正弦波振荡电路基础知识

正弦波振荡电路基础知识

振荡电路是自动地将直流能量转换为具有一定波形参数的交流信号的装置。它也是一种能量转换器，但它与放大电路的区别是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。

振荡器实际上就是我们常说的信号发生器。它在电子技术应用领域里的用途非常广泛。根据波形的不同，可将振荡器分为正弦波振荡器（能产生具有正弦波形的振荡电压）及非正弦波振荡器或张驰振荡器（能产生具有矩形、三角形、锯齿形的振荡电压）。按维持自激振荡的原理划分，自激振荡器可以分为反馈型和负阻型两种。本章仅讨论反馈型正弦自激振荡器。

8.1 正弦波振荡电路的基本原理

8.1.1 振荡电路的概述



振荡器能够输出某一指定频率的正弦波，因此闭合环路中包含选频网络。若选频网络由RC元件构成，则该振荡器称为RC振荡器，一般用来产生1赫至几兆赫范围内的低频信号；若选频网络由LC元件组成，则该振荡器称为LC振荡器，一般用来产生几百千赫以上的高频信号。若在LC振荡电路的选频网络中加入晶振元件，我们则称该电路为石英晶体振荡器，其目的是为了提高输出信号的频率稳定度。

图8.2给出了变压器耦合反馈型LC振荡电路，该电路与图8.1相对应也可分为放大电路和反馈网络两部分。图中由晶体管T构成放大电路，CB为隔直流电容，由电感L和C构成的单谐振回路是集电极负载，同时也起到选频作用。反馈网络由L和L2组成的变压器构成。电感L3的作用是把输出信号耦合下来加到输出负载上。

该电路的反馈电压Uf取自变压器次级L2两端，反馈信号通过由线圈L和L2组成的变压器从集电极反馈到基极。根据图中标注的同名端，利用瞬时极性法可知：输入信号和反馈信号同接在三极管的基极，且瞬时极性相同，所以为正反馈。



该电路的工作过程：当振荡电路接通电源时，电路中不可避免地存在种扰动。这种扰动是不规则性的，它包含着很宽的频率成分。其中绝大部分信号频率与选频网络LC频率不同，仅有某一种信号频率与选频网络LC频率相同。与选频网络LC频率不同的信号，也就是不符合振荡条件的频率分量迅速衰减直至消失，只有符合振荡条件的频率成分才能通过LC选频网络，通过放大、选频和反馈的多次循环，振荡电压就逐渐增长起来了。如图8.3中“起振”部分所示，电路产生了增幅振荡。这就是振荡电路的起振概念。



这里要强调说明的是，我们所讨论的振荡电路不需要外加输入信号，便能自行产生输出信号，但实质上该电路还是有“输入信号”的，该“输入信号”就是接通电源产生的多频率扰动信号中的某一个，而这个信号的频率必须与振荡频率一致。

起振以后，输出信号幅度在正反馈作用下越来越大，但它的振幅不会无限制地增长下去，因为该电路会由RE和CE产生自生反偏压。自生反偏压形成后，就会进入晶体管的非线性区，即进入了饱和区和截止区。iC的波形就会出现非线性失真，这样晶体管的导通角将会减小，从而导致增益降低，直至达到平衡，于是振幅便稳定于某一个恒定值了。如图8.3中“平衡”部分所示。

8.1.2 振荡电路工作的三个条件

我们继续借助图8.1来分析反馈型正弦波自激振荡器的起振条件和平衡条件。







3.抗干扰的稳定条件

由于振荡电路中存在各种干扰如温度变化、电压波动、噪声、外界干扰等，这些干扰会破坏振荡的平衡条件，因此，为使振荡器的平衡状态能够存在，只有使它成为稳定的平衡具有返回原先平衡状态能力的平衡。这就要求反馈型正弦波振荡器中，其放大器的增益或反馈网络的反馈系数是可以自动调节的。即如果干扰和噪声使反馈电压增大时，放大器的增益自动减小，即使AF减小，以保持输出电压幅度稳定；反之，若使反馈电压减小，则放大器的增益自动提高，这样就可使振荡器输出电压的振幅处于稳定状态，如用数学表达式表示时，即：

振荡器能否稳定工作，除需要满足振幅稳定条件外，还需满足相位稳定条件。即当电路受到干扰使相位平衡条件暂受到破坏时，在干扰消失后，电路能够自动回到原来的相位平衡状态。



LC谐振回路的相频特性如图8.4所示：





上述偏导数的绝对值越大，意味着相位平衡条件被破坏后，只要频率产生一微小的变化就可获得大小足够而符号相反的相位变化，在电路中恢复相位平衡。高Q值的LC回路便可满足这一要求。

总之，欲产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，三者缺一不可。因此，在反馈型正弦波振荡器的闭合环路中，一般包含可变增益的放大器、选频网络及反馈网络。选频网络可处在放大电路中，也可处在反馈网络中，也可能同时属于这两部分。

