高频电路高频电路第4章正弦波振荡器课件.ppt

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1、.概述.反馈振荡原理.LC 振荡器.晶体振荡器.压控振荡器.集成电路振荡器.RC 振荡器.集成高频正弦波振荡电路的选用与实例介绍.章末小结第4章 正弦波振荡器返回主目录第 4 章 正 弦 波 振 荡 器4.1概 述 振 荡 器 是 一 种 能 自 动 地 将 直 流 电 源 能 量 转 换 为 一 定 波 形 的交 变 振 荡 信 号 能 量 的 转 换 电 路。它 与 放 大 器 的 区 别 在 于,无 需外 加 激 励 信 号,就 能 产 生 具 有 一 定 频 率、一 定 波 形 和 一 定 振 幅的交流信号。根 据 所 产 生 的 波 形 不 同,可 将 振 荡 器 分 成 正 弦 波

2、 振 荡 器 和非 正 弦 波 振 荡 器 两 大 类。前 者 能 产 生 正 弦 波,后 者 能 产 生 矩 形波、三角波、锯齿波等。本章仅介绍正弦波振荡器。常 用 正 弦 波 振 荡 器 主 要 由 决 定 振 荡 频 率 的 选 频 网 络 和 维 持振 荡 的 正 反 馈 放 大 器 组 成,这 就 是 反 馈 振 荡 器。按 照 选 频 网 络所 采 用 元 件 的 不 同,正 弦 波 振 荡 器 可 分 为 振 荡 器、振荡 器 和 晶 体 振 荡 器 等 类 型。其 中 振 荡 器 和 晶 体 振 荡 器 用 于产 生 高 频 正 弦 波,振 荡 器 用 于 产 生 低 频 正

3、弦 波。正 反 馈 放大 器 既 可 以 由 晶 体 管、场 效 应 管 等 分 立 器 件 组 成,也 可 以 由 集成 电 路 组 成,但 前 者 的 性 能 可 以 比 后 者 做 得 好 些,且 工 作 频 率也 可 以 做 得 更 高。本 章 介 绍 高 频 振 荡 器 时 以 分 立 器 件 为 主,介绍低频振荡器时以集成运放为主。另 外 还 有 一 类 负 阻 振 荡 器,它 是 利 用 负 阻 器 件 所 组 成 的 电路来产生正弦波,主要用在微波波段,本书不作介绍。4.2 反馈振荡原理 4.2.1并联谐振回路中的自由振荡现象 在 反 馈 振 荡 器 中,并 联 谐 振 回 路

4、 是 最 基 本 的 选 频 网 络,所 以 先 讨 论 并 联 回 路 的 自 由 振 荡 现 象,并 以 此 为 基 础 分 析反馈振荡器的工作原理。图421是 一 个 并 联 谐 振 回 路 与 一 个 直 流 电 压 源US 的 连接 图。e0是 并 联 回 路 的 谐 振 电 阻。在 以 前 开 关S 接 通,使uc()=Us。在 时,开 关S 很 快 断 开,接 通。根 据 电 路 分 析 基 础 知 识,可 以 求 出 在 e0 的 情 况 下,以 后,并 联 回 路 两 端 电 压 的 表 达 式,即 回 路 在 欠 阻 尼 情况下的零输入响应：其 中 振 荡 角 频 率0=1

5、,衰 减 系 数=。可 见,当 谐 振 电 阻 较 大 时,并 联 谐 振 回 路 两 端 的 电 压 变 化是 一 个 振 幅 按 指 数 规 律 衰 减 的 正 弦 振 荡。其 振 荡 波 形 如 图422所示。并 联 谐 振 回 路 中 自 由 振 荡 衰 减 的 原 因 在 于 损 耗 电 阻 的 存 在。若 回 路 无 损 耗,即 e0,则 衰 减 系 数,由 式（421）可 知,回 路 两 端 电 压 变 化 将 是 一 个 等 幅 正 弦 振 荡。由 此 可 以 产生 一 个 设 想,如 果 采 用 正 反 馈 的 方 法,不 断 地 适 时 给 回 路 补 充能 量,使 之 刚

6、 好 与 e 上 损 耗 的 能 量 相 等,那 么 就 可 以 获 得 等 幅的正弦振荡了。4.2.2振荡过程与振荡条件 利 用 正 反 馈 方 法 来 获 得 等 幅 的 正 弦 振 荡,这 就 是 反 馈 振 荡 器的 基 本 原 理。反 馈 振 荡 器 是 由 主 网 络 和 反 馈 网 络 组 成 的 一 个 闭合 环 路,如 图4.2.3所 示。其 主 网 络 一 般 由 放 大 器 和 选 频 网 络 组成,反馈网络一般由无源器件组成。一 个 反 馈 振 荡 器 必 须 满 足 三 个 条 件：起 振 条 件（保 证 接通 电 源 后 能 逐 步 建 立 起 振 荡）,平 衡 条

