笫 5章 正弦波振荡器
5.1 引 言
5.2 LC 振荡器的基本工作原理
5.3 LC 振荡器的电路分析
5.3.1 LC 振荡器的基本构成
5.3.2 三点式振荡器
5.4 振荡器的频率稳定度
5.5 晶体振荡器
5.6 负阻振荡器（ *）
5.7 RC 振荡器与开关电容振荡器（ *）
5.8 特殊振荡现象（ *）
5.3 LC 振荡器的电路分析
5.3.1 LC 振荡器的基本构成
互感耦合振荡器。
三点式振荡电路：
电容耦合（电容反馈型）振荡器。
自耦变压器耦合（电感反馈型）振荡器。
三点式振荡器是指 LC回路的三个端点与晶体管或场效应管三个电极直接连接的一种振荡器。
1,互感耦合型 LC 振荡器。 （讲义上册 252）
2,电容反馈型振荡器电路,考毕茨（ Colpitts） 振荡器
1bR
L
bC
CCV
2bR
eR
CC
2C
1C
eC
RFC
L
2C
1C
beV
ceV
cI?
bI?
fV
I?
（ 1）分析电路的相位条件：
回路是谐振状态,应与 倒相。ceV? beV?
0?i? 0
反馈电压,。 正反馈 。ce
C
Cf VV
2
1
I?
f
V
ce
V
be
V
返回
2.电容反馈型振荡器电路（ 续 1）
（ 2）分析电路的起振条件：
L
i
R
P
R
C
I
O
R
O
C
1
C
2
C
i
C
ce
V
be
V
L
C
I
O
R
'
1
C
'
2
C
'
i
R
'
P
R
.
OCCC 1'1
iCCC 2'2
'
2
'
1
2
1
C
C
CC
CCF
i
O?
2
'
F
RR i
i?
PPP RnRCC
CR 22
'
2
'
1
'
2' )(?
iPO R
F
RnRR
2
2
111
根据起振条件,
得出：
AF > 1 F
RnRF
R
PO
i )11(
2?
返回上图
2.电容反馈型振荡器电路（ 续 2）
讨论：
F
RnRF
R
PO
i )11(
2?
iPO R
F
RnRR
2
2
111
当回路损耗可忽略,,得出：
OP RRn2
F
FR
R
O
i 1?
当 一定时,的选取有两方面考虑：
O
i
R
R F
越大,保证起振的 A 越小,越小。F?
越大,晶体管的输入电阻 反映到回路两端的越小,减小,放大倍数下降,不容易起振。F i
R
2
'
F
RR i
i?R
2.电容反馈型振荡器电路（ 续 3）
（ 3）电路的振荡频率：
'
2
'
1
'
2
'
1
CC
CCC
LC
f
2
1?
iO RRCCLC
f '
2
'
1
11
2
1
即考毕茨（ Colpitts） 振荡器的振荡频率 稍高于回路的振荡频率 。
上图
3,电感反馈型振荡器电路：哈脱莱（ Hartley） 振荡器
1bR
bC
2bR
eR eC
2L
1L
CCV
C
CC
2L
1L
C
beV
ceV
fV
cI?
bI?
I?
（ 2）电路的振荡频率：
CLL
f
)(2
1
21?
I?
fV
ceV
beV
（ 1）分析电路的相位条件：
4,两种振荡器电路比较：
（ 1）电容反馈型电路的 优缺点：
优点,由于输出端和反馈电路是电容，对高次谐波电抗小，
振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高。
缺点,用两个电容调节频率不方便。（又要 不变） 振荡器的振幅不稳定。 '2
'
1
C
CF?
PPP RnRCC
CR 22
'
2
'
1
'
2' )(?
