第四章正弦波振蕩器如何從無到有的產生正弦波一、概述自激式振蕩器定義：是指在沒有外加信號作用下的一種自動將直流電源的能量變換為一定波形的交變振蕩能量的裝置。1.在信息傳輸系統的各種發射機中，就是把主振器（振蕩器）所產生的載波，經過放大、調制而把信息發射出去的。2.在超外差式的各種接收機中，是由振蕩器產生一個“本地振蕩”信號，送入混頻器，才能將高頻信號變成中頻信號。3.在研制、調測各類電子設備時，常常需要信號源和各種測量儀器，在這些儀器中大多包含有振蕩器。例如高頻信號發生器、音頻信號發生器、Q表以及各種數字式測量儀表等。4.在工業生產中的高頻加熱、超聲焊接以及電子醫療器械也都廣泛應用振蕩器。可見正弦波振蕩器在電子技術領域里有著廣泛的應用。從工作原理來看：根據反饋回路的形式：變壓器反饋式、三點型LC、RC、晶體反饋式振蕩器是把有源器件接成正反饋環路來實現自激振蕩的，大多數振蕩器以這種原理工作負阻振蕩器則是以具有負阻效應的器件來抵消諧振回路中的損耗電阻，從而使回路能維持等幅的正弦振蕩。工作頻率可高達幾千兆赫，在微波波段使用較多從構成來看：根據有源器件的不同：晶體管、場效應管、集成電路、壓控等等二、振蕩器的種類LC振蕩器和晶體振蕩器：產生高頻正弦波。RC振蕩器：產生低頻正弦波（1）（2）（3）（4）4.2反饋型振蕩電路的工作原理反饋振蕩器是由放大器、選頻網絡和反饋網絡所組成的一個閉環環路，其中反饋網絡由無源器件組成。構成反饋式正弦波振蕩電路的要素：放大電路的正反饋，從而產生自激振蕩選頻網絡或者相移網絡，以控制振蕩頻率和波形放大電路的非線性，以控制振蕩幅度與放大器不一樣，反饋振蕩器沒有外加激勵信號，其最初的激勵是在接通電源時，電路中存在各種電擾動和熱噪聲等，這些小擾動的幅度很小，具有很寬的頻譜。為了使放大器的輸出為一個固定頻率的正弦波，則閉環環路必須含有選頻網絡，通過選頻網絡從很寬的頻譜資源中選出需要的工作頻率，而將其余的頻率分量抑制掉，因此反饋振蕩器還必須有選頻網絡。一個反饋振蕩器要正常的工作，必須滿足三個條件：起振條件、平衡條件以及穩定條件。定義環路的增益為1．起振過程為了使振蕩器的輸出振蕩電壓在接通直流電源后由小增大，則要求反饋電壓幅度必須大于輸入信號幅度，反饋電壓相位必須與放大器輸入相位相同，也就是要求是正反饋，即振幅起振條件相位起振條件在起振的開始階段，振蕩的幅度還很小，電路尚未進入非線性區，振蕩器可以作為線性電路來處理，即可用小信號電路等效模型分析起振條件。2．平衡過程振蕩幅度的增長過程不會一直無止境地進行下去，當反饋信號正好等于輸出電壓所需的輸入電壓時，振蕩幅度不再增大，電路進入平衡狀態。則振蕩的平衡條件為振幅平衡條件相位平衡條件巴克豪森準則(BarkhousenCriterien)：相位平衡條件是先決的、最本質的條件3．穩幅過程內穩幅：靠放大電路中晶體管所固有的非線性特性達到穩定值小信號大信號輸出電壓從起振到穩定的全過程：穩定平衡狀態，干擾因素消失后振蕩能自動回到原來的平衡狀態兩種可能的平衡狀態：不穩定平衡狀態，干擾因素消失后越來越偏離原來的平衡狀態穩定條件：振幅穩定條件的定義左圖中的B點即為穩定平衡狀態振幅穩定條件：硬激勵和軟激勵的區別相位穩定條件的定義環路相位變化對角頻率的影響相位穩定條件：例題1.