正弦波振蕩器

關(guān)于正弦波振蕩器24.1反饋振蕩器的原理4.2LC振蕩器4.3振蕩器的頻率穩(wěn)定度4.4LC振蕩器的設(shè)計(jì)方法4.5石英晶體振蕩器4.6負(fù)阻振蕩器4.7壓控振蕩器4.8振蕩器中的幾種現(xiàn)象第2頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天3引言振蕩器是一種不需外加信號(hào)激勵(lì)而能自動(dòng)將直流能量變換為周期性交變能量的裝置從能量的觀點(diǎn)看，放大器是一種在輸入信號(hào)控制下，將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榘摧斎胄盘?hào)規(guī)律變化的交變能量的電路。而振蕩器是不需要輸入信號(hào)控制，就能自動(dòng)地將直流電源的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟l率和幅度的交變能量的電路。第3頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天4（１）振蕩器分類按振蕩波形分類正弦波振蕩器、非正弦波振蕩器按工作機(jī)理分類反饋振蕩器、負(fù)阻振蕩器按選頻網(wǎng)絡(luò)分類LC振蕩器、RC振蕩器、晶體振蕩器壓控振蕩器、壓控晶體振蕩器集成振蕩器、開(kāi)關(guān)電容振蕩器第4頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天5（２）振蕩器構(gòu)成振蕩器正常工作，必須有以下四個(gè)部分放大器或有源器件：至少有一個(gè)起能量變換作用的換能機(jī)構(gòu)。正反饋通路或負(fù)阻：必須有一個(gè)能夠補(bǔ)充元器件能量損耗的正反饋通路或負(fù)阻器件，以保證有穩(wěn)定的振蕩選頻網(wǎng)絡(luò)：振蕩器具有單一頻率穩(wěn)幅：一個(gè)對(duì)振蕩強(qiáng)度具有自動(dòng)調(diào)整作用的非線性元件。

實(shí)際的放大器都有非線性限幅作用，使得振蕩幅度不會(huì)無(wú)限大。也可外加具有自動(dòng)調(diào)節(jié)振蕩強(qiáng)度的非線性元件，以保證獲得需要的輸出波形。第5頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天6（３）振蕩器應(yīng)用通信系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用混頻器的本振信號(hào)調(diào)制的載波信號(hào)，解調(diào)的本地載波信號(hào)時(shí)鐘、定時(shí)電路，電子測(cè)量設(shè)備的基準(zhǔn)信號(hào)工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)廣泛應(yīng)用的高頻電加熱設(shè)備微波爐，電療設(shè)備第6頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天7（４）對(duì)正弦波振蕩器的分析正弦波振蕩器是一個(gè)含有非線性元件和儲(chǔ)能元件的閉環(huán)系統(tǒng)，它是一個(gè)非線性動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，可采用求解非線性微分方程或計(jì)算機(jī)輔助分析法。本章定性分析闡明振蕩器的振蕩特性，在進(jìn)行電路分析時(shí)，仍采用電路參數(shù)的準(zhǔn)線性分析法和零極點(diǎn)分析法。在振蕩的初始階段，系統(tǒng)內(nèi)流通的信號(hào)比較微弱，因此，可以引用線性系統(tǒng)的分析方法，來(lái)確定這一時(shí)期振蕩器的工作狀態(tài)。振蕩建立后，用準(zhǔn)線性方法（如用平均跨導(dǎo)代替跨導(dǎo)，采用線性方法）分析，獲得重要的具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。第7頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天84.1反饋振蕩器的原理

LC諧振回路是LC振蕩器的重要組成部分，正弦波振蕩器則是基于二階RLC回路的自由振蕩現(xiàn)象。

考慮了回路損耗后，回路將產(chǎn)生振幅衰減的阻尼振蕩4.1.1反饋振蕩器的原理與分析第8頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天9維持等幅振蕩措施：適時(shí)地補(bǔ)充必要的交變能量，以維持回路內(nèi)部的能量平衡。