（ 2）电感反馈型电路的 优缺点：
优点,用一个电容可方便调节频率。
缺点,由于反馈电路是电感,振荡波形含有高次谐波多。
振荡频率不高。
5.3.2 三点式振荡器
1,相位平衡条件的判断准则 （讲义上册 254）
beX
kI
ceX
cbX
ceV
ebV
cbV
cbcbbebecece jXZjXZjXZ,,
0 cbcebe XXXX
可得三点式振荡器中所采用的三个电抗元件应该满足的要求：
（ 1） 与 应为同一性质的电抗；（ 放大器倒相 ）
（ 2） 应与,的电抗性质相反。（ 反馈倒相 ）
满足上述二个要求时，才能满足相位平衡条件。
ceX beX
cbX ceX beX
假定各极间的电路阻抗为纯电抗，
即：
由于不考虑其它因素产生的相移，
故在回路谐振时，回路相移应为零。
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 1）
举例：习题 5-6
1L1C
2L
3L
2C
3C;)1( 332211 CLCLCL;)2( 332211 CLCLCL;)3( 332211 CLCLCL;)4( 332211 CLCLCL;)5( 332211 CLCLCL ;)6( 113322 CLCLCL
i?
PX
电感电容
i=1,2,3
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 2）
L
i
R
P
R
C
I
O
R
O
C
1
C
2
C
i
C
ce
V
be
V
L
C
I
O
R
'
1
C
'
2
C
'
i
R
'
P
R
.
OCCC 1'1
iCCC 2'2
'
2
'
1
2
1
C
C
CC
CCF
i
O?
2
'
F
RR i
i?
iPO R
F
RnRR
2
2
111
根据起振条件,
得出：
AF > 1 F
RnRF
R
PO
i )11(
2?
2,电路参数对起振条件的影响
PPP RnRCC
CR 22
'
2
'
1
'
2' )(?
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 3）
3,器件参数对振荡频率的影响器件参数对振荡频率的影响有两个途径：一是通过 等效电抗的影响，一是通过 等效电阻 的影响。
等效电抗的影响，主要反映在输出输入电容方面：
i
i
CCCC
CCCC
L
021
201
0
))((
1
等效电阻,的影响：iR OR
更精确的频率表达式
'
2
'
10
01
11
CCRRLC
f
i
这里，仍认为高频时?值为实值，并忽略了回路电感线圈损耗引入的相移。
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 4）
4,两种改进型的电容反馈型三点式振荡器电容反馈型三点式振荡电路的 振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高。有什么问题？
反馈系数 F则只有一段范围内较合适 。 F过小，反馈不足，
回路能量的补充不足以弥补回路的损耗，使振荡最终不能建立； F过大，输入电路与回路耦合过紧，使 Q值降低，增益减小，环路负载过重，振荡也难以发生。
晶体管的输出输入电容影响振荡频率 。
晶体管的等效电阻,的影响回路的 Q 值，从而影响振荡频率。 iR O
R
影响反馈系数 F与振荡频率的因素都是 和 。'
1C '2C
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 5）
采用办法：
把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系数 F的主要元件分开。
振荡频率不受晶体管的输出输入电容影响。
（ 1）串联改进型电容反馈三点式振荡器 （克拉泼 clapp 电路）
1bR
L
bC
CCV
2bR
eR
CC
2C
1C
eC
L
2C
1C
CR
3C 3C
OC
iC
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 6）
LC
f
2
1?
iO CCCCCC?
