第6章 正弦波振荡器

6.1 概 述

本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量电路。

振荡器的分类：

按波形分：正弦波振荡器和非正弦波振荡器 按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器 按选频网络所采用的元件分：

LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型 本章主要讨论

? 反馈型正弦波振荡器的基本工作原理 ? 振荡器的起振条件 ? 振荡器的平衡条件 ? 振荡器的平衡稳定条件

? 正弦波振荡器三端电路的判断准则

? 正弦波振荡器的电路特点、频率稳定度等性能指标

+VCC 6.2 反馈型振荡器基本工作原理

+ C vo L M + 实际中的反馈振荡器是由反馈放大器演变而来，vf – – 如右图。 2 K 若开关K拨向―1‖时，该电路则为调谐放大器，当

+ 1 输入信号为正弦波时，放大器输出负载互感耦合变压

+ R器L2上的电压为vf ，调整互感M及同名端以及回路vi b2 Re Ce – 参数，可以使 vi = vf 。

此时，若将开关K快速拨向―2‖点，则集电极电路和基极电路都维持开关K接到―1‖点时的状态，即始终

维持着与vi相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。 自激振荡建立的物理过程

在电源开关闭合的瞬间，电流的跳变在集电极LC振荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端产生正弦波电压vo，并通过互感耦合变压器反馈到基级回路，这就是激励信号。

起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行放大—选频—反馈—再放大等多次循环，于是一个与振荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。

由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定的幅度。因此振荡的幅度不会无限增大。

反馈型自激振荡器的电路构成必须由三部分组成： 1）包含两个(或两个以上)储能元件的振荡回路。

2) 可以补充由振荡回路电阻产生损耗的能量来源。 A ＋ + + 3) 使能量在正确的时间内补充到电路中的控制设备。

?V?振荡器的起振条件 Ao?o??0 ?VVfi?vfAo?如右图： Af? F?

??1?Ao?Fvovi – vo – F 基本反馈环

?F?=0时，此时即使没有输入信号(vi=0)时，放大器仍有输出若在某种情况下1- Ao电压放大器变为振荡器。

要维持一定振幅的振荡，反馈系数F应设计得大一些。一般取

11

~，这样就可以28

?F?＞1时的情况下起振。 使得在Ao由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：

AoF?1,振幅起振条件?F??1 ? A?o????2n?(n?0,?1,?)，相位起振条件F?A其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度vf要一次比一次大，而相位起振条

件则要求环路保持正反馈。

起振过程中偏置电压建立的过程 ic ic Q ICQ I?CQ L C vf Cb o o eb VB t 自给偏压使工作点下移

– vs V?B Rb o + eb IEO + IBO (vf) Re VEB Cc – Re +VCC A0 t (b) Q 1 反馈特性 F

振荡特性 放大器增益A与输出电压幅度Vo之间的关系叫振Vom VomQ 荡特性，F与Vo之间的关系叫反馈特性。起振的幅度条件可用右上图表示。 起振条件与平衡条件

在实际设计中，如果设计不当，振荡特性可能不是单 图解(软激励起振) 调下降的，而如右下图所示。其静态工作点太低，ICQ 1 Q 1 F 太小，因而A0太小，以至不满足 。 F A0 B 这种振荡器电路一般不能自行起振，而必须给以一

A 个较大幅度的初始激励，使动态点越过不稳定平衡点B

Vom 才能起振，这叫硬激励起振，设计电路要力加避免。

硬激励起振特性 振荡器的平衡条件

所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位关系。 振荡器的平衡条件为

AF?1(振幅平衡)AF?1??????2n?(n?1,?1,?)(相位平衡)

F?A在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大管维持及所需要的输入电压，

从而保持反馈环路各点电压的平衡，使振荡器得以维持。

振荡器平衡状态的稳定条件

??所谓平衡状态的稳定条件即指在外因作用下，平衡条件被破坏后，振荡器能自动恢复原来平衡状态的能力。

上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平衡，但还不能说明这平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持，还必需看平衡状态是否稳定。

