第 3 章 正弦波振荡器
3.3 LC 振荡器的频率稳定度
3.3.1 提高频率稳度的基本措施
3.3.2 克拉泼振荡电路
3.3 LC 振荡器的频率稳定度
(1)定义,
频率稳定度又称为频稳度, 为振荡器最重要的指标,
指 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 。
(2)种类
按规定 时间的长短 不同, 频稳度可分为,
长期频稳度,一天以上乃至几个月内因元器件老化而引
起的频率相对变化量 。
短期频稳度,一天内因温度, 电源电压等外界因素变化
而引起的频率相对变化量 。
瞬时 (秒级 )频稳度,电路内部噪声引起频率相对变化量 。
通常指短期频稳度 。
(3)表达式
绝对准确度,?fosc = f - fosc fosc：标称频率
相对准确度,f,实测的振荡频率
o s c
o s c
o s c
o s cΔ
f
ff
f
f ??
将规定时间划分为 n 个等间隔, 各间隔内实测的振荡频
率为 fi,短期频稳度的定义,
2
o s c
o s c
o s c
o s c
1o s c
o s c ]Δ)Δ([1limΔ
f
f
f
f
nf
f in
in
???
???
式中, (?fosc)i = fi - fosc, 第 i 个间隔内实测的绝对准确度；
为绝对准确度的平均值, 越小,
频率准确度就越高 。
)(1limΔ o s c
1o s c
ffnf i
n
in
???
??? oscΔf
(4)对频稳度的不同要求
高精度信号
发生器 用 途 中波电台 电视发射机 信号发生器
频稳度 10-5 10-4 ~ 10-5 10-7 10-7 ~ 10-9
3.3.1 提高频率稳度的基本措施
首先分析外界因素对振荡频率变化的影响。
一、频稳度的定性分析
1,振荡频率的图解
由相位平衡条件 ?T(?osc) = 0
即 0)()()()(
fo s cZo s cfo s cAo s cT ????? ?????????
说明,
① ?A(?) 主要取决于并联谐振回路的相移 ?z(?), 它在
谐振频率附近随 ? 的变化十分剧烈；
② ?f(?) 随 ? 的变化相对要缓慢得多, 可近似认为它是
与频率无关的常数, 用 ?f 表示 。
得,?Z(?osc) = ? ?f
故,?Z(?) 曲线与高度为 ??f 水平线相交点上所对应的角频
率 —— 振荡角频率 ?osc 。
2,影响振荡频率 ?osc 的参数
图 3-3-1(a)
由
0
0
eo s cZ
)(2a r c t a n)(
?
???? ??? Q
可知,影响振荡频率 ?osc 的参数是 ?0,Qe 和 ?f 。 故讨论频
稳度就是分析外界因素通过这三个参数对振荡频率变化的影
响 。
(1)谐振频率 ?0 变化
若 L, C 变化, ?0 产生 ??0 的变
化, 则 ?z(?)曲线沿横坐标平移 ??0，
曲线形状不变 。 参看 图 3-3-1(a)。
图 3-3-1(b)
(2)Qe 变化
若 负载和管子参数变化, 使谐振回路 Qe增加 ?Qe,则
?z(?)曲线变陡 。 ?Qe 引起振荡频率的变化量 与 ?f 大小有
关 。 参看 图 3-3-1(b)。
o s co s c ΔΔ ?? ??
(3)若 ?f 产生 ??f,则 ?z(?)曲线
形状不变, 而交点移动 。
??f 引起振荡频率的变化与 ?f(同
条曲线 ),Qe 的大小有关 。
3,讨论
提高 LC 振荡器频稳度的基本措施,
图 3-3-1 (c)
① 减小 ??0,?Qe 和 ??f,故应减
小外界因素变化引起 ?0,Qe 和 ?f 的变
化 。
② 减小 ?f 和增大 Qe, 以减小由
?Qe,??f 引起的振荡频率变化量 。
二、提高频稳度的基本措施
1,减小外界因素的变化
外界因素,温度, 湿度, 大气压,
电源电压, 周围磁场, 机械振动及负载变化等, 其中以温
度的影响最严重 。
措施,减振, 恒温, 密封 (湿度, 大气压 ),高稳定度
电源, 屏蔽罩, 振荡器与负载间插入跟随器 。
2,提高振荡回路标准性
(1)标准性
振荡回路在外界因素变化时保持固有谐振频率不变的能
力 。
标准性越高,??0 就越小。
(2)??0 与 ?L,?C 的关系
)
Δ
1)(
Δ
1(
1
)Δ)(Δ(
1
Δ 000
C
C
L
LCCLL
??
