电子线路非线性部分(第四版)谢嘉奎第3章正弦波振课件.ppt

第第 3 章章正弦波振荡器正弦波振荡器概述概述3.1反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理3.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度3.4晶体振荡器晶体振荡器3.5RC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.6负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器3.7寄生振荡、间歇振荡和频率占据寄生振荡、间歇振荡和频率占据概述概述一、与功放比较一、与功放比较(从能量角度从能量角度)1功率放大器功率放大器将将直直流流电电源源提提供供的的直直流流能能量量转转换换为为按按信信号号规规律律变变化化的的交交变能量。变能量。特点：被动地，需输入信号控制特点：被动地，需输入信号控制2正弦波振荡器正弦波振荡器(Sinewave Oscillator)将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。特点：特点：自动地自动地，无需输入信号控制。，无需输入信号控制。二、正弦波振荡器的应用二、正弦波振荡器的应用1作信号源作信号源(本章将讨论本章将讨论)载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。要求：要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。振荡频率和振幅的准确性和稳定性。2正弦交变能源正弦交变能源(本章不讨论本章不讨论)用用途途：高高频频加加热热设设备备和和医医用用电电疗疗仪仪器器中中的的正正弦弦交交变变能能源。源。要求：要求：功率足够大，高效。功率足够大，高效。三、三、分类分类(按组成原理按组成原理)1反馈振荡器反馈振荡器利用正反馈原理构成，应用广泛。利用正反馈原理构成，应用广泛。2负阻振荡器负阻振荡器利利用用负负阻阻效效应应抵抵消消回回路路中中的的损损耗耗，以以产产生生等等幅幅自自由由振振荡荡。工作于微波段。工作于微波段。3.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理1组成组成主网络与反馈网络构成主网络与反馈网络构成闭合环路闭合环路。图图 3-1-1反馈振荡器的组成方框及相应电路反馈振荡器的组成方框及相应电路例：变压器耦合反馈例：变压器耦合反馈振荡器振荡器(交流通路交流通路)。(1)主网络主网络负载为谐振回路的谐振放大器。负载为谐振回路的谐振放大器。图图 3-1-1反馈振荡器的组成方框及相应电路反馈振荡器的组成方框及相应电路(2)反馈网络反馈网络与与 L 相耦合的线圈相耦合的线圈 Lf。反馈振荡器工作原理反馈振荡器工作原理2等幅持续振荡的条件等幅持续振荡的条件 刚刚通通电电时时，须须经经历历一一段段振振荡荡电电压压从从无无到到有有逐逐步步增增长长的的过程。过程。进进入入平平衡衡状状态态时时，振振荡荡电电压压的的振振幅幅和和频频率率要要能能维维持持在在相应的平衡值上。相应的平衡值上。当当外外界界条条件件不不稳稳时时，振振幅幅和和频频率率仍仍应应稳稳定定，而而不不会会产产生突变或停止振荡。生突变或停止振荡。闭合环路成为反馈振荡器的闭合环路成为反馈振荡器的三个条件三个条件：起振条件起振条件接通电源后可从无到有建立起振荡。接通电源后可从无到有建立起振荡。平衡条件平衡条件进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。稳稳定定条条件件平平衡衡状状态态不不因因外外界界不不稳稳定定因因素素的的影影响响而受到破坏。而受到破坏。以下分别讨论这三个条件。以下分别讨论这三个条件。第第 3 章章正弦波振荡器正弦波振荡器3.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理3.1.1平衡和起振条件平衡和起振条件3.1.2稳定条件稳定条件3.1.3基本组成及其分析方法基本组成及其分析方法3.1.1平衡和起振条件平衡和起振条件一、起振条件一、起振条件 1分析分析 刚刚通通电电时时，电电路路中中存存在在电电的的扰扰动动(电电流流突突变变或或管管子子、电路中的固有噪声电路中的固有噪声)，具有，具有很宽的频谱很宽的频谱。谐谐振振回回路路的的选选频频功功能能，只只允允许许角角频频率率为为 osc 的的分分量量(osc 0)在谐振回路两端产生较大的电压。