213
1111
013 CCC
iCCC 23
32
1
LC
f
i
O
CC
CCF
2
1
3C
P R
PPP RC
CR
CC
CR 2
'
1
32
3
'
1
3' )(
显然当：
反馈系数 F与振荡频率的调节互不影响。
振荡频率与晶体管的输出输入电容无关。
振荡器的振幅不稳定。 （调节 改变振荡频率时）
并联谐振回路的谐振电阻等效到晶体管的 C-E两端，是：
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 7）
1bR
LbC
CCV
2bR
eR
CC
2C
1C
eC
L2C
1C
CR
3C
3C
OC
iC4C 4C
显然当
013 CCC
iCCC 23
)(2
1
43 CCL
f
（ 2）并联改进型电容反馈三点式振荡器 （西勒（ shelle） 电路）
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 8）
)(2
1
43 CCL
f
晶体管的输出输入电容影响较小。
是与 并联的，调节 可调节振荡频率，但对并联谐振回路的谐振电阻 等效到晶体管的 C-E两端的等效电阻 影响较小,对振荡幅度影响较小 。
4C L 4C
P R
'PR
对 的选择,不能太大（振荡频率由 调节）。
也不能太小，太小了，接入系数小了，
振荡幅度就小了。
一般取,20PF~200PF。
3C 3C 4C
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 9）
举例：（习题 5-11） 画出图中各振荡器的高频等效电路，说明它们属于哪种类型的振荡器，计算其振荡频率值。从电路构成形式上看，三种电路各有什么特点。
CCV
510
H?57
PF1500
OV
510
PF2.2
PF2.2
k15
PF15
PF3.3
k1.5
PF2.8
CCV
H?470?k32 PF6800
k12 PF1000
PF1000
H?50
PF125~68
图 A
图 B
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 10）
oV
PF10
H?5.0
PF5PF2.2
PF2.8
PF10
PF20
F?033.0
F?033.0
F?033.0
H?22
H?22
300
k7.4
k3
k1
EEV
图 C
习题十一,5-5,5-6,5-11,5-13
CAD5-2(讲义）或 5-20（教材）
CAD5-2,题图 CAD5_2是实验一：电容串联改进型三点式振荡电路（克拉泼电路）的电路图，其中,通常是可变电容。 振荡频率主要由决定,。
由于电路中串入了比 小很多的电容,故晶体管集电极与振荡回路的耦合比电容三点式反馈电路要弱很多。分析不同静态工作电流，不同反馈系数对振荡器特性的影响。
3231,CCCC 3C
3LC
3
0 2
1
LC
f
3C1C
CAD5_2 （ 续 1）
设晶体管参数为：
（ 1） 调节电阻,使 ；
（ 2） 调节,计算振荡频率的变化范围,
并确定 =6.5MHz时 的取值 。
（ 3） 和 取如下不同值 （ 反馈系数 ）,
研究它们对起振点的影响 。
① ；
② ；
③ ；
④ 。
（ 4）改变电路静态工作电流，例如取 0.5mA,1mA,3mA，
5mA时研究它对振荡频率 和振荡幅度的影响；
,3,1,5,120,10 00'15 pFCpFCRAI JEJCBBFS
VVM H zfns ATF 1 0 0),1 6 0(1
1BR mAI CQ 2?
3C
3C
m a xm i n ~ oo ff
0f
1C 2C
21
1
CC
CF
pFCpFC 1 5 0 0,1 0 0 21
pFCpFC 1 0 0 0,1 1 0 21
pFCpFC 680,120 21
pFCpFC 120,680 21
0f
CAD5_2 （ 续 2）
（ 5）改变负载电阻,例如取 33k?,10k?,4.7k?,研究它对振荡频率 和振荡幅度的影响。
题图 CAD5_2 克拉泼振荡器
0f
LR
F?01.0 PFPF 160~20?k9.3
LR
k110
1L
H?13
1BR
2BR
CR
ER
k1
k1
BC
1C
2C 3C
PF120
PF680
CCV?
)12( V?
