第5章 正弦波振蕩器

第5章正弦波振蕩器

5.1概述5.2

反饋型振蕩器的基本工作原理5.3反饋型LC振蕩器線路5.4

振蕩器的頻率穩(wěn)定問題

5.1概述

振蕩器是指在無需外加激勵信號的情況下，能自動地將直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定波形、一定頻率和一定幅度的交變信號電路。振蕩器的分類：按波形分：正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器按工作方式：反饋型振蕩器和負阻型振蕩器按選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的元件分：RC振蕩器、

LC振蕩器、

晶體振蕩器等在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用場合：發(fā)射機中的載波振蕩器、接收機中的本地振蕩器等。5.2.1振蕩器的起振條件基本反饋環(huán)如右圖：若在某種情況下1-=0時，此時即使沒有輸入信號(vi=0)時，放大器仍有輸出電壓放大器變?yōu)檎袷幤鳌?/p>

要維持一定振幅的振蕩，反饋系數(shù)F應(yīng)設(shè)計得大一些。一般取這樣就可以使得在＞1時的情況下起振。5.2

反饋振蕩器的原理

由上分析知，反饋型正弦波振蕩器的起振條件是：>1

其物理意義是：振幅起振條件要求反饋電壓幅度vf要一次比一次大，而相位起振條件則要求環(huán)路保持正反饋。

放大器增益A與輸出電壓幅度Vo之間的關(guān)系叫振蕩特性，F(xiàn)與Vo之間的關(guān)系叫反饋特性。起振的幅度條件可用右上圖表示。起振條件與平衡條件圖解(軟激勵起振)

在實際設(shè)計中，如果設(shè)計不當，振蕩特性可能不是單調(diào)下降的，而如右下圖所示。其靜態(tài)工作點太低，ICQ太小，因而A0太小，以至不滿足

。

這種振蕩器電路一般不能自行起振，而必須給以一個較大幅度的初始激勵，使動態(tài)點越過不穩(wěn)定平衡點B才能起振，這叫硬激勵起振，設(shè)計電路要力加避免。硬激勵起振特性5.2.2振蕩器的平衡條件

所謂平衡條件是指振蕩已經(jīng)建立，為了維持自激振蕩必須滿足的幅度與相位關(guān)系。振蕩器的平衡條件為=1

在平衡條件下，反饋到放大管的輸入信號正好等于放大管維持及所需要的輸入電壓，從而保持反饋環(huán)路各點電壓的平衡，使振蕩器得以維持。5.2.3振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件

形成穩(wěn)定平衡點的關(guān)鍵在于在平衡點附近，放大倍數(shù)隨振幅的變化特性具有負的斜率，即<02)相位平衡的穩(wěn)定條件1)振幅平衡的穩(wěn)定條件

相位穩(wěn)定條件指相位平衡條件遭到破壞時，線路本身能重新建立起相位平衡點的條件；若能建立則仍能保持其穩(wěn)定的振蕩。相位穩(wěn)定條件應(yīng)為<0<0或

LC振蕩器按其反饋網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為互感耦合振蕩器、電感反饋式振蕩器和電容反饋式振蕩器三種類型。一、互感耦合振蕩器

互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實現(xiàn)正反饋的，耦合線圈同名端的正確位置的放置，選擇合適的耦合量M，使之滿足振幅起振條件很重要。

互感耦合振蕩器有三種形式：調(diào)基電路、調(diào)集電路和調(diào)發(fā)電路，這是根據(jù)振蕩回路是在集電極電路、基極電路和發(fā)射極電路來區(qū)分的。

本部分內(nèi)容重點介紹不同型式的反饋型LC振蕩器，以三點式振蕩器作為重點?！?.3

反饋型LC振蕩器線路

由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回路的Q值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合。

調(diào)基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時，振幅比較平衡。(a)

調(diào)基電路調(diào)基電路調(diào)集電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，而且幅度較大，諧波成分較小。（b）調(diào)集電路

由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回路的Q值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合。（c）調(diào)發(fā)電路

互感耦合振蕩器在調(diào)整反饋(改變M)時，基本上不影響振蕩頻率。但由于分布電容的存在，在頻率較高時，難于做出穩(wěn)定性高的變壓器。因此，它們的工作頻率不宜過高，一般應(yīng)用于中、短波波段。

互感耦合振蕩器可以通過耦合線圈同名端的正確位置實現(xiàn)正反饋；通過選擇線圈之間合適的互感耦合量M，使之滿足振幅起振條件。振蕩頻率為：二、三端式LC振蕩器

三端式LC振蕩電路是經(jīng)常被采用的，其工作頻率約在幾MHz到幾百MHz的范圍，頻率穩(wěn)定度也比變壓器耦合振蕩電路高一些，約為10–3~10–4量級，采取一些穩(wěn)頻措施后，還可以再提高一點。三端式LC振蕩器有多種形式，主要有：1)電感三端式，又稱哈特萊振蕩器(Hartley)；2)電容三端式，又稱考畢茲振蕩器(Coplitts)；3)串聯(lián)型改進電容三端式，又稱克拉潑振蕩器(Clapp)；4)并聯(lián)型改進電容三端式，又稱西勒振蕩器(Selier)。LC三端式振蕩器組成法則(相位平衡條件的判斷準則)