——反饋振蕩器采用負(fù)阻器件，抵消回路存在損耗，如隧道二極管

。

——負(fù)阻振蕩器

從能量角度：振幅衰減由于回路存在損耗。維持等幅振蕩第9頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天10起振條件：首先，要讓振蕩器自己振起來(lái)（自激振蕩）。平衡條件：其次，保證振蕩器環(huán)路中的能量補(bǔ)充恰好抵消能量消耗，達(dá)到環(huán)路平衡。穩(wěn)定條件：最后，還要保證振蕩器是穩(wěn)定的，如果外加干擾使得振蕩器偏離了環(huán)路平衡狀態(tài)，振蕩器系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。反饋型正弦波振蕩器達(dá)到穩(wěn)定振蕩的三個(gè)基本條件：第10頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天11反饋振蕩器的工作原理放大網(wǎng)絡(luò)＋反饋網(wǎng)絡(luò)滿足A(j)F(j)=1,無(wú)需加輸入信號(hào)。第11頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天12正弦波振蕩器需要選頻網(wǎng)絡(luò)反饋振蕩器中，放大器單元的輸入就是反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓（反饋電壓）。正弦波振蕩器要求輸出角頻率為

osc的正弦波，即只能在頻率osc上滿足A(j

osc)F(j

osc)=1。

為此，在振蕩回路中，必須有選頻網(wǎng)絡(luò)給予保證。這個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性越好，振蕩器頻譜就越純。第12頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天13（開(kāi)環(huán)）環(huán)路增益平衡條件振幅平衡條件：開(kāi)環(huán)增益的模為1相位平衡條件：VF與Vi同相，滿足正反饋4.1.2平衡條件第13頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天14形成增幅振蕩形成減幅振蕩第14頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天15舉例第15頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天16

當(dāng)工作頻率較高時(shí)，引起環(huán)路傳輸系數(shù)和相移的因素是很多的：

晶體管正向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納

諧振回路阻抗

反饋參數(shù)振蕩平衡條件表示為：第16頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天17相位平衡條件的分析如令：則相位平衡條件變?yōu)椋浩渲校荷鲜街校S頻率的變化十分明顯，而其余相角隨頻率變化較緩慢。第17頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天18相位平衡條件決定振蕩頻率相位平衡條件

并聯(lián)諧振回路的相頻特性第18頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天19

w

1Q

2p

2p-

1OSCw

0w

圖解法第19頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天20討論：反饋振蕩器的相位平衡條件，決定了它的振蕩頻率。反饋振蕩器的相頻特性主要由環(huán)路中的選頻回路決定。選頻回路的Q值越大，相頻特性的斜率越陡，選頻回路的選頻功能就越好，反饋振蕩器的振蕩頻率

OSC就越接近于選頻回路的中心頻率

0振蕩器的振蕩頻率近似等于選頻回路的中心頻率在平衡狀態(tài)中，電源供給的能量正好抵消整個(gè)環(huán)路損耗的能量，平衡時(shí)輸出幅度將不再變化，因此振幅平衡條件決定了振蕩器輸出振幅的大小。第20頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天21起始信號(hào)：振蕩器接通電源瞬間產(chǎn)生電流突變；電路內(nèi)存在各種微弱噪聲。

特點(diǎn)：很微弱，占據(jù)頻帶很寬。電擾動(dòng)通過(guò)振蕩環(huán)路選頻、放大、反饋而形成振蕩。

為了保證輸出信號(hào)從無(wú)到有，幅度不斷增長(zhǎng)，在振蕩建立過(guò)程中，反饋電壓VF和原輸入電壓Vi(電擾動(dòng))必須同頻同相，并且|VF|>|Vi|。4.1.3振蕩器的起振條件第21頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天22反饋振蕩器的起振條件

振幅條件

相位條件以互感耦合LC振蕩器為例，系統(tǒng)傳輸函數(shù)的極點(diǎn)位于S平面的右半部，系統(tǒng)不穩(wěn)定。?==+=L2,1,02)(0nnFApjjwj>1)()(00FAww第22頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天23起振過(guò)程中的信號(hào)分析起振初始，放大器工作于小信號(hào)狀態(tài)線性工作狀態(tài)，可用晶體管小信號(hào)等效電路計(jì)算其增益A。為了獲得較高的增益A，要適當(dāng)設(shè)置晶體管工作點(diǎn)。振蕩建立過(guò)程中，環(huán)路增益T恒大于1，放大器的輸入Vi不斷增大，放大器從小信號(hào)工作狀態(tài)進(jìn)入大信號(hào)工作狀態(tài)。非線性工作狀態(tài)（出現(xiàn)飽和/截止），此時(shí)放大器增益A的估算一般采用大信號(hào)平均參數(shù)（如平均跨導(dǎo)）。第23頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天24

大信號(hào)非線性工作：晶體管集電極有豐富的諧波分量，輸出信號(hào)通過(guò)選頻增益下降。平均跨導(dǎo)小于靜態(tài)跨導(dǎo)斜率g第24頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天25穩(wěn)幅措施起振條件為T(mén)=AF>1，輸出信號(hào)幅度的不斷增長(zhǎng)，而后必須限制其增長(zhǎng)，使其達(dá)到平衡，滿足平衡條件T=AF=1。環(huán)路中必須有一個(gè)非線性器件，其參數(shù)隨信號(hào)的增大而變化，達(dá)到限幅的目的。

