第第5 5章章 高频振荡器高频振荡器5.1 概述概述5.2 反馈振荡器反馈振荡器5.3 振荡器的分析方法振荡器的分析方法5.4 互感耦合振荡器互感耦合振荡器5.5 三点式振荡器三点式振荡器5.6 振荡器频率稳定度振荡器频率稳定度5.7 石英晶体振荡器石英晶体振荡器5.8 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象 5.9 RC振荡器振荡器5.10 负阻振荡器负阻振荡器 振荡器振荡器就是自动地将直流能量转换为具有一定波形就是自动地将直流能量转换为具有一定波形参数的交流振荡信号的装置。和放大器一样也是能量转换参数的交流振荡信号的装置。和放大器一样也是能量转换器。它与放大器的区别在于，不需要外加信号的激励，其输器。它与放大器的区别在于，不需要外加信号的激励，其输出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。振荡器振荡器分类分类正弦振荡正弦振荡低频正弦振荡器低频正弦振荡器高频正弦振荡器高频正弦振荡器微波振荡器微波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器矩形波振荡器矩形波振荡器三角波振荡器三角波振荡器锯齿波振荡器锯齿波振荡器5.15.1 概概 述述 应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生器）、计算机、医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器器）、计算机、医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用。都有着广泛的应用。 主要技术指标：主要技术指标： 1.振荡频率振荡频率f及频率范围及频率范围: 2.频率稳定度频率稳定度:调频广播和电视发射机要求调频广播和电视发射机要求:10-510-7左左右右 标准信号源标准信号源:10-610-12 要实现与火星通讯要实现与火星通讯:10-11 要为金星定位要为金星定位:10-12 3.振荡的幅度和稳定度振荡的幅度和稳定度: 4.4.频谱频谱( (残波辐射残波辐射):): 讨论内容讨论内容:从振荡原理入手研究振荡器判据、寻求振荡从振荡原理入手研究振荡器判据、寻求振荡条件的分析方法，讨论各种振荡电路，基本线索是振荡器的条件的分析方法，讨论各种振荡电路，基本线索是振荡器的频率稳定度。频率稳定度。 右图是反馈放大右图是反馈放大器的方框图器的方框图, ,由该图知由该图知: :5.2.1 当放大器接成负反馈时，当放大器接成负反馈时，5.2.1式中取正号，当式中取正号，当负反馈变成自激振荡器。其负反馈变成自激振荡器。其 振幅条件为振幅条件为5.25.2 反馈振荡器反馈振荡器反馈放大器方框图反馈放大器方框图相位条件为相位条件为 而振荡器往往直接引入的正反馈，如而振荡器往往直接引入的正反馈，如 上图上图 (+)号所示。号所示。此时式此时式5.2.1式变为式变为5.2.2当其当其时，时，就会产生自激振荡就会产生自激振荡。其。其振幅条件为：振幅条件为：相位条件为：相位条件为： 要使振荡器能够起振要使振荡器能够起振，在刚接通电源后在刚接通电源后，当达当达到平衡时到平衡时，。这就是振荡器振幅平衡条件这就是振荡器振幅平衡条件。5.3 5.3 振荡器的分析方法振荡器的分析方法 分析振荡器有两种方法：即分析振荡器有两种方法：即瞬态分析法和稳态分析法瞬态分析法和稳态分析法。这里只介绍稳态分析法。这里只介绍稳态分析法。 稳态分析方法考虑问题的基础是：振荡器在起振时是小稳态分析方法考虑问题的基础是：振荡器在起振时是小信号，属于线性电路。因此，可按线性电路的分析方法来初信号，属于线性电路。因此，可按线性电路的分析方法来初理。而振荡器在平衡时虽属大信号非线性电路，但是对基波理。而振荡器在平衡时虽属大信号非线性电路，但是对基波而言则属准线性电路，当引入平均参数后，即可按线性电路而言则属准线性电路，当引入平均参数后，即可按线性电路来近似处理，使问题的分析得到简化。所以稳态分析法是适来近似处理，使问题的分析得到简化。所以稳态分析法是适应在线性理论基础之上的。由前面分析可知，正反馈是产生应在线性理论基础之上的。由前面分析可知，正反馈是产生自激振荡的必要条件。自激振荡的必要条件。 而正反馈只是反馈放大器的特殊形而正反馈只是反馈放大器的特殊形式，我们试图将振荡器与反馈放大器联系起来式，我们试图将振荡器与反馈放大器联系起来，如图所示。，如图所示。 根据反馈理论，整个反馈放大器的根据反馈理论，整个反馈放大器的“闭环增益闭环增益”Af(s)为为5.3.1其中其中为放大器的电压增益为放大器的电压增益为反馈网络的反馈系数为反馈网络的反馈系数反馈放大器反馈放大器为开环电压增益（环路增益）为开环电压增益（环路增益）为反馈放大器的特征多项式为反馈放大器的特征多项式 由由(5.3.1)式可知，若令式可知，若令Us(s)=0，则则Af(s)趋于无穷趋于无穷, 就就是说是说没有输入信号激励的情况下没有输入信号激励的情况下,就能自动地将直流能量转换为交就能自动地将直流能量转换为交流能量。因此，我们说流能量。因此，我们说振荡器是反馈放大器的特殊形式振荡器是反馈放大器的特殊形式。这。这是稳态分析方法的基本依据。是稳态分析方法的基本依据。 5.3.2 这就是这就是反馈放大器的特征方程反馈放大器的特征方程。解此方程就可得振荡频解此方程就可得振荡频率、振幅平衡条件和起振条件。率、振幅平衡条件和起振条件。 欲满足振荡条件就必须欲满足振荡条件就必须5.4 5.4 互感耦合振荡器互感耦合振荡器振荡器分类振荡器分类互感耦合振荡器互感耦合振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器三三 点点 式式 振振 荡荡 器器电感反馈振荡器电感反馈振荡器电容反馈振荡器电容反馈振荡器基本型基本型克拉泼振荡器克拉泼振荡器西勒振荡器西勒振荡器5.4.1 单管互感耦合振荡器单管互感耦合振荡器 互感耦合振荡器互感耦合振荡器(或变压器反馈振荡器或变压器反馈振荡器)又称为调谐型振又称为调谐型振荡器，根据回路荡器，根据回路(选频网络选频网络)的三极管不同电极的连接点又可的三极管不同电极的连接点又可分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。如图分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。如图5.4-1所示。这里我们只讨论集电极调谐型，而集电极调谐型又可所示。这里我们只讨论集电极调谐型，而集电极调谐型又可分为共射和共基两种类型，均得到广泛应用。两者相比，共分为共射和共基两种类型，均得到广泛应用。两者相比，共基电路的功率增益较小，输入阻抗较低，所以难于起振，但基电路的功率增益较小，输入阻抗较低，所以难于起振，但截止频率较高。