[科普中国]-正弦波振荡器

正弦波振荡器是指不需要输入信号控制就能自动地将直流电转换为特定频率和振幅的正弦交变电压（电流）的电路。

简介定义它由四部分组成：放大电路，选频网络，反馈网络和稳幅电路。常用的正弦波振荡器有电容反馈振荡器和电感反馈振荡器两种。后者输出功率小，频率较低；而前者可以输出大功率，频率也较高。

分类正弦波振荡器可分为两大类：一类是利用反馈原理构成的反馈振荡器，它是应用最广的一类振荡器；另一类是负阻振荡器，它将负阻抗元件直接连接到谐振回路中，利用负阻器件的负阻抗效应去抵消回路中的损耗，从而产生出正弦波振荡。1

一、LC正弦波振荡器

LC正弦波振荡器、反馈型LC正弦波振荡器是LC正弦波振荡器的主要电路型式。LC选频网络既是放大器的负载，又有一部分是正反馈网络。根据反馈电路的形式不同，可分为变压器耦合反馈式、电感分压反馈式和电容分压反馈式。图1（a）和（b）分别示出电感分压反馈式和电容分压反馈式的电路。这种电路中电感分压器和电容分压器的三端分别和电子器件的三个电极相连，又称三端（或三点）式振荡电路。电感三端式又称哈特莱电路，电容三端式又称科皮兹电路。

LC振荡器的振荡频率由选频网络——LC振荡回路的谐振频率决定。工作频率降低时，要求增大振荡回路的电感量和电容量。大电感量的电感和大容量的电容器体积大、笨重，因此LC振荡器不适用于低频，工作频率一般不应低于几百千赫。

（1）石英晶体振荡器：为提高振荡器的频率稳定度，将LC振荡器中选频网络的一部分用石英晶体替代的振荡器。为了保证振荡器的振荡频率是在石英晶体控制下产生的，石英晶体接入线路的方式有两种：一种是将石英晶体取代LC振荡器的一个电感，如图2（a）所示。石英晶体在电路起振后呈现感抗，和电路中的电感L、电容C组成一个并联振荡回路。这种电路称为并联型石英晶体振荡器。另一种是将石英晶体串接在放大器的正反馈电路中，如图2（b）所示。在石英晶体的串联谐振频率上，石英晶体呈现很低的阻抗，正反馈最强，很容易激起振荡。这种电路称为串联型石英晶体振荡器。石英晶体振荡器通常简称为晶体振荡器。

（2）负阻型LC正弦波振荡器：由具有负微变电阻的器件和LC选频网络构成的正弦波振荡器。根据所采用的负阻器件的特性不同，电路的构成有所不同。采用流控型器件时，要求直流供电电源具有较高的内阻，器件应和LC元件组成串联振荡回路；采用压控型器件时，要求直流供电电源有较低的内阻，器件应和LC元件组成并联振荡回路。用于构成负阻型LC正弦波振荡器的典型流拄型器件有雪崩三极管，典型压控型器件有隧遭二极管。

二、RC正弦波振荡器，RC正弦波振荡器的振荡频率反比于RC选频阿络元件RC的乘积。用增大电阻阻值的方法降低振荡频率，不会像LC振荡器中增大电感量那样会使元件体积和重量加大，故RC振荡器可工作在低频段。应用最广泛的RC振荡电路是图3所示的文氏电桥电路。图中，R1、C1、R2、C2组成具有选频特性的正反馈网络。R3和R4组成负反馈网络。引入的负反馈超过正反馈，便可以减小工作频率的谐波成分，减少波形失真，改善波形。如果将R3选择为具有正温度系数的电阻，或是将R4选择为具有负温度系数和热情性的电阻，便可以收到稳幅的效果。

当振荡频率延伸至超低频频段时，要求RC乘积非常大。容量很大的电容体积大；阻值过大的电阻，阻值稳定性下降，电阻上的直流电压降过大，造成器件工作点偏离正常值，增大波形失真。积分式RC正弦波振荡器，可以在一定程度上克服此缺点。这种振荡器的振荡频率，反比于组成振荡器积分器的积分时间常数。要获得大的积分时间常数，不一定要用阻值大的电阻。用低阻值电阻构成一个T型网络，取代高阻值的积分电阻，只要二者的传输电导相等，便可收到相同的积分效果。积分式RC正弦波振荡器特别适用于超低频段。

