正弦波振盪器

正弦波振盪器是指不需要輸入信號控制就能自動地將直流電轉換為特定頻率和振幅的正弦交變電壓（電流）的電路。

基本介紹

• 中文名：正弦波振盪器
• 外文名：sine-wave oscillator
• 組成：放大電路，選頻網路，反饋網路等
• 領域：信息科學

簡介

定義

它由四部分組成：放大電路，選頻網路，反饋網路和穩幅電路。常用的正弦波振盪器有電容反饋振盪器和電感反饋振盪器兩種。後者輸出功率小，頻率較低；而前者可以輸出大功率，頻率也較高。

分類

正弦波振盪器可分為兩大類：一類是利用反饋原理構成的反饋振盪器，它是套用最廣的一類振盪器；另一類是負阻振盪器，它將負阻抗元件直接連線到諧振迴路中，利用負阻器件的負阻抗效應去抵消迴路中的損耗，從而產生出正弦波振盪。

一、LC正弦波振盪器

LC正弦波振盪器、反饋型LC正弦波振盪器是LC正弦波振盪器的主要電路型式。LC選頻網路既是放大器的負載，又有一部分是正反饋網路。根據反饋電路的形式不同，可分為變壓器耦合反饋式、電感分壓反饋式和電容分壓反饋式。圖1（a）和（b）分別示出電感分壓反饋式和電容分壓反饋式的電路。這種電路中電感分壓器和電容分壓器的三端分別和電子器件的三個電極相連，又稱三端（或三點）式振盪電路。電感三端式又稱哈特萊電路，電容三端式又稱科皮茲電路。

圖1

LC振盪器的振盪頻率由選頻網路——LC振盪迴路的諧振頻率決定。工作頻率降低時，要求增大振盪迴路的電感量和電容量。大電感量的電感和大容量的電容器體積大、笨重，因此LC振盪器不適用於低頻，工作頻率一般不應低於幾百千赫。

（1）石英晶體振盪器：為提高振盪器的頻率穩定度，將LC振盪器中選頻網路的一部分用石英晶體替代的振盪器。為了保證振盪器的振盪頻率是在石英晶體控制下產生的，石英晶體接入線路的方式有兩種：一種是將石英晶體取代LC振盪器的一個電感，如圖2（a）所示。石英晶體在電路起振後呈現感抗，和電路中的電感L、電容C組成一個並聯振盪迴路。這種電路稱為並聯型石英晶體振盪器。另一種是將石英晶體串接在放大器的正反饋電路中，如圖2（b）所示。在石英晶體的串聯諧振頻率上，石英晶體呈現很低的阻抗，正反饋最強，很容易激起振盪。這種電路稱為串聯型石英晶體振盪器。石英晶體振盪器通常簡稱為晶體振盪器。

圖2

（2）負阻型LC正弦波振盪器：由具有負微變電阻的器件和LC選頻網路構成的正弦波振盪器。根據所採用的負阻器件的特性不同，電路的構成有所不同。採用流控型器件時，要求直流供電電源具有較高的內阻，器件應和LC元件組成串聯振盪迴路；採用壓控型器件時，要求直流供電電源有較低的內阻，器件應和LC元件組成並聯振盪迴路。用於構成負阻型LC正弦波振盪器的典型流拄型器件有雪崩三極體，典型壓控型器件有隧遭二極體。

二、RC正弦波振盪器，RC正弦波振盪器的振盪頻率反比於RC選頻阿絡元件RC的乘積。用增大電阻阻值的方法降低振盪頻率，不會像LC振盪器中增大電感量那樣會使元件體積和重量加大，故RC振盪器可工作在低頻段。套用最廣泛的RC振盪電路是圖3所示的文氏電橋電路。圖中，R1、C1、R2、C2組成具有選頻特性的正反饋網路。R₃和R₄組成負反饋網路。引入的負反饋超過正反饋，便可以減小工作頻率的諧波成分，減少波形失真，改善波形。如果將R₃選擇為具有正溫度係數的電阻，或是將R₄選擇為具有負溫度係數和熱情性的電阻，便可以收到穩幅的效果。

圖3

當振盪頻率延伸至超低頻頻段時，要求RC乘積非常大。容量很大的電容體積大；阻值過大的電阻，阻值穩定性下降，電阻上的直流電壓降過大，造成器件工作點偏離正常值，增大波形失真。積分式RC正弦波振盪器，可以在一定程度上克服此缺點。這種振盪器的振盪頻率，反比於組成振盪器積分器的積分時間常數。要獲得大的積分時間常數，不一定要用阻值大的電阻。用低阻值電阻構成一個T型網路，取代高阻值的積分電阻，只要二者的傳輸電導相等，便可收到相同的積分效果。積分式RC正弦波振盪器特別適用於超低頻段。