此外，共基电路内部反馈比较小，工作比较截止频率较高。此外，共基电路内部反馈比较小，工作比较稳定。稳定。三种互感耦合振荡器三种互感耦合振荡器 以上三种电路，变压器的同名端如图所示。它必须满足以上三种电路，变压器的同名端如图所示。它必须满足振荡的相位条件，在此基础上适当调节反馈量振荡的相位条件，在此基础上适当调节反馈量M M以满足振荡以满足振荡的振幅条件。下面利用的振幅条件。下面利用“切环注入法切环注入法”判断电路是否满足相判断电路是否满足相位条件。位条件。 (1)(1)在电路中某一个合适的位置在电路中某一个合适的位置( (往往是放大器的输入端往往是放大器的输入端) )把电路断开，把电路断开，( (用用X X号表示号表示) )； (2)(2)在断开出的一侧在断开出的一侧( (往往是放大器的输入端往往是放大器的输入端) )对地引入对地引入一个外加电压源一个外加电压源 , ,该电压源的频率从低到高覆盖回路的谐该电压源的频率从低到高覆盖回路的谐振频率；振频率； (3)(3)看经过放大器反馈网络之后转回到断开处另一侧对看经过放大器反馈网络之后转回到断开处另一侧对地的电压地的电压 是否与是否与 同相，为同相则其中必有某一个频率满同相，为同相则其中必有某一个频率满足自激振荡的相位条件足自激振荡的相位条件( (注意这里是实际方向注意这里是实际方向) )，电路有振荡，电路有振荡的可能。的可能。 如果电路又同时满足振幅条件就可以产生正弦振荡了。如果电路又同时满足振幅条件就可以产生正弦振荡了。下面分析集电极调谐型反馈振荡器的振荡条件。下面分析集电极调谐型反馈振荡器的振荡条件。 设工作频率远小于振荡器的特征频率，忽略其内部反馈设工作频率远小于振荡器的特征频率，忽略其内部反馈的影响，用平均参数画出了的影响，用平均参数画出了图图( (a)a)的大信号等效电路，的大信号等效电路，如图如图所示所示。它与变压器耦合放大器区别在于次级负载就是放大器。它与变压器耦合放大器区别在于次级负载就是放大器输入端的输入端的G Gieie。其其 为为故故5.4.1式中式中其中其中互感耦合振荡器大信号等效电路互感耦合振荡器大信号等效电路而而5.4.2 根据起振条件根据起振条件，即，即5.4.3可得可得5.4.4即即5.4.5（实部为零）（实部为零）（虚部为零）（虚部为零）解上述方程组得解上述方程组得5.4.6 起振时，应用微变参数代替平均参数，因此互感耦合振起振时，应用微变参数代替平均参数，因此互感耦合振荡器的起振条件是：荡器的起振条件是：5.4.7 上式说明，回路的损耗越大（上式说明，回路的损耗越大（r大）大），耦合越弱（，耦合越弱（M越小）越小），电路起振所需要的跨导电路起振所需要的跨导gm就越大就越大。当当M=0时时，起振需要的起振需要的跨导跨导gm为无穷大为无穷大。这表明电路已不再是振荡器了这表明电路已不再是振荡器了。（振荡频率）（振荡频率）（起振条件）（起振条件） 由式由式5.4.6还可以看出，振荡器的频率和晶体管的参数有还可以看出，振荡器的频率和晶体管的参数有关。（关。（G G=G=Goeoe+2 2G Gieie）实际上，管子的极间电容对高频振荡实际上，管子的极间电容对高频振荡频率影响较大，这一点是不希望的。因为这些参数与温度有频率影响较大，这一点是不希望的。因为这些参数与温度有关。关。5.4.2 5.4.2 差分对管互感耦合振荡器差分对管互感耦合振荡器 如图所示。两差分对管的集电极分别接有由如图所示。两差分对管的集电极分别接有由L L1 1、C C1 1、R R1 1和和L L2 2、C C2 2、R R2 2组成并联谐振回路。反馈电压组成并联谐振回路。反馈电压 和输出电压和输出电压 分别由两管的集电极取出。振荡器的闭环回路由分别由两管的集电极取出。振荡器的闭环回路由BGBG1 1差分振荡器差分振荡器的集电极经互感线圈耦合到的集电极经互感线圈耦合到BGBG2 2的基极，然后通过共发耦合的基极，然后通过共发耦合电路回到电路回到BGBG1 1的集电极。的集电极。图中图中A A与与D D同相，环路满足正反馈特性同相，环路满足正反馈特性。再调节互感再调节互感M M使之满足振幅平衡条件，电路便可进入振荡状使之满足振幅平衡条件，电路便可进入振荡状态。态。 与单管振荡器比较，差分对管振荡器更为优越：与单管振荡器比较，差分对管振荡器更为优越：1.1.输出回路不在反馈环路内输出回路不在反馈环路内，只要只要BGBG2 2不工作在饱和区内不工作在饱和区内，负负载与环路就处于隔离状态载与环路就处于隔离状态，振荡器的频率稳定度和幅度稳定振荡器的频率稳定度和幅度稳定度都会有所提高度都会有所提高；2.2.输出不含有偶次谐波输出不含有偶次谐波，且奇次谐波成分比较小且奇次谐波成分比较小，故失真大故失真大为减小为减小。5.55.5 三点式振荡器三点式振荡器 什么叫三点式振荡器什么叫三点式振荡器? ? 所谓三点式振荡器就是对于交流所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言等效电路而言，由由LCLC回路引出三个端点分别与晶体管三个电回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器极相连的振荡器。 依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式振荡器，又称振荡器，又称考毕兹考毕兹振荡器。振荡器。 依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式振荡器，又称振荡器，又称哈特莱哈特莱振荡器。振荡器。 构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电压。压。5.5.1 5.5.1 构成三点式振荡器的原则构成三点式振荡器的原则( (相位判据相位判据) ) 假设假设: (1)不计晶体管的电抗效应；不计晶体管的电抗效应； (2)LC回路由纯电元件组成，即回路由纯电元件组成，即为满足相位条件，回路引出的三个端点应如何与晶体管的三为满足相位条件，回路引出的三个端点应如何与晶体管的三个电极相连接？个电极相连接？ 如图所示如图所示，振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振，振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振频率，（谐振回路谐振时呈现纯电阻性），于是有频率，（谐振回路谐振时呈现纯电阻性），于是有即即5.5.25.5.35.5.1三点式振荡器的相位判据三点式振荡器的相位判据 放大器已经倒相放大器已经倒相, ,即即 与与 差差180180，所以要求反馈电所以要求反馈电压压 必须与必须与 反相才能满足相位条件反相才能满足相位条件。5.5.4 因此，因此，Xbe必须与必须与Xce同性质同性质，才能保证才能保证 与与 反相反相。 由由5.5.3和和5.5.4式，归结起来，式，归结起来，Xbe和和Xce性质相同性质相同；Xcb和和Xce、Xbe性质相反性质相反。