在谐振回路两端产生较大的电压。变压器绕向正确，可保证反馈信号变压器绕向正确，可保证反馈信号 与与输输入信号入信号 同相，同相，经经放大和反放大和反馈馈的循的循环环，使使振振荡电压荡电压的振幅不断增的振幅不断增长长。2起振条件起振条件(1)振幅起振条件振幅起振条件，或或环路增益环路增益(2)相位起振条件相位起振条件 T(osc)=A(osc)+f(osc)=2n(n=0，1，2，)二、平衡条件二、平衡条件1分析分析同相又等幅，即同相又等幅，即若在某一若在某一频频率率 上，上，与与当当环路闭合环路闭合后：后：主网主网络络将将输输出正弦振出正弦振荡电压荡电压 ，角，角频频率率为为 。所需所需输输入入电压电压 全部由反全部由反馈电压馈电压 提供，无需外提供，无需外加加输输入入电压电压。2平衡条件平衡条件由由则：则：振幅平衡条件：振幅平衡条件：环路增益的模环路增益的模 T(osc)=1 相位平衡条件：相位平衡条件：环路增益的相角环路增益的相角 T(osc)=2n(n=0，1，2，)3讨论讨论反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：起振起振时时，T(osc)1，Vi 迅速增迅速增长长；随随后后，T(osc)下降，下降，Vi 的增的增长长速度速度变变慢；慢；到到 T(osc)=1 时时，Vi 停止增停止增长长，振，振荡荡器器进进入平衡状入平衡状态态，在相在相应应的平衡振幅的平衡振幅 ViA 上上维维持等幅振持等幅振荡荡。环环路增益路增益 特性特性如如图图 3-1-2 所示所示。图图 3-1-2 而而环环路路增增益益的的相相角角 T(osc)则则必必须须维维持持在在 2n 上。上。平平衡衡条条件件多多利利用用放放大大器的非线性实现。器的非线性实现。例例变压变压器耦合反器耦合反馈馈振振荡荡器器：刚刚通通电电时时，Vi 很很小小，放放大大器器小小信信号号工工作作，增增益益较较大大，相相应应的的 T(osc)为大于为大于 1 的水平线。的水平线。当当 Vi 增增大大到到一一定定数数值值后后，放放大大器器进进入入大大信信号号工工作作，由由于于放放大大特特性性非非线线性性，放放大大器器的的增增益益将将随随 Vi 增增大大而而减减小小，相相应应地地 T(osc)也就随着也就随着 Vi 的增大而下降。的增大而下降。符合符合起振与平衡条件起振与平衡条件对对 T(osc)的要求。的要求。3.1.2稳定条件稳定条件一、问题的提出一、问题的提出1振荡电路中存在干扰振荡电路中存在干扰 外外部部：电电源源电电压压、温温度度、湿湿度度的的变变化化，引引起起管管子子和和回路参数的变化。回路参数的变化。内内部部：存存在在固固有有噪噪声声(起起振振时时的的原原始始输输入入电电压压,进进入入平衡后与输入电压叠加引起波动平衡后与输入电压叠加引起波动)。均造成均造成 T(osc)和和 T(osc)的的变变化，破坏平衡条件。化，破坏平衡条件。2干扰对平衡状态的影响干扰对平衡状态的影响(两种两种)通过放大和反馈的反复循环：通过放大和反馈的反复循环：振振荡荡器器离离开开原原平平衡衡状状态态，导导致致停停振振或或突突变变到到新新的的平平衡状态衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免。原平衡状态是不稳定的，应避免。振振荡荡器器有有回回到到平平衡衡状状态态的的趋趋势势。当当干干扰扰消消失失后后，能能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。必必须讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳定的。须讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳定的。二、振幅稳定条件二、振幅稳定条件 图图 3-1-2 所所示示环环路路增增益益特特性性，还满足振幅稳定条件。还满足振幅稳定条件。1稳定过程稳定过程 若若，干扰使：，干扰使：最后在新的最后在新的 上重新上重新满满足平衡条件足平衡条件 T(osc)=1最后达到新的平衡。最后达到新的平衡。2环路增益存在两个平衡点的情况环路增益存在两个平衡点的情况图图 3-1-3如如图图 3-1-3 所所示示，振振荡荡器器存存在在着着两两个个平平衡衡点点 A 和和 B，其中其中 A 是稳定的，是稳定的，B 点点是否稳定？是否稳定？分分析析：若若使使 Vi ViB，则则 T(osc)随随之之增增大大，导导致致 Vi 进进一步增大，从而更一步增大，从而更远远离离平衡点平衡点 B。