特別是不要讓晶體管工作于飽和區(qū)，因?yàn)轱柡蛥^(qū)的晶體管輸出阻抗很低，并聯(lián)在選頻環(huán)路上，將使回路的Q值降低，影響頻率的穩(wěn)定度。

晶體管本身的非線性，使得放大器的放大倍數(shù)A隨輸入信號(hào)的增大而減小。第25頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天26振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)后，假設(shè)受到外界的擾動(dòng)，將會(huì)破壞其原來(lái)的平衡狀態(tài)。干擾消失后，振蕩器若能自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)，則稱之為是穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。否則，稱之為是不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。自然界中處于平衡狀態(tài)的物體都有穩(wěn)定平衡和不穩(wěn)定平衡之分。4.1.4穩(wěn)定條件第26頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天27振幅穩(wěn)定條件某個(gè)平衡點(diǎn)上，若外界擾動(dòng)使得振蕩器的輸入幅度增大，環(huán)路增益減小，反饋電壓減?。蝗敉饨鐢_動(dòng)使得振蕩器的輸入幅度減小，環(huán)路增益增大，反饋電壓增大，為穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，反之為不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。振蕩器平衡時(shí)，環(huán)路增益為1，反饋電壓VF等于放大器輸入電壓Vi。平衡點(diǎn)增益具有負(fù)斜率

有自偏置效應(yīng)的振蕩器，振幅穩(wěn)定性更好。

自給偏置第27頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天28振幅穩(wěn)定條件的討論隨著振蕩幅度加大，放大器增益（以及環(huán)路增益）將自動(dòng)降低；反之，振蕩幅度減小放大器增益增大，以保證T=AF=1。

如果反饋F不隨輸入變化而變化，

則：

并非所有的平衡點(diǎn)都是穩(wěn)定的。第28頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天29當(dāng)晶體管起始偏置電壓取得比較低，使靜態(tài)工作點(diǎn)接近于截止，則跨導(dǎo)小，增益小。當(dāng)輸入增大后，平均跨導(dǎo)變大，增益增加。輸入進(jìn)一步增大，進(jìn)入飽和區(qū)，平均跨導(dǎo)變小，增益隨之減小。無(wú)法起振，需要硬沖擊。第29頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天30相位穩(wěn)定條件正弦振蕩的角頻率是相位隨時(shí)間的變化率，相位的瞬時(shí)變化必然引起頻率的變化。相位超前（周期縮短），意味頻率上升；相位滯后，意味頻率下降，相位穩(wěn)定條件即是頻率穩(wěn)定條件。在頻率

OSC處(平衡點(diǎn))，經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)，反饋電壓與輸入電壓相位差2（2n

）。假設(shè)外界擾動(dòng)，使得振蕩器的頻率上升了，經(jīng)過(guò)環(huán)路后，反饋電壓的相位應(yīng)該滯后，才能使外界干擾消除；同理，若振蕩器的頻率下降了，經(jīng)過(guò)環(huán)路后，反饋電壓的相位應(yīng)該超前，達(dá)到相位穩(wěn)定。第30頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天31相位穩(wěn)定條件的討論

LC并聯(lián)諧振環(huán)路恰好具有負(fù)斜率相頻特性，因而以LC并聯(lián)諧振回路作為振蕩器的選頻回路，一定是相位穩(wěn)定的（頻率穩(wěn)定的）。

振蕩器相位穩(wěn)定（即頻率穩(wěn)定），環(huán)路中應(yīng)含有一負(fù)斜率變化的相頻特性，即：第31頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天32

w

oZj

1Q

2Q

2p

2p-

0w

假設(shè)外界擾動(dòng)，使得振蕩器的頻率上升了，經(jīng)過(guò)環(huán)路后，反饋電壓的相位會(huì)滯后；若振蕩器的頻率下降了，經(jīng)過(guò)環(huán)路后，反饋電壓的相位會(huì)超前，達(dá)到相位穩(wěn)定。第32頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天33自給偏置

（加固定偏置）起振時(shí)，晶體管處于A類放大，增益高

起振后，隨著Vi的不斷增高，晶體管進(jìn)入非線性區(qū)，從A類到B類、C類，電流的正負(fù)半周不對(duì)稱，于是平均電流IB0、IC0增大，Re上的壓降將增大。第33頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天34自給偏置加速了振蕩進(jìn)入平衡狀態(tài)的過(guò)程。合理設(shè)置Q點(diǎn)，避免管子進(jìn)入飽和狀態(tài)。