这就是三点式振荡器的相位判据这就是三点式振荡器的相位判据。也。也可以这样来记忆，可以这样来记忆，与发射极相连接的两个电抗性质相同与发射极相连接的两个电抗性质相同，另另一个电抗则性质相反一个电抗则性质相反。5.5.2 5.5.2 电容三点式振荡器电容三点式振荡器考毕兹振荡器考毕兹振荡器 图所示电路是电容三点式的典型电路。图所示电路是电容三点式的典型电路。LC回路的三个回路的三个端点分别与三个电极相连，且端点分别与三个电极相连，且Xce和和Xbe为容抗，为容抗，Xcb为感抗。为感抗。故属电容反馈三点式振荡器，又称考毕兹振荡器。故属电容反馈三点式振荡器，又称考毕兹振荡器。电容三点式振荡器电容三点式振荡器 其中其中ZLZL为高频扼流圈，防止高频交流接地。为高频扼流圈，防止高频交流接地。R Rb1b1、R Rb2b2、Re为偏置电阻。下面分析该电路的振荡条件，图为偏置电阻。下面分析该电路的振荡条件，图 (a)画了交画了交流等效电路。流等效电路。(b)为为Y参数等效电路。参数等效电路。电容三点式振荡器的等效电路电容三点式振荡器的等效电路 容易判断振荡器属并容易判断振荡器属并- -并联接，电压取样电流求和的反并联接，电压取样电流求和的反馈放大器。设其信号源电流为馈放大器。设其信号源电流为 ，负载电流为，负载电流为 ，显然，显然5.5.5式中，式中，yi网络网络aa-bb的大信号输入导纳；的大信号输入导纳； yr网络网络aa-bb的大信号反向传输导纳；的大信号反向传输导纳； yf网络网络aa-bb的大信号正向传输导纳；的大信号正向传输导纳； yo网络网络aa-bb的大信号输出导纳。的大信号输出导纳。 实际上，实际上， 只不过是虚构的。因为振荡器工作时无只不过是虚构的。因为振荡器工作时无须外加信号激励电流，即须外加信号激励电流，即 由于未接负载，故由于未接负载，故 ，而而 。意味着式。意味着式5.5.5是线性齐次方程。即是线性齐次方程。即 其系数行列式为其系数行列式为0 0，即，即5.5.65.5.7 因网络因网络aa-bb是两个网络是两个网络(有源和无源有源和无源)并并-并联接，所并联接，所以以 式中，式中，e表示晶体管，表示晶体管，n表示无源网络。即表示无源网络。即5.5.8 这就是反映振荡器满足平衡条件这就是反映振荡器满足平衡条件。使用上述方法时，应。使用上述方法时，应使两个网络的电压、电流方向符合电压取样、电流求和的条使两个网络的电压、电流方向符合电压取样、电流求和的条件。件。 5.5.9式中式中ye是晶体管参数，可以测得和计算出是晶体管参数，可以测得和计算出,yn则则可以由具体网络根据可以由具体网络根据y参数的定义求得。参数的定义求得。 假设，振荡器的工作频率远低于假设，振荡器的工作频率远低于fT，且忽略内部反馈的且忽略内部反馈的影响和不计晶体管的电抗效应，有影响和不计晶体管的电抗效应，有5.5.95.5.10 由由下图下图，根据，根据y y参数的定义，可求得无源网络参数的定义，可求得无源网络| |y yn n| |为为 将式将式 5.5.10和和5.5.11代入式代入式5.5.9得得 整理得整理得无源网络无源网络5.5.12 令其虚部等于令其虚部等于0,可求得振荡频率为可求得振荡频率为5.5.13式中式中 可见，可见，电容三点式振荡器的振荡频率略高于回路的谐振电容三点式振荡器的振荡频率略高于回路的谐振频率频率，且与晶体管的参数有关且与晶体管的参数有关。 令其实部等于令其实部等于0 0，并近似认为，并近似认为 ，可求得其，可求得其振荡振荡平平衡条件为衡条件为5.5.14 用微变参数代替平均参数，可求得起振时所要求的最小用微变参数代替平均参数，可求得起振时所要求的最小跨导跨导(gm)min，其起振条件为其起振条件为5.5.15因因5.5.16代入上式得代入上式得 从从图（图（a a）可以看出，可以看出，反馈电压反馈电压 不仅取决于电容不仅取决于电容C C2 2 ，还与晶体管的输入导纳还与晶体管的输入导纳gie有关有关。当。当gie较小时，较小时，gie的分路作的分路作用可以忽略，此时第一项起主要作用用可以忽略，此时第一项起主要作用5.5.17当当，利于起振利于起振。 当当gie较大时，较大时，gie的分流作用不能忽略，此时第二项起主的分流作用不能忽略，此时第二项起主 要作用，要作用，则则，难于起振难于起振。 所以不能简单地认为反馈系数越大，就越易起振，而应所以不能简单地认为反馈系数越大，就越易起振，而应该有一定范围。另外反馈系数的大小还会影响振荡波形的好该有一定范围。另外反馈系数的大小还会影响振荡波形的好坏，反馈系数过大会产生较大的波形失真。通常坏，反馈系数过大会产生较大的波形失真。通常F0.011且一般取得较小。且一般取得较小。 以上的讨论，没有考虑线圈的损耗，如考虑到以上的讨论，没有考虑线圈的损耗，如考虑到r的影响的影响,则起振条件应该修正，如则起振条件应该修正，如图（图（b）所示。所示。 将将r经过两次折算，折算到经过两次折算，折算到ce两端和两端和goe并联，所以起振并联，所以起振条件应修正为条件应修正为5.5.18图（图（a a）影响起振因素影响起振因素图（图（b b）起振条件修正起振条件修正5.5.3 5.5.3 电感三点式振荡器电感三点式振荡器哈特莱振荡器哈特莱振荡器 电感三点式振荡器电路如图所示。通常电感三点式振荡器电路如图所示。通常L1、L2同绕在一同绕在一个骨架上，它们之间存在着互感，且耦合系数个骨架上，它们之间存在着互感，且耦合系数M1。电感三点式等效电路电感三点式等效电路 电感三点式振荡器的等效电路如下，电感三点式振荡器的等效电路如下， 是从是从L2取得的取得的,故称为电感反馈三点式振荡器。故称为电感反馈三点式振荡器。电感三点式等效电路电感三点式等效电路 下面利用基尔霍夫定律列出网孔方程来分析其振荡条件下面利用基尔霍夫定律列出网孔方程来分析其振荡条件. .由由图图 (c)列出回路方程：列出回路方程：5.5.19 令上面方程组系数行列式令上面方程组系数行列式D D的虚部等于零，得的虚部等于零，得得得5.5.20 可见，可见，g略低于回路谐振角频率略低于回路谐振角频率0，且振荡频率与晶且振荡频率与晶体管参数有关体管参数有关。通常。通常故故5.5.21 式中式中L=LL=L1 1+L+L2 2+2M+2M 为求起振条件，设式为求起振条件，设式5.5.205.5.20第三个方程中第三个方程中 的系数为的系数为0,0,此时令此时令5.5.5.5.1919式的系数行列式的实部等于式的系数行列式的实部等于0 0，即，即可得振荡平衡条件可得振荡平衡条件5.5.22因此振荡条件是因此振荡条件是5.5.23 故起振条件可写成：故起振条件可写成：5.5.245.5.25 至于反馈系数的选取，为兼顾振荡的振荡波形，通常取至于反馈系数的选取，为兼顾振荡的振荡波形，通常取F=0.10.5。5.5.4 5.5.4 电容三点式与电感三点式振荡器比较电容三点式与电感三点式振荡器比较电容三点式电容三点式: 优点：优点：1.