RC振荡器中，引入负反馈既可减少失真，又可提高频率稳定度。RC正弦波振荡器的频率稳定度，一般在10～10数量级。由于RC选频网络的选择性能不如LC阿络，故RC振荡器中的电子器件必须工作于甲类，方能保证足够小的波形失真。在RC振荡器中，采用惰性非线性实现稳幅。负反馈的非线性表现为负反馈随信号幅度变化。当信号幅度增大时，负反馈随之增大，阻止振幅增大。惰性则表现为负反馈不随信号的瞬时值变化，以免引入失真。当振荡频率不是很低（如在1Hz以上）时，用热情性元伴构成负反馈电路，以实现惰性非线性负反馈。当振荡频率很低（1Hz以下）时，热情性元件的惰性不够，可将振荡器的输出信号进行检波，利用检波电压作为负反馈电压，以实现稳幅。依靠合理选择检波负载的时间常数，满足必需的情性。

提高频率稳定度和振幅稳定度的措施 LC正弦波振荡器中，采用提高LC振荡回路Q值的方法，减小外界因素对振荡频率的影响；用减弱器件和振荡回路藕合的方法，减小器件输出阻抗对回路Q值和回路总电容量的影响。提高频率稳定度的典型电路有西勒（Seiler）电路和克拉泼（Clapp）电路。一般LC振荡器的频率稳定度在10数量级；石英晶体的常规振荡电路，频率稳定度可提高到10～10数量级；将振荡电路置于恒温槽中，可提高到10～10数量级。振荡器中采用自生反向偏压稳定振幅，提高振荡回路Q值以减小波形失真。

应用正弦波振荡器广泛用于各种电子设备中。此类应用中，对振荡器提出的要求是振荡频率和振荡振幅的准确性和稳定性。正弦波振荡器的另一类用途是作为高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。这类应用中，对振荡器提出的要求主要是高效率地产生足够大的正弦交变功率，而对振荡频率的准确性和稳定性的要求一般不作苛求。

正弦波振荡器可以作为设备的组成部分，也可以做成一个单独的设备。在通信设备中，载频、本机振荡频率在几百千赫以上的，一般用LC正弦波振荡器。负阻型LC正弦波振荡器的工作频率在100MHz以上。当要求频率稳定度十分高时，采用石英晶体振荡器。各种声告警、电话通信设备中的振特、拨号音、占线等信号，振荡频率处于音颇段，用RC正弦波振荡器。测试用正弦波信号源，要求幅度、频率可调，并需有一定的带负载能力。这种作为信号源的测试仪器，以振荡器为主，还有放大器、衰减器等附属电路。高频大功率的高频炉，对频率稳定度的要求很低，通常用一个大功率电子管接成振荡电路，直接从振荡回路的电感线圈中的电磁场中获取能量。

反馈型原理分析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。它由放大器和反馈网络两大部分组成。放大器通常以某种选频网络（如振荡回路）作负载, 是一种调谐放大器；反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。

起振------>非线性过程------>稳幅振荡

平衡条件记 闭环电压放大倍数Ku(s)，开环电压放大倍数 K(s)，电压反馈系数 F(s)，环路增益 T(s)，反馈系数 F′(jω)=-F(jω)。 自激振荡的条件就是环路增益为1， 即T(jω)=K(jω)F(jω)=1，通常又称为振荡器的平衡条件。

振荡器的平衡条件又可细分为振幅平衡条件（|T(jω)|=1）和相位平衡条件（ψ(T)=ψ(K)+ψ(F)=±2nπ, n=0,1,2…）。

值得说明的是：

1. 当|T(jω)|>1，形成增幅电路振荡；当T|(jω)|1，称为自激振荡的起振条件。与平衡条件相应的，振荡器的起振条件又可细分为起振的振幅条件（|T(jω)|>1）和相位条件（ψ(T)=ψ(K)+ψ(F)+ψ(F')=±2nπ, n=0,1,2…），其中起振的相位条件即为正反馈条件。

