清华大学 课件 正弦波振荡器、振荡条件_通信电路第五章

笫5章正弦波振荡器 本章主要内容 5.1、振荡器概述 5.2、LC振荡器的基本工作原理 ■LC振荡器的基本构成 ■振荡的三大条件 5.3LC振荡器的电路分析 5.3.1互感耦合振荡器 5.3.2三点式振荡器电路（考毕兹、哈特莱、改进型） 5.4、振荡器的频率稳定度 5.4.1频率稳定度的计量 5.4.2导致振荡频率不稳定的原因 5.4.3主要稳频措施 5.4.4晶体振荡器 口石英谐振器的基本特性 口晶体振荡器电路 5,5其他振荡器与特殊振荡现象 Tsinghua University 1

1 笫5章 正弦波振荡器 本章主要内容 5.1、振荡器 概述 5.2、LC 振荡器的基本工作原理 ◼ LC振荡器的基本构成 ◼ 振荡的三大条件 5.3 LC 振荡器的电路分析 5.3.1 互感耦合振荡器 5.3.2 三点式振荡器电路（考毕兹、哈特莱、改进型） 5.4、振荡器的频率稳定度 5.4.1频率稳定度的计量 5.4.2导致振荡频率不稳定的原因 5.4.3主要稳频措施 5.4.4晶体振荡器  石英谐振器的基本特性  晶体振荡器电路 5.5其他振荡器与特殊振荡现象

5.1振荡器概述 返回 （1)定义：振荡器是一种不需外加信号激励能自动将直流 能量变换为特定频率和幅度的交变能量的装置。 (2)分类： 口按振荡波形分：正弦波振荡器和非正弦波（波形为方波、 矩形波或其它波形)振荡器. 口 按选频网络分： ●RC振荡器(f低) ●LC振荡器 ●晶体振荡器 ●声表振荡器(SAW) 按构成原理分： L ·反馈型振荡器 、RC振荡器 微波半导体 C振荡器 负阻振荡器 ●负阻型振荡器（微波段) ,晶体振荡器 Tsinghua University

2 （1）定义：振荡器是一种不需外加信号激励能自动将直流 能量变换为特定频率和幅度的交变能量的装置。 （2）分类：  按振荡波形分：正弦波振荡器和非正弦波(波形为方波、 矩形波或其它波形)振荡器.  按构成原理分：  按选频网络分： 5.1振荡器 概述 ⚫RC振荡器(f低） ⚫LC振荡器 ⚫晶体振荡器 ⚫反馈型振荡器 ⚫负阻型振荡器（微波段） ⚫声表振荡器（SAW） 返回 Hz kHz MHz GHz THz RC振荡器 LC振荡器 晶体振荡器 负阻振荡器 微波半导体

振荡器概述（续)-应用 ▣(3)应用： 口无线发射机调制用的载波信号。 口超外差接收机混频用的本地振荡信号（本振）。 口同步解调用的本地载波信号（同步信号） 口各种电子测量设备和计时仪表用它产生各种频率信号和 频率（时间）基准信号。例如时钟、定时，信号源。 对于以上应用，振荡器的主要指标是频率稳定度和准确 度；振幅的大小与稳定性；波形的失真。 口工业生产部门高频电加热设备如微波炉，电疗设备 等。 要求振荡器有高的效率和功率。 Tsinghua University

3 振荡器 概述（续）-应用  （3）应用：  无线发射机调制用的载波信号。  超外差接收机混频用的本地振荡信号（本振）。  同步解调用的本地载波信号（同步信号）  各种电子测量设备和计时仪表用它产生各种频率信号和 频率（时间）基准信号。例如 时钟、定时，信号源。  工业生产部门高频电加热设备如微波炉，电疗设备 等。 对于以上应用，振荡器的主要指标是频率稳定度和准确 度；振幅的大小与稳定性；波形的失真。 －－要求振荡器有高的效率和功率

产生振荡的机理 i(t 口LC谐振回路是LC振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是 基于二阶RLC回路的自由振荡现象。 费++咖=0 无阻尼振荡频率 口考虑了回路损耗后，当尺<2√仁时回路将产生振幅衰减的阻尼振荡 i0=5e“si(or-a,) O：衰减常数 O：有阻尼振荡频率 singhua University

4 产生振荡的机理 0 1 + + =  idt C Ri dt di L 2 0 2 2 0 2 + + i = dt di dt d i   L LC R 1 , 2 其中 = 0 = o C L V S 1 2 i 0 t o t e L V   − i(t) R  LC谐振回路是LC振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是 基于二阶RLC回路的自由振荡现象。  考虑了回路损耗后，当 时 回路将产生振幅衰减的阻尼振荡 ( ) sin( ) 0 0     = − − e t L V i t t C L R  2  ：衰减常数 无阻尼振荡频率  ：有阻尼振荡频率

为什么是衰减振荡？ 从能量角度：振幅衰减由于回路存在损耗。 维持等幅振荡措施： ■适时地补充必要的交变能量， 以维持回路内部的能量平衡。 (方法：正反馈)一一反馈振荡器 ■抵消回路存在损耗，用负阻器件，如隧道 二极管一一负阻振荡器 ■ 这里只讨论反馈型振荡器（包括原理、设 计方法、影响指标因素及典型线路)。 本质上反馈型振荡器就是负阻振荡器，可用 负阻的原理来分析。 Tsinghua University