输出波形好，接近于正弦波；输出波形好，接近于正弦波； 2.因晶体管的输入输出电容与回路电容并联，可因晶体管的输入输出电容与回路电容并联，可 适当增加回路电容提高稳定性；适当增加回路电容提高稳定性； 3.工作频率可以做得较高（利用极间电容）工作频率可以做得较高（利用极间电容） 缺点：调整频率困难，起振困难。缺点：调整频率困难，起振困难。电感三点式：电感三点式： 优点：起振容易，调整方便；优点：起振容易，调整方便； 缺点：输出波形不好，在频率较高时，不易起振。缺点：输出波形不好，在频率较高时，不易起振。5.5.5 5.5.5 改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器 前面研究的三种振荡器，其振荡频率前面研究的三种振荡器，其振荡频率不仅取决于不仅取决于LCLC回回路路参数，还与晶体管的内部参数参数，还与晶体管的内部参数(Goe、Gie、Coe、Cie)有关，有关，而晶体管的参数又随环流温度、电源电压的变化而变化，因而晶体管的参数又随环流温度、电源电压的变化而变化，因此其频率稳定度不高。以电容三点式为例，如图所示此其频率稳定度不高。以电容三点式为例，如图所示,Cie和和Coe分别与回路电容并联，其振荡频率可近似写成分别与回路电容并联，其振荡频率可近似写成 如何减小晶体管电容如何减小晶体管电容Coe、Cie对频率的影响呢？对频率的影响呢？1. 加大回路电容加大回路电容C1和和C2的值，但它限制了振荡频率的提高，的值，但它限制了振荡频率的提高，同时为确保同时为确保的不变，减小了的不变，减小了L的值，随之带来的值，随之带来Q值下降，值下降，5.5.26使振使振荡幅度下降甚至停振。这种方法只适用于频率不高的场荡幅度下降甚至停振。这种方法只适用于频率不高的场合。合。2. 同时减小接入系数同时减小接入系数pce和和pbe，而又不改变反馈系数，这就是而又不改变反馈系数，这就是图所示的克拉泼图所示的克拉泼(Clapp)振荡器。振荡器。这种电路就是在这种电路就是在L支路中串支路中串接一个可变的小电容器接一个可变的小电容器C3，所以又叫做串联型电容三点式反所以又叫做串联型电容三点式反馈振荡器馈振荡器，它是在电容三点式的基础上进行了改进它是在电容三点式的基础上进行了改进。晶体管电容晶体管电容Coe、Cie 对振荡频对振荡频率的影响率的影响克拉泼振荡器克拉泼振荡器所以可采用电容三点式的分析方法。所以可采用电容三点式的分析方法。故故5.5.27式中式中5.5.285.5.29 可见，可见，g只取决于只取决于L、C3，而与而与C1、C2基本无关基本无关。于是于是可以增加可以增加C1、C2(不必减小电感不必减小电感L)以减小晶体管极间电容对频以减小晶体管极间电容对频率的影响率的影响，提高了频率稳定度提高了频率稳定度，改变改变C3即可改变振荡频率而即可改变振荡频率而不影响反馈系数不影响反馈系数，改变改变C C1 1、C C2 2可调节反馈系数而不会影响振可调节反馈系数而不会影响振荡频率荡频率。 起振条件可以用式起振条件可以用式5.5.18来得出，问题是如何求得来得出，问题是如何求得gL，由下图所示。由下图所示。克拉泼振荡器的起振条件克拉泼振荡器的起振条件(5.5.18)故故5.5.30因而起振条件为因而起振条件为5.5.31而基本放大器谐振时增益为而基本放大器谐振时增益为5.5.32(1)(1)若若C C1 1gL(分路作用增强分路作用增强) (gm)min 难于起振难于起振; gL Auo 振荡幅度减小振荡幅度减小(2)若若C3 0gL (gm)min 难于起振难于起振; gL Auo 振荡幅度减小振荡幅度减小(3)若若Q0 gL (gm)min 易于起振。易于起振。 gL Auo 振荡幅度增大振荡幅度增大 频率稳定性提高频率稳定性提高 克拉泼振荡器存在的问题是当增大克拉泼振荡器存在的问题是当增大C1和减小和减小C3时引起时引起振荡幅度下降振荡幅度下降，难于起振难于起振。原因在于。原因在于pce下降，使得下降，使得gL增大，增大，因为因为gL和和03成正比，解决这一矛盾，成正比，解决这一矛盾，可以保持可以保持C3不变不变，而而 由由5.5.31和和5.5.32式可见：式可见：在电感在电感L L两端并联一个小的可变电容两端并联一个小的可变电容，用以改变振荡频率用以改变振荡频率。这就是西勒这就是西勒(Seiler)振荡器振荡器。因为。因为C4与与L并联，所以又成为并联，所以又成为并并联型电容三点式振荡器。联型电容三点式振荡器。如下图所示如下图所示西勒振荡器的原理图西勒振荡器的原理图 由于由于C C1 1、C C2 2远小于远小于C C4 4，所以回路电容所以回路电容5.5.33 再看起振条件，利用式再看起振条件，利用式5.5.18 将将图图 (a)再变换一下，再变换一下，如下图所示如下图所示，求出，求出gL。 5.5.345.5.35西勒振荡器的起振条件西勒振荡器的起振条件由（由（5.5.33)有，有，C40，通过改变通过改变C4就就可以调整频率；可以调整频率；由（由（5.5.34)和（和（5.5.35)有，有，pce与与C4无关，改变无关，改变C4不会影响不会影响pce，这样，改变频率时在波段内振荡幅度变化不大。因此，这样，改变频率时在波段内振荡幅度变化不大。因此，作为波段振荡器的波段覆盖可以较宽，作为波段振荡器的波段覆盖可以较宽，ka1.61.8，且在波段且在波段内幅度较均匀，其工作频率也较高，可达到数百兆赫。这是内幅度较均匀，其工作频率也较高，可达到数百兆赫。这是一种性能较好的振荡器。一种性能较好的振荡器。C3的选取应综合考虑波段覆盖系数，频率稳定度和起振，的选取应综合考虑波段覆盖系数，频率稳定度和起振，在保证起振的条件下，在保证起振的条件下，C3应选得小一点好。应选得小一点好。 结论结论：5.65.6 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 频率稳定度是振荡器非常重要的电气指标之一。例如电频率稳定度是振荡器非常重要的电气指标之一。例如电子钟时钟频率不稳，直接影响计时的精度；子钟时钟频率不稳，直接影响计时的精度；FMFM广播如广播如FMFM发射发射频率非常稳定，就可实现自动播音，取代有线广播。频率非常稳定，就可实现自动播音，取代有线广播。5.6.1 频率准确度和频率稳定度频率准确度和频率稳定度 评价振荡频率的主要指标是频率准确度和稳定度。评价振荡频率的主要指标是频率准确度和稳定度。 频率准确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度。它频率准确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度。它可以分为绝对频率准确度和相对频率准确度。可以分为绝对频率准确度和相对频率准确度。定义：定义：绝对频率准确度绝对频率准确度相对频率准确度相对频率准确度5.6.15.6.2 式中，式中，f f为实际工作频率，为实际工作频率，f fo o为标称频率。