7、 件（保 证 进 入 维 持 等 幅持 续 振 荡 的 平 衡 状 态）和 稳 定 条 件（保 证 平 衡 状 态 不 因 外 界 不稳定因素影响而受到破坏）。起振过程与起振条件 在 图423所 示 闭 合 环 路 中,在 处 断 开,并 定 义 环路增益 其 中,分 别 是 反 馈 电 压、输入电压、主网络增益和反馈系数,均代表复数。在 刚 接 通 电 源 时,电 路 中 存 在 各 种 电 扰 动,如 接 通 电 源瞬 间 引 起 的 电 流 突 变,电 路 中 的 热 噪 声 等 等,这 些 扰 动 均 具有 很 宽 的 频 谱。如 果 选 频 网 络 是 由 并 联 谐 振 回 路 组

8、 成,则 其 中 只 有 角 频 率 为 谐 振 角 频 率0的 分 量 才 能 通 过 反 馈 产生 较 大 的 反 馈 电 压。如 果 在 谐 振 频 率 处,与 原 输入 电 压 同 相,并 且 具 有 更 大 的 振 幅,则 经 过 线 性 放大 和 反 馈 的 不 断 循 环,振 荡 电 压 振 幅 就 会 不 断 增 大。所 以,要使振幅不断增长的条件是:也可分别写成：即 T(0)=2n(n=,)(4.2.5)式（424）和（425）分 别 称 为 振 幅 起 振 条 件 和相 位 起 振 条 件。在 起 振 过 程 中,直 流 电 源 补 充 的 能 量 大 于 整个环路消耗的能

9、量。T(0)=1(4.2.7)T(0)=2n(n=,)(4.2.8)式（427）和（428）分 别 称 为 振 幅 平 衡 条件和相位平衡条件。根 据 振 幅 的 起 振 条 件 和 平 衡 条 件,环 路 增 益 的 模 值 应 该具 有 随 振 幅Ui增 大 而 下 降 的 特 性,如 图4.2.4所 示。由 于 一 般放 大 器 的 增 益 特 性 曲 线 均 具 有 如 图4.2.4所 示 的 形 状,所 以 这一 条 件 很 容 易 满 足,只 要 保 证 起 振 时 环 路 增 益 幅 值 大 于 即可。而 环 路 增 益 的 相 位T（0）则 必 须 维 持 在 上,保证为正反馈

10、。平衡状态的稳定性和稳定条件 振 荡 器 在 工 作 过 程 中,不 可 避 免 地 要 受 到 各 种 外 界 因 素变 化 的 影 响,如 电 源 电 压 波 动、温 度 变 化、噪 声 干 扰 等。这些 不 稳 定 因 素 将 引 起 放 大 器 和 回 路 的 参 数 发 生 变 化,结 果 使（0）或T（0）变 化,破 坏 原 来 的 平 衡 条 件。如 果 通 过放 大 和 反 馈 的 不 断 循 环,振 荡 器 越 来 越 偏 离 原 来 的 平 衡 状 态,从 而 导 致 振 荡 器 停 振 或 突 变 到 新 的 平 衡 状 态,则 表 明 原 来 的平 衡 状 态 是 不

11、稳 定 的。反 之,如 果 通 过 放 大 和 反 馈 的 不 断 循环,振 荡 器 能 够 产 生 回 到 原 平 衡 点 的 趋 势,并 且 在 原 平 衡 点 附近建立新的平衡状态,则表明原平衡状态是稳定的。要 使 振 幅 稳 定,振 荡 器 在 其 平 衡 点 必 须 具 有 阻 止 振 幅 变 化的 能 力。具 体 来 说,在 平 衡 点UiUiA附 近,当 不 稳 定 因 素 使 输入 振 幅Ui增 大 时,环 路 增 益 幅 值(0)应 该 减 小,使 反 馈 电 压振 幅Uf减 小,从 而 阻 止Ui增 大；当 不 稳 定 因 素 使Ui减 小 时,T(0)应 该 增 大,使U

12、f增 大,从 而 阻 止Ui减 小。这 就 要 求 在 平 衡点附近,T(0)随Ui的变化率为负值,即:T(0)=Ui Ui=UiA0(4.2.9)式（429）就 是 振 幅 稳 定 条 件。对 照 图4 24可 以看 到,满 足 这 个 条 件 的 环 路 增 益 特 性 与 满 足 起 振 和 平 衡 条 件 所要求的环路增益特性是一致的。当 不 稳 定 因 素 使 减 小 时,相 频 特 性T（0）应 产 生 一个,从 而 产 生 一 个,使 增 大,即T（）曲 线 在0 附 近应为负斜率,如图425所示。数学上可表示为：式（4.2.10）就是相位的稳定条件。4.2.3反馈振荡电路判断