B Q

两个简单例子来说明稳定平衡与不稳定平衡的概念

1) 振幅平衡的稳定条件

假定由于某种因素使振幅增大超过了VomQ，可见这时A?1 F即出现AF＜1的情况，于是振幅就自动衰减而回到VomQ。反之，当某种因素使振幅小于VomQ，这时A?1 F即出现AF＞1的情况。于是振幅就自动增强，从而又回到VomQ。因此Q点是稳定

平衡点。

A0 Q 1 反馈特性 F

振荡特性 Vom VomQ

如果晶体管的静态工作点取得太低，甚至为反向偏置， 1 Q 1 而且反馈系数F又较小时，可能会出现另一种振荡形式。这F B F A0 时A=F(Vom)的变化曲线不是单调下降的，而是先随Vom的

A 增大而上升，达到最大值后，又随Vom的增大而下降。因

Vom 此，它与1/F线可能出现两个交点B与Q。这两点都是平衡点。

B点的平衡状态是不稳定的。由于在Vom＜VomB的区间，振荡始终是衰减的，因此，这种振荡器不能自行起振，除非在起振时外加一个大于VomB的冲击信号，使其冲过B点，才有可能激起稳定于Q点的平衡状态。这样的现象，称为硬自激。一般情况下都是使振荡电路工作于软自激状态，通常应当避免硬自激。

形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率，即

?A?0 振幅平衡的稳定条件

?VomVom?VomQ工作于非线性状态的有源器件(晶体管、电子管等)正好具有这一性能，因而它们具有稳定振幅的功能。

2) 相位平衡的稳定条件

相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保持其稳定的振荡。

必须强调指出：相位稳定条件和频率稳定条件实质上是一回事。因为振荡的角频率就是相位的变化率，所以当振荡器的相位变化时，频率也必然发生变化。(??d?) dt如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很小的相位增量??，这就意味着反馈电压超前于原有输入电压一个相角,相位超前就意味着周期缩短,频率不断地提

高。反之，如果??为负，即滞后于原输入电压同理将导致频率的不断降低。

从以上分析可知，外因引起的相位变化与频率的关系是：相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，频率随相位的变化关系可表示为

???0 ??为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。换句话说，就是在振荡频率发生变化的同时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化，以抵消由外因引起的??变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位稳定条件应为

为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。换句话说，就是在振荡频率发生变化的同时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化，以抵消由外因引起的??变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位稳定条件应为

???0 ??写成偏微分形式，即

?(?Y??Z??F)???0 或 ?0 ????由于?Y和?F对于频率变化的敏感性一般远小于?Z对频率变化的敏感性，即

??Y??Z??F??Z ????????????因此，相位稳定条件应为

????Z?<0 ????振荡器的相位稳定的条件说明只有谐振回路的相频特性曲线?Z=f(?)在工作频率附近具有负的斜率，才能满足频率稳定条件。事实上，并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率，如图所示。因而LC并联谐振回路不但是决定振荡频率的主要角色，而且是稳定振荡频率的机构。

–?YF ?Z ?Z= –(?Y+?F)= –?YF

Q1 ?o1 Q1?Q2 纵坐标也表示与?Z等值异号的?YF相角

??o1 如?YF增大到??YF，即产生了一个增量??YF，??1 Q2 从而破坏了原来工作于?o2频率的平衡条件。这种?o ? ?? o2o2不平衡促使频率?o2升高。由于频率升高使谐振回? ??o2 ?YF ??YF 路产生负的相角增量–??Z。当–??Z=??YF时，相

??YF 位重新满足??=0的条件，振荡器在??o2的频率上再一次达到平衡。但是新的稳定平衡

?YF –?Z 点??o2=?o2+??o2。毕竟还是偏离原来稳定平衡点

一个??o2。

6.3 反馈型LC振荡器线路

6.3.1 互感耦合振荡器

LC振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。

本部分内容重点介绍不同型式的反馈型LC振荡器，以三点式振荡器作为重点。 互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦合量M，使之满足振幅起振条件很重要。