反饋型正弦波振蕩器起振的振幅條件是：___，相位條件是：___。2.反饋型正弦波振蕩器的振幅平衡條件是：___，相位條件是：___。4.反饋型正弦波振蕩器的電路構成，必須有：___，___，___。3.反饋型正弦波振蕩器的振幅穩定條件是：___，相位穩定條件是：___。【例】一LC振蕩器的實際電路，反饋網絡是由電感L和L1之間的互感M來實現，稱之為LC互感耦合振蕩器，其中電容Cb為耦合電容，電容Ce為高頻旁路電容，都為大電容。畫出交流等效電路，分析該電路滿足正反饋時其同名端的位置。解：耦合電容Cb和高頻旁路電容Ce在高頻時作為短路處理；LC并聯回路其接電源的一端作為接地處理；基極偏置電阻交流等效為Rb1//Rb2，但該電阻與晶體管be結電阻相比很大，此處作為斷路處理。該LC互感耦合振蕩器的交流等效電路如圖所示，根據瞬時極性法，當電路滿足正反饋時，其同名端如圖所示。補：振蕩電路的工作狀態甲類UBEQ>UBE(on)Uim<UBEQ-UBE(on)優點：頻率穩定性好，輸出波形好甲類振蕩電路起振時只需：

略大于1，依靠放大區弱非線性穩幅，工作點選擇在交流負載線中央、偏低，振蕩幅度建立過程如圖所示甲乙類振蕩電路起振時的 大于甲類情況甲乙類UBEQ>UBE(on)Uim>UBEQ-UBE(on)乙類UBEQ=UBE(on)丙類UBEQ<UBE(on)Uim>UBE(on)-UBEQ實用的小功率振蕩器多工作于甲乙類小功率振蕩器可直接工作在甲（乙）類大功率振蕩器多采用丙類振蕩電路直接負偏置的丙類電路無法直接起振：采用自偏電路可實現甲類起振、丙類工作：正弦波振蕩電路的線性頻域分析方法判別正弦振蕩電路能否振蕩的步驟：首先要檢查電路的結構是否滿足反饋型正弦振蕩電路的必要因素其次是分析振蕩的平衡條件任何振蕩電路起振時，Vi都很小，放大電路工作在晶體管的線性工作區，因此在起振階段可以用小信號模型構成的微變等效電路進行計算。只要滿足起振條件，靠晶體管的非線性最終一定能夠得到穩定的等幅振蕩小信號等效電路起振條件,振蕩頻率1.開環法開環法定義與步驟：畫交流通路，判別是否滿足振蕩的相位平衡條件畫微變等效電路，并在某一點開環。開環后應保證原來的工作條件不變計算開環傳遞函數，利用相位平衡條件確定振蕩角頻率利用ω0角頻率下的平衡條件，確定維持振蕩幅度所需要的gm值gm0選擇晶體管的gm使gm>gm0，此時電路滿足起振條件2.閉環法閉環法的定義與步驟：畫交流通路，判別是否滿足振蕩的相位平衡條件畫微變等效電路，并列寫出電路方程，這是一組線性齊次方程組令線性方程組復系數矩陣的行列式Δ=0解Δ=0，可確定振蕩角頻率ω0和維持振蕩幅度所需的gm值gm0選擇晶體管的gm使gm>gm0，此時電路滿足起振條件按照甲類的方法使用小信號交流等效電路來計算起振時的放大倍數但實際電路中往往在振幅達到平衡時已經進入強非線性區，此時應使用基波來進行分析，即利用丙類放大電路的分析方法注意這兩種方法的局限性：經驗的數據為在視器件輸入端為開路時，設置反饋系數為1/2-1/10試比較甲類和甲類起振丙類工作振蕩器輸出信號的振幅穩定性和頻率穩定性。