为什么我们只得到一个频率作为振荡器的输出？

振荡器通过确保两件事以一种频率工作：-

• 反馈到维持振荡的信号与它试图维持的信号完全同相。想想在正确的位置和正确的方向轻轻敲击摆动的钟摆。
• 环路增益略大于单位。这确保了产生没有太多失真的正弦波并且它是“持续的”。如果环路增益小于 1，则它不能“维持”振荡。

因此，如果我们设计一个相移网络，它处理的每个频率都有一个独特的相移，我们将得到一个振荡器，但前提是反馈的信号幅度足以维持振荡。

然而，一些相移网络可以产生一个基本振荡频率的倍数的相移。换句话说，如果 1 MHz 产生 360 度的相移，也许一些更高的频率可能会产生 720 度（2 x 360）。这可能会导致两个频率的持续振荡（通常被认为是不希望的）。

因此，我们设计相移网络以确保较高频率的“同相”候选者的幅度远低于“基本”候选者，并且假设我们只允许增益为单位或略高（到适应相移网络中的损耗）对于我们想要的频率，较高频率的候选不会引起振荡。

以上也称为巴克豪森准则。

那么那些 AB>1 的频率会发生什么？

饱和。

假设有几个频率具有环路增益\$AB \ge 1\$和\$n2\pi\$相移，但我们称具有最高环路增益的频率为 \$f_x\$。对于\$f_x\$，\$AB > 1\$并且您可能期望它会产生振幅随时间增加的振荡。但没有任何实际电路可以使其输出幅度无限增加。通常存在一些限制输出幅度的饱和行为。

当这种情况发生时，它往往会降低所有频率的增益，而不仅仅是具有超单位环路增益的频率。所以考虑到饱和度，这个频率\$f_x\$将以\$AB=1\$结束，而线性分析告诉你的所有其他频率都有\$AB\ge 1\$但小于\$f_x\ $，现在有\$AB < 1\$，所以它们不再无限地振荡。

我这边的简短回答：

你不能只考虑数量级。不要忘记相位。产品 AB 必须是真实的。频率选择电路具有幅度以及作为频率函数的相位。并且 - 对于正确的设计 - 只有一个单一频率可以同时满足两个条件（环路增益 AB=1的巴克豪森振荡标准）：

• |A*B|=1（出于实际原因，略大于“1”，例如“1.2”）和

• 相移 exp(j*phi)=1 (phi=0)。

为此，大多数已知的振荡器使用低通、高通或带通滤波器作为反馈元件。但也有其他（更高级的）拓扑。

• 假设您的意思是具有方波输出（串联或并联模式）的经典晶体振荡器（XO）。

发生饱和时，环路增益（GH 或 AB）下降到零，但在输出的线性转换期间除外。晶体作为带通滤波器在输入端产生正弦波，其中也可能包含谐波，但方波输出的摆率通常比正弦波输入快得多，因此谐波能量的轮廓线性时间不足不饱和时放大，增益为零，从而抑制。

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• 然而，在线性振荡器中，谐波含量可能会导致相位噪声，因此具有最低相位噪声的那些在基波处具有最高 Q，例如 SC 切割晶体，例如 10 MHz 恒温晶体振荡器 (OCXO) 与标准AT 切割各地普遍使用。这就是我现在要说的。

然而，对于较小的晶体结构 >= 33 MHz 谐振，谐波增益往往高于基波。因此，您会发现这些被归类为“泛音晶体”。

对于 CMOS 反馈振荡器，通常使用来自输出的串联 R (3 kΩ ~ 10 kΩ) 来限制微片晶体中的 uW 功率耗散，并且在高频 >> 10 MHz 中也会产生额外的 RC 效应谐波衰减，第一个负载电容。最常见的是三次谐波或“泛音”，但使用更高的泛音 >> 150 MHz。

但是，当振荡需要选择性谐波（3、5、7 等）时，如何处理晶体或额外的无源 LC 调谐有助于提高选择的谐波。

XO 设计最常见的警告“切勿使用缓冲反相器”（三个线性增益级对比一个）以避免放大杂散谐波。当它们使反相器饱和并且增益降至零时，它们会抑制基频，但过渡间隔很短。它们的行为类似于注入锁定环 (ILL)，它可能会在基波或谐波处随机振荡，具体取决于相对增益和启动条件。但是，使用缓冲逆变器时，在输出转换期间有更多机会在转换上造成寄生谐波毛刺并锁定谐波。

然而，那些成功地为 XO 使用缓冲逆变器（包括我自己）的人现在可以理解晶体的类型和相对较低的谐波增益可以保护 XO 不会锁定到所需的基频。在某些情况下，这可能是一个优势，但这是一个不同的问题。