ov
习题 5-11 图 A 返回
CCV
510
H?57
PF1500
OV
510
PF2.2
PF2.2
k15
PF15
PF3.3
k1.5
PF2.8 PF2.8
PF15
PF2.2
PF3.3
H?57
习题 5-11 图 B 返回
CCV
H?470?k32 PF6800
k12 PF1000
PF1000
H?50
PF125~68
PF1000
PF1000
H?50
PF125~68
习题 5-11 图 C 返回
oV
PF10
H?5.0
PF5PF2.2
PF2.8
PF10
PF20
F?033.0
F?033.0
F?033.0
H?22
H?22
300
k7.4
k3
k1
EEV
PF2.8
PF20
PF2.2
PF5PF10
PF10
H?5.0
5.1 引 言
5.2 LC 振荡器的基本工作原理
5.3 LC 振荡器的电路分析
5.3.1 LC 振荡器的基本构成
5.3.2 三点式振荡器
5.4 振荡器的频率稳定度
5.5 晶体振荡器
5.6 负阻振荡器（ *）
5.7 RC 振荡器与开关电容振荡器（ *）
5.8 特殊振荡现象（ *）
5.3 LC 振荡器的电路分析
5.3.1 LC 振荡器的基本构成
互感耦合振荡器。
三点式振荡电路：
电容耦合（电容反馈型）振荡器。
自耦变压器耦合（电感反馈型）振荡器。
三点式振荡器是指 LC回路的三个端点与晶体管或场效应管三个电极直接连接的一种振荡器。
1,互感耦合型 LC 振荡器。 （讲义上册 252）
2,电容反馈型振荡器电路,考毕茨（ Colpitts） 振荡器
1bR
L
bC
CCV
2bR
eR
CC
2C
1C
eC
RFC
L
2C
1C
beV
ceV
cI?
bI?
fV
I?
（ 1）分析电路的相位条件：
回路是谐振状态,应与 倒相。ceV? beV?
0?i? 0
反馈电压,。 正反馈 。ce
C
Cf VV
2
1
I?
f
V
ce
V
be
V
返回
2.电容反馈型振荡器电路（ 续 1）
（ 2）分析电路的起振条件：
L
i
R
P
R
C
I
O
R
O
C
1
C
2
C
i
C
ce
V
be
V
L
C
I
O
R
'
1
C
'
2
C
'
i
R
'
P
R
.
OCCC 1'1
iCCC 2'2
'
2
'
1
2
1
C
C
CC
CCF
i
O?
2
'
F
RR i
i?
PPP RnRCC
CR 22
'
2
'
1
'
2' )(?
iPO R
F
RnRR
2
2
111
根据起振条件,
得出：
AF > 1 F
RnRF
R
PO
i )11(
2?
返回上图
2.电容反馈型振荡器电路（ 续 2）
讨论：
F
RnRF
R
PO
i )11(
2?
iPO R
F
RnRR
2
2
111
当回路损耗可忽略,,得出：
OP RRn2
F
FR
R
O
i 1?
当 一定时,的选取有两方面考虑：
O
i
R
R F
越大,保证起振的 A 越小,越小。F?
越大,晶体管的输入电阻 反映到回路两端的越小,减小,放大倍数下降,不容易起振。F i
R
2
'
F
RR i
i?R
2.电容反馈型振荡器电路（ 续 3）
（ 3）电路的振荡频率：
'
2
'
1
'
2
'
1
CC
CCC
LC
f
2
1?
iO RRCCLC
f '
2
'
1
11
2
1
即考毕茨（ Colpitts） 振荡器的振荡频率 稍高于回路的振荡频率 。
上图
3,电感反馈型振荡器电路：哈脱莱（ Hartley） 振荡器
1bR
bC
2bR
eR eC
2L
1L
CCV
C
CC
2L
1L
C
beV
ceV
fV
cI?
bI?
I?
（ 2）电路的振荡频率：
CLL
f
)(2
1
21?
I?
fV
ceV
beV
（ 1）分析电路的相位条件：
4,两种振荡器电路比较：
（ 1）电容反馈型电路的 优缺点：
优点,由于输出端和反馈电路是电容，对高次谐波电抗小，
振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高。
缺点,用两个电容调节频率不方便。（又要 不变） 振荡器的振幅不稳定。 '2
'
1
C
CF?
PPP RnRCC
CR 22
'
2
'
1
'
2' )(?
