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1、第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 本章知识架构：本章知识架构：本章教学目标与要求：本章教学目标与要求：了解振荡器的重要性了解振荡器的重要性 熟悉振荡器的起振、平衡和稳定原理熟悉振荡器的起振、平衡和稳定原理 掌握三段式振荡电路的原理掌握三段式振荡电路的原理 掌握判断三段式电路是否能产生振荡器掌握判断三段式电路是否能产生振荡器信号的方法信号的方法 了解石英晶体振荡器的原理了解石英晶体振荡器的原理 掌握振荡电路的仿真方法掌握振荡电路的仿真方法4.1 概述概述本章将主要讨论电振荡信号的产生。不需要外本章将主要讨论电振荡信号的产生。不需要外加激励，自己就可以将直流能量转换为一定频率和一加激励，自己就
2、可以将直流能量转换为一定频率和一定幅度的交流信号输出的现象叫自激振荡。而能产生定幅度的交流信号输出的现象叫自激振荡。而能产生自激振荡的电路称为振荡器（自激振荡的电路称为振荡器（oscillator），或自激），或自激振荡器。振荡器。振荡器在现代科学技术领域中有着广泛地应用。振荡器在现代科学技术领域中有着广泛地应用。例如：无线电发射机中的载波信号源，超外差接收机例如：无线电发射机中的载波信号源，超外差接收机中的本地振荡信号源，在电子测量和自动控制系统中中的本地振荡信号源，在电子测量和自动控制系统中用来产生各种频段的正弦波信号等。它的任务是提供用来产生各种频段的正弦波信号等。它的任务是提供一定的频
3、率、一定输出电平且有响应的频率稳定度和一定的频率、一定输出电平且有响应的频率稳定度和振幅稳定度的正弦波信号。振幅稳定度的正弦波信号。振荡器按输出波形的不同可分为正弦波振荡器和非正振荡器按输出波形的不同可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器（如方波，三角波，锯齿波等。）按维持弦波振荡器（如方波，三角波，锯齿波等。）按维持自激振荡的原理划分，自激振荡器可以分为反馈型和自激振荡的原理划分，自激振荡器可以分为反馈型和负阻型两种。本章仅讨论反馈型正弦波自激振荡器。负阻型两种。本章仅讨论反馈型正弦波自激振荡器。根据电路的组成不同，可分成根据电路的组成不同，可分成RC振荡器、振荡器、LC振荡器振荡器和石英晶体振
4、荡器。和石英晶体振荡器。图图4.1和图和图4.2所示为两种振荡器模块。所示为两种振荡器模块。图4.1 超高频晶体振荡器 图4.2 温度补偿晶体振荡器 反馈式振荡器是振荡回路通过正反馈网络与反馈式振荡器是振荡回路通过正反馈网络与有源器件连接构成的振荡电路，建立在放大有源器件连接构成的振荡电路，建立在放大和反馈基础上的振荡器，由放大器和反馈网和反馈基础上的振荡器，由放大器和反馈网络组成。反馈式振荡器的原理方框图如图络组成。反馈式振荡器的原理方框图如图4.1所示。所示。4.2 4.2 反馈型振荡器工作过程分析反馈型振荡器工作过程分析Ube.A.Ui.S12Uf.F.Uo.放大器反馈网络图图4.3 反
5、馈式振荡器的原理方框图反馈式振荡器的原理方框图v由图由图4.3可知，当开关可知，当开关S处在位置处在位置2时，在放大器输入端外加的时，在放大器输入端外加的输入信号输入信号Ui为一定频率和幅度的正弦波，此信号经放大器放大为一定频率和幅度的正弦波，此信号经放大器放大后产生输出信号后产生输出信号Uo，而，而Uo又作为反馈网络的输入信号，在反又作为反馈网络的输入信号，在反馈网络输出端产生输出反馈信号馈网络输出端产生输出反馈信号Uf。若。若Uf和和Ui不仅大小相等，不仅大小相等，而且相位也相同，假如这时除去外加信号并将开关而且相位也相同，假如这时除去外加信号并将开关S接到接到1端，端，即用即用Uf取代取
6、代Ui，由放大器和反馈网络组成一闭环系统。这时，由放大器和反馈网络组成一闭环系统。这时，在没有外加输入信号的情况下，输出端仍可维持一定频率和幅在没有外加输入信号的情况下，输出端仍可维持一定频率和幅度的信号度的信号Uo输出，从而实现了自激振荡。输出，从而实现了自激振荡。v如果要使自激振荡器输出某一制定频率的正弦波，也就是说自如果要使自激振荡器输出某一制定频率的正弦波，也就是说自激振荡只能在某一频率上产生，而在其他频率上不能产生，则激振荡只能在某一频率上产生，而在其他频率上不能产生，则在图在图4.3所示的框图中尚需加入选频网络。选频网络可以由所示的框图中尚需加入选频网络。选频网络可以由RC元件构成
7、，也可由元件构成，也可由LC元件组成。元件组成。RC振荡器用来产生振荡器用来产生1Hz至几至几兆兆Hz范围内的低频信号，范围内的低频信号，LC振荡器一般用来产生几振荡器一般用来产生几Mhz的高的高频信号。频信号。v由此可见，反馈式正弦波振荡器应包括放大器、反馈网络和选由此可见，反馈式正弦波振荡器应包括放大器、反馈网络和选频网络三个部分。频网络三个部分。4.2.1 平衡状态平衡状态 平衡条件是指在振荡建立后，为了维持自激振荡平衡条件是指在振荡建立后，为了维持自激振荡幅度和相位必须满足的关系，它包括振幅平衡条件和幅度和相位必须满足的关系，它包括振幅平衡条件和相位平衡条件。相位平衡条件。在图在图4.
