕩器前述的LC互感耦合振蕩器具有電路簡單，易起振等特點但其頻穩度較低（和晶體管參數有關），振蕩頻率不高。目前分離電路中采用較多的是三點式LC振蕩器。本節就典型的三點式振蕩器進行分析和討論。一、三點式電路的組成法則三點式振蕩器：指LC回路的三個端點分別接在晶體管三個極而組成的振蕩器。2023/2/517我們首先分析在滿足正反饋時，LC回路中三個電抗元件應具有什么性質。為簡單起見，假設：（1）晶體管的內部附加相移忽略不計（2）諧振時，諧振電流I>>Ic、Ib（3）LC回路中的損耗可略由圖可見三點式LC振蕩器IIbIC三點式振蕩器的原理圖如圖：2023/2/518∴在三點式電路中，LC回路中與發射極相連的兩個電抗元件(Xbe、Xce)必須為同性質；另一個電抗元件必須為異性質。這是三點式電路的組成法則，有時也稱為三點式振蕩器的相位平衡法則。顯然要使φB=π，Xbe和Xce的性質必須相同。由相位平衡條件：φA+φB=2π∴φA≈π，因此放大器的負載必須為純阻。這發生在LC回路諧振時，即Xbe+Xce+Xbc=0或Xbc=-(Xbe+Xce)即Xbc與Xbe、Xce的性質相反。當Xbe、Xce為電容時，稱電容三點式振蕩器，也稱科皮茲（Colpits）振蕩器；當Xbe、Xce為電感時，稱電感三點式振蕩器，也稱哈特萊（Hartley）振蕩器。2023/2/519二、電容三點式振蕩器各元件作用：Lc高頻扼線圈，通直隔交；CB通交隔直。使交、直流不致相互短路。1．交流通路（如圖）由于滿足相位平衡準則，只要再滿足振幅條件，即可正常工作。2．振蕩頻率和振蕩條件振蕩器平衡狀態下，其可采用大信號等效電路，如圖電路如圖：LC2C1C2C1LGieG0eGmIb/GieGoeIIbICEcRb1Rb2ReCBC2C1CeLLc2023/2/520其中，流源由圖列出回路方程上式為線性齊次方程組,所以Ib、Ic、

I不為0的充分必要條件是系數行列式D=0,這就是待求的特征方程式。D=0,它的實部和虛部均為0.轉換成壓源C2C1LGieG0eGmIb/GieGoeIIbIC2023/2/521令D的虛部等于0,可求出振蕩頻率顯然,振蕩器工作時,LC回路處于失諧狀態,但通常令D的實部等于0,可得振蕩平衡條件由此可求出起振條件(gm)min~起振所需的最小跨導。2023/2/522根據等效電路,可求得所以起振條件可改寫為一般說來,有利起振,但這是有條件的,其條件是gie對LC回路的作用小到可忽略的程度,同時r極小,此時

;如果gie較大,則起振條件中的第二項不可忽略,此時,反而不易起振,那么最佳反饋系數應為多少呢?C2C1LGieG0eGmIb/GieGoeIIbICUfUo+--+2023/2/523令求得最佳反饋系數在以上推導中,認為r=0,若考慮r0,則起振條件應為其中其中rGPGP’LC1C22023/2/524例4-1

一Colpitts振蕩器，L=50uH,C1=200pF,C2=1000pF,LC回路的Q=80,在工作點的gie=1ms,goe=0.02ms,gm=50ms,求振蕩頻率f和最小跨導(gm)min.解：當Q時，Gp0,

