第3章 正弦波振荡器

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1、第3章正弦波振荡器3.1反馈式振荡的基本原理3.2LC正弦波振荡器3.3RC正弦振荡器3.4振荡器的频率稳定度3.5石英晶体振荡器3.6负阻型LC正弦波振荡器3.7振荡器中的寄生振荡和间歇振荡3.1反馈式振荡的基本原理图3.1示出的是一个反馈式放大器的框图。它由放大器和反馈网络组成，图中，是放大器输出电压复振幅，是放大器输入电压复振幅，是反馈网络输出反馈电压复振幅，是外加电压复振幅，放大器的增益为(3.1―1)图3.1反馈放大器φA为超前相角。反馈网络的反馈系数为(3.1―2)φF为超前相角。图中，(3.1―3)由此可得闭环

2、的放大器增益为3.1.1平衡条件根据式(3.1―3)可见，振荡条件是，这是振荡的必要条件。它是一个复数方程，因此可以写成两个方程，一个是振幅方程式，称为振幅平衡条件，可表示为(3.1―4a)另一个是相位方程式，称其为相位平衡条件，可表示为(3.1―4b)1.振幅平衡条件振幅平衡条件A·F=1中，A=Uo/Ui，即Uo=AUi，根据第2章所学知识可知，Uo与Ui的关系由放大特性曲线决定，如图3.2所示。反馈系数F=Uf/Uo，由于反馈网络常由恒参数线性网络构成，所以，Uo、Uf的关系曲线为一直线，如图3.3所示。这组曲线称为反

3、馈特性曲线。根据A、F表示式，振幅平衡条件又可写成即图3.2放大特性曲线这就是说，振幅平衡条件是反馈电压的幅值等于放大器输入电压幅值。由此将图3.2、图3.3画在一个坐标上，凡是满足Uf=Ui的点即为满足振幅平衡条件的平衡点，对应这些点的输出电压Uo值，就是振荡器产生的电压幅值，如图3.4所示。图3.3Uo与Uf的关系曲线图3.4振荡器产生的电压幅值2.相位平衡条件根据相位平衡条件φA+φF=2nπ，说明反馈电压与输入电压同相，即正反馈，正反馈是通过振荡器电路来保证的。φA是超前的相位，当放大器是一个非线性工作的晶体管放大器

4、时，输出电压为(3.1―5)是集电极电流基波分量，是集电极负载阻抗，则(3.1―6)其中φA=φY+φZ,φY是晶体管集电极电流基波分量超前输入电压的相角，φZ是负载的相角，即超前的相角。因此相位平衡条件又可写为(3.1―7)若令φY+φF=φE，则(3.1―8)相位是频率的函数，在晶体管的特征频率fT远大于振荡器工作频率时，可近似认为φY与频率无关，且数值很小。反馈网络的相移φF通常在窄带范围内也可认为与频率无关。负载的相角φZ与负载的形式有关，图3.5LC并联振荡回路负载相角与频率的关系若采用LC并联振荡回路，它的相角与

5、频率的关系如图3.5中曲线①所示。将φE随频率变化的曲线同时画在一个坐标中，两条曲线的相交点即满足相位平衡条件的平衡点，如图3.5所示，A点即为相位平衡点，对应的角频率ωg即为振荡器的工作频率，所以，相位平衡条件决定了振荡器的工作频率。为了保证振荡器的工作频率是惟一的，满足相位平衡条件的平衡点只能有一个。图3.5LC并联振荡回路负载相角与频率的关系3.1.2稳定条件由于振荡电路中存在各种干扰，如温度变化、电压波动、噪声、外界干扰等，这些干扰会破坏振荡的平衡条件，因此，为使振荡器的平衡状态能够存在，只有使它成为稳定的平衡——具

6、有返回原先平衡状态能力的平衡。鉴于此，除了平衡条件外还必须有稳定条件。稳定条件同样分成振幅稳定条件和相位稳定条件。1.振幅稳定条件从图3.6可以看出，当θ≥90°时，放大特性与反馈特性有两个交点O、A。当电源接通瞬间，=0,Ui=0，由于外界电磁感应在放大器输入端感应一个ΔUi电压，在此电压作用下，放大器输出Uo1电压，经过反馈网络，反馈电压为Uf1，由于Uf1>ΔUi，振荡器就会脱离开原点而振荡起来。图3.6θ≥90°时的放大特性与反馈特性由上面对平衡点稳定性的分析可知，在满足振幅稳定的平衡点P上，都具有放大特性斜率小于反

7、馈特性斜率的特点。即由于Uf=AFUi，在平衡点P上AF

8、P=1,则当F=常数时，振幅稳定条件为根据此条件可知，要使振幅稳定，在稳定平衡点上，放大器的增益应随输入电压的增大而减小。当输出电压Uo增加时，反馈电压Uf增加，由于Uf=Ui,Ui增加，A减小，使Uo减小，恢复为正常值，达到稳幅。要使放大器增益A随Ui变化，放大器一定要工作在非线性状态。所以说振幅稳定是由放大器的非线性工作保证的，振荡器必然是非线性电子线路。称这种振幅稳定方式叫内稳幅方式。当A=常数时，振幅稳定条件为根据这个条件可知，要使振幅稳定，在稳定平衡点上，反

9、馈网络的反馈系数应随电压的增大而减小。当Ui增加时，A=常数，Uo增加，F减小，Uf减小，由于Uf=Ui，Ui减小，使之恢复到正常值，达到振幅稳定。反馈网络的反馈系数F随电压Ui变化，反馈网络只能是非线性网络或时变网络。称这种振幅稳定方式叫外稳幅方式。2.相位稳定条件根据相位平衡条件可知，