甲類：易起振，易停振，幅度穩定性差。放大電路輸出波形無失真，單一頻率。頻率穩定性好。甲類起振丙類工作：易起振，不易停振，幅度穩定性好。放大電路輸出波形有極大非線性失真，多頻率，頻率穩定性差。思考4.3LC振蕩電路定義：利用LC元件組成選頻網絡的反饋性振蕩電路4.3.0調諧型振蕩電路采用互感耦合線圈作為反饋網絡。依據諧振回路接在晶體管的電極位置可命名為調基、調集、調射電路。4.3.1三點型LC振蕩電路三點型振蕩電路：將三個電抗元件分別接在晶體管的三個電極間產生振蕩的基本條件？正反饋相位平衡諧振網絡回路諧振時，ic,ib,ie遠遠小于諧振電流則回路總阻抗：三個電抗元件不能同時為電感或電容！需由兩種不同性質元件構成。能否起振？什么情況下起振？相位平衡電壓關系綜上，從相位平衡條件判斷三點式振蕩器能否振蕩的原則是：與發射極相連的為同性質電抗元件，不與發射極相連的為異性質電抗元件（射同它異）。電容三點式振蕩器也稱考畢茲(Colpitts)振蕩器電感三點式振蕩器，也稱哈特萊(Hartley)振蕩器【例】圖示電路，兩個LC并聯回路的諧振頻率分別

是和，請問電路是否能夠發生振蕩？若能，求振蕩頻率f0與f1、f2的關系。解：要使電路能夠正常振蕩，需滿足三端式電路的組成原則。由于連接基極與集電極的為電容，故電路只能組成電感三點式振蕩器，即L1C1、L2C2回路應呈感性。由于LC并聯回路諧振頻率大于工作頻率時，回路呈感性，即應滿足：例：試用相位條件的判斷準則，判明圖示的LC振蕩器交流等效電路，哪個可以振蕩？哪個不可以振蕩？或在什么條件下才能振蕩？

例：試判斷該電路是否能振蕩？若可以振蕩，說明其振蕩條件。若不能，改正之。一、三點式電容振蕩電路（考畢茲電路）(1)忽略反向傳輸導納，Yre=0。(2)由于晶體管的輸入、輸出電容本身比C1、C2小很多，這里忽略晶體管的輸入、輸出電容。(3)忽略晶體管正向傳輸導納的相移，用跨導gm表示。在圖中，gp表示除晶體管外的電路中所有電導折算到ce兩端的總電導。思路：分析諧振求解諧振頻率分析反饋求解增益AF利用平衡條件解出晶體管參數1.分析其諧振特性，求解諧振頻率2.分析其反饋特性，判斷是否能發生正反饋當選頻網絡的輸入信號頻率為ωp時，選頻網絡與放大電路的反相作用相加，從而可以構成正反饋3.求解放大電路與選頻電路的增益定義反饋系數F：將gie折算到ce端，因此放大器總的負載電阻為注：課本中R0與這里的Rp接的位置不同，但意義相同。RsRi環路諧振時的總增益為振蕩器的振幅起振條件為4.利用平衡條件，確定產生和維持振蕩的晶體管參數。振幅條件相位平衡條件已在2的分析中滿足整理并小結：振蕩角頻率：能否正反饋：能，相位平衡條件滿足電路增益：振幅平衡條件：考慮極間電容，實際角頻率略大于所求值。