（ 2）电感反馈型电路的 优缺点：
优点,用一个电容可方便调节频率。
缺点,由于反馈电路是电感,振荡波形含有高次谐波多。
振荡频率不高。
5.3.2 三点式振荡器
1,相位平衡条件的判断准则 （讲义上册 254）
beX
kI
ceX
cbX
ceV
ebV
cbV
cbcbbebecece jXZjXZjXZ,,
0 cbcebe XXXX
可得三点式振荡器中所采用的三个电抗元件应该满足的要求：
（ 1） 与 应为同一性质的电抗；（ 放大器倒相 ）
（ 2） 应与,的电抗性质相反。（ 反馈倒相 ）
满足上述二个要求时，才能满足相位平衡条件。
ceX beX
cbX ceX beX
假定各极间的电路阻抗为纯电抗，
即：
由于不考虑其它因素产生的相移，
故在回路谐振时，回路相移应为零。
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 1）
举例：习题 5-6
1L1C
2L
3L
2C
3C;)1( 332211 CLCLCL;)2( 332211 CLCLCL;)3( 332211 CLCLCL;)4( 332211 CLCLCL;)5( 332211 CLCLCL ;)6( 113322 CLCLCL
i?
PX
电感电容
i=1,2,3
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 2）
L
i
R
P
R
C
I
O
R
O
C
1
C
2
C
i
C
ce
V
be
V
L
C
I
O
R
'
1
C
'
2
C
'
i
R
'
P
R
.
OCCC 1'1
iCCC 2'2
'
2
'
1
2
1
C
C
CC
CCF
i
O?
2
'
F
RR i
i?
iPO R
F
RnRR
2
2
111
根据起振条件,
得出：
AF > 1 F
RnRF
R
PO
i )11(
2?
2,电路参数对起振条件的影响
PPP RnRCC
CR 22
'
2
'
1
'
2' )(?
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 3）
3,器件参数对振荡频率的影响器件参数对振荡频率的影响有两个途径：一是通过 等效电抗的影响，一是通过 等效电阻 的影响。
等效电抗的影响，主要反映在输出输入电容方面：
i
i
CCCC
CCCC
L
021
201
0
))((
1
等效电阻,的影响：iR OR
更精确的频率表达式
'
2
'
10
01
11
CCRRLC
f
i
这里，仍认为高频时?值为实值，并忽略了回路电感线圈损耗引入的相移。
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 4）
4,两种改进型的电容反馈型三点式振荡器电容反馈型三点式振荡电路的 振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高。有什么问题？
反馈系数 F则只有一段范围内较合适 。 F过小，反馈不足，
回路能量的补充不足以弥补回路的损耗，使振荡最终不能建立； F过大，输入电路与回路耦合过紧，使 Q值降低，增益减小，环路负载过重，振荡也难以发生。
晶体管的输出输入电容影响振荡频率 。
晶体管的等效电阻,的影响回路的 Q 值，从而影响振荡频率。 iR O
R
影响反馈系数 F与振荡频率的因素都是 和 。'
1C '2C
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 5）
采用办法：
把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系数 F的主要元件分开。
振荡频率不受晶体管的输出输入电容影响。
（ 1）串联改进型电容反馈三点式振荡器 （克拉泼 clapp 电路）
1bR
L
bC
CCV
2bR
eR
CC
2C
1C
eC
L
2C
1C
CR
3C 3C
OC
iC
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 6）
LC
f
2
1?
iO CCCCCC?