上述偏导数的绝对值越大，意味着相位平衡条件被破坏后，只要频率产生一微小的变化就可获得大小足够而符号相反的相位变化，在电路中恢复相位平衡。高Q值的LC回路便可满足这一要求。

总之，欲产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，三者缺一不可。因此，在反馈型正弦波振荡器的闭合环路中，一般包含可变增益的放大器、选频网络及反馈网络。选频网络可处在放大电路中，也可处在反馈网络中，也可能同时属于这两部分。

8.2 LC反馈型正弦波振荡电路

凡采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为LC正弦波振荡器。LC振荡电路形式很多，按反馈网络的形式划分有变压器耦合反馈型、电感分压反馈型和电容分压反馈型。

8.2.1 电感分压反馈型正弦波振荡电路

电感分压反馈型正弦波振荡电路也叫哈特莱（Hartley）电路。如图8.5(a)所示，其交流简化电路如图8.5(b)所示。参看图8.5(b)，由晶体三极管和L1、L2、C构成的谐振回路组成一个具有正反馈的谐振放大器。这里谐振回路兼具放大器的负载、选频网络、反馈网络三个功能。输出电压为电容C和电感L2上电压的相量和，反馈电压取自电感L2。下面我们用瞬时极性法来判断图8.5电路是否满足相位平衡条件。



从图8.5(b)中我们可以看出，回路电感的三个端子正好与器件的三个电极相连接，因此又把这种电路称为电感三点式振荡电路。其振荡频率为：



8.2.2 电容分压反馈型正弦波振荡器

电容分压反馈型电路，也称“考比兹”（Copitts）电路，如图8.6(a)所示，图8.6(b)是其交流简化电路。可以看出，它的基本结构与电感反馈型振荡器一样，只是将LC并联谐振回路中的电感与电容互换，从8.6(b)可以看出，两个电容的三点与三极管的三个电极直接相连，因此也称之为电容三点式振荡电路。



用瞬时极性法来分析这种电路是否满足自激振荡的相位平衡条件。设输入信号在基极的瞬时极性为正，在共射极放大器中，集电极输出信号在同一瞬间的瞬时极性为负。此信号经过C1、C2和L构成的振荡回路，在C1上端的瞬时极性也为负。由于电容C1和C2可以看成是两个电容的串联形式，则在C2下端的瞬时极性应为正。因此回送给基极的反馈信号与输入信号的瞬时极性相同，故此电路为正反馈环路，满足相位平衡条件。如果这个电路同时还满足AF＞1，那么该电路也是可以起振的。

电容三点式振荡电路的振荡频率为：

8.2.3 三种LC振荡电路特性比较分析

1.三种不同反馈形式振荡电路的比较

下面我们从应用振荡器的角度，就振荡器的输出波形和频率调节两个问题，对上述不同反馈电路形式的基本振荡电路作一比较。

(1) 振荡波形

影响振荡波形的主要有两个因素：一个是器件工作进入非 线性区的程度，第二个因素是振荡回路的选频特性。而选频特性可以从两个方面来考察，一是回路Q值，它直接影响输出波形中的谐波分量；二是反馈电路的联接形式。由前所述，图8.2为单调谐回路，对f0之外的高低频率滤波特性皆属于一阶滤波器。图8.5(b)属于 型LC高通二阶滤波器结构；图8.6(b) 属于 型LC低通二阶滤波器结构。低通比高通时对nf0谐波的滤波性能好得多，故据此分析可知，电容三点式电路的振荡波形最好，变压器耦合反馈式电路的振荡波形次之，电感三点式电路的振荡波形最差。

(2) 频率调节

在变压器耦合反馈式和电感三点式电路中，利用一个可变电容器就可以方便地在较大范围内调节振荡频率。而电容三点式电路只适用于要求频率调节范围不大的场合；当要求调节频率范围较大时，则应选用变压器耦合反馈式或电感三点式电路。

2.三点式振荡电路相位平衡条件

为了便于识别各种变形的三点式振荡电路，不妨对图8.5及8.6所示两种三点式振荡电路的交流简化电路作进一步的分析。两种电路中，器件的每两个电极，各接有一个电抗元件，如果把它概括为图8.7所示的形式，各电极之间的电抗用符号Xbc、Xbe、Xce表示。将图8.5(b)和8.6(b)与之对照，不难发现，这两种电路有一个共同的特点，这就是

(1) Xce与Xbe符号相同，即电抗性质相同；

(2) Xce与Xbe符号相反，即电抗性质不同。



在许多变形的三点式LC振荡电路中，Xbc、Xbe和Xce往往不是由单一的电抗元件构成的。而是由多个不同电抗符号的元件构成的复杂电路，在频率一定时，就可以将各个电极间的元件分别等效为一个电感或电容，并参考当时的振荡频率，观察三极管各电极间的等效电抗符号满足图8.7所示的关系，便可以方便地判断出电路是否满足起振所需的相位条件。