稳定条件振荡器的稳定条件相应地可分为振幅稳定条件和相位稳定条件。

(1) 振幅稳定条件

要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说，就是在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益将减小，从而使振幅减小。

(2)相位稳定条件

同理，要使相位稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止相位变化的能力。

频率稳定度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, 它是振荡器的一个很重要的指标。频率稳定度又可分为：长期频率稳定度（一般是指一天以上甚至几个月的时间间隔内频率的相对变化）、短期频率稳定度（一般是指一天以内，以小时、分钟或秒记的时间间隔内频率的相对变化）和瞬时频率稳定度（一般是指秒或毫秒的时间间隔内频率的相对变化）。一般所说的频率稳定度是指短期稳定度。一般短波、超短波发射机的的频率稳定度为10-4～10-5，电视发射台的频率稳定度为5×10-7左右。

提高频率稳定度的措施有：

1. 提高振荡回路的标准性（指回路元件和电容的标准性，温度是影响的主要因素）

2. 减少晶体管的影响

3. 提高回路的品质因数

4. 减少电源、负载等的影响

LC原则LC振荡基本电路，就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器，即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路。

根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性，因此三个电抗元件不能是同性质元件。一般情况下，回路Q值很高，因此回路电流远大于晶体管的基极电流İb 、集电极电流İc以及发射极电流İe。

LC设计由振荡器的原理可以看出，振荡器实际为一个具有反馈的非线性系统，要精确计算是很困难的，而且也不必要。因此，振荡器的设计通常是进行一系列设计考虑和近似估算，选择合理的线路和工作点，确定元件的数值，而工作状态和元件的准确数字需要在调整、调试中最后确定。

振荡器电路选择LC振荡器一般工作在几百千赫兹至几百兆赫兹范围。振荡器线路主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择。

在短波范围：电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以采用。

若要求输出频率调节范围较宽：选择电感反馈振荡器；

若要求频率较高：常采用克拉泼、西勒电路。

在中、短波收音机中,为简化电路常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。

晶体管选择从稳频的角度出发,应选择fT较高的晶体管,这样晶体管内部相移较小。通常选择fT >(3～10)f1max。同时希望电流放大系数β大些,这既容易振荡,也便于减小晶体管和回路之间的耦合

直流馈电线路的选择为保证振荡器起振的振幅条件,起始工作点应设置在线性放大区;从稳频出发,稳定状态应在截止区,而不应在饱和区（因为饱和区的输出阻抗较小）,否则回路的有载品质因数QL将降低。所以,通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区,电路应采用自偏压。

振荡回路元件选择从稳频出发，振荡回路中电容C应尽可能大，但C过大，不利于波段工作；电感L也应尽可能大，但L大后，体积大，分布电容大，L过小，回路的品质因数过小，因此应合理地选择回路的C、L。在短波范围，C一般取几十至几百皮法，L一般取0.1至几十微亨。

反馈回路元件选择由前述可知,为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振,在静态工作点通常应选择：Y(f)R(L)F'=3~5

当静态工作点确定后,Y(f)的值就一定,对于小功率晶体管可以近似为：Y(f)=g(m)

反馈系数的大小应在下列范围选择：0.1~0.52

常见LC电容反馈振荡器反馈网络是由电容元件完成的，称为电容反馈振荡器，也称为考必兹(Colpitts)振荡器。其特点是输出波形较好、输出频率较高，但振荡频率调节不方便。

电感反馈振荡器反馈网络是由电感元件完成的，称为电感反馈振荡器，也称为哈特莱(Hartley)振荡器。其特点是振荡频率调节比较方便，但输出波形较差、输出频率不能太高。

两种改进型电容反馈振荡器无论是电容反馈振荡器还是电感反馈振荡器，晶体管的极间电容均会对振荡频率有影响，而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，故他们的频率稳定度不高，需要对其进行改进，因此得到两种改进型电容反馈振荡器——克拉泼振荡器和西勒振荡器。

场效应管振荡器原则上说，各种晶体管振荡线路，都可以用场效应管构成，可以根据振荡原理导出用场效应管参数表示的振荡条件。

压控振荡器压控振荡器通过改变控制电压改变变容二极管的电容，从而改变振荡频率。主要性能指标：压控灵敏度和线性度。其中压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量。3

E1648单片集成振荡器

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学