工作點(diǎn)向負(fù)偏壓方向移動(dòng)，集電極電流由余弦形變?yōu)橛嘞颐}沖形。導(dǎo)通角減小，平均跨導(dǎo)減小，增益減小，達(dá)到AF=1。第34頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天35小結(jié)：反饋振蕩器振蕩的三大條件分析的角度從：正反饋（或負(fù)阻）適時(shí)補(bǔ)充能量；選頻回路（移相網(wǎng)絡(luò)）使得特定頻率才能得以放大和正反饋；非線性器件使得幅度受限，最終到達(dá)平衡；負(fù)斜率環(huán)路增益（對(duì)輸入幅度）和負(fù)斜率相頻特性保證幅度和頻率的穩(wěn)定性回答的問(wèn)題是：振蕩是如何產(chǎn)生的？又是如何平衡的？平衡是否是穩(wěn)定的？起振條件平衡條件穩(wěn)定條件第35頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天36（1）互感耦合LC振蕩器為了保證正反饋(輸入與反饋同相)，互感耦合線圈的同名端必須正確共基同極性共發(fā)反極性

共發(fā)電路輸出電壓與輸入電壓反相，而共基同相。共基電路，從集電極引回到發(fā)射極的反饋本身就是正反饋；而共發(fā)電路，直接從集電極引回到基極的反饋是負(fù)反饋，為了滿足正反饋，反饋電壓的極性要改變。4.1.5振蕩電路舉例——互感耦合振蕩器第36頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天37畫(huà)交流通路：

例1、旁路電容、耦合電容、電源濾波電容短路第37頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天38例2、旁路電容、耦合電容、電源濾波電容短路第38頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天39例3、大電阻開(kāi)路第39頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天40（2）晶體管輸入電阻對(duì)回路Q值的影響LC諧振回路兩端一般接在集電極輸出端，晶體管的輸入阻抗很低（共基、共發(fā)放大器），如果直接從集電極輸出端（LC回路兩端）取電壓反饋回輸入端，小的晶體管輸入電阻并聯(lián)在LC諧振回路兩端，會(huì)大大降低回路的諧振電阻和Q值。第40頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天41

為此，必須提高放大器輸入端對(duì)LC并聯(lián)諧振回路的接入阻抗，在反饋支路上進(jìn)行阻抗變換。阻抗變換的方法：一是采用變壓器、互感耦合，二是采用部分接入。對(duì)應(yīng)的LC反饋放大器分為互感耦合振蕩器和三點(diǎn)式振蕩器兩種。降低Q值的直接后果：降低了放大器的增益（諧振電阻減?。赡苁沟铆h(huán)路增益小于1而無(wú)法起振；降低了振蕩器的頻率穩(wěn)定度第41頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天42三點(diǎn)式振蕩器采用LC回路部分接入的形式，降低晶體管的輸入阻抗對(duì)回路的影響。4.2LC振蕩器4.2.1LC振蕩器（三點(diǎn)式振蕩器）的組成原則第42頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天43

與發(fā)射極相聯(lián)的兩個(gè)電抗元件必須是同性質(zhì)的，另一個(gè)是異性（滿足相位平衡條件）電容三點(diǎn)式：考畢茲振蕩器（a）電感三點(diǎn)式：哈特萊振蕩器（b）（a）（b）

三點(diǎn)式振蕩器：LC回路的三個(gè)電抗元件分別接于三極管的三個(gè)電極之間。三點(diǎn)式振蕩器的組成法則第43頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天44()113322

6CLCLCL<<()332211

5CLCLCL=<()332211

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X

例4-1：第44頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天45即考畢茨（Colpitts）振蕩器4.2.2電容反饋振蕩器（電容三點(diǎn)式振蕩器）第45頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天46交流通路第46頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天47(1)忽略晶體管內(nèi)部反饋的影響(Yre=0);(2)晶體管的輸入電容、輸出電容很小，可以忽略它們的影響，也可以將它們包含在回路電容C1、C2中，所以不單獨(dú)考慮;(3)忽略晶體管集電極電流ic對(duì)輸入信號(hào)ub的相移，將Yfe用跨導(dǎo)gm表示。g’L表示除晶體管以外的電路中所有電導(dǎo)折算到CE兩端后的總電導(dǎo)。將gie折算到放大器輸出端，有a.電路的起振分析第47頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天48

因此，放大器總的負(fù)載電導(dǎo)gL為則由振蕩器的振幅起振條件，可以得到第48頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天49