RC振盪器中，引入負反饋既可減少失真，又可提高頻率穩定度。RC正弦波振盪器的頻率穩定度，一般在10～10數量級。由於RC選頻網路的選擇性能不如LC阿絡，故RC振盪器中的電子器件必須工作於甲類，方能保證足夠小的波形失真。在RC振盪器中，採用惰性非線性實現穩幅。負反饋的非線性表現為負反饋隨信號幅度變化。當信號幅度增大時，負反饋隨之增大，阻止振幅增大。惰性則表現為負反饋不隨信號的瞬時值變化，以免引入失真。當振盪頻率不是很低（如在1Hz以上）時，用熱情性元伴構成負反饋電路，以實現惰性非線性負反饋。當振盪頻率很低（1Hz以下）時，熱情性元件的惰性不夠，可將振盪器的輸出信號進行檢波，利用檢波電壓作為負反饋電壓，以實現穩幅。依靠合理選擇檢波負載的時間常數，滿足必需的情性。

提高頻率穩定度和振幅穩定度的措施 LC正弦波振盪器中，採用提高LC振盪迴路Q值的方法，減小外界因素對振盪頻率的影響；用減弱器件和振盪迴路藕合的方法，減小器件輸出阻抗對迴路Q值和迴路總電容量的影響。提高頻率穩定度的典型電路有西勒（Seiler）電路和克拉潑（Clapp）電路。一般LC振盪器的頻率穩定度在10數量級；石英晶體的常規振盪電路，頻率穩定度可提高到10～10數量級；將振盪電路置於恆溫槽中，可提高到10～10數量級。振盪器中採用自生反向偏壓穩定振幅，提高振盪迴路Q值以減小波形失真。

套用

正弦波振盪器廣泛用於各種電子設備中。此類套用中，對振盪器提出的要求是振盪頻率和振盪振幅的準確性和穩定性。正弦波振盪器的另一類用途是作為高頻加熱設備和醫用電療儀器中的正弦交變能源。這類套用中，對振盪器提出的要求主要是高效率地產生足夠大的正弦交變功率，而對振盪頻率的準確性和穩定性的要求一般不作苛求。

正弦波振盪器可以作為設備的組成部分，也可以做成一個單獨的設備。在通信設備中，載頻、本機振盪頻率在幾百千赫以上的，一般用LC正弦波振盪器。負阻型LC正弦波振盪器的工作頻率在100MHz以上。當要求頻率穩定度十分高時，採用石英晶體振盪器。各種聲告警、電話通信設備中的振特、撥號音、占線等信號，振盪頻率處於音頗段，用RC正弦波振盪器。測試用正弦波信號源，要求幅度、頻率可調，並需有一定的帶負載能力。這種作為信號源的測試儀器，以振盪器為主，還有放大器、衰減器等附屬電路。高頻大功率的高頻爐，對頻率穩定度的要求很低，通常用一個大功率電子管接成振盪電路，直接從振盪迴路的電感線圈中的電磁場中獲取能量。

反饋型

原理分析

反饋型振盪器是由放大器和反饋網路組成的一個閉合環路。它由放大器和反饋網路兩大部分組成。放大器通常以某種選頻網路（如振盪迴路）作負載, 是一種調諧放大器；反饋網路一般是由無源器件組成的線性網路。

起振------>非線性過程------>穩幅振盪

反饋型振盪器的原理框圖

平衡條件

記 閉環電壓放大倍數Ku(s)，開環電壓放大倍數 K(s)，電壓反饋係數 F(s)，環路增益 T(s)，反饋係數 F′(jω)=-F(jω)。 自激振盪的條件就是環路增益為1， 即T(jω)=K(jω)F(jω)=1，通常又稱為振盪器的平衡條件。

振盪器的平衡條件又可細分為振幅平衡條件（|T(jω)|=1）和相位平衡條件（ψ(T)=ψ(K)+ψ(F)=±2nπ, n=0,1,2…）。

值得說明的是：

1. 當|T(jω)|>1，形成增幅電路振盪；當T|(jω)|<1時，形成減幅振盪。

2. 平衡時電源供給的能量等於環路消耗的能量；

3. 通常的環路只在某一特定才滿足相位條件。

起振條件

為使振盪過程中輸出幅度不斷增加，應使反饋回來的信號比輸入到放大器的信號大， 即振盪開始時應為增幅振盪，即T(jω)>1，稱為自激振盪的起振條件。與平衡條件相應的，振盪器的起振條件又可細分為起振的振幅條件（|T(jω)|>1）和相位條件（ψ(T)=ψ(K)+ψ(F)+ψ(F')=±2nπ, n=0,1,2…），其中起振的相位條件即為正反饋條件。