213
1111
013 CCC
iCCC 23
32
1
LC
f
i
O
CC
CCF
2
1
3C
P R
PPP RC
CR
CC
CR 2
'
1
32
3
'
1
3' )(
显然当：
反馈系数 F与振荡频率的调节互不影响。
振荡频率与晶体管的输出输入电容无关。
振荡器的振幅不稳定。 （调节 改变振荡频率时）
并联谐振回路的谐振电阻等效到晶体管的 C-E两端，是：
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 7）
1bR
LbC
CCV
2bR
eR
CC
2C
1C
eC
L2C
1C
CR
3C
3C
OC
iC4C 4C
显然当
013 CCC
iCCC 23
)(2
1
43 CCL
f
（ 2）并联改进型电容反馈三点式振荡器 （西勒（ shelle） 电路）
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 8）
)(2
1
43 CCL
f
晶体管的输出输入电容影响较小。
是与 并联的，调节 可调节振荡频率，但对并联谐振回路的谐振电阻 等效到晶体管的 C-E两端的等效电阻 影响较小,对振荡幅度影响较小 。
4C L 4C
P R
'PR
对 的选择,不能太大（振荡频率由 调节）。
也不能太小，太小了，接入系数小了，
振荡幅度就小了。
一般取,20PF~200PF。
3C 3C 4C
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 9）
举例：（习题 5-11） 画出图中各振荡器的高频等效电路，说明它们属于哪种类型的振荡器，计算其振荡频率值。从电路构成形式上看，三种电路各有什么特点。
CCV
510
H?57
PF1500
OV
510
PF2.2
PF2.2
k15
PF15
PF3.3
k1.5
PF2.8
CCV
H?470?k32 PF6800
k12 PF1000
PF1000
H?50
PF125~68
图 A
图 B
5.3.2 三点式振荡器 （ 续 10）
oV
PF10
H?5.0
PF5PF2.2
PF2.8
PF10
PF20
F?033.0
F?033.0
F?033.0
H?22
H?22
300
k7.4
k3
k1
EEV
图 C
习题十一,5-5,5-6,5-11,5-13
CAD5-2(讲义）或 5-20（教材）
CAD5-2,题图 CAD5_2是实验一：电容串联改进型三点式振荡电路（克拉泼电路）的电路图，其中,通常是可变电容。 振荡频率主要由决定,。
由于电路中串入了比 小很多的电容,故晶体管集电极与振荡回路的耦合比电容三点式反馈电路要弱很多。分析不同静态工作电流，不同反馈系数对振荡器特性的影响。
3231,CCCC 3C
3LC
3
0 2
1
LC
f
3C1C
CAD5_2 （ 续 1）
设晶体管参数为：
（ 1） 调节电阻,使 ；
（ 2） 调节,计算振荡频率的变化范围,
并确定 =6.5MHz时 的取值 。
（ 3） 和 取如下不同值 （ 反馈系数 ）,
研究它们对起振点的影响 。
① ；
② ；
③ ；
④ 。
（ 4）改变电路静态工作电流，例如取 0.5mA,1mA,3mA，
5mA时研究它对振荡频率 和振荡幅度的影响；
,3,1,5,120,10 00'15 pFCpFCRAI JEJCBBFS
VVM H zfns ATF 1 0 0),1 6 0(1
1BR mAI CQ 2?
3C
3C
m a xm i n ~ oo ff
0f
1C 2C
21
1
CC
CF
pFCpFC 1 5 0 0,1 0 0 21
pFCpFC 1 0 0 0,1 1 0 21
pFCpFC 680,120 21
pFCpFC 120,680 21
0f
CAD5_2 （ 续 2）
（ 5）改变负载电阻,例如取 33k?,10k?,4.7k?,研究它对振荡频率 和振荡幅度的影响。
题图 CAD5_2 克拉泼振荡器
0f
LR
F?01.0 PFPF 160~20?k9.3
LR
k110
1L
H?13
1BR
2BR
CR
ER
k1
k1
BC
1C
2C 3C
PF120
PF680
CCV?
)12( V?
ov
习题 5-11 图 A 返回
CCV
510
H?57
PF1500
OV
510
PF2.2
PF2.2
k15
PF15
PF3.3
k1.5
PF2.8 PF2.8
PF15
PF2.2
PF3.3
H?57
习题 5-11 图 B 返回
CCV
H?470?k32 PF6800
k12 PF1000
PF1000
H?50
PF125~68
PF1000
PF1000
H?50
PF125~68
习题 5-11 图 C 返回
oV
PF10
H?5.0
PF5PF2.2
PF2.8
PF10
PF20
F?033.0
F?033.0
F?033.0
H?22
H?22
300
k7.4
k3
k1
EEV
PF2.8
PF20
PF2.2
PF5PF10
PF10
H?5.0