13、根 据 上 述 反 馈 振 荡 电 路 的 基 本 原 理 和 应 当 满 足 的 起 振、平衡 和 稳 定 三 个 条 件,判 断 一 个 反 馈 振 荡 电 路 能 否 正 常 工 作,需考虑以下几点：可 变 增 益 放 大 器 件(晶 体 管,场 效 应 管 或 集 成 电 路)应 有正确的直流偏置,开始时应工作在甲类状态,便于起振。开 始 起 振 时,环 路 增 益 幅 值AF(0)应 大 于1。由 于 反 馈网 络 通 常 由 无 源 器 件 组 成,反 馈 系 数F 小 于1,故A(0)必 须 大 于1。共 射、共 基 电 路 都 可 以 满 足 这 一 点。为 了 增 大A(0)

14、,负载电阻不能太小。环路增益相位在振荡频率点应为2 的整数倍,即环路应是正反馈。选 频 网 络 应 具 有 负 斜 率 的 相 频 特 性。因 为 在 振 荡 频 率点 附 近,可 以 认 为 放 大 器 件 本 身 的 相 频 特 性 为 常 数,而 反 馈 网络 通 常 由 变 压 器、电 阻 分 压 器 或 电 容 分 压 器 组 成,其 相 频 特性 也 可 视 为 常 数,所 以 相 位 稳 定 条 件 应 该 由 选 频 网 络 实 现。注 意LC 并 联 回 路 阻 抗 的 相 频 特 性 和LC 串 联 回 路 导 纳 的 相 频 特性 是 负 斜 率,而LC 并 联 回 路

15、导 纳 的 相 频 特 性 和LC 串 联 回 路 阻抗的相频特性是正斜率。以上第点可根据直流等效电路进行判断,其余3点可根据交流等效电路进行判断。例 4.1 判断图例4.1所示各反馈振荡电路能否正常工作。其 中（）、（）是 交 流 等 效 电 路,（）是 实 用 电 路。解:图 示 三 个 电 路 均 为 两 级 反 馈,且 两 级 中 至 少 有 一 级 是共 射 电 路 或 共 基 电 路,所 以 只 要 其 电 压 增 益 足 够 大,振 荡 的 振幅 条 件 容 易 满 足。而 相 位 条 件 一 是 要 求 正 反 馈,二 是 选 频 网络应具有负斜率特性。（）图 由 两 级 共

16、射 反 馈 电 路 组 成,其 瞬 时 极 性 如 图 中 所标 注,所 以 是 正 反 馈。并 联 回 路 同 时 担 负 选 频 和 反 馈 作 用,且 在 谐 振 频 率 点 反 馈 电 压 最 强。在 讨 论 选 频 网 络 的 相 频 特 性时,一定要注意应采用其阻抗特性还是导纳特性。对 于（）图,并 联 回 路 输 入 是V2 管 集 电 极 电 流ic2,输 出 是 反 馈 到V1 管be 两 端 的 电 压ube1,所 以 应 采 用 其 阻抗 特 性。根 据 图（b）,可 知 并 联 回 路 的 阻 抗 相频 特 性 是 负 斜 率。综 上 所 述,(a)图 电 路 也 满

17、足 相 位 条 件,因此能够正常工作。（）图 由 共 基共 集 两 级 反 馈 组 成。根 据 瞬 时 极 性 判断 法,如 把 并 联 回 路 作 为 一 个 电 阻 看 待,则 为 正 反 馈。但 并 联 回 路 在 谐 振 频 率 点 阻 抗 趋 于 无 穷 大,正 反 馈 最 弱。同 时 对 于 此 并 联 回 路 来 说,其 输 入 是 电 阻 e2上 的 电 压,输 出 是 电 流,所 以 应 采 用 其 导 纳 特 性。由 于 并 联 回 路 导 纳的 相 频 特 性 是 正 斜 率,所 以 不 满 足 相 位 稳 定 条 件。综 上 所 述,（）图电路不能正常工作。（）图 与（

18、）图 不 同 之 处 在 于 用 串 联 回 路 置 换 了 并 联回 路。由 于LC 串 联 回 路 在 谐 振 频 率 点 阻 抗 趋 于 零,正 反 馈 最强,且 其 导 纳 的 相 频 特 性 是 负 斜 率,满 足 相 位 稳 定 条 件,所 以（）图 电 路 能 正 常 工 作。(c)图 中 在V2 的 发 射 极 与V1 的 基 极之间增加了一条负反馈支路,用以稳定电路的输出波形。4.3.2三点式振荡器 电路组成法则 三 点 式 振 荡 器 是 指 回 路 的 三 个 端 点 与 晶 体 管 的 三 个电 极 分 别 连 接 而 组 成 的 一 种 振 荡 器。三 点 式 振 荡

19、 器 电 路 用 电容 耦 合 或 自 耦 变 压 器 耦 合 代 替 互 感 耦 合,可 以 克 服 互 感 耦 合振 荡 器 振 荡 频 率 低 的 缺 点,是 一 种 广 泛 应 用 的 振 荡 电 路,其 工作频率可达到几百兆赫。图432是 三 点 式 振 荡 器 的 原 理 图。先 分 析 在 满 足 正反 馈 相 位 条 件 时,回 路 中 三 个 电 抗 元 件 应 具 有 的 性 质。假 定 回 路 由 纯 电 抗 元 件 组 成,其 电 抗 值 分 别 为 ce,be和 bc,同 时 不 考 虑 晶 体 管 的 电 抗 效 应,则 当 回 路 谐 振（0）时,回路呈纯阻性,有

