第四章重点 1 三点式振荡器 3改进型电容三点式振荡器，即克拉泼电路和西勒电路； 4振荡器的频率稳定问题； 5石英晶体谐振器；石英晶体振荡器电路。第四章 LC正弦波振荡器4.1 概 述 振荡器是指在没有外加信号作用下的一种自动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡能量的装置。正弦波振荡器在电子技术领域里有着广泛的应用。在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器）所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个“本地振荡”信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号。在研制、调测各类电子设备时，常常需要信号源和各种测量仪器，在这些仪器中大多包含有振荡器。例如高频信号发生器、音频信号发生器、表以及各种数字式测量仪表等。此外，在工业生产中的高频加热、超声焊接以及电子医疗器械也都广泛应用振荡器。振荡器的种类和很多。从所采用的分析方法和振荡器的特性来看，可以把振荡器分为“反馈式振荡器”和“负阻式振荡器”两大类。我们只着重讨论反馈式振荡器，简单介绍负阻式振荡器的基本概念。根据振荡器所产生的波形，又可以把振荡器分为正弦振荡器与非正弦振荡器。本书只介绍正弦波振荡器。就正弦波振荡器所在各频段来看，大致如图4-1所示。 本章我们主要讨论正弦波振荡器的基本原理。因此在以下各节将详细分析各种正弦波振荡器的振荡与稳频原理，并对几种典型振荡电路进行分析。4.2反馈型正弦波自激振荡器基本原理 本节以互感反馈振荡器为例，分析反馈型正弦波自激振荡器的基本原理、振荡产生的条件、建立和稳定过程。一、从调谐放大到自激振荡 如图4-2为调谐放大器电路，输入信号经耦合，加到晶体管基极和发射极之间，以表示，在谐振回路两端得到已经放大的信号，再经过互感从线圈次级得到输出信号，如果把再回输入端，的相位和大小同原来的输入信号一样，就成了自激振荡器了。 二、自激振荡的平衡 图4-3（a）就是按照上面的思路构成的互感反馈自激振荡器电路对应图4-2中的输出端，可以直接送回到晶体管的基极发射极之间，只用一个互感变压器M就可以了。 图4-3（b）是它的交流等效电路。产生自激振荡必须具备两个条件：1反馈必须是正反馈。即反馈到输入端的反馈电压（电流）必须与输入电压（电流）同相。 在图4-3中，标明了M的同名端，在谐振频率点，回路呈纯阻，放大器倒相，即经放大器相移，按照图中所注极性，经互感送回到输入端的信号相移 ，总的相移为，这就保证了反馈信号与输入信号所需相位的一致，形成正反馈。对于其它频率，回路失谐，产生相移，总相移不是，就不能振荡。因此，满足振荡的相位振荡的相位平衡条件是 （4-1）其中 总相移 整数（包括0） 2反馈信号必须足够大 如果从输出端送回到输入端的信号太弱，就不会产生振荡了，在图4-3电路中，可以调整、的数值以及放大量来实现这一要求。一般情况下，放大器的放大倍数 ,反馈电路的反馈系数。为了使反馈信号足够大，放大器的增益必须补足反馈系数的衰减。例如，假定输入信号幅度为10mV，则输出信号幅度为1V。为使送回到输入端的电压仍可达到10mV，必须使。因此，满足振荡的幅度平衡条件为： （4-2）自激振荡平衡的复数表达式为： （4-3）4.3三点式LC振荡器 LC回路引出三个端点，分别同晶体管的三个电极相连的振荡器，称三点式振荡器。它分为电容三点式和电感三点式。一、电容三点式振荡器： 图4-9示出电容反馈三点线路，也叫“考毕兹”振荡电路。图中，、组成振荡器回路，作为晶体管放大器的负载阻抗，反馈信号从两端取得，送回放大器输入端。扼流圈的作用是为了避免高频信号被旁路，而且为晶体管集电极构成直流通路。也可用代替，但将引入损耗，使回路有载值下降，所以值不能过小。由于它是利用电容将谐振回路的一部分电压反馈到基极上，而且也是将LC谐振回路的三个端点分别与晶体管三个电极相连，所以这种电路又叫电容反馈三端式振荡器。这种电路能否满足自激振荡的相位平衡条件呢？我们从放大器输入信号开始，经过放大和反馈，看送回输入端的高频电压是否和起始电压相同。为了简化分析，假定振荡回路没有损耗，在这种情况下，如果反馈信号和反相，就不满足。 现在我们用矢量图来判断，如图4-10所示，假定在晶体管的基极和发射极间有一输入信号，当振荡频率等于LC回路谐振频率时，与反相，电流滞后于 90度。上的反馈电压滞后电流 90度，故与同相，满足相位平衡条件。下面再来分析起振条件，也即求出放大倍数和反馈系数，看它们的乘积是否大于1。为分析方便，把图4-9(b)再改成图4-11所示等效电路。 图中： - 晶体管输出阻抗； - 晶体管输入阻抗； - 晶体管输出电容； - 晶体管输入电容； - 回路谐振电阻；由反馈系数等于与之比，忽略电阻对电容的旁路作用，可得： (4-7)令： 则： (4-8)现把各元件都折合到端。