第4章 正弦波振荡器

第4章 正弦波振荡器【本章内容提要】 本章主要介绍了振荡的 基本原理，对振荡的条件和振荡频率稳定 性进行了分析，对通信电路中常用的LC振 荡器、集成电路振荡器、石英晶体振荡器 和压控振荡器进行了详细的论述和说明。 【本章学习重点与要求】 本章重点掌握各 种反馈式正弦波振荡器的电路组成、基本 工作原理和分析方法，掌握正弦波振荡器 的主要特点和用途；了解影响振荡器频率 稳定度的主要因素和解决方法。

第4章 正弦波振荡器振荡器是一种不用外加激励就能自行产生交流信号输出的电路。它在 电子科学技术领域中得到广泛地应用，如通信系统中发射机的载波振 荡器、接收机中的本机振荡器、医疗仪器以及测量仪器中的信号源等。 振荡器的种类很多，按信号的波形来分，可分为正弦波振荡器和非正 弦波振荡器。正弦波振荡器产生的波形非常接近于正弦波或余弦波， 且振荡频率比较稳定；非正弦波振荡器产生的波形是非正弦的脉冲波 形，如方波、矩形波、锯齿波等。非正弦振荡器的频率稳定度不高。 本章仅介绍正弦波振荡器。 在正弦波振荡器中，主要有LC振荡电路、石英晶体振荡电路和RC振荡 电路等几种。这几种电路，以石英晶体振荡器的频率最稳定，LC电路 次之，RC电路最差。RC振荡器的工作频率较低，频率稳定度不高，但 电路简单，频率变化范围大，常在低频段中应用。 在通信、广播、电视等设备中，振荡器正逐步实现集成化，这些集成 化正弦波振荡器的工作原理、电路分析、设计方法等原则上与分立元 件振荡电路相一致。由于集成电路的集成度愈来愈高，并在向系统功 能发展，其内部电路日趋复杂，如果不从系统组成和单元电路原理这 两方面同时着手，那是很难弄清某一集成芯片的，振荡器也不例外。 为此，本章通过对分立元件电路的分析来讨论正弦波振荡电路，并着 重叙述集成化正弦波振荡器的电路特点。

4.1反馈振荡器的工作原理4.1.1 振荡的基本原理 振荡器产生振荡需要的条件、振荡信号的波形、频率的变 化原因是首先应该弄清楚的问题。实际上，自激振荡器是 由反馈放大器演变而来的，为了说明问题，这里对照画出 调谐放大器和变压器耦合正弦波自激振荡器的实际电路图， 如图4-1所示。 图4-1(a)所示是调谐放大器，这种电路人们早已熟悉，LC 回路调谐在所需的信号频率上。图4-1(b)所示是LC自激振 荡器的电路图，与图4-1(a)相比，只是多了一根反馈线， 将输出信号正反馈至输入端。由图4-1(b)可见，如果电路 满足一定条件，不外加激励，也会产生正弦或余弦信号， 成为正弦波(或余弦波)自

激振荡器。电路应满足下列3 个条件。

(a)调谐放大器 (b)自激振荡器 图4-1 从调谐放大器到自激振荡器

4.1.1 振荡的基本原理一是要有放大电路(非线性部件),以对信号进行放大和 非线性作用，将直流电能转换成交流信号能量。 二是在反馈网络中必须要有选频电路，使选出的反馈信号 满足上述条件，而滤除不需要的信号，这样才能得到正弦 信号或余弦信号的输出。如果没有选频回路，虽然产生振 荡，但振荡出的波形一般是非正弦的。 三是要有正反馈，即反馈回来的信号和放大器所需的输入 信号同相，且反馈回来的信号幅度要足够大，这就是相位 条件和幅度条件。 必须指出，选频回路既可以是放大器的负载，也可以是反 馈网络的组成部分；既可以是LC调谐回路，也可以是RC 选频网络或石英晶体谐振器。