8.3 石英晶体振荡电路

频率稳定度是振荡器非常重要的性能指标之一，为了提高频率稳定度，针对前面所讨论的LC反馈型振荡器，我们引进了一些改进型的电路，例如本节将介绍的克拉泼电路和西勒电路，但这些电路的稳定度还远远达不到10-5的数量级，因此在要求高频率稳定度的场合，我们采用了石英晶体振荡器。

8.3.1 频率稳定度及稳频措施

1.频率稳定度

频率稳定度的定义是：在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频率的相对变化量。如振荡器的标称频率为f0,实际频率为f，则绝对误为△f



根据所规定时间长短不同，频率稳定度有长期、短期和瞬时之分。长期稳定度一般指一天以上乃至几个月内振荡频率的相对变化量，它主要取决于元器件的老化特性；短期频率稳定度一般指一天以内振荡频率的相对变化量，它主要决定于温度、电源电压等外界因素的变化；瞬时频率稳定度是指秒或毫秒内振荡频率的相对变化量，这是一种随机变化，这些变化均由电路内部噪声或各种突发性干扰所引起。

通常所讲的频率稳定度一般指短期频率稳定度。对振荡器频率稳定度的要求视振荡器的用途不同而不同，例如，用于中波广播电台发射机的频率稳定度为10e-5数量级，电视发射机的为10e-7数量级，普通信号发生器的为(10e-3~10e-5)数量级，作为频率标准的振荡器则要求达到(10e-8~10e-9)数量级。

2.影响频率稳定度的因素

由前面分析知道，LC振荡器振荡频率主要取决于谐振回路的参数，也与其他电路元器件参数有关。由于振荡器使用中，不可避免地会受到各种外界因素的影响，使得这些参数发生变化导致振荡频率不稳定。这些外界因素主要有温度、电源电压以及负载变化等。

温度变化会改变谐振回路的电感线圈的电感量和电容器的电容量，也会直接改变晶体管结电容、结电阻等参数，同时温度和电源电压的变化会影响晶体管的工作点及工作状态，也会使晶体管的等效参数发生变化，使谐振回路谐振频率、品质因素发生变化。

任何与振荡器相耦合的电路，它们都会吸取振荡器的振荡功率，成为振荡器的负载。如把这些负载阻抗折算到谐振回路之中，成为谐振回路参数的一部分，它们除了降低谐振回路的品质因素外，还会直接影响回路的谐振频率，所以，当负载变化时，振荡频率必然也将跟随变化。

3.稳频措施

相应地要解决振荡频率不稳定的因素，我们可以采用以下措施。

采用稳压电源稳定直流工作点，以减小极间电容的变化。

(2) 在负载与振荡电路间加缓冲级，隔离负载地振荡级的影响，以提高频率稳定性。

(3) 对决定振荡频率的元件应挑选，保证其精确度和稳定性。



(5) 将电抗元件L、C、晶体管、变容二极管和石英晶体等置于温糟内，降低它们各电参数的温度系数。但这样做成本较高，也可采用温度互补的电参数元件。例如选用正温度系数的电感，同时采用负温度系数的电容等措施。

8.3.2 三点式振荡电路的改进

1.克拉泼（Clapp）电路

如图8.8所示，克拉泼电路是在电容三点式振荡电路的基础上改进而来的。在原先的三点式振荡电路中，其振荡频率不仅取决于LC回路的参数，还与晶体管结电容和等内部参数有关，而晶体管的参数又随环境温度、电源电压的变化而变化，如何减小其对频率的影响呢？我们在L支路中串一个可变小电容C3，





2.西勒（Seiler）电路

如图8.9所示，它也是改进型电容三点式电路。



西勒电路中，由于C3与L并联，所以C3的大小不影响回路的接入系数，电路的放大倍数基本上不随C3的调节而变化，因而在振荡频率改变时，振荡幅度能保持稳定。

8.4.2 文氏电桥振荡电路

文氏电桥振荡电路如图8.13(a)所示。它由两部分组成，即放大电路和选频网络。放大电路为由集成运放组成的电压串联负反馈放大器，取其输入阻抗高和输出阻抗低的特点。而选频网络由RC串并联电路组成，同时兼作正反馈网络。

由图8.13(a)可见，Z1、Z2与R1、R2正好构成电桥的四个臂，而放大器的输入及输出端分别与电桥的两个对角线顶点相接，因此又称这种RC振荡器为文氏电桥振荡电路。其桥式画法见图8.13(b)。



(3) 输出幅度的稳定



尽管文氏电桥振荡电路的输出幅度稳定、失真小，但是电路结构比较复杂。因此在一些要求不高的场合，如便携式测试设备和遥测系统中，也使用结构比较简单的RC相移式振荡电路。RC相移振荡器是采用内稳幅的振荡电路，RC移相电路的选频性能又很差，因而输出波形不好，频率稳定度低，只能用在性能要求不高的设备中。