20、：cebebc 由 于 是 在bebc支 路 分 配 在Xbe上 的 电 压,有=因 为 这 是 一 个 正 反 馈 反 相 放 大 器,与 同 相,与 反相,所以 即be与ce必 须 是 同 性 质 电 抗,因 而Xbc必 须 是 异 性 质电抗。由 上 面 的 分 析 可 知,在 三 点 式 电 路 中,回 路 中 与 发 射极 相 连 接 的 两 个 电 抗 元 件 必 须 为 同 性 质,另 外 一 个 电 抗 元 件必 须 为 异 性 质。这 就 是 三 点 式 电 路 组 成 的 相 位 判 据,或 称 为三点式电路的组成法则。与 发 射 极 相 连 接 的 两 个 电 抗 元 件

21、 同 为 电 容 时 的 三 点 式 电路,称为电容三点式电路,也称为考毕兹电路。与 发 射 极 相 连 接 的 两 个 电 抗 元 件 同 为 电 感 时 的 三 点 式 电路,称为电感三点式电路,也称为哈特莱电路。电 容 三 点 式 电 路（又 称 考 毕 兹 电 路,）由 于 电 容 三 点 式 电 路 已 满 足 反 馈 振 荡 器 的 相 位 条 件,只 要再 满 足 振 幅 起 振 条 件 就 可 以 正 常 工 作。因 为 晶 体 管 放 大 器 的 增益 随 输 入 信 号 振 幅 变 化 的 特 性 与 振 荡 的 三 个 振 幅 条 件 一 致,所以只要能起振,必定满足平衡

22、和稳定条件。由 图4.3.3（）可 见,这 是 一 个 共 基 电 路。利 用 晶 体 管 共基 组 态 简 化 等 效 电 路 可 以 将 电 容 三 点 式 电 路 画 成 如 图4.3.4（）所 示 的 形 式,其 中 虚 线 框 内 是 晶 体 管 共 基 组 态 简 化 等 效 电 路。RL=Re0RL。晶体管输出电容未考虑。在 图.（）中 的 双 电 容 耦 合 电 路 里,可 把 次 级 电路 元 件 e、e、be等 效 到 初 级 中,如 图.（）所示。在 图.（）中 的 双 电 容 耦 合 电 路 里,可 把 次 级 电路 元 件 e、e、be等 效 到 初 级 中,如 图.

23、（）所示。其中接入系数 图4.3.（）又可以进一步等效为图4.（）。其中等效电导G=gL+ge,式中，gL=L,ge=。等效电纳B=C-1(L),所以环路增益振荡角频率由此可求得振幅起振条件为:即其中本电路的反馈系数 的取值一般为。由 式（4.3.1）可 知,为 了 使 电 容 三 点 式 电 路 易 于 起 振,应选 择 跨 导 m 较 大、rbe 较 大 的 晶 体 管,其 负 载 L 和 回 路 谐振 电 阻 e0 也 要 大,而 接 入 系 数 要 合 理 选 择。实 践 表 明,如果 选 用 截 止 频 率 T 大 于 振 荡 频 率 五 倍 以 上 的 晶 体 管 作 放 大 器,

24、负 载 L 不 要 太 小（k 以 上）,接 入 系 数 取 值 合 适,一 般都能满足起振条件。.电感三点式电路（又称哈特莱电路,）图4.3.5（）为 电 感 三 点 式 振 荡 器 电 路。其 中 1,2是回 路 电 感,是 回 路 电 容,c 和 e 是 耦 合 电 容,b是 旁 路 电容,3和 4是 高 频 扼 流 圈。（）图 为 其 共 基 组 态 交 流 等 效电 路。利 用 类 似 于 电 容 三 点 式 振 荡 器 的 分 析 方 法,也可 以 求 得 电 感 三 点 式 振 荡 器 振 幅 起 振 条 件 和 振 荡 频 率,区 别在于这里以自耦变压器耦合代替了电容耦合。振荡

25、角频率0=(4.3.3)其中L=L1+L2+2M,M 为互感系数起振条件 其中接入系数 n=gL=ge=本电路反馈系数 F=n=(4.3.5)的取值一般为。电 容 三 点 式 振 荡 器 和 电 感 三 点 式 振 荡 器 各 有 其 优 缺 点。电 容 三 点 式 振 荡 器 的 优 点 是：反 馈 电 压 取 自 2,而 电 容对 晶 体 管 非 线 性 特 性 产 生 的 高 次 谐 波 呈 现 低 阻 抗,所 以 反 馈 电压中高次谐波分量很小,因而输出波形好,接近于正弦波。缺 点 是：反 馈 系 数 因 与 回 路 电 容 有 关,如 果 用 改 变 回 路 电容 的 方 法 来 调