4.1.2 振荡的起振和平衡条件振荡器实现振荡必须满足一定条件，通常称为“起振条件”和 “平衡条件”。 1.起振条件 起振条件又称自激条件。它表示一个振荡电路在接通电源时， 输出信号从无到有建立起来应该满足的条件。 首先要知道，振荡器刚接通电源后，原始输入电压是从哪里来 的？第一，来源于放大管基极的VB,VB电压在开机后由零升 至定值，此阶跃信号中含有多种频率分量；第二，电路各部分 存在许多形式的扰动，如管子的内部噪声、输入回路电阻的热 噪声等，这些噪声与干扰所含有的频率成分十分丰富。这些微 小的扰动电压或电流经过振荡器放大管的放大，加至负载回路 或反馈网络，经过选频电路的选择，再反馈至放大管的输入端， 此信号经过放大、选频、反馈，再放大、再选频、再反 馈，……,在信号较小的起振阶段，每次返回至输入端信号的 幅度总是要比前一次来的大。这样，经过若干个周期，振荡信 号就愈来愈强，当此幅度强到一定值时，振荡管便由放大状态 进入到非线性区域(截止或饱和),使振荡器的幅度稳定在一 定值，达到平衡状态。设计时，只是某一频率的信号满足振荡 条件，因而产生的是正弦信号或余弦信号，而其他频率的信号 则被衰减至零。

4.1.2 振荡的起振和平衡条件根据反馈理论，可以画出振荡器的组成方框图，如图4-2所示。 主网络一般是一放大电路，它是振荡系统中的非线性部件。反馈 网络可以是变压器耦合电路、互感耦合电路、电容分压电路、电 感分压电路、阻容分压电路或石英晶体谐振器。选频回路可以设 在主网络中，也可设在反馈网络中。在图4-2中， V 是主网络的传 A F 输函数，即放大器的开环增益； 是反馈网络的传输函数，即反 V 馈系数，反馈网络通常

是无源的线性网络； S 、 是主网络的输入、 V 输出信号；O 、f 是反馈网络的输入、输出信号。 V V V O

4.1.2 振荡的起振和平衡条件根据上述分析，可以直接写出振荡器的起振条件，即 > V (4-1) Vf S

若用 AV 、FV 表示起振条件(设选频网络对振荡频率的传递函数为1)

Vf = FV VO = FV AV VS FV AV >1

得 (4-2)

式(4-2)是复数形式，可分别写出它的幅度和相角公式，即 AVFV>1 幅度条件 (4-3) φa+φf=2nπ(n=0,1,2,…) 相位条件(正反馈条件) (4-4) 由上式可见，一个反馈环路，若环路增益大于1,且环路中信号的相位移为 2nπ(0°,360°等)时，这个反馈网络会产生自激振荡器，相位移为2nπ, 即为正反馈条件。 很显然，若 Vf <V ,则 F A <1,网络不会产生自激。 S V V 网络在起振阶段，由于信号幅度较小，振荡管工作在线性区域，可以用等效 电路的方法对振荡电路进行分析，求取。

4.1.2 振荡的起振和平衡条件2.平衡条件 振荡器满足起振条件时 Vf > S ,振荡信号的强度就会愈来 V 愈大，振荡管便由线性状态很快地过渡到甲乙类乃至丙类的 非线性状态，这时放大器的增益会下降，最终达到平衡的条 件，即 Vf = VS AV FV =1 即 (4-5) AVFV=1 幅度条件 (4-6) 或 φa+φf=2nπ(n=0,1,2,…) 相位条件 (4-7) 在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号Vf 正好等于放 大管所需的输入电压 VS ,从而保持反馈环路各点电压的平 衡，使振荡器得以维持。

4.1.3 振荡器的频率稳定性对振荡器来说，仅满足起振条件和平衡条件还不够，由于 振荡器的工作环境是在变化的，如果平衡条件受到破坏， 振荡器是否还能输出特定频率和幅度的信号就成为振荡器 能否使用的重要问题，这就是振荡器的稳定性问题。下面 讨论振荡器的稳定条件。 稳定条件有两个，一个是幅度稳定条件，另一个是相位稳 定条件，或称频率稳定条件。 1.振幅稳定条件 前面说过，振荡器是由放大电路和反馈网络组成的。 对放大电路来说，其振荡持性如图4-3中的曲线所示，在 输入信号 VS 不是太大的某段区域，VS 与 VO 与成线性关 系；而在相当大的范围内， S 与 VO 成非线性关系。反馈 V 网络一般是 …… 此处隐藏：3914字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……