只要在設(shè)計(jì)電路時(shí)使晶體管的跨導(dǎo)滿足上式，振蕩器就可以振蕩。上式右邊第一項(xiàng)表示輸出電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)對(duì)振蕩的影響，F(xiàn)越大，越容易振蕩；第二項(xiàng)表示輸入電阻對(duì)振蕩的影響，gie、F越大，越不容易振蕩。因此，考慮晶體管輸入電阻對(duì)回路的加載作用，反饋系數(shù)F并非越大越好。在gm、gie、goe一定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整F、來(lái)保證起振。反饋系數(shù)F的大小一般取0.1~0.5。為了保證振蕩器有一定的穩(wěn)定振幅，起振時(shí)環(huán)路增益一般取3~5。討論：第49頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天50b.電路的振蕩頻率即考畢茨（Colpitts）振蕩器的振蕩頻率稍高于回路的振蕩頻率?？紤]晶體管輸入、輸出電阻時(shí)，回路有載Q會(huì)下降，振蕩頻率會(huì)升高。第50頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天51即哈特萊（Hartley）振蕩器（2）電路的振蕩頻率：（1）分析電路的相位條件：即組成法則4.2.3電感反饋振蕩器（電感三點(diǎn)式振蕩器）L=L1+L2+2M第51頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天524.兩種振蕩器電路比較：（1）電容三點(diǎn)式電路：

優(yōu)點(diǎn)：由于輸出端和反饋電路是電容，對(duì)高次諧波電抗小，反饋電壓中高次諧波電壓小，振蕩波形更接近正弦波。振蕩頻率可較高。

缺點(diǎn)：用兩個(gè)電容調(diào)節(jié)頻率不方便。（又要不變）振蕩器的振幅不穩(wěn)定（某種比例可導(dǎo)致停振）。（2）電感三點(diǎn)式電路：

優(yōu)點(diǎn)：用一個(gè)電容可方便調(diào)節(jié)頻率。

缺點(diǎn)：由于反饋電路是電感，振蕩波形含有高次諧波多。振蕩頻率不高。第52頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天53器件參數(shù)對(duì)振蕩頻率的影響器件參數(shù)對(duì)振蕩頻率的影響有兩個(gè)途徑：一是通過(guò)等效電抗的影響，一是通過(guò)等效電阻的影響。等效電抗的影響，主要反映在輸出輸入電容方面：等效電阻、的影響：更精確的頻率表達(dá)式第53頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天54LC振蕩器小結(jié)LC振蕩器是以LC并聯(lián)諧振回路作為選頻回路的振蕩器。即要保證從輸出端引入到輸入端的是正反饋，又要求輸入端電路對(duì)輸出端LC回路的影響盡量地小，于是采用了不同的接入方式，從而LC振蕩器可以分為互感耦合、三點(diǎn)式幾種類型。三點(diǎn)式振蕩器是將LC選頻回路的三個(gè)電抗元件分別接在晶體管的e,b,c三個(gè)極之間。與發(fā)射極e相聯(lián)的兩個(gè)電抗元件必須是同性質(zhì)的，而另一個(gè)必須是反性質(zhì)的。LC振蕩器起振分析和小信號(hào)放大器分析完全相同。LC振蕩器的振蕩頻率近似為L(zhǎng)C回路的諧振頻率。4.2.4兩種改進(jìn)型電容反饋振蕩器（見(jiàn)下節(jié)內(nèi)容）第54頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天554.3振蕩器的頻率穩(wěn)定度通常用頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度來(lái)衡量振蕩器的頻率性能。頻率穩(wěn)定性是振蕩器保持頻率不變的能力，這在通信系統(tǒng)中是很重要的。（本地振蕩器被稱為是通信系統(tǒng)的‘心臟’，廣播電臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器等）。這種振蕩頻率的變化是由于振蕩器的電源電壓不恒定、環(huán)境條件（溫度，濕度…）變化、器件內(nèi)部噪聲、機(jī)械振動(dòng)、電磁干擾和器件老化等因素。LC振蕩器，其頻率穩(wěn)定性是不夠的，主要原因在于品質(zhì)因數(shù)Q值相對(duì)較低。4.3.1頻率穩(wěn)定度的意義和表征第55頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天56頻率準(zhǔn)確度頻率準(zhǔn)確度又稱頻率精度，它表示實(shí)際振蕩頻率f偏離標(biāo)稱頻率f0的程度絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度

相對(duì)頻率準(zhǔn)確度第56頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天57頻率穩(wěn)定度在一定觀測(cè)時(shí)間內(nèi)（），由于各種因素變化，所引起的振蕩頻率對(duì)于標(biāo)稱頻率變化的程度。