26、 整 振 荡 频 率,必 将 改 变 反 馈 系 数,从 而 影 响 起 振。电 感 三 点 式 振 荡 器 的 优 点 是 便 于 用 改 变 电 容 的 方 法 来 调 整振 荡 频 率,而 不 会 影 响 反 馈 系 数,缺 点 是 反 馈 电 压 取 自 2,而电 感 线 圈 对 高 次 谐 波 呈 现 高 阻 抗,所 以 反 馈 电 压 中 高 次 谐 波 分量较多,输出波形较差。两 种 振 荡 器 共 同 的 缺 点 是：晶 体 管 输 入 输 出 电 容 分 别 和两 个 回 路 电 抗 元 件 并 联,影 响 回 路 的 等 效 电 抗 元 件 参 数,从 而影 响 振 荡 频

27、 率。由 于 晶 体 管 输 入 输 出 电 容 值 随 环 境 温 度、电源 电 压 等 因 素 而 变 化,所 以 三 点 式 电 路 的 频 率 稳 定 度 不 高,一般在-3量级。例.在 图 例4.3所 示 振 荡 器 交 流 等 效 电 路 中,三 个 并 联 回 路 的 谐 振 频 率 分 别 是：f1=1(),f2=1(),f3=1(),试 问 1、2、3满 足 什 么 条 件 时 该振荡器能正常工作？且相应的振荡频率是多少？解:由 图 可 知,只 要 满 足 三 点 式 组 成 法 则,该 振 荡 器 就 能正常工作。若 组 成 电 容 三 点 式,则 在 振 荡 频 率 01

28、处,11回 路 与 22回 路 应 呈 现 容 性,33回 路 应 呈 现 感 性。所 以 应 满 足 1 2013或21013。若 组 成 电 感 三 点 式,则 在 振 荡 频 率 02处,11回 路 与22回 路 应 呈 现 感 性,33回 路 应 呈 现 容 性,所 以 应 满 足1 2023或21023。在两种情况下,振荡频率0的表达式均为:例 4.4 在 图 例4.所 示 电 容 三 点 式 振 荡 电 路 中,已 知.H,1 F,2 F,3 F,L k,m m,be F,0,试求能够起振的频率范围。解:参 照 图4.3.4所 示 交 流 等 效 电 路,可 求 得 图 例4.4所

29、 示电容三点式电路的有关参数。(1)当C3=12 pF 时,C=62.23pF ge0=又所以 根据振幅起振条件式（4.3.1）gm gL+nge 可 见 3 F 时,电 路 满 足 起 振 条 件,相 应 的 振 荡频率 f0=（）当3pF 时,可求出相应参数 可见这时电路不满足振幅起振条件。（）低频段满足起振条件的临界值为:gm=对应的总等效电容=0.015(3010-3-0.0153010-3)-0.210-30.2410-3S C=L(Q0ge0)2=0.510-6(800.2410-3)2 184pF 对应可变电容值 对应的振荡频率 f0=所 以,振 荡 频 率 范 围 为。克拉泼（

30、）电路 从 上 面 分 析 可 知,电 容 三 点 式 电 路 比 电 感 三 点 式 电 路 性 能要 好 些,但 如 何 减 小 晶 体 管 输 入 输 出 电 容 对 频 率 稳 定 度 的 影响 仍 是 一 个 必 须 解 决 的 问 题,于 是 出 现 了 改 进 型 的 电 容 三 点式电路克拉泼电路。图436（）是 克 拉 泼 电 路 的 实 用 电 路,（）是 其高 频 等 效 电 路。与 电 容 三 点 式 电 路 比 较,克 拉 泼 电 路 的 特 点是 在 回 路 中 增 加 了 一 个 与 串 联 的 电 容 3。各 电 容 取 值 必 须满 足：31,3，2,这 样

31、可 使 电 路 的 振 荡 频 率 近 似 只与3、有关。先 不 考 虑 晶 体 管 输 入 输 出 电 容 的 影 响。因 为 3远 远 小 于1或2,所以1、2、3三个电容串联后的等效电容于是,振荡角频率 由 此 可 见,克 拉 泼 电 路 的 振 荡 频 率 几 乎 与 1、2无 关。现 在 分 析 晶 体 管 结 电 容 ce、be 对 振 荡 频 率 的 影 响。由图（）可以看到,ce与谐振回路的接入系数 和 电 容 三 点 式 电 路 中 ce 与 谐 振 回 路 的 接 入 系 数n=C2(C1+C2)比较,由于31,32,所以。由 于 ce的 接 入 系 数 大 大 减 小,所