最后到达。最后到达平衡点平衡点 A。反之反之，若，若，直到停止振直到停止振荡荡。可可见见，这这种种振振荡荡器器不不满满足足振振幅幅起起振振条条件件，必必须须加加大大的的电电冲冲击击，产产生生大大于于ViB 的的起起始始扰扰动动电电压压，才才能能进进入入平平衡衡点点 A，产生持续等幅振荡。，产生持续等幅振荡。硬激励：硬激励：靠外加冲击而产生振荡。靠外加冲击而产生振荡。软激励：软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。接通电源后自动进入稳定平衡状态。3振幅稳定条件振幅稳定条件 可可见见，要要使使平平衡衡点点稳稳定定，T(osc)必必须须在在 ViA 附附近近具具有有随随 Vi 增大而下降增大而下降(负斜率变化负斜率变化)的的特性特性，即，即斜斜率率越越陡陡，则则 Vi 的的变变化化而而产产生生的的 T(osc)变变化化越越大大，系系统统回到回到稳态稳态的的时间时间越短，越短，调节调节能力越能力越强强。三、相位三、相位(频率频率)稳定条件稳定条件1 T(osc)的偏移对振荡频率的影响的偏移对振荡频率的影响 由由相位平衡条件相位平衡条件 T(osc)=2n(n =0，1，2，)，表表明明每每次次放放大大和和反反馈馈后后的的电压电压与原与原输输入入电压电压同相。同相。若若某某种种原原因因使使 T(osc)0，则则通通过过每每次次放放大大和和反反馈馈后后的的电电压压相相位位都都将将超超前前于于原原输输入入电电压压相相位位。由由 =/t(正正弦弦电电压压角角频频率率是是瞬瞬时时相相位位对对时时间间的的导导数数)，因因此此，这这种种相位的不断超前表明振相位的不断超前表明振荡荡器的角器的角频频率率 osc。反反之之，若若某某种种原原因因使使 T(osc)0，则则由由于于每每次次放放大大和和反反馈馈后后的的电电压压相相位位都都要要滞滞后后于于原原输输入入电电压压相相位位，因因而而振振荡频荡频率率 0(即即 osc)，由由特特性性，T()0，Vi 的的超超前前势势必受到阻止必受到阻止。若若某某种种原原因因使使 T(osc)0(即即 0，Vi 滞后滞后必受阻必受阻。两两种种情情况况都都通通过过不不断断的的放放大大和和反反馈馈，最最后后都都在在原原振振荡荡频频率附近率附近达到新的平衡，使达到新的平衡，使 。3相位稳定条件相位稳定条件斜率越陡，斜率越陡，则稳定性越灵敏。则稳定性越灵敏。图图 3-1-4 4举举例例说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。T()由由两部分两部分组组成：成：(1)放大器放大器输输出出电压电压 对输对输入入电压电压 的相移的相移 A()(2)反馈网络反馈电压反馈网络反馈电压 对对 的相移的相移 f()即即 T()=A()+f()T()=A()+f()A()放大管放大管(可略可略)并联谐振回路相移并联谐振回路相移 Z()f()，随随 的的变变化十分化十分缓缓慢，可慢，可认为认为它与它与 无关。无关。故故 Z()随随 变变化的特性可代表化的特性可代表 T()随随 变变化的特性。化的特性。(a)并联谐振回路并联谐振回路图图 3-1-5谐振回路的相频特性曲线谐振回路的相频特性曲线并并联谐联谐振回路，其相振回路，其相频频特性特性 0 谐谐振振频频率率 Qe 有有载载品品质质因数因数 可可见见在在实实际际振振荡荡电电路路中中，是是依依靠靠具具有有负负斜斜率率相相频频特特性性的的谐谐振振回回路路来来满满足足相相位位稳稳定定条条件件的的，且且 Qe 越越高高，Z()随随 的的变变化斜率越大，化斜率越大，频频率率稳稳定度越高。定度越高。3.1.3基本组成及其分析方法基本组成及其分析方法 要要产产生生稳稳定定的的正正弦弦振振荡荡，振振荡荡器器必必须须满满足足起起振振、平平衡衡、稳定稳定三项条件。三项条件。1组成组成 可可变变增增益益放放大大器器提提供供足足够够的的增增益益，且且其其增增益益随随输入电压增大而减小。输入电压增大而减小。相相移移网网络络具具有有负负斜斜率率变变化化的的相相频频特特性性，为为环环路路提供合适的相移，保提供合适的相移，保证证在在谐谐振振频频率上的相移率上的相移为为 2n。或：四个环节或：四个环节2种类种类 根据可变增益放大器和相移网络的不同：根据可变增益放大器和相移网络的不同：(1)可变增益放大器可变增益放大器 按放大管按放大管晶体管放大器晶体管放大器场效应管放大器场效应管放大器差分对管放大器差分对管放大器集成运算放大器等集成运算放大器等 按实现可变增益的方法按实现可变增益的方法内稳幅内稳幅(Self Limiting)：利用放大管固有的非线性利用放大管固有的非线性 外外稳稳幅幅(External Limiting)：放放大大器器线线性性工工作作，另另外外插插入非线性环节，共同组成。