8、3中，当开关中，当开关S由由2端转接到端转接到1端，且反馈电端，且反馈电压压Uf等于放大器输入电压等于放大器输入电压Ui时，振荡器就能维持等幅时，振荡器就能维持等幅振荡，并有一个稳定的电压输出，我们称电路此时的振荡，并有一个稳定的电压输出，我们称电路此时的状态为平衡状态，状态为平衡状态，Uf=Ui称为电路振荡的平衡条件。称为电路振荡的平衡条件。由图由图4.3可知，可知，oiUAjw U foUFjw U(4-1)(4-2)则则 (4-3)所以，电路振荡的平衡条件又可写成所以，电路振荡的平衡条件又可写成 (4-4)根据上式可以得到自激振荡的两个基本条件：根据上式可以得到自激振荡的两个基本条件：相
9、位平衡条件：相位平衡条件：(4-5)振幅平衡条件振幅平衡条件:(4-6)fiUA jw F jw U1A jw Fjw 2 (0,1,2,3,.)AFnn1A F其中其中,A与与F 分别是分别是A(jw)和和F(jw)的相位，的相位，A A与与F F分别是分别是A(jw)和和F(jw)的幅值。的幅值。要使反馈式振荡器输出一个具有稳定幅值和固定频率的要使反馈式振荡器输出一个具有稳定幅值和固定频率的交流电压，相位平衡条件和振幅平衡条件一定要同时得交流电压，相位平衡条件和振幅平衡条件一定要同时得到满足。到满足。4.2.2 起振状态起振状态平衡条件只是维持振荡的条件，是对振荡器已经进入稳平衡条件只是维
10、持振荡的条件，是对振荡器已经进入稳态振荡而言的。那振荡器是如何起振的呢？态振荡而言的。那振荡器是如何起振的呢？当振荡电路刚接通时，电路中各处的电流和电压都会发当振荡电路刚接通时，电路中各处的电流和电压都会发生一个突变，由于这种扰动的不规则性，它包含着频率生一个突变，由于这种扰动的不规则性，它包含着频率范围很宽的频率成分。经过振荡器选频网络选频后，只范围很宽的频率成分。经过振荡器选频网络选频后，只将其中某一频率的信号反馈到放大器的输入端，而其他将其中某一频率的信号反馈到放大器的输入端，而其他频率的信号将被抑制。经过放大、选频和反馈的多次循频率的信号将被抑制。经过放大、选频和反馈的多次循环，某一频
11、率信号的幅度将不断增大，即振荡由小到大环，某一频率信号的幅度将不断增大，即振荡由小到大建立起来。建立起来。当放大器进入非线性工作区时，放大器增益随之下降，当放大器进入非线性工作区时，放大器增益随之下降，最后反馈电压等于原输入电压时，振荡幅度不再增大从最后反馈电压等于原输入电压时，振荡幅度不再增大从而进入平衡状态。而进入平衡状态。bbr如图如图4.4所示，分别为基本放大器所示，分别为基本放大器A和反馈网络和反馈网络1/F的的曲线曲线,如果设开启电源后产生扰动电压如果设开启电源后产生扰动电压可见起振初期是一个增幅的振荡过程可见起振初期是一个增幅的振荡过程 101121ififuuuuu 20223
12、2ififuuuuu 303343ififuuuuu 321321,iiiooouuuuuu即有图4.4 振荡器的特性曲线因此起振的条件是，起振时反馈电压Uf和输入电压Ui在相位上同相，幅度上UfUi即 (4-7)(4-8)因此，为了使振荡器能产生自激振荡，开始振荡时，在满足正反馈条件的前提下。必须满足AF1的条件。起振后，振荡幅度迅速增大，使晶体管工作进入到非线性区，以致放大器的增益A下降，直至AF=1，达到稳幅振荡。2 (0,1,2,3,.)AFnn1A F4.2.3 稳定状态及稳定度稳定状态及稳定度振荡器在工作时，不可避免地会受到干扰和噪声的影振荡器在工作时，不可避免地会受到干扰和噪声的