頻率的變化是隨機(jī)的，是和環(huán)境相關(guān)的。用均方誤差來(lái)表示為n次相對(duì)頻偏的平均值。第57頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天58根據(jù)觀測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短，頻穩(wěn)度分為：(1)長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度觀察時(shí)間為一天以上高精度的頻率基準(zhǔn)、時(shí)間基準(zhǔn)（天文觀測(cè)臺(tái)、國(guó)家計(jì)時(shí)臺(tái)等）均采用長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度來(lái)計(jì)量頻率源的頻率穩(wěn)定性(2)短期頻率穩(wěn)定度觀察時(shí)間為一天以內(nèi)，以小時(shí)計(jì)量大多數(shù)電子設(shè)備和儀器均采用短期頻率穩(wěn)定度來(lái)衡量頻率源的頻率穩(wěn)定性第58頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天59(3)瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度衡量秒或毫秒時(shí)間內(nèi)頻率的隨機(jī)變化主要由設(shè)備內(nèi)部噪聲或各種突發(fā)性干擾引起。高速通信設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備以及以相位信息為傳輸對(duì)象的電子設(shè)備的重要指標(biāo)。通信系統(tǒng)中主要考慮振蕩器的瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度如果在頻域內(nèi)研究，這就是所謂的相位噪聲第59頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天60頻率穩(wěn)定度的例子LC振蕩器10-3–10-4普通信號(hào)發(fā)生器10-3–10-4中波廣播臺(tái)210-5短波通信機(jī)10-4–10-5電視發(fā)射臺(tái)510-7標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器10-7–10-9原子鐘（頻率標(biāo)準(zhǔn)）10-11–10-13第60頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天614.3.2

振蕩器的穩(wěn)頻原理以互感耦合LC振蕩器為例分析第61頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天62導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定的因素：Q值越大，相同的相位差引起的頻率偏移越小，頻率穩(wěn)定度越高。應(yīng)減小以上三個(gè)物理量的變化，且增大Q減小。

w

oZj

1Q

1OSCwD

0w

2Q

2OSCwD第62頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天634.3.3提高頻率穩(wěn)定度的措施事實(shí)上，有許多其它原因，通過(guò)上述三途徑對(duì)振蕩頻率的穩(wěn)定性起著不良影響。對(duì)于某一振蕩器，可從上述三個(gè)途經(jīng)分析引起該振蕩器頻率不穩(wěn)定的主要因素是什么，針對(duì)性地對(duì)其中的主要因素采取防范和改善，以有效地提高頻率穩(wěn)定性。第63頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天64諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性回路的標(biāo)準(zhǔn)性是指在外界因素如溫度、濕度、大氣壓力等變化時(shí)，諧振回路保持其諧振頻率固定不變的能力。1.提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性第64頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天65標(biāo)準(zhǔn)性越高，回路自然諧振頻率隨環(huán)境條件變化的可能性就越小提高回路標(biāo)準(zhǔn)性的主要措施是選用高穩(wěn)定性和低溫度系數(shù)、低吸水性的電容器與電感器溫度的補(bǔ)償和隔離溫度補(bǔ)償法：用具有負(fù)溫度系數(shù)的瓷介電容器，接入由普通的具有正溫度系數(shù)的電感和電容組成的諧振回路，抵消溫度變化的影響。溫度隔離法：將電抗元件置于特制的恒溫槽內(nèi)，使槽內(nèi)的溫度基本上不隨外界環(huán)境溫度的變化。第65頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天662.減少晶體管的影響

在分析反饋型振蕩器原理時(shí)已提到，極間電容將影響頻率穩(wěn)定度，在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)盡可能減少晶體管和回路之間的耦合。另外，應(yīng)選擇fT較高的晶體管，fT越高，高頻性能越好，可以保證在工作頻率范圍內(nèi)均有較高的跨導(dǎo)，電路易于起振；而且fT越高，晶體管內(nèi)部相移越小。一般可選擇fT>(3～10)f1max，f1max為振蕩器最高工作頻率。第66頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天67