入非线性环节，共同组成。(2)相移网络相移网络具有负斜率变化的相移具有负斜率变化的相移 LC 谐振回路谐振回路 RC 相移和选频网络相移和选频网络 石英晶体谐振器石英晶体谐振器3分析方法分析方法反反馈馈振振荡荡器器为为包包含含电电抗抗元元件件的的非非线线性性闭闭环环系系统统，用用计计算机可对其进行近似数值分析。但工程上广泛采用：算机可对其进行近似数值分析。但工程上广泛采用：首首先先，检检查查环环路路是是否否包包含含可可变变增增益益放放大大器器和和相相频频特特性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。其其次次，分分析析起起振振条条件件。起起振振时时，放放大大器器小小信信号号工工作作，可可用用小小信信号号等等效效电电路路分分析析方方法法导导出出 T(j)，并并由由此此求求出出起起振振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。若若振振荡荡电电路路合合理理，又又满满足足起起振振条条件件，就就能能进进入入稳稳定定的的平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。最后，最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。第第 3 章正弦波振荡器章正弦波振荡器3.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.2.1三点式振荡电路三点式振荡电路3.2.2差分对管振荡电路差分对管振荡电路 3.2.3举例举例3.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器LC 正正弦弦波波振振荡荡器器：采采用用 LC 谐谐振振回回路路作作为为相相移移网网络络的的振荡器。振荡器。种类：种类：变压器耦合振荡电路变压器耦合振荡电路 三点式振荡电路和差分对管振荡电路。三点式振荡电路和差分对管振荡电路。3.2.1三点式振荡电路三点式振荡电路一、电路组成法则一、电路组成法则图图 3-2-1-1三点式振荡的原理电路三点式振荡的原理电路1电路电路两两种种基基本本类类型型三三点点式式振振荡器的原理电路荡器的原理电路(交流通路交流通路)。2组成法则组成法则交交流流通通路路中中，晶晶体体管管的的三三个个极极与与谐谐振振回回路路的的三三个个引引出出端端相相连连接接。其其中中，与与发发射射极极相相接接的的为为两两个个同同性性质质电电抗抗，接接在在集集-基间的为基间的为异性异性电抗。电抗。可证，此法连接必满足相位平衡条件，实现正反馈。可证，此法连接必满足相位平衡条件，实现正反馈。三点式振荡电路组成法则三点式振荡电路组成法则二、三点式振荡器电路二、三点式振荡器电路 (1)电路电路图图 3-2-2电容三点式振器电路电容三点式振器电路RB1、RB2 和和 RE：分分压压式式偏偏置置电电阻阻；CC、CB、CE：旁旁路路和和隔隔直直流流电电容容；RC：集集电电极极直直流流负负载载电电阻阻；RL：输输出出负载电负载电阻阻；L、C1、C2：并并联谐联谐振回路振回路。图图 3-2-2电容三点式振器电路电容三点式振器电路(2)组成组成可可变变增增益益器器件件：晶晶体体管管 T；相相移移网网络络：并并谐谐；发发射射极极：为两同性质容性电抗；集为两同性质容性电抗；集-基：感性电抗。基：感性电抗。(3)讨论讨论 起振与平衡起振与平衡 T 为为可可变变增增益益器器件件，偏偏置置电电路路设设置置合合适适 Q 点点同同时时，随随 vi 的增大产生的增大产生自给偏置效应自给偏置效应，加速放大器增益的下降。，加速放大器增益的下降。图图 3-2-4其其直直流流偏偏置置电电路路如如图图 3-2-4 所所示示。刚刚起起振振时时，发发射射结结直直流流偏偏置置为为静静态态偏偏置置电电压压，VBE0=VBEQ=VBB IBQRB IEQRE。自给偏置效应自给偏置效应反反馈馈 vi vi 一一部部分分进进入入截截止止区区 iC为为失失真真的的脉脉冲冲波波，其其平平均均值值 IC0 ICQ VBE0 增益增益 平衡平衡所所以以，振振荡荡振振幅幅增增大大时时，加加在在发发射射结结上上的的偏偏置置电电压压将将自自静静态态值值向向截截止止方方向向移移动动，导导致致环环路路增增益益进进一一步步下下降降，从从而而提高了振荡振幅的稳定性。提高了振荡振幅的稳定性。