为标称频率。 频率稳定度频率稳定度：是在指定时间间隔内频率准确度变化的最是在指定时间间隔内频率准确度变化的最大值大值。也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度。常用相对。常用相对频率稳定度表示。频率稳定度表示。5.6.3 频率稳定度按时间间隔分为频率稳定度按时间间隔分为: 长期频率稳定度长期频率稳定度数月或一年内的相对频率准确度数月或一年内的相对频率准确度; 短期频率稳定度短期频率稳定度一天内的相对频率稳定度一天内的相对频率稳定度; 瞬时频率稳定度瞬时频率稳定度秒或毫秒内的相对频率稳定度。秒或毫秒内的相对频率稳定度。 频率稳定度数据处理方法有：频率稳定度数据处理方法有：1.1.均方根值表示法：它是用在指定的时间间隔内测得的各频均方根值表示法：它是用在指定的时间间隔内测得的各频率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。即率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。即5.6.4 式中式中,n为测量次数，为测量次数，为为n个测量数据的平均值。个测量数据的平均值。 2.阿伦阿伦(Allon)方差表示法：方差表示法：5.6.5 式中，式中，每次测量的取样时间；每次测量的取样时间；n为测量组数；为测量组数；fo为为标称频率；标称频率；j为正整数为正整数(j=1,2,3,n)；f2j，f2j-1分别为分别为2j次和次和2j-1次所测得的频率值。次所测得的频率值。5.6.2 5.6.2 频率稳定度分析频率稳定度分析 为寻求提高频率稳定度的途径，就必须找出引起频率不为寻求提高频率稳定度的途径，就必须找出引起频率不稳的因素。稳的因素。一、相位平衡条件一、相位平衡条件 由物理知识可知，任何平衡都要相应地考虑是否稳定平由物理知识可知，任何平衡都要相应地考虑是否稳定平衡。所谓稳定平衡是当外因使系统偏离原来的平衡状态，一衡。所谓稳定平衡是当外因使系统偏离原来的平衡状态，一旦外因消除后，系统能自动地恢复到原来的状态；否则就是旦外因消除后，系统能自动地恢复到原来的状态；否则就是不稳定平衡。例如一个小球放置在抛物面形的锅底就属于稳不稳定平衡。例如一个小球放置在抛物面形的锅底就属于稳定平衡，杂技表演者用头顶篮球就是不稳定平衡。定平衡，杂技表演者用头顶篮球就是不稳定平衡。 作为正弦振荡器，通常情况下，人们希望它是稳定振荡作为正弦振荡器，通常情况下，人们希望它是稳定振荡其振荡的幅度、频率其振荡的幅度、频率( (相角相角) )不随时间而变化。即使有变化，不随时间而变化。即使有变化，希望它尽快地恢复到原来的稳定状态。希望它尽快地恢复到原来的稳定状态。 不稳定因素也会破坏相位平衡条件。如电流电压的波动不稳定因素也会破坏相位平衡条件。如电流电压的波动或者工作点的变化会使晶体管或者工作点的变化会使晶体管Y Yfefe的相角的相角fefe发生变化。相角发生变化。相角的变化必然会引起频率的变化。因为的变化必然会引起频率的变化。因为 设外因引起的相角变化设外因引起的相角变化 ，即反馈电压，即反馈电压 比原来的比原来的输入电压输入电压 的相位超前了，相当于提高给回路的补充能量，的相位超前了，相当于提高给回路的补充能量，振荡频率就提高了；反之，振荡频率就提高了；反之， ， 相位滞后于相位滞后于 ，频率就，频率就下降。因此外因引起的相角的变化，相位变化又引起频率变下降。因此外因引起的相角的变化，相位变化又引起频率变化的趋势是化的趋势是 为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须使得频率变化为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须使得频率变化时产生相反方向的相位变化，以补偿外因引起的相位变化。时产生相反方向的相位变化，以补偿外因引起的相位变化。因此，相位平衡的稳定条件是：因此，相位平衡的稳定条件是：5.6.6而振荡器的相移而振荡器的相移:5.6.7式中，式中， 为晶体管正向传输导纳相移，为晶体管正向传输导纳相移， 为回路相移，为回路相移，为反馈网络相移。为反馈网络相移。5.6.8当当时时因此，相位的稳定条件为因此，相位的稳定条件为 由此可见，振荡器的相位平衡条件是靠并联回路的相频由此可见，振荡器的相位平衡条件是靠并联回路的相频特性来保证的。回路的品质因数特性来保证的。回路的品质因数Q值越高，这种稳频能力越值越高，这种稳频能力越强。强。二、频率稳定度分析二、频率稳定度分析 根据式根据式5.4.65.4.6，振荡器的，振荡器的主要取决于主要取决于回路的回路的L、C，当然也与晶体管的参数当然也与晶体管的参数(G)有关。从相位平有关。从相位平衡条件可知，电路中任何一个相角发生变化都会使振荡频率衡条件可知，电路中任何一个相角发生变化都会使振荡频率产生变化，而使振荡器重新平衡在某一新的频率上。例如温产生变化，而使振荡器重新平衡在某一新的频率上。例如温度、湿度、电源电压、负载等的变化以及机械振动的影响都度、湿度、电源电压、负载等的变化以及机械振动的影响都有可能引起回路元件参数有可能引起回路元件参数(L、C、Q等等)。有源器件参量和相。有源器件参量和相角角 、 、 发生变化，而使发生变化，而使发生变化。令发生变化。令代表外界不代表外界不稳定因素，由于振荡器各相角都是外界不稳定因素稳定因素，由于振荡器各相角都是外界不稳定因素和频率和频率的函数。所以相位平衡条件可以写成：的函数。所以相位平衡条件可以写成： 当当变化时，变化时，也相应变化，只要相位平衡条件重新得也相应变化，只要相位平衡条件重新得5.6.9到满足，则到满足，则对式对式5.6.9全微分全微分因而因而由于由于 、 对频率变化的敏感性远小于对频率变化的敏感性远小于 对频率变化的对频率变化的敏感性，即敏感性，即又又0则上式可近似写成则上式可近似写成5.6.10 从式从式5.6.10可知提高振荡器频率稳定度的一般规律：可知提高振荡器频率稳定度的一般规律：(1) 要小。要尽量减小外界不稳定因素要小。要尽量减小外界不稳定因素的变化，最主要的变化，最主要的是减小振荡回路固有频率的是减小振荡回路固有频率的变化量的变化量(2) 分分子子越小越好，在外界因素越小越好，在外界因素变化时，变化时，不完全同号，相互抵消。不完全同号，相互抵消。的变化量尽量小。或者设法使的变化量尽量小。或者设法使三个量三个量(3) 分分母母越大越好。即要求并联谐振回路相频特性的斜越大越好。即要求并联谐振回路相频特性的斜率要大，在较小斜率增量作用下，能产生足够的相位来补偿率要大，在较小斜率增量作用下，能产生足够的相位来补偿外因所引起的外因所引起的 的相移。的相移。 由并联振荡回路的相频特性可知，由并联振荡回路的相频特性可知，Q越高，越高，越接近越接近0相频特性就越大。因此应尽量提高相频特性就越大。因此应尽量提高Q值，减小值，减小 相角。