32、 以 它 等 效 到 回 路 两 端 的电容值也大大减小,对振荡频率的影响也大大减小。同理,be对振荡频率的影响也极小。因 此,克 拉 泼 电 路 的 频 率 稳 定 度 比 电 容 三 点 式 电 路 要 好。在 实 际 电 路 中,根 据 所 需 的 振 荡 频 率 决 定、3的 值,然后 取 1、2远 大 于 3即 可。但 是 3不 能 取 得 太 小,否 则 将影响振荡器的起振。由 图（）可 以 看 到,晶 体 管、两 端 与 回路、两端之间的接入系数 n1=所 以,、两 端 的 等 效 电 阻RL=RLRe0,折 算 到、两端后为:共 基 电 路 的 等 效 负 载,L 越 小,则

33、共 基 电 路 的 电 压 增益 越 小,从 而 环 路 增 益 越 小,越 不 易 起 振。对 于 考 毕 兹 电 路 而言,共 基 电 路 的 等 效 负 载 就 是RL。所 以,克 拉 泼 电 路 是 用 牺牲环路增益的方法来换取回路标准性的提高。克 拉 泼 电 路 的 缺 陷 是 不 适 合 于 作 波 段 振 荡 器。波 段 振 荡器 要 求 在 一 段 区 间 内 振 荡 频 率 可 变,且 振 荡 幅 值 保 持 不 变。由 于 克 拉 泼 电 路 在 改 变 振 荡 频 率 时 需 调 节 3,根 据 式（43 7）,当 3改 变 以 后,RL 将 发 生 变 化,使 环 路

34、增 益 发生 变 化,从 而 使 振 荡 幅 值 也 发 生 变 化。所 以 克 拉 泼 电 路 只 适 宜于 作 固 定 频 率 振 荡 器 或 波 段 复 盖 系 数 较 小 的 可 变 频 率 振 荡 器。所 谓 波 段 复 盖 系 数 是 指 可 以 在 一 定 波 段 范 围 内 连 续 正 常 工 作的 振 荡 器 的 最 高 工 作 频 率 与 最 低 工 作 频 率 之 比。一 般 克 拉 泼电路的波段复盖系数为。西勒（）电路 针 对 克 拉 泼 电 路 的 缺 陷,出 现 了 另 一 种 改 进 型 电 容 三 点 式电 路西 勒 电 路。图437（）是 其 实 用 电 路,

35、（）是其高频等效电路。西 勒 电 路 是 在 克 拉 泼 电 路 基 础 上,在 电 感 两 端 并 联 了 一个 小 电 容 4,且 满 足 1、2远 大 于 3,1、2远 大 于 4,所以其回路等效电容所以,振荡频率 在 西 勒 电 路 中,由 于 4 与 并 联,所 以 4的 大 小 不 影 响回 路 的 接 入 系 数,其 共 基 电 路 等 效 负 载RL 仍 同 式（）所 示。如 果 使 3固 定,通 过 变 化 4来 改 变 振 荡 频 率,则RL 在 振 荡 频 率 变 化 时 基 本 保 持 不 变,从 而 使 输 出 振 幅 稳 定。因 此,西 勒 电 路 可 用 作 波

36、段 振 荡 器,其 波 段 覆 盖 系 数 为 左右。小结 以 上 所 介 绍 的 五 种 振 荡 器 均 是 采 用 元 件 作 为 选频 网 络。由 于 元 件 的 标 准 性 较 差,因 而 谐 振 回 路 的 值较 低,空 载 值 一 般 不 超 过,有 载 值 就 更 低,所 以 振 荡 器 的 频 率 稳 定 度 不 高,一 般 为-3量 级,即 使 是 克 拉泼 电 路 和 西 勒 电 路 也 只 能 达 到-4-5 量 级。如 果需要频率稳定度更高的振荡器,可以采用晶体振荡器。44晶 体 振 荡 器 4.4.1石英晶体及其特性 石英晶体谐振器 石 英 是 矿 物 质 硅 石 的

37、 一 种,化 学 成 分 是 i 2,形 状 是 呈角锥形的六棱结晶体。石 英 晶 体 具 有 压 电 效 应。当 交 流 电 压 加 在 晶 体 两 端,晶体 先 随 电 压 变 化 产 生 应 变,然 后 机 械 振 动 又 使 晶 体 表 面 产 生 交变 电 荷。当 晶 体 几 何 尺 寸 和 结 构 一 定 时,它 本 身 有 一 个 固 有 的机 械 振 动 频 率。当 外 加 交 流 电 压 的 频 率 等 于 晶 体 的 固 有 频 率时,晶 体 片 的 机 械 振 动 最 大,晶 体 表 面 电 荷 量 最 多,外 电 路 中的 交 流 电 流 最 强,于 是 产 生 了 谐

38、 振。因 此,将 石 英 晶 体 按 一 定方 位 切 割 成 片,两 边 敷 以 电 极,焊 上 引 线,再 用 金 属 或 玻 璃 外壳封装即构成石英晶体谐振器（简称石英晶振）。石 英 晶 振 的 固 有 频 率 十 分 稳 定,它 的 温 度 系 数（温 度 变 化 所 引 起 的 固 有 频 率 相 对 变 化 量）在-6以 下。另 外,石英 晶 振 的 振 动 具 有 多 谐 性,即 除 了 基 频 振 动 外,还 有 奇 次 谐 波泛 音 振 动。对 于 石 英 晶 振,既 可 利 用 其 基 频 振 动,也 可 利 用 其泛 音 振 动。前 者 称 为 基 频 晶 体,后 者 称