通常考慮易起振又不致使振蕩波形的非線性失真嚴重，F都選得較小，大約在0.01~0.5之間二、三點式電感振蕩電路（哈特萊電路）類似于電容三點式振蕩器的分析方法，有：振蕩頻率為相位關系為：反饋系數為：根據平衡條件可求出的晶體管參數β若M=0：對全耦合電路，有：三端電感振蕩電路優點：容易通過調節電容改變振蕩頻率，調節時不影響反饋系數三端電感振蕩電路缺點：輸出端和反饋端均為電感，振蕩波形不太好電感上的分布電容和晶體管的極間電容影響環路增益，電路的振蕩頻率不能過高三端電容振蕩電路優點：輸入和反饋端是電容，對高次諧波電抗小，振蕩波形好只要減小電容就能提高振蕩頻率，若不外加電容，僅利用晶體管的極間電容作回路電容，則振蕩頻率可高達幾百兆赫，甚至上千兆赫三端電容振蕩電路缺點：改變頻率不方便，適用于作為固定頻率的振蕩器C1和C2接在晶體管集射極和基射極上，振蕩頻率越高，C1和C2的電抗越小，此時晶體管的極間電容將直接影響到C1和C2，從而影響振蕩頻率的穩定性4.4改進型電容三端式振蕩器由于晶體管的輸入、輸出電容與電容三端式振蕩器和電感三端式振蕩器的回路并聯，影響回路的等效電抗元件參數。而晶體管的輸入、輸出電容受環境溫度、電源電壓等因素的影響較大，所以上述兩種振蕩器的頻率穩定度不高，一般在10-3數量級。為了提高頻率穩定度，需要對電路作改進以減少晶體管輸入、輸出電容對回路的影響，可以采用削弱晶體管與回路之間耦合的方法，在電容三點式振蕩器的基礎上，得到兩種改進型電容反饋式振蕩器——克拉潑(Clapp)振蕩器和西勒(Siler)振蕩器。減小三極管極間電容的影響1．克拉潑振蕩器各電容值取值規定如下：C3<<C1，C3<<C2，這樣可使電路的振蕩頻率近似只與C3、L有關。(a)實用電路(b)交流等效電路由圖(b)可得諧振回路的總電容為則振蕩頻率為由此可見，C1，C2對振蕩頻率的影響顯著減少，那么與之并聯的晶體管的輸入、輸出電容的影響也就減小了。諧振回路中接入C3后，雖然振蕩器頻率穩定度得到了提高，調節C3不會改變反饋系數，但是C1不能太大，C3不能太小，否則將影響振蕩器的起振。假設回路的總負載為RL(包括回路的諧振電阻、實際負載等效到回路等)，則其等效到晶體管ce端的負載電阻RL’為若C3太小，C1太大，則等效負載很小，放大器增益就較低，環路增益也就較小，振蕩器的輸出幅度減小。若C3過小，振蕩器不滿足振幅起振條件而使振蕩器停振。所以，克拉潑振蕩器是用犧牲環路增益來換取回路標準性的提高，從而提高頻率穩定性克拉潑振蕩器的缺陷是不適合作波段振蕩器。波段振蕩器要求在一段區間內振蕩頻率可變，且振幅幅值保持不變。這是因為克拉潑振蕩器頻率的改變是通過調整C3來實現的，而C3的改變，回路總負載將隨之改變，放大器的增益也將變化，調頻率可使環路增益不足而停振；另外，由于負載電阻的變化，振蕩器輸出幅度也將變化，導致波段范圍內輸出振幅變化較大。而克拉潑振蕩器主要用于固定頻率或者波段較窄的場合，其波段覆蓋系數(最高工作頻率與最低工作頻率之比)一般只有1.2～1.3。2．西勒振蕩器(a)實用電路(b)交流等效電路西勒振蕩器是在克拉潑振蕩器的基礎上，在電感L兩端并聯了一個小電容C4，且滿足C1、C2遠大于C3，C1、C2遠大于C4。由圖(b)可得諧振回路的總電容為振蕩器的振蕩頻率為西勒振蕩器與克拉潑振蕩器一樣，晶體管與回路的耦合較弱，頻率穩定度高；由于C4與電感L是并聯的，通過調整C4只改變頻率，不會改變晶體管與回路的接入系數，所以波段內輸出幅度較平穩。因此，西勒振蕩器可用作波段振蕩器。