3.提高回路的品質(zhì)因數(shù)我們先回顧一下相位穩(wěn)定條件，要使相位穩(wěn)定，回路的相頻特性應(yīng)具有負(fù)的斜率，斜率越大，相位越穩(wěn)定。根據(jù)LC回路的特性，回路的Q值越大，回路的相頻特性斜率就越大，即回路的Q值越大，相位越穩(wěn)定。從相位與頻率的關(guān)系可得，此時(shí)的頻率也越穩(wěn)定。前面介紹的電容、電感反饋的振蕩器，其頻率穩(wěn)定度一般為10－3量級(jí)，兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器克拉潑振蕩器和西勒振蕩器，由于降低了晶體管和回路之間的耦合，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10－4量級(jí)。對(duì)于LC振蕩器，即使采用一定的穩(wěn)頻措施，其頻率穩(wěn)定度也不會(huì)太高，這是由于受到回路標(biāo)準(zhǔn)性的限制。要進(jìn)一步提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度就要采用其它的電路和方法。第67頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天684.減少電源、負(fù)載等的影響電源電壓的波動(dòng)，會(huì)使晶體管的工作點(diǎn)、電流發(fā)生變化，從而改變晶體管的參數(shù)，降低頻率穩(wěn)定度。為了減小其影響，振蕩器電源應(yīng)采取必要的穩(wěn)壓措施。負(fù)載電阻并聯(lián)在回路的兩端，這會(huì)降低回路的品質(zhì)因數(shù)，從而使振蕩器的頻率穩(wěn)定度下降。為了減小其影響，應(yīng)減小負(fù)載對(duì)回路的耦合，可以在負(fù)載與回路之間加射極跟隨器等措施。另外，為提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，在制作電路時(shí)應(yīng)將振蕩電路安置在遠(yuǎn)離熱源的位置，以減小溫度對(duì)振蕩器的影響；為防止回路參數(shù)受寄生電容及周?chē)姶艌?chǎng)的影響，可以將振蕩器屏蔽起來(lái)，以提高穩(wěn)定度。第68頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天69兩種改進(jìn)型電容反饋振蕩器（4.2.4）減小振蕩管的輸入、輸出阻抗對(duì)回路性能（諧振頻率）的影響，提高振蕩器頻率穩(wěn)定性。特別是在三點(diǎn)式振蕩電路中，器件三個(gè)端口的等效阻抗直接與回路三個(gè)電抗元件相連接，由于器件端口等效阻抗的穩(wěn)定性很差，且隨工作狀態(tài)改變而改變，振蕩器的頻率穩(wěn)定度很難提高。

為了改善普通三點(diǎn)振蕩電路的頻率穩(wěn)定性而提出的兩種改進(jìn)型的電路：克拉潑電路和西勒電路。也可用晶體特有的諧振特性，消除振蕩管的影響。第69頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天70復(fù)習(xí)：電容反饋型三點(diǎn)式振蕩器

晶體管的輸出輸入電容影響振蕩頻率和反饋系數(shù)。反饋系數(shù)會(huì)影響振蕩波形的幅度和起振。不易調(diào)節(jié)頻率。改進(jìn)的思考：

把決定振蕩頻率的主要元件與決定反饋系數(shù)F的主要元件分開(kāi)。

振蕩頻率不受晶體管的輸出輸入電容影響。第70頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天71（1）串聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器（克拉潑clapp電路）第71頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天72當(dāng)滿足：減小，增大，減小，回路的標(biāo)準(zhǔn)性提高反饋系數(shù)F與振蕩頻率的調(diào)節(jié)互不影響。優(yōu)點(diǎn)：極間電容均直接并聯(lián)在和上，不影響的值和增加，可減小極間電容對(duì)諧振回路的影響克拉潑(clapp)電路振蕩頻率近似為：第72頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天73并聯(lián)諧振回路的諧振電阻RP

等效到晶體管的C-E兩端為：（C2上電壓忽略）克拉潑電路的振蕩頻率與晶體管的輸出輸入電容無(wú)關(guān)，頻穩(wěn)度比一般三點(diǎn)式電路高。缺點(diǎn)：減小，提高頻穩(wěn)度，是以犧牲環(huán)路增益為代價(jià)（太小會(huì)停振）。

調(diào)節(jié)頻率，振蕩器的振幅不穩(wěn)定(不適合作波段振蕩器)。第73頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天74顯然:（2）并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器（西勒shelle電路）第74頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天75

晶體管的輸出輸入電容影響較小。C4是與L并聯(lián)的，調(diào)節(jié)C4可調(diào)節(jié)振蕩頻率，對(duì)振蕩幅度影響較小。西勒電路的特點(diǎn)：

對(duì)C3

的選擇：不能太大（振蕩頻率由C4

調(diào)節(jié))也不能太小，太小了，接入系數(shù)小了，振蕩幅度就小了。一般?。?0PF至200PF。第75頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天76新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著CMOS工藝水平的發(fā)展，深亞微米技術(shù)允許CMOS電路的工作頻率超過(guò)1GHz，推動(dòng)了CMOS射頻集成電路的發(fā)展。