39、 为 泛 音 晶 体。晶 片 厚 度与 振 动 频 率 成 反 比,工 作 频 率 越 高,要 求 晶 片 越 薄,因 而 机 械强 度 越 差,加 工 越 困 难,使 用 中 也 易 损 坏。由 此 可 见,在 同 样的 工 作 频 率 上,泛 音 晶 体 的 切 片 可 以 做 得 比 基 频 晶 体 的 切 片 厚一 些。所 以 在 工 作 频 率 较 高 时,常 采 用 泛 音 晶 体。通 常 在 工 作频 率 小 于20MHz 时 采 用 基 频 晶 体,大 于20 MHz 时 采 用泛音晶体。.石英晶振的阻抗频率特性 图4是石英晶振的符号和等效电路。其中：安装电容C0 约pF F

40、动态电感Lq约10-3H 102 H 动态电容Cq约10-4pF 10-1pF 动态电阻rq约几十欧到几百欧 由以上参数可以看到：）石 英 晶 振 的 值 和 特 性 阻 抗 都 非 常 高。值 可 达几万到几百万,因为（2）由 于 石 英 晶 振 的 接 入 系 数n=Cq(C0+Cq)很 小,所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。综 合 以 上 两 点,不 难 理 解 石 英 晶 振 的 频 率 稳 定 度 是 非 常高的。由 图4（）可 以 看 到,石 英 晶 振 可 以 等 效 为 一个 串 联 谐 振 回 路 和 一 个 并 联 谐 振 回 路。若 忽 略 q,则 晶 振 两端 呈

41、 现 纯 电 抗,其 电 抗 频 率 特 性 曲 线 如 图4 中 两 条 实线所示。串联谐振频率并联谐振频率 Fp=由 于CqC0很 小,所 以 p与 s间 隔 很 小,因 而 在 s p感 性 区 间,石 英 晶 振 具 有 陡 峭 的 电 抗 频 率 特 性,曲 线 斜 率 大,利 于 稳 频。若 外 部 因 素 使 谐 振 频 率 增 大,则 根 据 晶 振 电 抗 特 性,必 然 使 等 效 电 感 增 大,但 由 于 振 荡 频 率 与 的 平 方 根 成 反 比,所以又促使谐振频率下降,趋近于原来的值。石 英 晶 振 产 品 还 有 一 个 标 称 频 率 N。N 的 值 位 于

42、 s 与p之 间,这 是 指 石 英 晶 振 两 端 并 接 某 一 规 定 负 载 电 容 L 时 石英 晶 振 的 振 荡 频 率。CL 的 电 抗 频 率 曲 线 如 图4.4.2中 虚 线 所 示。负 载 电 容CL 的 值 载 于 生 产 厂 家 的 产 品 说 明 书 中,通 常 为30pF(高 频 晶 体),或100pF(低 频 晶 体),或 标 示 为(指 无 需 外 接 负 载电容,常用于串联型晶体振荡器)。4.4.2晶体振荡器电路 将 石 英 晶 振 作 为 高 值 谐 振 回 路 元 件 接 入 正 反 馈 电 路 中,就组 成 了 晶 体 振 荡 器。根 据 石 英 晶

43、 振 在 振 荡 器 中 的 作 用 原 理,晶体 振 荡 器 可 分 成 两 类。一 类 是 将 其 作 为 等 效 电 感 元 件 用 在 三 点式 电 路 中,工 作 在 感 性 区,称 为 并 联 型 晶 体 振 荡 器；另 一 类 是将 其 作 为 一 个 短 路 元 件 串 接 于 正 反 馈 支 路 上,工 作 在 它 的 串 联谐振频率上,称为串联型晶体振荡器。皮尔斯（）振荡电路 并 联 型 晶 体 振 荡 器 的 工 作 原 理 和 三 点 式 振 荡 器 相 同,只 是将 其 中 一 个 电 感 元 件 换 成 石 英 晶 振。石 英 晶 振 可 接 在 晶 体 管、极 之

44、 间 或、极 之 间,所 组 成 的 电 路 分 别 称 为 皮尔斯振荡电路和密勒振荡电路。皮 尔 斯 电 路 是 最 常 用 的 振 荡 电 路 之 一。图443（）是 皮 尔 斯 电 路,（）是 其 高 频 等 效 电 路,其 中 虚 线 框 内 是 石英晶振的等效电路。由 图4（）可 以 看 出,皮 尔 斯 电 路 类 似 于 克 拉泼 电 路,但 由 于 石 英 晶 振 中 q极 小,q极 高,所 以 皮 尔 斯 电路具有以下一些特点：（）振 荡 回 路 与 晶 体 管、负 载 之 间 的 耦 合 很 弱。晶 体 管、端,、端和、端的接入系数分别是:以 上 三 个 接 入 系 数 一