2电感三点式振荡器电路电感三点式振荡器电路(1)电路与元件作用电路与元件作用(2)组成法则判断组成法则判断 交流通路交流通路图图 3-2-6三、电容三点式振荡电路的起振条件三、电容三点式振荡电路的起振条件(相位与振幅相位与振幅)1等效电路等效电路 以图以图 3-2-2(b)为例为例 推推导环导环路增益路增益 T(j)时时，应应将将闭闭合合环环路断开。路断开。(1)改画电路改画电路 图图 3-2-3对应图对应图 3-2-2 电路的交流通路电路的交流通路断点左面加环路的输入电压断点左面加环路的输入电压 Vi(j)断点右边断点右边(与与C2 并联并联)接入自断点向左看接入自断点向左看进进去的阻抗去的阻抗 Zi Re0：L、C1、C2 并联谐振回路的固有谐振电阻并联谐振回路的固有谐振电阻。Q0：固有品固有品质质因数。因数。(2)用混合用混合 型等效电路表示型等效电路表示设设 fosc 1 (gm A)可求得三点式振荡器的相位可求得三点式振荡器的相位起振条件起振条件为为(3-2-3)振幅振幅起振条件起振条件为为(3-2-4)讨论：讨论：1振荡角频率振荡角频率 osc 振荡频率振荡频率 osc 由相位起振条件决定，解由相位起振条件决定，解(3-2-3)求得求得(3-2-5)式中，式中，：LC 回路回路总电总电容容，：固有固有谐谐振角振角频频率。率。osc 与与 0(LC)有有关关，还还与与 gi(Ri)、g L(Re0、RL)有有关，且关，且 osc 0。在实际电路中，一般在实际电路中，一般满足满足 工程估算时，工程估算时，osc 0=(3-2-6)2振幅起振条件振幅起振条件 工程估算时，令工程估算时，令 =osc 0，代入，代入(3-2-4)式，即式，即(3-2-4)振幅起振条件可简化为振幅起振条件可简化为设设(3-2-7)n 为电容分压比为电容分压比(p127)，上式改写为，上式改写为gm(3-2-8a)或或 (3-2-8b)若若 gi ，则则由由图图 3-2-7 可可见见，n2gi 便便是是 gi 经经电电容容分分压压器折算到集器折算到集电电极上的极上的电导值电导值。因因而而回回路路谐谐振振时时集集电电极极上上的的总总电电导导为为(+n2gi)，gm 除除以以这这个个总总电电导导就就是是回回路路谐谐振振时时放放大大器器的的电电压压增增益益 Av(0)*，而而 n 则是反馈网络则是反馈网络(C1、组成组成)的反馈的反馈系数系数 kfv。这样，式这样，式(3-2-8b)又可表示为又可表示为 Av(0)kfv 1图图 3-2-7 推导推导 T(j)的等效电路的等效电路图图 3-2-7 推导推导 T(j)的等效电路的等效电路讨论：讨论：为满足振幅起振条件，应增大为满足振幅起振条件，应增大 Av(0)和和 kfv。增增大大 kfv(=n)，n2gi 增增大大，Av(0)减减小小；减减小小 kfv，虽提高虽提高 Av(0)，但回路增益但回路增益 T(0)受限。受限。故故 n 取值应适中。取值应适中。提提高高 ICQ，可可以以增增大大 gm，从从而而提提高高 Av(0)，但但不不宜宜过过大大，否否则则，gi(1/re=gm/)会会过过大大，造造成成回回路路有有载载品品质质因数下降，影响频率稳定性。因数下降，影响频率稳定性。ICQ 一般取一般取 1 5 mA。(a)(b)图图 3-2-3对应图对应图 3-2-2 电路的交流通路电路的交流通路结结论论：若若振振荡荡管管 fT 5fosc，RL 又又不不太太小小(1 k)，且且 n(两电容两电容)取值适中，一般都满足起振条件。取值适中，一般都满足起振条件。分分析析表表明明，闭闭合合环环路路不不论论何何处处断断开开，它它们们的的振振幅幅起起振振条条件件都都是是一一样样的的。但但断断开开点点不不同同，主主网网络络和和反反馈馈网网络络的的组组成成就就不同，相应的不同，相应的放大器增益放大器增益和和反馈系数反馈系数也就不同。也就不同。(a)(b)图图 3-2-3对应图对应图 3-2-2 电路的交流通路电路的交流通路 若若图图 3-2-3(b)所所示示闭闭合合环环路路在在基基极极处处开开断断，三三极极管管接接成成共发组态。共发组态。图图中中用用工工程程估估算算法法将将 gib 和和折算到集射极间，分别为折算到集射极间，分别为gib 折算到集射极间的计算。折算到集射极间的计算。折算到集射极折算到集射极间间的的计计算算 四、用工程估算法求起振条件四、用工程估算法求起振条件 将闭合环路断开，画出开环等效电路。将闭合环路断开，画出开环等效电路。求出固有求出固有谐谐振振频频率率 0，并令，并令 osc 0。