穩定條件

振盪器的穩定條件相應地可分為振幅穩定條件和相位穩定條件。

(1) 振幅穩定條件

要使振幅穩定，振盪器在其平衡點必須具有阻止振幅變化的能力。具體來說，就是在平衡點附近，當不穩定因素使振幅增大時，環路增益將減小，從而使振幅減小。

(2)相位穩定條件

同理，要使相位穩定，振盪器在其平衡點必須具有阻止相位變化的能力。

頻率穩定度

振盪器的頻率穩定度是指由於外界條件的變化, 引起振盪器的實際工作頻率偏離標稱頻率的程度, 它是振盪器的一個很重要的指標。頻率穩定度又可分為：長期頻率穩定度（一般是指一天以上甚至幾個月的時間間隔內頻率的相對變化）、短期頻率穩定度（一般是指一天以內，以小時、分鐘或秒記的時間間隔內頻率的相對變化）和瞬時頻率穩定度（一般是指秒或毫秒的時間間隔內頻率的相對變化）。一般所說的頻率穩定度是指短期穩定度。一般短波、超短波發射機的的頻率穩定度為10-4～10-5，電視發射台的頻率穩定度為5×10-7左右。

提高頻率穩定度的措施有：

1. 提高振盪迴路的標準性（指迴路元件和電容的標準性，溫度是影響的主要因素）

2. 減少電晶體的影響

3. 提高迴路的品質因數

4. 減少電源、負載等的影響

LC原則

LC振盪基本電路，就是通常所說的三端式(又稱三點式)的振盪器，即LC迴路的三個端點與電晶體的三個電極分別連線而成的電路。

根據諧振迴路的性質, 諧振時迴路應呈純電阻性，因此三個電抗元件不能是同性質元件。一般情況下，迴路Q值很高，因此迴路電流遠大於電晶體的基極電流İb 、集電極電流İc以及發射極電流İe。

LC設計

由振盪器的原理可以看出，振盪器實際為一個具有反饋的非線性系統，要精確計算是很困難的，而且也不必要。因此，振盪器的設計通常是進行一系列設計考慮和近似估算，選擇合理的線路和工作點，確定元件的數值，而工作狀態和元件的準確數字需要在調整、調試中最後確定。

振盪器電路選擇

LC振盪器一般工作在幾百千赫茲至幾百兆赫茲範圍。振盪器線路主要根據工作的頻率範圍及波段寬度來選擇。

在短波範圍：電感反饋振盪器、電容反饋振盪器都可以採用。

若要求輸出頻率調節範圍較寬：選擇電感反饋振盪器；

若要求頻率較高：常採用克拉潑、西勒電路。

在中、短波收音機中,為簡化電路常用變壓器反饋振盪器做本地振盪器。

電晶體選擇

從穩頻的角度出發,應選擇fT較高的電晶體,這樣電晶體內部相移較小。通常選擇fT >(3～10)f1max。同時希望電流放大係數β大些,這既容易振盪,也便於減小電晶體和迴路之間的耦合

直流饋電線路的選擇

為保證振盪器起振的振幅條件,起始工作點應設定線上性放大區;從穩頻出發,穩定狀態應在截止區,而不應在飽和區（因為飽和區的輸出阻抗較小）,否則迴路的有載品質因數QL將降低。所以,通常應將電晶體的靜態偏置點設定在小電流區,電路應採用自偏壓。

振盪迴路元件選擇

從穩頻出發，振盪迴路中電容C應儘可能大，但C過大，不利於波段工作；電感L也應儘可能大，但L大後，體積大，分布電容大，L過小，迴路的品質因數過小，因此應合理地選擇迴路的C、L。在短波範圍，C一般取幾十至幾百皮法，L一般取0.1至幾十微亨。

反饋迴路元件選擇

由前述可知,為了保證振盪器有一定的穩定振幅以及容易起振,在靜態工作點通常應選擇：Y(f)R(L)F'=3~5

當靜態工作點確定後,Y(f)的值就一定,對於小功率電晶體可以近似為：Y(f)=g(m)

反饋係數的大小應在下列範圍選擇：0.1~0.5

常見LC

電容反饋振盪器

反饋網路是由電容元件完成的，稱為電容反饋振盪器，也稱為考必茲(Colpitts)振盪器。其特點是輸出波形較好、輸出頻率較高，但振盪頻率調節不方便。

電感反饋振盪器

反饋網路是由電感元件完成的，稱為電感反饋振盪器，也稱為哈特萊(Hartley)振盪器。其特點是振盪頻率調節比較方便，但輸出波形較差、輸出頻率不能太高。

兩種改進型電容反饋振盪器

無論是電容反饋振盪器還是電感反饋振盪器，電晶體的極間電容均會對振盪頻率有影響，而極間電容受環境溫度、電源電壓等因素的影響較大，故他們的頻率穩定度不高，需要對其進行改進，因此得到兩種改進型電容反饋振盪器——克拉潑振盪器和西勒振盪器。

場效應管振盪器

原則上說，各種電晶體振盪線路，都可以用場效應管構成，可以根據振盪原理導出用場效應管參數表示的振盪條件。

壓控振盪器

壓控振盪器通過改變控制電壓改變變容二極體的電容，從而改變振盪頻率。主要性能指標：壓控靈敏度和線性度。其中壓控靈敏度定義為單位控制電壓引起的振盪頻率的變化量。

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