【例】如圖所示的電路，分析該電路的工作原理，畫出交流等效電路，并求振蕩頻率。解：該電路采用負電源供電，以及Lc2構成直流電源濾波，Rb1、Rb2、Re為晶體管的直流偏置電路，Lc1為高頻扼流圈，其一方面阻止交流信號到地，另一方面給晶體管提供直流通路，Cb為基極的高頻旁路電容，使該晶體管的基極交流接地。該電路的交流等效電路如圖所示，其構成了電容三點式振蕩器。該電路的回路總電容為該電路的振蕩頻率為2.2.5集成LC正弦波振蕩器前文介紹的均為分立元件振蕩器，利用集成電路通過外接LC元件也可以做成正弦波振蕩器。1．單片集成振蕩器電路E1648現以常用電路E1648為例介紹集成電路振蕩器的組成。單片集成振蕩器E1648是ECL中規模集成電路,其內部電路圖如圖所示。E1648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。VT7、VT8、VT9與⑩腳、?腳之間外接LC并聯回路組成差分對管振蕩電路，其中VT9為可控恒流源。振蕩信號由VT7基極取出，經兩級放大電路和一級射隨器，從③腳輸出。第一級放大電路由VT5和VT4組成共射-共基級聯放大器，第二級由VT3和VT2組成單端輸入、單端輸出的差分放大器，VT1作為射隨器。偏置電路由VT10～VT14組成,其中VT11與VT10分別為兩級放大電路提供偏置電壓，VT12～VT14為差分對管振蕩電路提供偏置電壓。VT12與VT13組成互補穩定電路，穩定VT8基極電位。若VT8基極電位受到干擾而升高，則有，這一負反饋作用使VT8基極電位保持恒定。利用E1648組成的正弦波振蕩器。L2、C2回路應調諧在振蕩頻率f0上。E1648構成的振蕩器，其最高工作頻率可達225MHz。在⑤腳外加一正電壓，可以獲得方波輸出。E1648組成的正弦波振蕩器E1648單片集成振蕩器的振蕩頻率是由⑩腳和?腳之間的外接振蕩電路的L1、C1值決定，并與兩腳之間的輸入電容Ci有關，其表達式為總結(1)反饋式正弦波振蕩電路的各種“條件”：起振過程（起振條件）->平衡過程（平衡條件）->穩幅過程（穩定條件）LC正弦波振蕩電路的各種要點：自偏電路：甲類起振丙類工作三點式LC正弦波振蕩電路選頻網絡的反相作用射同它反、近似振蕩頻率總結(2)三點式LC正弦波振蕩電路三點式電感、電容電路三點式電容電路的兩種改進型電路（為什么改？怎么改？） 分析正反饋（相位平衡）—能否起振？何時起振？—分析諧振（諧振頻率）—分析環路增益（小信號等效求AF）—求解β（起振條件）2.3RC正弦振蕩電路為什么引入RC振蕩器？RC振蕩電路的定義：使用RC移相網絡替代LC選頻網絡構成的正弦振蕩電路由于RC選頻網絡的選頻特性比LC選頻網絡的特性差得多，導致RC振蕩器的電路構成和器件工作狀態與LC振蕩器有明顯的區別：常采用負反饋來提高電路的選頻特性預備知識(模擬電子電路內容)由運放構成的反相、同相放大器2.3RC正弦波振蕩電路RC振蕩器——以RC網絡作為選頻網絡。常采用負反饋提高電路選頻特性。