相角。 以上研究了提高频率稳定度的原则性措施，为了将上述以上研究了提高频率稳定度的原则性措施，为了将上述措施具体化，下面讨论振荡频率与电路参量之间的关系。措施具体化，下面讨论振荡频率与电路参量之间的关系。由相位平衡条件：由相位平衡条件：5.6.11得得则振荡频率则振荡频率为：为：即即5.6.12 对式对式5.6.12全微分得：全微分得： 并联谐振回路的相频特性为：并联谐振回路的相频特性为：当当时，时，5.6.13该式表明了该式表明了对频率稳定度影响的定量对频率稳定度影响的定量关系，可以看出：关系，可以看出：(1)均影响振荡器的频率稳定度；均影响振荡器的频率稳定度；(2)对频率稳定度的影响最严重；对频率稳定度的影响最严重；(3)Q对频率稳定度的影响要考虑到系数对频率稳定度的影响要考虑到系数，Q越高，越高，越小，越小，Q的影响越弱；的影响越弱；(4)对频率稳定度的影响要考虑到系数对频率稳定度的影响要考虑到系数，Q越高，越高，越小，则越小，则的影响越弱。的影响越弱。 结论：要提高频率稳定度，首先要提高回路的标准性。结论：要提高频率稳定度，首先要提高回路的标准性。所谓回路的标准性就是指回路在外界因素变化时保持其固有所谓回路的标准性就是指回路在外界因素变化时保持其固有谐振频率不变的能力。谐振频率不变的能力。越小标准性越高。此外，要求越小标准性越高。此外，要求Q值要高，值要高，要小。要小。5.6.3 5.6.3 提高频率稳定度的措施提高频率稳定度的措施 要提高频率稳定度可采取如下两方面的措施：要提高频率稳定度可采取如下两方面的措施：1.1.减小减小；2.2.减小外界因素对减小外界因素对0 0、Q Q、 的影响，即为外界因的影响，即为外界因素变化时，设法使素变化时，设法使0 0、QQ、 尽可能小。尽可能小。1.减小外界因素变化减小外界因素变化的措施的措施2. 影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动，环境温影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动，环境温度度3.的变化、湿度及大气压力的变化、电源电压的变化、周围的变化、湿度及大气压力的变化、电源电压的变化、周围电电4.磁场的影响、负载不稳定等。磁场的影响、负载不稳定等。 (1)机械振动：回路线圈、电容应具有较高的机械强度，机械振动：回路线圈、电容应具有较高的机械强度，底板和屏蔽罩必须结实。元器件焊接牢固。加防震措施和调底板和屏蔽罩必须结实。元器件焊接牢固。加防震措施和调谐回路锁定装置。谐回路锁定装置。 (2)温度：将主要元器件放在恒温槽中。合理选择回路温度：将主要元器件放在恒温槽中。合理选择回路元元件的材料，如选用膨胀系数小的金属材料和介质材料。采用件的材料，如选用膨胀系数小的金属材料和介质材料。采用正负温度补偿。也可用热敏电阻稳定偏置。正负温度补偿。也可用热敏电阻稳定偏置。 (3)湿度和大气压力：将振荡器和主要元件密封，还可选湿度和大气压力：将振荡器和主要元件密封，还可选用吸潮性较小的介质和绝缘材料。用吸潮性较小的介质和绝缘材料。 (4)电源电压：采用性能好的稳压电源，振荡器单独供电。电源电压：采用性能好的稳压电源，振荡器单独供电。 (5)周围电磁场的影响：采用电磁屏蔽措施。周围电磁场的影响：采用电磁屏蔽措施。 (6)负载变化：加缓冲级（跟随器）。负载变化：加缓冲级（跟随器）。 (7)老化：预先对元器件进行老化处理。老化：预先对元器件进行老化处理。2.2.提高电路抗外界因素影响的能力提高电路抗外界因素影响的能力 (1)提高振荡回路的标准性提高振荡回路的标准性 所谓振荡回路的标准性就是指振荡回路在外界因素变化所谓振荡回路的标准性就是指振荡回路在外界因素变化时，保持谐振频率不变的能力。因此，回路的标准性越高，时，保持谐振频率不变的能力。因此，回路的标准性越高，0随外界因素的变化越小。随外界因素的变化越小。 在高在高Q时，回路的谐振频率为时，回路的谐振频率为 对上式进行全微分得：对上式进行全微分得：即即5.6.14 式中负号表示式中负号表示L或或C增加时，增加时，0降低。可见谐振频率相降低。可见谐振频率相对变化量的对变化量的L和和C的相对变化量之和成正比。因此，提高回路的相对变化量之和成正比。因此，提高回路的标准性，也就是当外界因素变化时，减小的标准性，也就是当外界因素变化时，减小L和和C的相对变化的相对变化量。量。 . 采用高质量的回路元件采用高质量的回路元件 目前使用较广的是在高频陶瓷上用烧渗银的方法制成的目前使用较广的是在高频陶瓷上用烧渗银的方法制成的电感线圈。其特点是损耗小且温度膨胀系数小，吸水性小。电感线圈。其特点是损耗小且温度膨胀系数小，吸水性小。高质量的电容则采用膨胀系数小的金属（如殷钢）作极片的高质量的电容则采用膨胀系数小的金属（如殷钢）作极片的空气电容或云母电容器。还可以采用温度补偿的方法。空气电容或云母电容器。还可以采用温度补偿的方法。 . 减小分布电容和引线电感减小分布电容和引线电感。引线尽可能短，且应有。引线尽可能短，且应有足够的机械强度，各引线和元器件的连接和安装尽可能牢足够的机械强度，各引线和元器件的连接和安装尽可能牢靠。靠。 . 减小不稳定电容对回路标准性的影响，即减小不稳减小不稳定电容对回路标准性的影响，即减小不稳定电容在回路中所占的比重定电容在回路中所占的比重。可以有两种方法，一是降低振。可以有两种方法，一是降低振荡频率，可选的集中参数电容容量大，降低不稳定电容占回荡频率，可选的集中参数电容容量大，降低不稳定电容占回路总电容量的比重。所以，为了提高频率稳定度，在无线电路总电容量的比重。所以，为了提高频率稳定度，在无线电设备中总是希望主振器工作在较低的频段，然后采用倍频的设备中总是希望主振器工作在较低的频段，然后采用倍频的方法达到规定的频率。另外一种方法是在满足起振的条件下方法达到规定的频率。另外一种方法是在满足起振的条件下尽量减小回路与负载、有源器件之间的耦合，即采用部分接尽量减小回路与负载、有源器件之间的耦合，即采用部分接入的方法。入的方法。 . 提高回路的有效提高回路的有效Q值值。采用先进工艺提高线圈本身。采用先进工艺提高线圈本身的的Q值。值。 (2) 减小相角减小相角 、 及其变化量及其变化量 . 是平均正向传输导纳的相角，它主要由以下两个是平均正向传输导纳的相角，它主要由以下两个原因产生：一是载流子在基区渡越时间的影响。二是高次谐原因产生：一是载流子在基区渡越时间的影响。二是高次谐波的影响。前者可选用波的影响。前者可选用fT高的晶体管，使高的晶体管，使 减小，通常选减小，通常选fT=10f 。后者，主要是因为回路的后者，主要是因为回路的Q值有限，高次谐波在回值有限，高次谐波在回路上总有一定的压降，使得回路电压路上总有一定的压降，使得回路电压uC不是理想的正弦波而不是理想的正弦波而有畸变，通过反馈使集电极电流不是理想的尖顶余弦脉冲。有畸变，通过反馈使集电极电流不是理想的尖顶余弦脉冲。 . 