需考慮固有損耗2023/2/525電感三點式振蕩器電路三、電感三點式振蕩器電路和交流通路如圖交流通路L2L12023/2/526振蕩頻率和振蕩條件其分析方法與分析電容三點式相同令特征方程D的虛部為0,得振蕩頻率:顯見,振蕩頻率略小于0,也處于略失諧狀態。2023/2/527令D的實部為0，得起振條件：反饋系數因為L1L2繞在同一骨架上,屬全耦合,即K=1,代入上式為兼顧起振和波形,可取N2=(0.1--0.5)N12023/2/528四、兩種三點式振蕩器的比較電容三點式電感三點式1、制作簡單（L無抽頭）波形好（因為電容濾除高次諧波性能好）2、頻穩度高3、振蕩頻率高，一般可達幾百MHz4、調節f不便用途：用于固定f振蕩器1、制作復雜（L有抽頭）波形較差（電感對高次諧波呈高阻,濾波性能差）2、頻穩度稍低3、振蕩頻率不高，一般可達幾十MHz4、調節f方便5、當f不太高時,較易起振用途：用于可變f振蕩器2023/2/529五、改進型電容三點式電路從以上比較可知，電容三點式比電感三點式性能好，但如何減小Cie、Coe對頻穩度影響仍是需解決的問題，于是出現了改進電路：克拉潑（clapp）osc；西勒（seiler）osc在colpitts電路基礎上在L支路上串聯C3，滿足C3<<C1、C2，所以又稱為串聯改進型電容三點式osc基本思想：設法實現管、路分離，以甩掉Coe、Cie的影響。所以其振蕩頻率與C1、C2無關。1．電路（如圖）：（一）克拉潑振蕩器2023/2/5302．起振條件：由交流通路可得（一）克拉潑振蕩器其交流通路如圖：2023/2/531討論：這都是克拉潑存在的缺點，他只適于頻率不太高，頻率覆蓋系數要求不高的場合。2023/2/5321．電路（如圖）：（二）西勒振蕩器在clapp電路基礎上在L兩端并聯一個小電容C4，所以又稱并聯改進型電容三點式電路，取值條件：C3、C4<<C1、C2EcCBC2C1C3C4R2LR1RCReLC1C2C3C4rGpGp’2.交流通路（如圖）可見:易起振頻率覆蓋系數K較大，(因調C4不影響起振條件)可達1.61.82023/2/533兩種改進型三點式電路的比較指標克拉潑西勒頻穩度較高高幅度特性覆蓋系數運用范圍不太平穩小(1.2--1.3)用于固定f振蕩較平穩大(1.6--1.8)用于可變f振蕩2023/2/534第三節石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器的特點是頻率穩定度很高。在LC振蕩器中，盡管采用了各種穩頻措施，但理論與實踐都證明它的頻穩度很難突破10-5量級。究其原因，就是LC回路的Q值不能做的很高，如果我們用前述的高Q值的晶振來代替LC諧振回路中的電感，其振蕩頻穩度可提高到10-9以上。泛音晶體振蕩器（并聯型、串聯型）晶體振蕩器分為：{基頻晶體振蕩器（并聯型、串聯型）2023/2/535構成形式：c-b型（皮爾斯Pierce）電路；b-e型（密勒Miller）電路由于皮爾斯電路無需外接線圈，且穩定度較高，得到廣泛采用。一、并聯型（基頻）晶體振蕩器晶體等效為高Q值電感和其它電抗元件一起組成并聯諧振電路。(a)C-b型(b)b-e型如圖所示。2023/2/536C1C2C0Ct’CqLqrq如果將晶體等效為電感，與前述的克拉潑電路相同，其交流等效電路如圖:所以諧振頻率皮爾斯振蕩器實際電路如圖C1CeJTCtC3C2Ec所以晶體工作在感性區,Ct’的作用是使振蕩器可微調至晶體的標稱頻率。2023/2/537二、串聯型晶體振蕩器特點：JT串接在三點式振蕩器正反饋回路中，其框圖如右:這實際是一個電容三點式振蕩器，此時L和C1、C2調諧于JT的fs，JT本身無相移，顯然，這種電路的工作頻率決定于fs，它一般適用于幾百KHZ到幾十MHZ的振蕩器。JT典型電路如圖：其交流通路如圖C2C1JTL晶體等效為短路元件。JTLC2C1EcCc12023/2/538三、泛音晶體振蕩器石英晶振的f越高，晶片越薄，所以f的提高受晶體加工困難和機械強度的限制。一般晶體fmax不超過30MHZ，所以當要求較高f時，一般采用泛音晶振。工作在泛音的好處：（1）晶體強度高，易于加工泛音晶體振蕩器工作原理和基頻晶體振蕩器的是一樣的，唯一區別在于電路中必須有一種能抑制無用諧波的能力和使泛音晶振工作在指定的泛音頻率上的能力。（2）老化效應小（3）穩定度高2023/2/539L1C1Ct’C2JT