将将谐谐振振回回路路的的电电导导折折算算到到集集电电极极上上，求求放放大大器器回回路路谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。3.2.2差分对管振荡电路差分对管振荡电路 一、工作原理一、工作原理T2 的的集集电电极极上上外外接接 LC谐谐振振回回路路，调调谐谐在在谐谐振振频频率率上上。其其输输出出电电压压直直接接加加到到 T1管管的的基基极极上上，形形成成正正反反馈馈。T2 管管的的基基极极和和集集电电极极直直流流同同电电位位，必必须须限限制制 LC 两两端端的的振振荡荡电电压压(200 mV 左左右右)，防止防止 T2 管饱和。管饱和。振振荡荡管管进进入入截截至至区区实实现现内内稳稳幅幅，使使得得回回路路有有较较高高的的有有载品质因数，有利于提高频率稳定性。载品质因数，有利于提高频率稳定性。二、求二、求 T(j)1交流通路交流通路 2共集共集-共基等效电路共基等效电路T1 管的基极电流管的基极电流 Ib1 在在 T2 管的输入端产生的电压为：管的输入端产生的电压为：其中，其中，T2 管输入端的等效阻抗管输入端的等效阻抗共集共集-共基级联电路的输入阻抗为共基级联电路的输入阻抗为电路简化如图电路简化如图 3-2-10(d)所示。所示。三、确定振荡角频率三、确定振荡角频率式中，式中，C =C+Cb e/2 四、确定振幅起振条件四、确定振幅起振条件所以，所以，3.2.3举例举例图图 3-2-12(a)例例 1：判判断断如如图图 3-2-12 所所示示交交流流通通路路能能否否满满足足相相位位平平衡衡条件？条件？解解：若若 L、C3 串串联联支支路路呈呈感性，则感性，则符合相位平衡条件符合相位平衡条件条件：条件：当当 osc 时时，L、C3 串串联联支路呈感性支路呈感性。例例 2：自己看。自己看。(a)(b)(c)图图 3-2-13 例例 3 电路电路(a)及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线(b)()(c)例例 3：图图 3-2-13 为为三回路振三回路振荡荡器交流通路，器交流通路，f01，f02，f03 分分别别为为三三个个回回路路的的固固有有谐谐振振频频率率，写写出出它它们们之之间间能能满满足足相相位位平平衡衡条条件件的的两两种种关关系系式式，并并指指出出两两种种情情况况下下振振荡荡频频率率处处在什么范在什么范围围内。内。解解：已已知知串串、并并联联谐谐振振回回路路电电抗抗特特性性曲曲线线如如图图 3-2-13(b)、(c)所示。所示。(a)(b)(c)图图 3-2-13 例例 3 电路电路(a)及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线(b)()(c)串联回路串联回路中，中，0，X 0，呈呈感性；感性；0，X 0，X 0，呈呈容性；容性；0，呈呈感性感性。(a)(b)(c)1若构成电容三点式电路若构成电容三点式电路L1C1、L2C2 回路呈回路呈容性失容性失谐谐，L3C3 回路回路呈呈感性失感性失谐谐。容性失容性失谐谐：fosc f02；感性失感性失谐谐：fosc f01，fosc f03。第第 3 章正弦波振荡器章正弦波振荡器3.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度3.3.1提高频率稳度的基本措施提高频率稳度的基本措施3.3.2克拉泼振荡电路克拉泼振荡电路3.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度(1)定义：定义：频频率率稳稳定定度度又又称称为为频频稳稳度度，为为振振荡荡器器最最重重要要的的指指标标，指指在在规规定定时时间间内内，规规定定的的温温度度、湿湿度度、电电源源电电压压等等变变化化范范围内，围内，振荡频率的相对变化量振荡频率的相对变化量。(2)种类种类 按规定按规定时间的长短时间的长短不同，频稳度可分为：不同，频稳度可分为：长长期期频频稳稳度度：一一天天以以上上乃乃至至几几个个月月内内因因元元器器件件老老化化而而引引起的频率相对变化量。起的频率相对变化量。短短期期频频稳稳度度：一一天天内内因因温温度度、电电源源电电压压等等外外界界因因素素变变化化而引起的频率相对变化量。而引起的频率相对变化量。瞬时瞬时(秒级秒级)频稳度：频稳度：电路内部噪声引起频率相对变化量。电路内部噪声引起频率相对变化量。通常指短期频稳度。通常指短期频稳度。