反馈系数相角反馈系数相角 是回路电压是回路电压 与反馈电压与反馈电压 之间的之间的相角。产生这个相角的主要原因是由于基极电流的存在及在相角。产生这个相角的主要原因是由于基极电流的存在及在振荡回路中具有一定的损耗以及晶体管的振荡回路中具有一定的损耗以及晶体管的Gie、Goe的存在。的存在。5.75.7 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英谐振器的符号和等效电路如图所示。其串联石英谐振器的符号和等效电路如图所示。其串联谐振频谐振频率为率为Crq Cq Lq JT b a xo 容性 O 容性 wq wp 感性 当等效电路并联时，并联谐振频率为：当等效电路并联时，并联谐振频率为：石英谐振器的电抗石英谐振器的电抗-频率特性如图所示频率特性如图所示5.7.1 5.7.1 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 把晶体作为一个感性元件置于反馈网络的振荡电路中，把晶体作为一个感性元件置于反馈网络的振荡电路中，与其他回路元件一起构成三点式振荡器。与其他回路元件一起构成三点式振荡器。 并联型石英晶体正弦波振荡电路的电路原理并联型石英晶体正弦波振荡电路的电路原理如图如图。振荡。振荡电路的选频网络由石英晶体和电容电路的选频网络由石英晶体和电容C1、C2组成。电路的交流组成。电路的交流等效电路如等效电路如图图(b)所示。图中所示。图中Rb=Rb1Rb2。该等效电路类似该等效电路类似于改进型电容三点式振荡器。其振荡频率为于改进型电容三点式振荡器。其振荡频率为式中式中并联石英晶体振荡器及等效电路并联石英晶体振荡器及等效电路5.7.25.7.2串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器这种振荡器类似于三点式振荡器，区别就是两个分压电容这种振荡器类似于三点式振荡器，区别就是两个分压电容C1、C2的中间抽头通过石英谐振器接到晶体管的发射极，完成正的中间抽头通过石英谐振器接到晶体管的发射极，完成正反馈的作用。反馈的作用。石英晶体在串联谐振时阻抗接近于零，可认为石英晶体在串联谐振时阻抗接近于零，可认为是短路，此时正反馈最强，满足振荡条件。是短路，此时正反馈最强，满足振荡条件。5.8 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象5.8.1 寄生振荡寄生振荡 振荡器电路中产生的各种非需要的频率的振荡。振荡器电路中产生的各种非需要的频率的振荡。 在在高高频频放放大大器器或或振振荡荡器器中中, ,由由于于某某种种原原因因, ,会会产产生生不不需需要要的的振振荡荡信信号号, ,这这种种振振荡荡称称为为寄寄生生振振荡荡。如如第第3 3章章介介绍绍的的小小信信号号放大器稳定性时所说的自激放大器稳定性时所说的自激, ,即属于寄生振荡。即属于寄生振荡。 产产生生寄寄生生振振荡荡的的形形式式和和原原因因是是各各种种各各样样的的, ,有有单单级级和和多多级级振振荡荡, ,有有工工作作频频率率附附近近的的振振荡荡或或者者是是远远离离工工作作频频率率的的低低频频或超高频振荡。或超高频振荡。 消除寄生振荡的根本措施是破坏振荡电路在寄生振荡频消除寄生振荡的根本措施是破坏振荡电路在寄生振荡频率上的振荡条件。率上的振荡条件。 （1）低频寄生振荡）低频寄生振荡 产生的原因：电路中电感量很大的扼流圈和容量很大的产生的原因：电路中电感量很大的扼流圈和容量很大的隔直流电容所决定的频率远低于工作频率。隔直流电容所决定的频率远低于工作频率。 消除措施：尽可能减少扼流线圈的电感量，以降低寄生消除措施：尽可能减少扼流线圈的电感量，以降低寄生振荡回路的谐振阻抗；在扼流线圈两端并一大电阻或串联一振荡回路的谐振阻抗；在扼流线圈两端并一大电阻或串联一小电阻以降低其小电阻以降低其Q值，通过增加损耗来破坏其振幅条件等。值，通过增加损耗来破坏其振幅条件等。（2）超高频寄生振荡）超高频寄生振荡 产生的原因：晶体管的极间电容、分布电容以及引线电产生的原因：晶体管的极间电容、分布电容以及引线电感的影响所致。感的影响所致。 消除措施：元件的排列和布线合理，避免出现放大器输消除措施：元件的排列和布线合理，避免出现放大器输入和输出回路之间的耦合。入和输出回路之间的耦合。PCBPCB板采用短而粗的引线，以减小板采用短而粗的引线，以减小引线电感；在基极或集电极上串一个小的无感电阻，以降低引线电感；在基极或集电极上串一个小的无感电阻，以降低Q Q值，消除振荡的可能发生等。值，消除振荡的可能发生等。 对工作频率附近的寄生振荡，可通过合理设计放大器并对工作频率附近的寄生振荡，可通过合理设计放大器并采用失配法和中和法来消除。采用失配法和中和法来消除。5.8.2 间歇振荡间歇振荡 LCLC振荡器在建立振荡的过程中振荡器在建立振荡的过程中, ,有两个互有联系的暂态有两个互有联系的暂态过程过程, ,一个是回路上高频振荡的建立过程一个是回路上高频振荡的建立过程; ;另一个是偏另一个是偏压的建立过程。回路有储能作用压的建立过程。回路有储能作用, ,要建立稳定的振荡器要建立稳定的振荡器需要有一定的时间需要有一定的时间。5.8.3 振荡器的占据现象振荡器的占据现象 在一般在一般LCLC振荡器中振荡器中, ,若从外部引入一频率为若从外部引入一频率为f fs s的信的信号号, ,当当f fs s接近振荡器原来的振荡频率接近振荡器原来的振荡频率f f1 1时时, ,会发生占据现会发生占据现象象, ,表现为当表现为当f fs s接近接近f f1 1时时, ,振荡器受外加信号影响振荡器受外加信号影响, ,振荡振荡频率向接近频率向接近f fs s的频率变化的频率变化, ,而当而当f fs s进一步接近原来进一步接近原来f f1 1时时, ,振荡频率甚至等于外加信号频率振荡频率甚至等于外加信号频率f fs s, ,产生强迫同步。产生强迫同步。 当当要要求求产产生生频频率率在在几几十十千千赫赫以以下下的的正正弦弦波波信信号号时时, 如如仍仍采采用用回回路路作作选选频频网网络络, 则则所所需需回回路路电电感感量量很很大大, 使使元元件件体体积积增增大大, 且且使使用用不不方方便便。 这这时时, 可可以以改改用用电电路路作作选选频频网网络络, 同同时时采采用用晶晶体体管管或或集集成成电电路路作作为为放放大大器器, 组组成成振振荡荡器器。振振荡荡器器也也是是一一种种反反馈馈型型振振荡荡器器, 用用于于产产生生低低频频正正弦弦波波信信号号。 下下表表是是三三种种常常用用的的选选频频网网络络电电路路及及其其电电压压传传输输系系数数（j）和和频频率率特特性性。其其中中, 导导前前移移相相电电路路和和滞滞后后移移相相电电路路分分别别具具有有高高通通滤滤波波和和低低通通滤滤波波的的特特性性, 其其幅幅频频特特性性分分别别是是单单调调递递增增和和单单调调递递减减曲曲线线, 选选频频特特性性很很差差； 串串并并联联选选频频电电路路具具有有类类似似回回路路的的带带通通滤滤波波特特性性, 但但选选择择性性能能不不如如回回路路。 