第4章 高频电子线路-正弦波振荡器

1第4章正弦波振荡器2本章基本要求掌握LC正弦波振荡器的基本原理、起振、平衡和稳定的条件，以及晶体振荡器和压控振荡器等的电路组成、工作原理、判别原则;熟悉VCO、振荡器的稳定性；了解晶体振荡器的基本原理。34.1反馈型振荡器的基本原理与分析方法4.1.1从放大器到振荡器各种放大器都是在输入信号的控制下，将直流电源提供的电能转换成按输入信号规律变化的电信号，并馈送给负载。正弦波振荡器则是一种不需要外加输入信号，自动将直流电能转换成某一特定频率和适当幅度的正弦波电压的电路，实质上是由反馈放大器演变而来。4图4-1-1反馈振荡器的组成(b)反馈振荡器（c）反馈振荡器的基本结构框图54.1.2振荡的建立与稳定反馈型振荡器在接通电源后，振荡电压不会立即建立起来。其间要经历一段振荡电压从无到有、从小到大逐步增长的过程，直到电路进入平衡状态，电路输出一个幅度和频率保持不变的正弦电压。4.1.2.1起振过程电路接通电源瞬间会产生电流或电压的突变。根据频谱分析的结论，这些干扰和噪声具有连续频谱，包含了各种频率的正弦分量。由于谐振回路的选频作用，使得只有特定频率P信号与输入端的初始信号保持同相的关系。的反馈选频—反馈－再放大－再选频—再反馈的循环过程后，幅度不断增长，自激振荡终于建立起来。经过放大－6(a)(b)V/CEut振荡的建立、稳定与稳幅00mA/CiV/BEu1Q2Q0V/BEutmA/Ci0tmA/Ci0CEUCICCUV/CEu7正弦波振荡器的振荡条件1．产生正弦波自激振荡的平衡条件.正反馈网络放大环节.XoA·F·.XidXf正弦波振荡器的方框图ofXFXidoXAXiiidofXXFAXFAXFX若则可以产生自激振荡8输入Xid.反馈Xf=FXo...输出Xo=AXid...放大环节A·正反馈网络F·若满足Xf=Xid..可在输出端继续维持原有的输出信号则为正反馈9知电路产生自激振荡的平衡条件为由·..···idofAFXFXX··及idfXX··1AF幅值平衡条件：1FA相位平衡条件：n2FA2,1,0n104.1.2.2稳幅过程在振荡建立的过程中，振荡信号幅度不可能无限增大。由于放大器件的非线性特性的限幅作用，使振荡幅度达到某个值后而稳定下来。许多电路中还采取了稳幅措施。通过器件固有的非线性特性稳幅的，称为内稳幅。通过调节负反馈系数，改变放大倍数，也可通过其他外部电路实现稳幅。这种方法被称为外稳幅。11(a)(b)V/CEut振荡的建立、稳定与稳幅00mA/CiV/BEu1Q2Q0V/BEutmA/Ci0tmA/Ci0CEUCICCUV/CEu124.1.3振幅平衡条件和相位平衡条件将图4-1-1b中的Ａ点断开，同时在反馈网络的输出端口iZ电路的环路增益为并联一个与谐振放大器输入阻抗相同的等效阻抗，则AFFAUUUUUUTofioif)(通常反馈网络与选频网络合而为一。由图4-1-2及反馈放大器的原理，可得电路的闭环增益为(b)反馈振荡器13FAAUUA1sof(4-1-2)1FAfA0sUfiUU当时,｜｜→∞,这就意味着即使输入信号放大器仍然有输出电压，由图4-1-2可知，此时有电路已由放大器转变成振荡器。因此，反馈型振荡器的振荡平衡条件为1FAAF＝1振幅平衡条件φA＋φF＝2nπ(n=0,1,2,......)相位平衡条件SUfUiUoUAF图4-1-2反馈放大器框图14由于初始信号是电路的干扰和噪声中被选频网络所选择出来的信号，幅度比较小，若电路的环路增益AF＝1，则电路输出信号的幅度不能达到所需电平。因此，实际的反馈振荡器必须有一个增幅振荡的过程，只有当反馈到输入端的信号大于初始信号时，才能建立起振荡。于是，可得到电路的起振条件：1AFn2FA(n=0,1，2，......)