折合到端的数值为，其中是回路接入系数。折合到端的数值为这样就可求得谐振时c-e间的总电阻即： （4-9）放大倍数为 （4-10）式中是晶体管的电流放大系数。将以上结果带入起振条件得： （4-11） （4-12）如果，则回路损耗可以忽略，得 （4-13）式（4-13）就是起振条件的表达式。下面进行分析和讨论。如果为定值，从式（4-13）右端第一项可看出越大，为保证起振的值越低。但是否越大越好呢？从第二项可看出越大，为保证起振所需的越高。这是因为反馈电路不仅把输出电压的一部分送回输入端产生振荡，而且把晶体管的输入电阻也反映到LC回路两端，大，使等效负载电阻减小，放大倍数下降，不易起振。另外，的大小，还影响波形的好坏，过大会使振荡波形的非线性失真变得严重。因此通常都选得较小，大约在0.010.5之间，在较小式，式（4-13）可近似写成 （4-14）将用电容比代入，得到起振条件的表达式是： （4-15）最后分析次电路的振荡频率。为保证相位平衡条件，震荡器的振荡频率基本上等于谐振回路得谐振频率，即 （4-16） 其中 的精确表示为 （4-17）由上式可知，考毕兹三点线路的振荡频率要比值稍高一点，、越小震荡频率偏高越明显。4.4 改进型电容三点电路 前面讨论的三种LC振荡器的振荡频率不仅与谐振回路的LC元件的值有关，而且还与晶体管的输入电容以及输出电容有关。当工作环境改变或更换管子时，振荡频率及其稳定性就要受到影响。例如，对于电容三点式电路，晶体管的电容、分别同回路电容、并联，振荡频率可以近似写成： （4-22） 如何减小、的影响，以提高频率稳定度呢？表面看来，加大回路电容与的电容量，可以减弱由于、的变化对振荡频率的影响。但是这只实用于频率不太高，和较大的情况。当频率较高时，过分地增加和，必然减小L的值（维持振荡频率不变），这就导致回路的Q值下降，振荡幅度下降，甚至会使振荡器停振。这就有待于改进。 一、串联改进型电容反馈三点线路（克拉泼电路） 它表示于图4-16（a）中，它的交流等效电路如图4-16（b）所示。 它的特点是把基本型的电容反馈三点线路集电极的电感改用L-C串联回路代替，这正是它的名称的由来串联改进型电容反馈三点线路，又叫“克拉泼”电路。电路接成共基极，对交流短路，故基极接地，使的动片接地。这种振荡器的频率为： （4-23）其中由下式决定 （4-24）选，时，振荡频率可近似写成 （4-25）这就使和几乎与值无关，他们的变动对振荡频率的稳定性就没有什么影响了，提高了频率稳定度。使式（4-22）成立的条件是和都要选的比较大。但是不是、愈大愈好呢？为了说明这个问题，我们从分析回路谐振电阻入手。回路谐振电阻表示在图4-17中，折合到晶体管端的电阻是式中接入系数，也叫分压比。 （4-26）因为 则 （4-27）谐振电阻可表示为 又因，则分压比可近似为 将和的表达式代入（4-24）式，得 （4-28）由上式得，、过大时，变小，放大器电压增益降低，振幅下降。还可看出，同振荡器的三次方成反比，当减小以提高频率时，的值急剧下降，振荡幅度显著下降，甚至会停振。另外，同成正比，提高有利于起振和提高振荡幅度。综上所述，克拉泼振荡器虽然可以提高频率稳定度，但存在以下缺点：1）、如过大，则振荡幅度就太低。2）当减小来提高时，震荡幅度显著下降；当减到一定程度时，可能停振。因此限制了的提高。3）用作频率可调的震荡器时，震荡幅度随频率增加而下降，在波段范围内幅度不平稳，因此，频率覆盖系数（在频率可调的振荡器中，高端频率和低端频率之比称为频率覆盖系数）不大，约为。4.5 振荡器的频率稳定问题 振荡器的频率稳定是一个十分重要的问题。例如，通讯系统的频率不稳，就会漏失信号而联系不上；测量仪器的频率不稳，就会引起较大的测量误差；在载波电话中，载波频率不稳，将会引起话音失真。一、振荡器的频率稳定度 振荡器的频率稳定度指标是用频率稳定度来衡量的。频率稳定度有两种表示方法： 1.绝对频率稳定度。它是指在一定条件下实际振荡频率与标准频率的偏差 （4-32） 2.相对频率稳定度。它是指在一定条件下，绝对频率稳定度与标称频率之间的比值 （4-33）常用的是相对频率稳定度，简称频率稳定度。越小，频率稳定度越高。上面所说的“一定条件”可以指一定的时间范围或一定的温度或电压变化范围。例如，在一定时间范围内的频率稳定度可以分为以下几种情况：短期稳定度一小时内的相对频率稳定度。一般用来评价测量仪器和通讯设备中主振器的频率稳定指标；中期稳定度一天内的相对频率稳定度；长期稳定度数月或一年内的相对频率稳定度。频率稳定度用10的负几次方表示，次方绝对值越大，稳定度越高。中波广播电台发射机的中期稳定度是210-5/日；电视发射台是510-7 /日；一般LC振荡器是10-310-4/日；克拉泼和西勒振荡器是10-410-5/日。二、造成频率不稳定的因素 振荡器的频率主要决定于回路的参数，也与晶体管的参数有关，这些参数不可能固定不变，所以振荡频率也不能绝对稳定。.回路参数的不稳定 温度变化是使回路参数