(3)表达式表达式 绝对准确度：绝对准确度：fosc=f-fosc fosc：标称频率：标称频率 相对准确度：相对准确度：f：实测的振荡频率实测的振荡频率将将规规定定时时间间划划分分为为 n 个个等等间间隔隔，各各间间隔隔内内实实测测的的振振荡荡频频率为率为 fi，短期频稳度的定义：短期频稳度的定义：式中，式中，(fosc)i=fi-fosc，第，第 i 个间隔内实测的绝对准确度；个间隔内实测的绝对准确度；为为绝绝对对准准确确度度的的平平均均值值，越越小小，频率准确度就越高。频率准确度就越高。(4)对频稳度的不同要求对频稳度的不同要求 高精度信号高精度信号 发生器发生器用用 途途中波电台中波电台电视发射机电视发射机信号发生器信号发生器频稳度频稳度10-510-4 10-510-710-7 10-93.3.1提高频率稳度的基本措施提高频率稳度的基本措施首先分析外界因素对振荡频率变化的影响。首先分析外界因素对振荡频率变化的影响。一、频稳度的定性分析一、频稳度的定性分析 1振荡频率的图解振荡频率的图解由相位平衡条件由相位平衡条件 T(osc)=0即即说明：说明：A()主主要要取取决决于于并并联联谐谐振振回回路路的的相相移移 z()，它它在在谐振频率附近随谐振频率附近随 的变化十分剧烈；的变化十分剧烈；f()随随 的的变变化化相相对对要要缓缓慢慢得得多多，可可近近似似认认为为它它是是与频率无关的常数，用与频率无关的常数，用 f 表示。表示。得：得：Z(osc)=f故故：Z()曲曲线线与与高高度度为为 f 水水平平线线相相交交点点上上所所对对应应的的角角频频率率振荡角频率振荡角频率 osc。2影响振荡频率影响振荡频率 osc 的参数的参数 图图 3-3-1(a)由由 可可知知：影影响响振振荡荡频频率率 osc 的的参参数数是是 0 0、Qe 和和 f。故故讨讨论论频频稳稳度度就就是是分分析析外外界界因因素素通通过过这这三三个个参参数数对对振振荡荡频频率率变变化化的的影影响。响。(1)谐振频率谐振频率 0 0 变化变化若若 L、C 变变化化，0 0 产产生生 0 0 的的变变化化，则则 z(z()曲曲线线沿沿横横坐坐标标平平移移 0 0，曲线形状不变。参看曲线形状不变。参看图图 3-3-1(a)。图图 3-3-1(b)(2)Qe 变化变化 若若负负载载和和管管子子参参数数变变化化，使使谐谐振振回回路路 Qe增增加加 Qe，则则 z z()曲曲 线线 变变 陡陡。Qe 引引 起起 振振 荡荡 频频 率率 的的 变变 化化 量量 与与 f f 大大 小小 有有 关关 。参看。参看图图 3-3-1(b)。(3)若若 f f 产产生生 f f，则则 z z()曲曲线线形状不变，而交点移动。形状不变，而交点移动。f f 引引起起振振荡荡频频率率的的变变化化与与 f f(同同条曲线条曲线)、Qe 的大小有关。的大小有关。3讨论讨论 提高提高 LC 振荡器频稳度的基本措施：振荡器频稳度的基本措施：图图 3-3-1(c)减减小小 0、Qe 和和 f，故故应应减减小小外外界界因因素素变变化化引引起起 0、Qe 和和 f 的的变变化。化。减减小小 f 和和增增大大 Qe，以以减减小小由由 Qe、f 引起的振荡频率变化量。引起的振荡频率变化量。二、提高频稳度的基本措施二、提高频稳度的基本措施1减小外界因素的变化减小外界因素的变化 外界因素：外界因素：温度、湿度、大气压、温度、湿度、大气压、电电源源电电压压、周周围围磁磁场场、机机械械振振动动及及负负载载变变化化等等，其其中中以以温温度的影响最严重。度的影响最严重。措措施施：减减振振、恒恒温温、密密封封(湿湿度度、大大气气压压)、高高稳稳定定度度电源、屏蔽罩、振荡器与负载间插入跟随器。电源、屏蔽罩、振荡器与负载间插入跟随器。2提高振荡回路标准性提高振荡回路标准性(1)标准性标准性 振振荡荡回回路路在在外外界界因因素素变变化化时时保保持持固固有有谐谐振振频频率率不不变变的的能能力。力。标准性越高，标准性越高，0 0 就越小。就越小。(2)0 0 与与 L、C 的关系的关系将此式展开，忽略高阶小量，化简为将此式展开，忽略高阶小量，化简为 (3)分析分析 可可见见，为为提提高高回回路路标标准准性性，必必须须减减小小 L、C 的的相相对对变变化化量。量。措施：措施：温温度度补补偿偿。电电感感和和部部分分寄寄生生参参量量有有正正值值的的温温度度系系数数，选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补偿。选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补偿。缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。