在鎖相環(huán)的CMOS實(shí)現(xiàn)中，壓控振蕩器的性能在很大程度上決定了所設(shè)計(jì)鎖相環(huán)的性能，CMOS壓控振蕩器采用LC振蕩器具有較低的相位噪聲和工藝上易于實(shí)現(xiàn)在近年得到了較好的發(fā)展。

傳統(tǒng)的電感，損耗大，制造工藝比較復(fù)雜，不易集成并且容易受到外界電磁場(chǎng)的干擾；目前片上電感（硅基片上螺旋電感）和可變電容得以實(shí)現(xiàn)，使得模擬前端電路的振蕩器單片集成成為可能。第76頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天774.5晶體振蕩器利用石英晶體的壓電效應(yīng)和反壓電效應(yīng)對(duì)正弦波振蕩器進(jìn)行控制的振蕩器稱為晶體振蕩器晶體振蕩器也是反饋振蕩器，決定頻率的元件是晶體而不是LC諧振回路

晶體振蕩器突出的優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度很高的正弦波。晶體振蕩器可以比較容易地實(shí)現(xiàn)10-4～10-6的頻率穩(wěn)定度對(duì)晶體施加恒溫控制，還可提高到10-7～10-8數(shù)量級(jí)目前晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度的極限是10-12～10-13第77頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天78在通信系統(tǒng)和各種電子設(shè)備中，晶體振蕩器是最常見(jiàn)的具有高穩(wěn)高準(zhǔn)頻率的正弦波振蕩電路。

在通信系統(tǒng)中，可滿足電視臺(tái)、廣播電臺(tái)發(fā)射信號(hào)的載波頻穩(wěn)度的要求。石英鐘。數(shù)字系統(tǒng)中的基準(zhǔn)時(shí)鐘源。晶體振蕩器的應(yīng)用第78頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天79壓電效應(yīng)

按某種方式將石英晶體切割成一定厚度的薄片，對(duì)薄片施加機(jī)械力（壓力、拉力、扭力等）時(shí)，會(huì)在對(duì)應(yīng)的表面產(chǎn)生正負(fù)電荷的集聚；反之亦然。如果周期性地施加力，就會(huì)有周期性的電輸出；反之，如果在晶體上施加變化的電壓，并且電信號(hào)的頻率和晶體的固有振蕩頻率接近，晶體就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。石英諧振器的基本特性(詳見(jiàn)2.2.3小節(jié))4.5.1石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度第79頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天80石英晶體的固有振蕩頻率石英晶體的固有振蕩頻率和薄片厚度有關(guān)系，而振蕩頻率的穩(wěn)定性與石英片材料和切割方式有關(guān)。振蕩頻率越高，晶片就越薄。傳統(tǒng)切割工藝晶體的諧振頻率很難達(dá)到30MHz，晶片太薄，易損壞。可采用化學(xué)蝕刻方法得到薄晶片，使諧振頻率達(dá)到350MHz。第80頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天81晶片越薄越易損壞，實(shí)用性不強(qiáng)?？刹捎米尵w工作于泛音方式。泛音方式采用基頻的諧波振蕩，頻率為基頻的3倍、5倍、7倍到9倍。采用泛音狀態(tài)，普通晶體振蕩器的工作頻率可達(dá)200MHz。第81頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天82（1）石英諧振器的等效電路（n次泛音諧振）（基頻諧振）機(jī)械系統(tǒng)電系統(tǒng)（對(duì)比）大小小晶體并聯(lián)（極間）電容幾pF到幾十pF

晶體質(zhì)量等效0.1H到百H晶體剛性等效小于1pF，一般為機(jī)械形變能耗第82頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天83（2）晶體的諧振頻率串聯(lián)諧振呈現(xiàn)的電阻很小，并聯(lián)諧振呈現(xiàn)的電阻值為最大。串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率第83頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天84晶體的等效電抗和阻抗相頻特性

:晶體呈容性

:晶體等效為小電阻:等效為電感

晶體在附近晶體具有陡峭的相頻特性（Q大）第84頁(yè),共97頁(yè)，2024年2月25日，星期天85（3）晶體諧振器的基本特性很高的等效品質(zhì)因數(shù):104-106石英諧振器最大的特點(diǎn)是具有很大的等效電感量和很小的損耗電阻。

具有兩個(gè)諧振頻率，且兩個(gè)諧振頻率十分接近

很小的接入系數(shù):10-3-10-4

當(dāng)外界電抗元件與之相連接時(shí)，對(duì)石英諧振器的固有諧振特性的影響是十分微弱的。例：5MHz