45、般 均 小 于-3-4,所 以 外 电路 中 的 不 稳 定 参 数 对 振 荡 回 路 影 响 很 小,提 高 了 回 路 的 标 准 性。（）振 荡 频 率 几 乎 由 石 英 晶 振 的 参 数 决 定,而 石 英 晶 振本身的参数具有高度的稳定性。振荡频率 其 中 L 是 和 晶 振 两 端 并 联 的 外 电 路 各 电 容 的 等 效 值,即根据产品要求的负载电容。在 实 用 时,一 般 需 加 入 微 调 电 容,用 以 微 调 回 路 的 谐 振 频率,保证电路工作在晶振外壳上所注明的标称频率N上。（）由 于 振 荡 频 率 0一 般 调 谐 在 标 称 频 率 N上,位 于晶

46、振的感性区内,电抗曲线陡峭,稳频性能极好。（）由 于 晶 振 的 值 和 特 性 阻 抗=都 很 高,所以 晶 振 的 谐 振 电 阻 也 很 高,一 般 可 达 10 以 上。这 样 即 使外 电 路 接 入 系 数 很 小,此 谐 振 电 阻 等 效 到 晶 体 管 输 出 端 的 阻 抗仍 很 大,使 晶 体 管 的 电 压 增 益 能 满 足 振 幅 起 振 条 件 的 要 求。例 4.5图 例4（）是 一 个 数 字 频 率 计 晶 振 电 路,试 分析其工作情况。解:先 画 出V1 管 高 频 交 流 等 效 电 路,如 图 例4（）所 示,F 电 容 较 大,作 为 高 频 旁

47、路 电 路,V2管 作 射 随器。由 高 频 交 流 等 效 电 路 可 以 看 到,V1管 的c、e 极 之 间有一个回路,其谐振频率为:f0=所 以 在 晶 振 工 作 频 率 MHz 处,此 回 路 等 效 为 一 个电 容。可 见,这 是 一 个 皮 尔 斯 振 荡 电 路,晶 振 等 效 为 电 感,容量 为 pF pF 的 可 变 电 容 起 微 调 作 用,使 振 荡 器 工 作在晶振的标称频率MHz 上。密勒（）振荡电路 图444是 场 效 应 管 密 勒 振 荡 电 路。石 英 晶 体 作 为 电 感元 件 连 接 在 栅 极 和 源 极 之 间,并 联 回 路 在 振 荡

48、频 率 点 等 效为 电 感,作 为 另 一 电 感 元 件 连 接 在 漏 极 和 源 极 之 间,极 间 电 容gd作 为 构 成 电 感 三 点 式 电 路 中 的 电 容 元 件。由 于 gd又 称 为密勒电容,故此电路有密勒振荡电路之称。密 勒 振 荡 电 路 通 常 不 采 用 晶 体 管,原 因 是 正 向 偏 置 时 高 频晶 体 管 发 射 结 电 阻 太 小,虽 然 晶 振 与 发 射 结 的 耦 合 很 弱,但 也会 在 一 定 程 度 上 降 低 回 路 的 标 准 性 和 频 率 的 稳 定 性,所 以 采 用输入阻抗高的场效应管。泛音晶振电路 从 图4.4.1(c)

49、中 可 以 看 到,在 石 英 晶 振 的 完 整 等 效 电 路 中,不 仅 包 含 了 基 频 串 联 谐 振 支 路,还 包 括 了 其 它 奇 次 谐 波 的 串联 谐 振 支 路,这 就 是 前 面 所 说 的 石 英 晶 振 的 多 谐 性。但 泛 音晶 体 所 工 作 的 奇 次 谐 波 频 率 越 高,可 能 获 得 的 机 械 振 荡 和 相应的电振荡越弱。在 工 作 频 率 较 高 的 晶 体 振 荡 器 中,多 采 用 泛 音 晶 体 振 荡电 路。泛 音 晶 振 电 路 与 基 频 晶 振 电 路 有 些 不 同。在 泛 音 晶 振电 路 中,为 了 保 证 振 荡 器

50、 能 准 确 地 振 荡 在 所 需 要 的 奇 次 泛 音上,不 但 必 须 有 效 地 抑 制 掉 基 频 和 低 次 泛 音 上 的 寄 生 振 荡,而且 必 须 正 确 地 调 节 电 路 的 环 路 增 益,使 其 在 工 作 泛 音 频 率 上略 大 于1,满 足 起 振 条 件,而 在 更 高 的 泛 音 频 率 上 都 小 于1,不满足起振条件。在 实 际 应 用 时,可 在 三 点 式 振 荡 电 路 中,用 一 选 频 回 路 来代 替 某 一 支 路 上 的 电 抗 元 件,使 这 一 支 路 在 基 频 和 低 次 泛 音 上呈 现 的 电 抗 性 质 不 满 足 三