??
??
?? ???
将此式展开，忽略高阶小量，化简为
00 Δ?? ?
C
C
L
L
C
C
L
L Δ
2
1Δ
2
1)
2
Δ1)(
2
Δ1(
0000 ???? ??????
）（所以 C CL L ΔΔ21Δ 00 ??? ??
(3)分析
可见, 为提高回路标准性, 必须减小 L,C 的相对变化
量 。
措施,
① 温度补偿 。 电感和部分寄生参量有正值的温度系数,
选用有负温度系数的陶瓷电容器, 且数值合适, 正负可补
偿 。
② 缩短引线, 采用贴片元器件, 减小分布参数 。
③ 使用稳定度高的外接集总电容, 电感, 减小不稳定
的寄生量及其在 L,C 中的比重 。
(4)讨论
fosc= (LC)?1/2稳 定, C↑→L↓ → Q0↓ → Qe ↓ →频稳度 ↓
所以, 增加总电容是有限度的 。 因此一般都串联电容,
减小管子与回路间耦合的方法 。 例 如,clapp 电路
3.3.2 克拉泼振荡电路
1,电路
图 3-3-2
(b)
2,特点
为 电容三点式振荡器的改进型
电路, 其差别：与 C1,C2 串联的电
容 C3。 且 C3 取值较小 。 满足 C3 <<
C1,C3 << C2,回路总电容取决于
C3。
3,原理
回路总电容取决于 C3,减小
了极间电容 Cce,Cbe,Ccb(并联在
C1,C2 上 )对频率的影响 。 C3 越小,
影响越小, 回路标准性越高 。
比电容三点式高一个数量级 。
4,讨论
接入 C3 后, 虽反馈系数不变 (上
节例 2),但接在 A,B 两端的电阻
折算到集电极间的数
值 减小, )//( e0LL RRR ?
?
LR?
L
2
213
3
L
2
L )( RCC
C
RnR ?
?
?????
、
C1,2 是 C1,C2 极间电容的总和, 因而环路增益减小 。 C3
越小, 环路增益越小 。 可见, 在这种振荡电路中, 减小 C3
提高标准性是以牺牲环路增益为代价的 。 C3 过小, 就不会
满足振幅起振条件, 而停振 。
下节，讨论晶体振荡器。
3.3 LC 振荡器的频率稳定度
3.3.1 提高频率稳度的基本措施
3.3.2 克拉泼振荡电路
3.3 LC 振荡器的频率稳定度
(1)定义,
频率稳定度又称为频稳度, 为振荡器最重要的指标,
指 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 。
(2)种类
按规定 时间的长短 不同, 频稳度可分为,
长期频稳度,一天以上乃至几个月内因元器件老化而引
起的频率相对变化量 。
短期频稳度,一天内因温度, 电源电压等外界因素变化
而引起的频率相对变化量 。
瞬时 (秒级 )频稳度,电路内部噪声引起频率相对变化量 。
通常指短期频稳度 。
(3)表达式
绝对准确度,?fosc = f - fosc fosc：标称频率
相对准确度,f,实测的振荡频率
o s c
o s c
o s c
o s cΔ
f
ff
f
f ??
将规定时间划分为 n 个等间隔, 各间隔内实测的振荡频
率为 fi,短期频稳度的定义,
2
o s c
o s c
o s c
o s c
1o s c
o s c ]Δ)Δ([1limΔ
f
f
f
f
nf
f in
in
???
???
式中, (?fosc)i = fi - fosc, 第 i 个间隔内实测的绝对准确度；
为绝对准确度的平均值, 越小,
频率准确度就越高 。
)(1limΔ o s c
1o s c
ffnf i
n
in
???
??? oscΔf
(4)对频稳度的不同要求
高精度信号
发生器 用 途 中波电台 电视发射机 信号发生器
频稳度 10-5 10-4 ~ 10-5 10-7 10-7 ~ 10-9
3.3.1 提高频率稳度的基本措施
首先分析外界因素对振荡频率变化的影响。
一、频稳度的定性分析
1,振荡频率的图解
由相位平衡条件 ?T(?osc) = 0
即 0)()()()(
fo s cZo s cfo s cAo s cT ????? ?????????
说明,
① ?A(?) 主要取决于并联谐振回路的相移 ?z(?), 它在
谐振频率附近随 ? 的变化十分剧烈；
② ?f(?) 随 ? 的变化相对要缓慢得多, 可近似认为它是
与频率无关的常数, 用 ?f 表示 。
得,?Z(?osc) = ? ?f
故,?Z(?) 曲线与高度为 ??f 水平线相交点上所对应的角频
率 —— 振荡角频率 ?osc 。
2,影响振荡频率 ?osc 的参数
图 3-3-1(a)
由
0
0
eo s cZ
)(2a r c t a n)(
?