使使用用稳稳定定度度高高的的外外接接集集总总电电容容、电电感感，减减小小不不稳稳定定的寄生量及其在的寄生量及其在 L、C 中的比重。中的比重。(4)讨论讨论fosc=(LC)-1/2稳稳定，定，CL Q0 Qe 频稳度频稳度所所以以，增增加加总总电电容容是是有有限限度度的的。因因此此一一般般都都串串联联电电容容，减小管子与回路间耦合的方法。减小管子与回路间耦合的方法。例例如：如：clapp 电路电路3.3.2克拉泼振荡电路克拉泼振荡电路1电路电路 图图 3-3-2(b)2特点特点 为为电电容容三三点点式式振振荡荡器器的的改改进进型型电电路路，其其差差别别：与与 C1、C2 串串联联的的电电容容 C3。且且C3 取取值值较较小小。满满足足 C3 C1，C3 Cq，所所以以 p 很很靠靠近近 s，例例如如 5 MHz 的的晶晶振体振体 fp fs 6.5 kHz小结：小结：晶振体两个谐振频率：晶振体两个谐振频率：fs、fp；且；且 fs 2R1，即，即 T(0)1，就可满足起振条件。，就可满足起振条件。图图 3-5-3(b)改画成电桥形式的电路改画成电桥形式的电路平平衡衡条条件件：Rt 为为具具有有负负温温度度系系数数的的热敏电阻。热敏电阻。RC 串并、联正弦波振荡器串并、联正弦波振荡器刚刚起起振振时时，Rt 的的温温度度最最低低，相相应应的的电电阻阻最最大大，因因而而运运放放增增益益最最大大，使使 T(0)1。振振幅幅过过大大，Rt 上上消消耗耗的的功功率率增增加加，致致使使温温度度上上升升，阻阻值值减减小小，直直到到 T(0)=1，进入平衡状态。，进入平衡状态。第第 3 章章正弦波振荡器正弦波振荡器3.6负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器3.6.1负阻器件负阻器件3.6.2负阻振荡原理及其电路负阻振荡原理及其电路3.6.3用负阻观点讨论用负阻观点讨论 LC 反馈振荡器反馈振荡器 负负阻阻振振荡荡器器是是采采用用负负阻阻器器件件与与 LC 谐谐振振回回路路共共同同构构成成的的一一种种正正弦弦波波振振荡荡器器，主主要要工工作作在在 100 MHz 以以上上的的超超高高频频段。段。3.6.1负阻器件负阻器件负负阻阻器器件件是是指指它它的的增量电阻为负的器件。增量电阻为负的器件。隧隧道道二二极极管管的的伏伏安安特性如图特性如图 3-6-1 所示。所示。图中图中vD=VQ+v=VQ+Vmsin t 忽略失真的情况下忽略失真的情况下iD=IQ+i=IQ+Imsin t 增量电流增量电流i=(gn)v=(gn)Vmsin t =Imsin t 加到器件上的平均功率加到器件上的平均功率vD=VQ+v=VQ+Vmsin t iD=IQ+i=IQ+Imsin t i=Imsin t 器件给出交流功率器件给出交流功率因为因为Vm VQ，Im 0 器件是将一部分直流功率转换为交流功率。器件是将一部分直流功率转换为交流功率。当当器器件件工工作作在在大大信信号号时时，定定义义器器件件的的平平均均负负增增量量电电导导为为 g gn(av)n(av)。图图 3-6-2 给给出出了了隧隧道道二二极极管管工工作作在在大大信信号号时时的的特特性性，图中电导图中电导式中：式中：I1m 基波电流振幅。基波电流振幅。3.6.2负阻振荡原理及其电路负阻振荡原理及其电路 图图 3-6-3 给出了电压控制型负阻振荡器。给出了电压控制型负阻振荡器。器件并接在谐振回路上器件并接在谐振回路上。电路方程为电路方程为 式中：式中：ge=ge0 gn(av)ge0 谐振回路固有谐振电导。谐振回路固有谐振电导。当时当时上式中，上式中，当时，当时，受到扰动时起振，振荡角频率为受到扰动时起振，振荡角频率为 。gn ge0 振幅增长振幅增长 gn(av)下降。下降。当当 gn(av)=ge0，产生稳定振荡，其角频率为，产生稳定振荡，其角频率为 0。起振条件：起振条件：gn ge0。平衡条件：平衡条件：或或ge0=gn(av)，振幅稳定条件：振幅稳定条件：相位稳定条件。相位稳定条件。谐振回路的相频特性予以保证谐振回路的相频特性予以保证。电电流流控控制制型型负负阻阻器器件件如如图图 3-6-4 所示所示。负阻器件串接在谐振回路中。负阻器件串接在谐振回路中。采用同样的分析方法得到。采用同样的分析方法得到。起振条件：起振条件：rn re0 平衡条件平衡条件：re0=rn(av)振幅稳定条件振幅稳定条件：相位稳定条件。相位稳定条件。谐振回路的相频特性予以保证谐振回路的相频特性予以保证。例例如如：电压控制型负阻振荡器如图电压控制型负阻振荡器如图 3-6-5 所示。所示。图图 3-6-5电压控制型负阻振荡器电压控制型负阻振荡器 R