在振荡建立的过程中，振荡电路为时变参数电路。154.1.4振荡器的分析方法反馈型正弦波振荡电路是含有电抗元件的非线性电路，采用严格的数学分析方法比较困难，也没有必要。工程设计中，采用近似分析法，常用Y参数等效电路（振荡频率不太高时，也可用H参数等效电路）来分析振荡电路，以确定电路的振荡频率和起振条件。(1)画出交流通路和Y参数等效电路，该电路将构成一个反馈电路(2)自基本放大器的输入端将反馈环路拆开。拆环后电路的输出端口应并联一个与放大器输入阻抗相等的负载阻抗。AF(3)根据拆环后的等效电路，写出环路增益的表达式。nFA2arctanP(4)令，确定电路的振荡频率。P(5)根据起振条件，令时的｜｜确定电路的起振条件。1AF16将ber和反馈线圈等效fLo)(IMjILjRU(4-1-8))/(2beLfLjrIMjI(4-1-9)图4-1-3变压器耦合振荡器拆环变换17将式(4-1-9)代入式(4-1-8)，可得：L2beo)]()[(IKLLjKrRUL'')(ILjR式中)(2222be22LrMKbe/KrRR2'KLLL按图中的同名端连接方式,φF＝π。因此电路的振荡频率PP在谐振频率处,负载回路显纯电阻特性,即φA()＝π。即L'C并联回路的谐振频率：CLf'P21(4-1-14)18一般说来，''LR。于是，电路的反馈系数为：L/P/LP)(ILjRIMjF/LM≈(4-1-15)放大器的谐振时的电压增益为CRLgRgA//mPmPu)(并联回路的谐振阻抗为CRLR//p(4-1-16)根据式(4-1-6)，可得电路的起振条件1/mCRMg194.2LC正弦波振荡器无论是哪种振荡器，在判断电路是否满足正反馈自激的条件时，通常根据电路的结构，利用瞬时极性法，判断电路是否满足正反馈自激的条件。4.2.1LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则图4-2-1所示是三点式振荡器的交流等效电路的一般形式，三极管的三个电极分别接谐振回路的三个引出端。为分析方便，设谐振回路的Ｘ1、Ｘ2、Ｘ3均为纯电抗元件。20PoUiU忽略三极管的电抗效应，对于谐振频率,与反相即)(pA设回路Ｑ值较高，由图4-2-1得322ofjXjXjXUU322ofXXXUUF图4-2-1三点式振荡器交流等效电路21电路谐振时，回路呈纯阻性，在平衡状态下，振荡频率近似等于回路的谐振频率，即能满足Ｘ1＋Ｘ2＋Ｘ3=0(4-2-2)-X1=Ｘ2＋Ｘ3即有12XX322ofXXXUUF)(pA考虑到正弦波振荡的相位条件，也就是Ｘ1与Ｘ2为同性质电抗。则当φF=π时，电路满足，22于是可得到LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则：(1)Ｘ1与Ｘ2为同性质电抗；(2)Ｘ1、Ｘ2与Ｘ3为异性质电抗。换句话说，与三极管发射极相连的电抗应为同性质电抗，接在B-C极之间的电抗与前者互为异性质电抗。射同他异234.2.2基本LC三点式振荡器电路4.2.2.1电感三点式(Hartley)振荡器AbCb1Rb2ReCeRTCM2L1LccU图4-2-2电感三点式振荡器(a)原理图2L1LCiUoUM(b)交流等效图24图4-2-2为电感三点式振荡器的原理电路及交流等效电路。图中Ｃb为耦合电容，Ｃc为旁路电容，它们对振荡信号可视为短路。选频回路由LC构成，Ｌ为带抽头的线圈。在交流等效电路中，线圈Ｌ的三个引出端分别接在三极管的三个电极，其中，抽头接至发射极。根据三点式振荡器相位平衡条件的判断准则，可知图4-2-2所示的电路满足相位平衡条件。