13、影响，偏离原来的平衡状态。如果在干扰消失后，振荡响，偏离原来的平衡状态。如果在干扰消失后，振荡器仍能恢复到原来的平衡状态，则称这个平衡状态为器仍能恢复到原来的平衡状态，则称这个平衡状态为稳定平衡状态，称振荡器是稳定的。稳定平衡状态，称振荡器是稳定的。振荡器的平衡稳定条件包括振幅平衡稳定条件和相位振荡器的平衡稳定条件包括振幅平衡稳定条件和相位平衡稳定条件。为了产生持续的等幅振荡，反馈型正平衡稳定条件。为了产生持续的等幅振荡，反馈型正弦波振荡器中，放大器的增益或反馈网络的反馈系数弦波振荡器中，放大器的增益或反馈网络的反馈系数应该能根据输入信号的变化进行自动调节。应该能根据输入信号的变化进行自动调节
14、。若干扰使反馈电压增大时，放大器的增益可以自动减若干扰使反馈电压增大时，放大器的增益可以自动减小，以保持输出电压幅度稳定；反之，则放大器的增小，以保持输出电压幅度稳定；反之，则放大器的增益自动提高，可使振荡器输出电压的振幅处于稳定状益自动提高，可使振荡器输出电压的振幅处于稳定状态。振荡器的振幅稳定条件用数学式表示为：态。振荡器的振幅稳定条件用数学式表示为：bU(4-9)U0为输出电压的振幅。振荡器能否稳定工作，除需满足振幅稳定条件外，还需满足相位稳定条件。相位平衡的稳定条件是指相位遭到破坏后，电路本身能重新建立起相位平衡的条件。要使相位稳定，振荡电路必须能够在振荡频率发生变化时，产生一个新的、
15、相反方向的相位变化，用以抵消由外因引起的相位变化，即相位对频率的变化率为负值。所以相位平衡稳定条件是：(4-10)00A FU04.3 三端式反馈型三端式反馈型LC振荡器的构成原则振荡器的构成原则三端式振荡器是一种广泛应用的LC振荡器，它的基本结构如图4.5所示。Xbe+bXceXcbvivf+voce图4.5 三端式振荡器的基本结构三端式振荡器由三端式振荡器由Xbe，Xce，Xcb三个电抗元件组成并三个电抗元件组成并联谐振回路，此回路决定了振荡频率，也构成了正反馈联谐振回路，此回路决定了振荡频率，也构成了正反馈所需的反馈网络。因为三个端分别与晶体管的三个电极所需的反馈网络。因为三个端分别与晶
16、体管的三个电极相连接，故称三端式振荡器。相连接，故称三端式振荡器。要使电路产生自激振荡，首先应满足相位平衡条件，即要使电路产生自激振荡，首先应满足相位平衡条件，即正反馈。对于三个电抗元件组成的回路，当回路元件的正反馈。对于三个电抗元件组成的回路，当回路元件的电阻很小时，可以忽略其影响，同时也忽略三极管的输电阻很小时，可以忽略其影响，同时也忽略三极管的输入阻抗与输出阻抗的影响，则电路要振荡必须满足条件：入阻抗与输出阻抗的影响，则电路要振荡必须满足条件：(4-11)图中，令回路电流为图中，令回路电流为I，忽略电抗元件损耗及晶体管参，忽略电抗元件损耗及晶体管参数的影响，则数的影响，则Vf=jIXbe，Vo=-jIXce，可见为使，可见为使Vf和和Vo反相，必须要求反相，必须要求Xbe和和Xce为性质相同的电抗元件，即为性质相同的电抗元件，即同为感性或同为容性。同为感性或同为容性。0bececbXXX因此，可以得出三端式振荡器的组成原则是：因此，可以得出三端式振荡器的组成原则是：Xbe和和Xce的电抗性质相同，的电抗性质相同，Xcb与与Xce（或者（或者Xbe）的电抗性）的电抗性质相反，由于质