總的反饋效果是：在振蕩頻率，正反饋超過負反饋，并滿足自激條件；偏離自激頻率時，力求使負反饋超過正反饋，以抑制不需要的頻率，從而改善輸出波形RC振蕩電路的構成方法：由同相放大電路和對所需頻率能產生零相移的RC移相網絡構成由反相放大電路和對所需頻率能產生相移的RC移相網絡構成根據結構的不同可以進行分類以運放和正、負反饋網絡構成的文氏橋振蕩器。以開環法分析：A：開環差模電壓增益。：正反饋網絡的傳輸系數。：負反饋網絡的傳輸系數。起振、平衡條件：振蕩頻率：滿足相位平衡條件的角頻率。假定R1＝R2＝R，C1＝C2＝C正反饋網絡傳輸系數：以Z1和Z2分別表示RC串聯阻抗和RC并聯阻抗：負反饋網絡傳輸系數：依據以上計算可得電路的環反饋系數：當ω＝1/RC時，的相角為0，滿足相位平衡條件，也即振蕩角頻率為1/RC。由ω＝1/RC、推出起振條件：運放的開環放大倍數A通常極大，因此起振條件是：另一種分析思路：要求：起振條件：振蕩角頻率：雙極型晶體管文氏橋振蕩電路：振蕩的建立與穩定RC濾波效果差，要求放大部分不能出現非線性，而且，就算以弱非線性穩幅，A的調節范圍有限，且普通電阻精度有限，無法內穩幅。由此考慮以熱敏電阻進行外穩幅：文氏橋RC振蕩電路的特點電路中的放大部分有很深的電壓串聯負反饋，使輸出電壓幅度在整個頻段內基本不隨振蕩頻率而變。電路的放大部分工作于線性狀態，依靠外加熱敏電阻進行外穩幅，因此波形失真很小。文氏橋RC振蕩器廣泛用來作為頻率范圍由幾赫到幾百千赫的低頻信號源。RC振蕩器的頻率穩定度約在10-2－10-3量級之間。RC移相振蕩器、雙T網絡振蕩器4.5正弦波振蕩器的頻率穩定問題——頻率穩定度頻率穩定度絕對頻率穩定度：Δf=fH-f0或f0-fL相對頻率穩定度：Δf/f0常用振蕩器的頻率穩定度LC振蕩器：10-2-10-4RC振蕩器：10-2-10-3石英晶體振蕩器：10-5-10-6(若采取恒溫措施，可達10-7-10-9)4.5正弦波振蕩器的頻率穩定問題——造成頻率不穩定的因素LC值變化對頻率穩定度的影響：L和C主要受溫度的影響。溫度對電感和電容值的影響程度往往用溫度系數來衡量。溫度系數是指溫度變化1oC時電感量或電容量的相對變化量電感的溫度系數一般為正；根據介質材料不同，電容的溫度系數可正可負4.5正弦波振蕩器的頻率穩定問題——造成頻率不穩定的因素回路內部相移變化對頻率穩定度的影響

越大，由引起的振蕩角頻率的偏移就越小。因此通常把作為衡量一個振蕩器頻率穩定度的判據為提高振蕩器的頻率穩定度，必須選用高Q值諧振回路和大而穩定的負載電阻4.5正弦波振蕩器的頻率穩定問題——提高頻率穩定度的措施減少溫度的影響：恒溫、選擇溫度系數小的元件穩定電源電壓：選擇穩定性好的電源、單獨供電減少負載的影響采取屏蔽措施提高振蕩電路標準性：減少結電容、分布參數等晶體管與回路間采取松耦合：克拉潑、西勒電路提高回路品質因數4.6石英晶體振蕩電路——石英晶體正壓電效應：施加壓力或拉力->晶體表面產生電荷反壓電效應：給晶體加電->晶體產生內部應力石英晶體的諧振、基音及奇次泛音石英諧振器的Q值一般為104-106(LC最高300左右)等效電路和阻抗特性石英諧振器的符號、等效電路及基音等效電路：注意石英諧振器fs與fp之間的關系4.7石英晶體振蕩器電路并聯型晶體振蕩電路即是把石英諧振器作為等效電感與其他回路元件組成三點型振蕩回路皮爾