第七章 正弦波振荡器

§7.1 概述 正弦波是电子技术、通信和电子测量等领域中应用最广泛的波形之一。能够产生正弦波的电路称为正弦波振荡器。 通常按工作原理的不同，正弦振荡器分为反馈型和负阻型两种，前者应用更为广泛。本章要掌握反馈型正弦振荡的工作原理， LC 振荡器和晶体振荡器的电路组成、特点、性能及分析方法等。

7.1.1 振荡电路的功能没有外加输入信号，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定振幅、一定频率和一定波形的交变信号输出。7.1.2 振荡电路的分类1 ） . 按振荡器产生的波形分为：正弦波振荡器和非正弦波振荡器2 ） . 按产生振荡的原理分为：反馈型和负阻型7.1.3 振荡电路的主要技术指标振荡电路的主要技术指标是振荡频率、频率稳定度、振荡幅度和振荡波形等。

§7.2 反馈型 LC 振荡器原理7.2.1 振荡的建立与起振条件反馈型振荡器的原理框图如图 7-1 所示。由图可见，反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路 , 放大器通常是以某种选频网络 ( 如振荡回路 ) 作负载 , 是一调谐放大器 , 反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。 

图 7-1  反馈型振荡器的原理框图

反馈放大器的闭环增益 （ 7-1 ）图中： （ 7-2 ）

（ 7-3 ）

（ 7-4 ）

得： （ 7-5 ）

（ 1 ） 振荡建立与起振条件为了使振荡过程中输出幅度不断增加 , 应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大 , 振荡开始时应为增幅振荡 ,由式 (7-5) ，可知起振条件为 Uf(s)>Ui(s) ，即 A(s)F(s)Ui(s)>Ui(s) ，

称为起振的振幅条件和相位条件 , 起振的相位条件为正反馈条件。（ Y 为晶体管平均正向传输导纳相位角， L 为负载阻抗角， F 为反馈网络相位角， gm 为晶体管跨导）

(2) 振荡的平衡和平衡条件

振荡器振荡平衡状态时， UI=UF=AFUI ，所以分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。(3) 振荡平衡状态的稳定条件a) 振荡器振荡平衡状态的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。当振荡平衡时， UI=UF ；若某种原因导致 UI 增大，只有 AF 减小，才能使UF 减小， UI 减小。所以在平衡振点 A ，振幅稳定条件为

如果 F 不变，则有：

b) 当振荡平衡时， ；若某种原因导致φ 增大，相当于 ω增大；只有 ω减小 ，才能使 φ

减小。所以相位稳定条件为： 

§ 7.3 反馈型 LC 振荡器7.3.1 互感耦合振荡电路(1) 电路

图 7-3 互感耦合振荡器图 7-3 是互感耦合振荡器的实际电路 , 图中反馈网络由 L2 和 L1 间的互感 M 完成 , 因而称为互感耦合反馈振荡器 , 或称为变压器耦合振荡器。

(2) 振荡电路类型（根据振荡回路是在集电极电路、基极电路或发射极电路进行分类）：

1. 共基调集2. 共射调基3. 共基调射

(3) 振荡频率（振荡回路为 LC 振荡回路）：

7.3.2 电容反馈振荡电路电容反馈振荡器电路如图 7-4 所示。

图 7-4 电容反馈振荡器电路(a) 实际电路 (b) 交流等效电路 (c) 高频等效电路

（ 1 ）电路的振荡频率回路的总电容 C 为

(7-6)

振荡频率

(7-7)

 1.  当不考虑 gie( 输入电导 ) 的影响时 , 反馈系数F(jω) 的大小为

(7-8)

2.   将 gie 折算到放大器输出端 , 有

(7-9)

因此 , 放大器总的负载电导 gL 为

(7-10)

则由振荡器的振幅起振条件 YFRLF′>1, 可以得到

(7-11)

7.3.3 电感反馈振荡电路1 ）电路：电感反馈振荡器电路如图 7-5 所示。

图 7-5 电感反馈振荡器电路

(a) 实际电路 (b) 交流等效电路 (c) 高频等效电路

回路的总电感

(7-12)

2 ）振荡频率由相位平衡条件分析，振荡器的振荡频率表达式为

(7-13)

(7-14)

3) 反馈系数

不考虑 gie 的影响 , 反馈系数的大小为

(7-15)

起振时的 gm 应满足

(7-16)

§7.4 振荡器的频率稳定原理7.4.1 频率稳定度的定义振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化 , 引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度 , 它是振荡器的一个重要指标。

绝对偏差为： (7-17)

其中 f0 为标称频率， f1 为实际工作频率；相对偏差为： (7-18)

7.4.2 振荡器的频率稳定度的表达式振荡器的频率稳定是由相位平衡条件决定的，根据平衡条件： 设回路 Q 值较高 , 振荡回路在 ω0 附近的幅角

可以近似表示为

因此相位平衡条件可以表示为

考虑到 QL 值较高 , 即 ω1/ω0≈1, 有

这就是 LC 振荡器频率稳定度的一般表达式。

6.4.3 振荡器的稳频措施由上式看出：凡是影响 ω0 ， Q ，（ ）的外部因素都会引起振荡频率的变化，所以稳频措施可以有以下几种：

(1) 减少外因变化的影响温度是影响的主要因素，温度的改变 , 导致电感线圈和电容器极板的几何尺寸将发生变化；而且电容器介质材料的介电系数及磁性材料的导磁率也将变化 ,从而使电感、电容值改变；机械振动可以采用减震措施；电磁场影响可以采用屏蔽措施等。

(2) 提高电路参数抗外因变化的能力极间电容的变化将影响频率稳定度 , 在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另外 , 应选择 fT( 特征频率 ) 较高的晶体管 ,fT越高 , 高频性能越好 , 可以保证在工作频率范围内均有较高的跨导 , 电路易于起振 ; 而且 fT越高 , 晶体管内部相移越小。

回路的相频特性应具有负的斜率 ,斜率越大 , 相位越稳定。根据 LC 回路的特性 , 回路的 Q 值越大 ,回路的相频特性斜率就越大 , 即回路的 Q 值越大 ,相位越稳定。从相位与频率的关系可得 , 此时的频率也越稳定。

(3) 选用 小的电路形式 越小，频率稳定度就越高。因为电容三点式振荡器的反馈支路是电容，其 比采用电感反馈的电感三点式要小，在高稳定度的振荡器中常选用电容三点式电路形式。