???? ??? Q
可知,影响振荡频率 ?osc 的参数是 ?0,Qe 和 ?f 。 故讨论频
稳度就是分析外界因素通过这三个参数对振荡频率变化的影
响 。
(1)谐振频率 ?0 变化
若 L, C 变化, ?0 产生 ??0 的变
化, 则 ?z(?)曲线沿横坐标平移 ??0，
曲线形状不变 。 参看 图 3-3-1(a)。
图 3-3-1(b)
(2)Qe 变化
若 负载和管子参数变化, 使谐振回路 Qe增加 ?Qe,则
?z(?)曲线变陡 。 ?Qe 引起振荡频率的变化量 与 ?f 大小有
关 。 参看 图 3-3-1(b)。
o s co s c ΔΔ ?? ??
(3)若 ?f 产生 ??f,则 ?z(?)曲线
形状不变, 而交点移动 。
??f 引起振荡频率的变化与 ?f(同
条曲线 ),Qe 的大小有关 。
3,讨论
提高 LC 振荡器频稳度的基本措施,
图 3-3-1 (c)
① 减小 ??0,?Qe 和 ??f,故应减
小外界因素变化引起 ?0,Qe 和 ?f 的变
化 。
② 减小 ?f 和增大 Qe, 以减小由
?Qe,??f 引起的振荡频率变化量 。
二、提高频稳度的基本措施
1,减小外界因素的变化
外界因素,温度, 湿度, 大气压,
电源电压, 周围磁场, 机械振动及负载变化等, 其中以温
度的影响最严重 。
措施,减振, 恒温, 密封 (湿度, 大气压 ),高稳定度
电源, 屏蔽罩, 振荡器与负载间插入跟随器 。
2,提高振荡回路标准性
(1)标准性
振荡回路在外界因素变化时保持固有谐振频率不变的能
力 。
标准性越高,??0 就越小。
(2)??0 与 ?L,?C 的关系
)
Δ
1)(
Δ
1(
1
)Δ)(Δ(
1
Δ 000
C
C
L
LCCLL
??
??
??
?? ???
将此式展开，忽略高阶小量，化简为
00 Δ?? ?
C
C
L
L
C
C
L
L Δ
2
1Δ
2
1)
2
Δ1)(
2
Δ1(
0000 ???? ??????
）（所以 C CL L ΔΔ21Δ 00 ??? ??
(3)分析
可见, 为提高回路标准性, 必须减小 L,C 的相对变化
量 。
措施,
① 温度补偿 。 电感和部分寄生参量有正值的温度系数,
选用有负温度系数的陶瓷电容器, 且数值合适, 正负可补
偿 。
② 缩短引线, 采用贴片元器件, 减小分布参数 。
③ 使用稳定度高的外接集总电容, 电感, 减小不稳定
的寄生量及其在 L,C 中的比重 。
(4)讨论
fosc= (LC)?1/2稳 定, C↑→L↓ → Q0↓ → Qe ↓ →频稳度 ↓
所以, 增加总电容是有限度的 。 因此一般都串联电容,
减小管子与回路间耦合的方法 。 例 如,clapp 电路
3.3.2 克拉泼振荡电路
1,电路
图 3-3-2
(b)
2,特点
为 电容三点式振荡器的改进型
电路, 其差别：与 C1,C2 串联的电
容 C3。 且 C3 取值较小 。 满足 C3 <<
C1,C3 << C2,回路总电容取决于
C3。
3,原理
回路总电容取决于 C3,减小
了极间电容 Cce,Cbe,Ccb(并联在
C1,C2 上 )对频率的影响 。 C3 越小,
影响越小, 回路标准性越高 。
比电容三点式高一个数量级 。
4,讨论
接入 C3 后, 虽反馈系数不变 (上
节例 2),但接在 A,B 两端的电阻
折算到集电极间的数
值 减小, )//( e0LL RRR ?
?
LR?
L
2
213
3
L
2
L )( RCC
C
RnR ?
?
?????
、
C1,2 是 C1,C2 极间电容的总和, 因而环路增益减小 。 C3
越小, 环路增益越小 。 可见, 在这种振荡电路中, 减小 C3
提高标准性是以牺牲环路增益为代价的 。 C3 过小, 就不会
满足振幅起振条件, 而停振 。
下节，讨论晶体振荡器。