5 为什么是衰减振荡？ 从能量角度：振幅衰减由于回路存在损耗。 维持等幅振荡措施： ◼ 适时地补充必要的交变能量， 以维持回路内部 的能量平衡。 （方法：正反馈）－－反馈振荡器 ◼ 抵消回路存在损耗，用负阻器件,如隧道 二极管 －－负阻振荡器 ◼ 这里只讨论反馈型振荡器（包括原理、设 计方法、影响指标因素及典型线路）。 ◼ 本质上反馈型振荡器就是负阻振荡器，可用 负阻的原理来分析

振荡器概述（续)一反馈振荡器基本构成 (4)反馈振荡器基本构成： 口一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络。 一个在规定频段内具有能量变换（或放大）作用的换 能机构。（有源器件-放大器) 口一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳 定的反馈电路。 口一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。 事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换 的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。 Tsinghua University

6 （4）反馈振荡器基本构成：  一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络。  一个在规定频段内具有能量变换（或放大）作用的换 能机构。（有源器件--放大器）  一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳 定的反馈电路。  一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。 事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换 的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。 振荡器 概述（续）－反馈振荡器基本构成

振荡器概述（续) 一分析方法 (5)分析方法： 口正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件的闭 环系统，或说是一个非线性动态网络，要对它进行分 析，至少需求解一个二阶以上的非线性微分方程。 口为便于定性分析振荡器的振荡特性，在进行电路分析时， 仍采用电路参数的准线性分析法和零极点分析法。 口在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因 此，可以引用线性系统的分析方法一一传递函数，来 确定这一时期振荡器的工作状态。 口振荡建立后，用准线性方法（如用表示基波电流与基波 电压的关系的平均跨导代替跨导，采用线性方法)分析。 Tsinghua University 7

7 （5）分析方法：  正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件的闭 环系统，或说是一个非线性动态网络，要对它进行分 析，至少需求解一个二阶以上的非线性微分方程。  为便于定性分析振荡器的振荡特性，在进行电路分析时， 仍采用电路参数的准线性分析法和零极点分析法。  在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因 此，可以引用线性系统的分析方法－－传递函数，来 确定这一时期振荡器的工作状态。  振荡建立后，用准线性方法（如用表示基波电流与基波 电压的关系的平均跨导代替跨导，采用线性方法）分析。 振荡器 概述（续）－分析方法

5.2、LC振荡器的基本工作原理 正弦波振荡器是基于二阶RLC回路的自由振荡。反馈振荡器是靠正反馈 补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡。讨论工作原理一一 揭示电路产生等幅持续振荡条件。 口以互感耦合LC振荡电路为例进行讨论 (1)工作原理： 互感耦合LC振荡器实际是含正反馈的谐振放大器，正反馈靠变压器初、 次级线圈同名端保证。 Tsinghua University

8  以互感耦合 LC 振荡电路为例进行讨论 （1） 工作原理： 正弦波振荡器是基于二阶RLC回路的自由振荡。反馈振荡器是靠正反馈 补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡。讨论工作原理－－ 揭示电路产生等幅持续振荡条件。 互感耦合 LC 振荡器实际是含正反馈的谐振放大器，正反馈靠变压器初、 次级线圈同名端保证。 C L BE v CE v • • M c i b i L C Cb Ce Rb1 Rb2 Re VCC • • M 5.2、LC 振荡器的基本工作原理

振荡的产生-初始阶段（小信号） V(s)=A(s)V(s) '() A(s) 's) V(s)=F(s)'(s) 反 馈 V(s)=',(s)+'r(s) 放 Ve(s) F(s) 闭环： Hs)=) A(s) 大器 ',(s)1-As)F(S 反馈振荡器原理框图 环路增益 (开环增益)T(s)= '(s) =A(s)F(s) v(s) 当A(s)F(s)=1时系统不需输入就有输出一一振荡器 口LC振荡电路的振荡是如何建立的？ 频域：电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电乐或电扰动 包含许多频率分量→谐振回路选出谐振频率分量→ 正反馈到输入端一放大→回路选频一反馈输入端 放大，反复循环 →信号足够大，晶体管进入非线性区，振荡达 到平衡状态。 Tsinghua University

9 振荡的产生--初始阶段(小信号）  LC 振荡电路的振荡是如何建立的？ 频域：电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或电扰动 包含许多频率分量 谐振回路选出谐振频率分量 正反馈到输入端 放大 回路选频 反馈输入端 放大，反复循环 信号足够大，晶体管进入非线性区，振荡达 到平衡状态。 0 反馈振荡器原理框图 V (s) A(s)V (s) o = i V (s) F(s)V (s) f = o V (s) V (s) V (s) i = s + f ( ) A(s)F(s) A s V s s s − = = ( ) 1 V ( ) H(s) o 当 A(s)F(s) = 1 时系统不需输入就有输出－－振荡器 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) A s F s V s V s T s i f = = 闭环： 环路增益 （开环增益） 反 馈 放 大 器

LC振荡器基本工作原理一一三大条件 由以上分析得到： 口反馈振荡器振荡必须满足三大条件： ■起振条件：振荡电压从无到有逐步增长的条件。 ■ 平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上 的条件。 ■ 稳定条件：受外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状 态破坏，能使振荡器恢复平衡状态的条件。 'singhua University 10

10 由以上分析得到：  反馈振荡器振荡必须满足三大条件： ◼ 起振条件：振荡电压从无到有逐步增长的条件。 ◼ 平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上 的条件。 ◼ 稳定条件：受外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状 态破坏，能使振荡器恢复平衡状态的条件。 LC 振荡器基本工作原理－－三大条件