三三种种电电路路均均具具有有负负斜斜率率的的相相频频特特性性, 满满足足振振荡荡器器的的相相位位稳稳定定条件。条件。 5.9 振 荡 器 5.9.1 文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器 由由上上图图可可知知, 串串并并联联选选频频电电路路在在=0处处的的相相移移为为零零, 所所以以, 为为了了形形成成正正反反馈馈, 必必须须采采用用同同相相放放大大器器。通通常常可可以以采采用用两两级级共共射射电电路路组组成成, 或或者者采采用用同同相相集集成成运运算算放放大大器器。后后者者所所组组成成的的振振荡荡电电路路如如下下图图所所示示。（）图图可可以以改改画画成成如如（）图图所所示的文氏电桥电路形式示的文氏电桥电路形式, 因而称为文氏电桥振荡器。因而称为文氏电桥振荡器。 与与振振荡荡器器相相同同, 振振荡荡器器也也必必须须满满足足起起振振、 平平衡衡和稳定三个条件。和稳定三个条件。 文文氏氏电电桥桥振振荡荡器器的的反反馈馈系系数数（即即串串并并联联选选频频电电路路的的传传输输系数）为：系数）为：其中振荡角频率其中振荡角频率或所以所以 所以所以, 在在N()= 处处, 有有1=0.30, 2=3.30。 可可见见, 串串并并联联选选频频电电路路的的幅幅频频特特性性不不对对称称, 且且选选择择性性较较差差。 由由于于串串并并联联选选频频电电路路组组成成的的反反馈馈网网络络在在振振荡荡频频率率0处处的的增增益益为为, 所所以以同同相相运运放放的的起起始始增增益益必必须须大大于于, 才才能能满满足足环环路路增增益益大大于于的的振振幅幅起起振振条条件件。振振荡荡器器的的振振幅幅平平衡衡和和稳稳定定条条件件是是依依靠靠晶晶体体管管的的非非线线性性特特性性来来满满足足的的, 而而文文氏氏电电桥桥振振荡荡器器由由于于串串并并联联选选频频电电路路的的选选频频特特性性差差, 不不能能有有效效地地滤滤除除高高次次谐谐波波分分量量, 所所以以, 放放大大器器必必须须工工作作在在线线性性区区, 才才能能保保证证输输出出波波形形非非线线性性失失真真小小。为为此此,采采用用了了以以下下两两个个方方法法： () 引引入入负负反反馈馈以以减减小小和和限限制制放放大大器器的的增增益益, 使使在在开开始始时时放放大大器器增增益益略略大大于于, 这这样样, 环环路路增增益益仅仅在在振振荡荡频频率率0及及其其附附近近很很窄窄的的频频率率段段略略大大于于, 满满足足振振幅幅起起振振条条件件, 而而在在其其余频段均不满足正反馈振幅起振条件。余频段均不满足正反馈振幅起振条件。 () 在在负负反反馈馈支支路路上上采采用用具具有有负负温温度度系系数数的的热热敏敏电电阻阻（如如图图 (a)中中的的t）。 起起振振后后, 振振荡荡电电压压振振幅幅逐逐渐渐增增大大, 加加在在t上上的的平平均均功功率率增增加加, 温温度度升升高高, 使使t阻阻值值减减小小, 负负反反馈馈加加深深, 放放大大器器增增益益迅迅速速下下降降。 这这样样, 放放大大器器在在线线性性工工作作区区就就会会具具有有随随振振幅幅增增加加而而增增益益下下降降的的特特性性, 满满足足振振幅幅平平衡衡和和稳稳定定条件。条件。 可可见见, 文文氏氏电电桥桥振振荡荡器器是是依依靠靠外外加加热热敏敏电电阻阻形形成成可可变变负负反反馈馈来来实实现现振振幅幅的的平平衡衡和和稳稳定定, 这这种种方方法法称称为为外外稳稳幅幅； 而而像像振振荡荡器器那那样样依依靠靠晶晶体体管管本本身身的的非非线性特性来稳定振幅的方法称为内稳幅。线性特性来稳定振幅的方法称为内稳幅。 串并联选频电路的相频特性具有负斜率串并联选频电路的相频特性具有负斜率, 所以满所以满足相位稳定条件。足相位稳定条件。 4.9.2 4.9.2 相移振荡器相移振荡器 由由前前面面的的表表可可知知, 一一节节导导前前移移相相或或滞滞后后移移相相电电路路实实际际能能产产生生的的相相移移量量小小于于90(当当相相移移趋趋近近90时时, 增增益益已已趋趋于于零零）, 所所以以, 至至少少要要三三节节移移相相电电路路才才能能产产生生180相相移移。由由三三节节移移相相电电路路和反相放大器就可以组成正反馈振荡器。和反相放大器就可以组成正反馈振荡器。 下下图图给给出出了了由由三三节节导导前前移移相相电电路路和和集集成成运运放放组组成成的的相移振荡器。该振荡器的振荡频率相移振荡器。该振荡器的振荡频率0和振幅起振条件分别为和振幅起振条件分别为： 相相移移振振荡荡器器是是采采用用内内稳稳幅幅的的振振荡荡电电路路, 移移相相电电路路的的选选频频性性能能又又很很差差, 因因而而输输出出波波形形不不好好, 频频率率稳稳定定度度低低, 只能用在性能要求不高的设备中。只能用在性能要求不高的设备中。 5.10 负阻振荡器负阻振荡器负负阻阻：电流增大、电压减少：电流增大、电压减少隧道二极管消耗的功率：一部分为直流功率，隧道二极管消耗的功率：一部分为直流功率，由直流电源提供；另一部分为负交流功率，即由直流电源提供；另一部分为负交流功率，即器件向外输出交流功率。器件向外输出交流功率。因而能将直流电能转换为交流电能。因而能将直流电能转换为交流电能。负阻振荡器的组成条件：负阻振荡器的组成条件： 1。由负阻器件和。由负阻器件和LC选频网络组成；选频网络组成； 2。静态工作点选择在负阻特性区；。静态工作点选择在负阻特性区； 3。负阻器件和。负阻器件和LC选频网络正确连接；选频网络正确连接；负阻振荡器的振荡频率：负阻振荡器的振荡频率：本章小节本章小节1. 一般来说，正弦波振荡电路由四部分组成：一般来说，正弦波振荡电路由四部分组成： 放大电放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。 2. 注意幅度平衡条件和相位平衡条件。注意幅度平衡条件和相位平衡条件。3. RC振荡电路的选频网络由电阻振荡电路的选频网络由电阻R和电容和电容C组成，其振组成，其振荡频率与荡频率与RC成反比，这种振荡器可产生几赫至几百千赫的成反比，这种振荡器可产生几赫至几百千赫的低频信号。低频信号。 4. LC振荡电路的选频网络由电感振荡电路的选频网络由电感L和电容和电容C组成，其振荡组成，其振荡频率通常频率通常f0可达一百兆赫以上。可达一百兆赫以上。 5. 频率稳定度是振荡器非常重要的技术指标之一。频率稳定度是振荡器非常重要的技术指标之一。 频率频率稳定度按时间间隔分为长期、短期和瞬时频率稳定度。稳定度按时间间隔分为长期、短期和瞬时频率稳定度。 6. 石英晶体振荡器相当于一个高石英晶体振荡器相当于一个高Q值的值的LC电路。电路。 当要求当要求正弦波振荡电路具有很高的频率稳定性时，可以采用石英晶正弦波振荡电路具有很高的频率稳定性时，可以采用石英晶体振荡器，其振荡频率决定于石英晶体的固有频率，频率稳体振荡器，其振荡频率决定于石英晶体的固有频率，频率稳定度可达定度可达10-610-8的数量级。的数量级。