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1、４.１概述４.２反馈振荡原理４.３LC振荡器４.４晶体振荡器４.５压控振荡器４.６集成电路振荡器４.７实例介绍４.８章末小结第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
2、元件的不同,正弦波振荡器可分为ＬＣ振荡器、ＲＣ振荡器和晶体振荡器等类型。其中ＬＣ振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波,ＲＣ振荡器用于产生低频正弦波。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,ＬＣ并联谐振回路是最基本的选频网络,所以先讨论ＬＣ并联回路的自由
3、振荡现象,并以此为基础分析反馈振荡器的工作原理。图4.2.1是一个并联谐振回路与一个直流电压源US的连接图。Ｒe0是并联回路的谐振电阻。在ｔ＝０以前开关S接通１,使uc(０)=Us。在ｔ＝０时,开关S很快断开１,接通２。根据电路分析基础知识,可以求出在Ｒe0＞的情况下,ｔ＞０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：(4.2.1)其中振荡角频率ω0=1／,衰减系数α=1/(2Re0C)。图4.2.1RLC电路与电压源的连接可见,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4.2.2所示。并联谐振回路中
4、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Ｒe0→∞,则衰减系数α→０,由式（4.2.1）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,使之刚好与Ｒe0上损耗的能量相等,那么就可以获得等幅的正弦振荡了。图4.2.2RLC欠阻尼振荡波形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（
5、保证接通电源后能逐步建立起振荡）,平衡条件（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）。图4.2.3反馈振荡器的组成１.起振过程与起振条件在图4.2.3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ＬＣ并联谐振回路组成,则其中只有角频率为谐振角频率ω0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,
6、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φT(ω0)=2nπ(n=０,１,２,…)(4.2.5)式（4.2.4）和（4.2.5）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量。(4.2.4)(4.2.3)２平衡过程与平衡条件振荡幅值的增长过程不可能无止境地延续下去,因为放大器的线性范围是有限的。随着振幅的增大,放大器逐渐由放大区进入饱和区或截止区,工作于非线性的甲乙类状态,其增益逐渐下降。当放大器增益下降而导致环路增益下降到１时,振幅的增长过程将停
7、止,振荡器达到平衡,进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态以后,直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。所以,反馈振荡器的平衡条件为:φT(ω0)=2nπn=０,１,２,…(4.2.8)式（4．2．7）和（4．2．8）分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。(4.2.6)也可分别写成：(4.2.7)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