1.振蕩器的組成原則（相位判?。?/p>

由LC回路引出三個端點分別與晶體管的三個電極相連構(gòu)成,稱為三端式(又稱三點式)振蕩器．圖中由電抗元件Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３構(gòu)成了決定振蕩頻率的并聯(lián)諧振回路，同時也充當了正反饋網(wǎng)絡(luò)．首先，回路要諧振，即在諧振頻率處回路應(yīng)呈純電阻性,因而有：其次，要構(gòu)成正反饋，則

其中放大器已倒相，所以要求反饋網(wǎng)絡(luò)也倒相，由圖有

因此Ｘ1、Ｘ2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件，且Ｘ３要與Ｘ1、Ｘ2

電抗性質(zhì)相反?；蚍Q為“射同余異”

注意：１）在上面分析時認為

回路Q值很高,因此回路電流遠大于晶體管的電流?b

、?c以及?e．２）不計晶體管的電抗效應(yīng)

按照三端式振蕩器的組成原則，三端式振蕩器有兩種基本電路,如圖所示。圖

(a)稱為電容反饋（電容三端式）振蕩器,也稱為考必茲(Colpitts)振蕩器．(a)電容反饋振蕩器;

(b)電感反饋振蕩器圖

(b)稱為電感反饋（電感三端式）振蕩器，又稱為哈特萊(Hartley)振蕩器．下圖是一些常見振蕩器的高頻電路,請自行判斷它們是由哪種基本線路演變而來的。幾種常見振蕩器的高頻電路2．電容反饋振蕩器

圖(a)為電容反饋振蕩器的實際電路;圖(b)為交流等效電路;(1)電路的振蕩頻率為:電容反饋三端電路的優(yōu)點：1）振蕩波形好2）工作頻率可以做得較高可直接利用振蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容;

它的工作頻率可做到幾十MHz到幾百MHz的甚高頻波段.電路的缺點：頻率可調(diào)范圍有限.

因為調(diào)C1或C2來改變振蕩頻率時，反饋系數(shù)也將改變，影響起振條件。

反饋系數(shù)F(jω)的大小為:

3．電感反饋振蕩器下圖是一電感反饋振蕩器的實際電路，交流等效電路(1)

振蕩器的振蕩頻率式中的L為回路的總電感：哈特萊電路的優(yōu)點：

1、容易起振；電路的缺點：1、振蕩波形不好;2、振蕩頻率不能過高.2、振蕩頻率調(diào)節(jié)方便.

只要調(diào)整電容C的大小即可,而且C的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。

反饋系數(shù)為：1）串聯(lián)型改進電容三端式振蕩器(克拉潑電路)（a）克拉潑電路的實用用電路（b）高頻等效電路因為C3遠遠小于C1或C2，所以三電容串聯(lián)后的等效電容振蕩角頻率故克拉潑電路的振蕩頻率幾乎與C1、C2無關(guān)。4．兩種改進型電容反饋振蕩器

(1)由于Cce、Cbe的接入系數(shù)減小，晶體管與諧振回路是松耦合。(2)調(diào)整C1C2的值可以改變反饋系數(shù),但對諧振頻率的影響很小。(3)調(diào)整值可以改變系統(tǒng)的諧振頻率,對反饋系數(shù)無影響。(1)克拉潑電路的波段覆蓋的范圍窄。(2)工作波段內(nèi)輸出波形隨著頻率的變化大?？死瓭婋娐返奶攸c:頻率穩(wěn)定度高．克拉潑電路的缺點:可調(diào)頻率范圍低（頻率覆蓋系數(shù)1.1－1.2）2）并聯(lián)型改進電容三端式振蕩器(西勒(Seiler)電路)(a)實際電路(b)高頻等效電路(1)線路特點：增加可變電容C4，增加頻率調(diào)整范圍。

其特點：波段振蕩器(1)波段覆蓋率寬。(2)工作波段內(nèi),輸出波形隨頻率變化。頻率穩(wěn)定度高，且頻率覆蓋率寬(1.6-1.8)。因為調(diào)整Ｃ4不會影響起振條件．(3)優(yōu)點:5.4振蕩器的頻率穩(wěn)定問題2.穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指在一定時間間隔內(nèi)，由于各種因素變化，引起的振蕩頻率相對于標稱頻率變化的程度。絕對準確度相對準確度

短期頻率穩(wěn)定度：主要與溫度變化、電源電壓變化和電路參數(shù)不穩(wěn)定性等因素有關(guān)。

長期頻率穩(wěn)定度：主要取決于有源器件和電路元件及石英晶體和老