电路振荡频率的工程估算公式为CMLLLCf)2(212121P(4-2-3)25将图4-2-2ａ自Ａ点断开，可以得出图4-2-3所示的简化开环Y参数等效电路按功率等效的原理，ie2f/ie2ogUgUiegie2ie2of/iegFgUUg将折合到C－E之间的等效电导为谐振电压增益为'pfePu)(RyA图4-2-3图4-2-2的开环简化等效电路26)/()(12MLMLF其中，由电路的起振条件1AF可得'P21fe)(RMLMLy(4-2-8)'ieoe'p'P11gggR忽略电感线圈的损耗电阻时于是起振条件可写为oeieoe21ie12fe1gFFggMLMLgMLMLy(4-2-9)27为了满足起振条件，在实际电路中，线圈抽头的选择一般使Ｆ在1／3～1／8之间，即Ｌ1与Ｌ2的匝数比约3～8。必须指出，上述推导中并未考虑振荡回路本身的损耗和负载的损耗等。需要考虑这些损耗时起振条件为)(/Loe21ie12feggMLMLgMLMLy)(1/LoeieggFFg（4-2-10）284.2.2.2电容三点式(Colpitts)振荡器ccU1bR2bRbCTeR1CL2CeCRFCA图4-2-4电容三点式振荡器（a）原理电路2C1CLfUoUT(b)交流等效电路290reY0feoe1/1CCCie2/2CCC假定、,且令，则/2ie/2ie/2ie/1oeifef1111CjgLjCjgCjgLjCjgUyU整理后，得到：jeUUjbayUUTiffeif)((4-2-12)oe/22ie/12ieoegLCgLCgga/2/13oeie/2/1)(CLCgLgCCb30根据起振条件有：122feifbayUU(4-2-13)nab2arctan（n=0,1,2,……）(4-2-14)考虑相位平衡条件（b=0），可得到起振条件：oe/1/2ie/2/1fegCCgCCyoeieoe/1/2ie/2/1m1gFFggCCgCCg例4-2-1,4-2-2314.2.3改进型电容三点式振荡器图4-2-6克拉泼振荡器原理图32图4-2-7西勒振荡器334.2.4集成LC正弦波振荡器图4-2-8CE1648单片集成振荡344.2.5压控振荡器（VCO）压控振荡器是通过某一电压来控制振荡器中的可变电抗元件，使其参数发生变化，从而改变振荡频率或相位。4.2.5.1变容二极管VCO的基本原理变容二极管的Ｃ～U特性如图4-2-10a所示。图4-2-1035minjCminfmaxf)2(1LCfjCmaxjC回路的谐振频率为，当从变到时振荡频率从变到,这时有下列关系成立：minmaxminmaxjjCCff(4-2-23)图4-2-1036图4-2-11电视机本振电路之一374.2.5.2集成电路VCO图4-2-14所示电路，是将CE1648接成压控振荡器电路。1min1maxminmaxCCCCffjj(4-2-24)图4-2-12CE1648组成的压控振荡器384.3振荡器的稳定性4.3.1振荡器平衡状态的稳定条件当电路原有的平衡状态被破坏时，振荡器应具有自动恢复到原平衡状态的能力，这就是振荡器的稳定条件。4.3.1.1振幅平衡的稳定条件振幅平衡条件为：AF＝１图4-3-1a可以看到，谐振时由于正反馈的作用39振荡器的稳定A反馈特性幅度特性F太小omU0fiuuimUim3Uim2Uim1Uo1Uo2Uo3UoAUimQU图4-3-140(b)振幅平衡F1uAA，F0im1Uim2UiuuoA1Q2Qim3U3Q(c)相位平衡0Q)(振幅平衡的稳定条件是：在振荡平衡点附近0QimUAF相位平衡的稳定条件是0)(0ωωdd图4-3-1414.3.2频率稳定度及稳定频率的措施4.3.2.1频率稳定度的概念频率稳定度是振荡器最重要的性能指标之一，其定义是：在规定的时间内或规定的温度、湿度、电源电压的变化范围内