并聯泛音osc：晶體起電感作用與基頻振蕩器（皮爾斯osc）相比較,是用L1、C1諧振回路取代皮爾斯振蕩器中C1而后構成的。L1、C1諧振回路的作用：指定工作泛音，抑制非工作泛音。對L1、C1諧振回路要求：若JT工作在n次泛音，則L1、C1必須調諧在n~n-2之間，如n=5。則L1、C1回路應調諧在3~5次之間。如可選。當f0=5MHZL1C1呈容性，滿足相位平衡條件，而對基頻和3次泛音頻率L1C1回路呈感性，不滿足三點式電路的相位條件，電路不能起振；而對7次和9次泛音頻率，L1C1回路雖呈容性，但幅值很小，不能滿足幅值條件，所以電路只能可靠的工作在5次泛音頻率上。原理電路如右圖:2023/2/540第四節壓控振蕩器蕩利用壓控器件，使其成為LC回路中C的一部分，實現以電壓控制振蕩頻率，它被廣泛應用于信號控制、直接調頻、PLL、頻率合成器等。一、對壓控振蕩器的要求：（1）頻率復蓋系數大;（2）U變化引起f變化，線性好;（3）壓控靈敏度(或壓頻系數)S(=f/uc)大（4）頻穩度較高（5）波形較好2023/2/541+12VCCC7C1C2CbC6C5C4C3LLCT1Rb1ReRCR2R1Rb2CT2u0ui二、電路實例(一)變容二極管VCO某單邊帶電臺頻率合成器中所用5565MHzVCO電路如圖:CT1CT2LC4C1C2C3L、C組成去耦電路，防止噪聲干擾經電源竄入振蕩回路，以提高頻穩度。R1、R2、

C5、

C6對控制信號濾波。CT1、CT2、C4組成等效電容與C3、C1、C2、L組成LC振蕩回路。其交流通路如圖所示：2023/2/542二、電路實例(二)晶體壓控振蕩器電路與交流通路如圖:JTCT1JTR6R5R4R3R2R1C4C3C2C1UoUiEc優點：中心頻穩度高缺點：覆蓋系數小（頻率控制范圍窄）為克服這一缺點常采用擴展方法：串聯電抗擴展法；并聯電抗擴展法2023/2/543（1）串聯電抗擴展法-----在晶振支路中串入一個電感（2）并聯電抗擴展法-----在晶振支路中并入一個電感LqC0CqLLqC0CqLffBXXLfsfsfs’fpfpfp’B1B2BL它與晶振電抗曲線相加即為擴展后的總電抗曲線。fs’是擴展后的串聯諧振頻率。合成電納曲線如圖中紅線所示。電感的電抗特性XLB1、B2

晶體的電納曲線；BL--L支路電納曲線；擴展后串聯諧振頻率左移，或并聯諧振頻率右移，使可控電感范圍增大，單斜率下降，穩定度降低。fp

fs

~2023/2/544第五節

集成電路振蕩器隨著電子技術的發展，振蕩器也朝著集成化方向發展。盡管電感、電容及晶體調節元件較難集成，但晶體管、偏置電路等都能集成在一個芯片，稱為集成組件。LC回路（外電路）+集成組件=集成振蕩器，它減小了體積，減少了連線，提高了性能和可靠性。目前，集成電路振蕩器多采用差分對管作為有源器件，其原因是：（1）差分對管的差模傳輸特性線性好，對稱性好，可有效地抑制輸出諧波，波形純度高。（2）差模特性的平坦區是由恒流源限制的，并不是管子飽和限制的，所以管子工作不會影響Q值，因而頻率和幅度都較穩定。2023/2/545下面介紹幾個集成電路振蕩器實例：一、差分對管振蕩電路1.電路(如圖)即滿足振蕩的相位條件。3.分析由圖可見,T1、T2呈CC—CB連接，T2輸出低阻與T1輸入低阻相匹配，T1輸出高阻與T2輸入高阻相匹配，具有良好的匹配特性，所以輸出幅度大，同時LC回路與高阻相并聯，對Q值影響小，所以頻率穩定，即頻穩度高。T1T2LCu0T1T2CLC1C2ECu0+