東華大學(xué)高頻電子電路通信電子電路課件5-4

1、5克拉潑（Clapp）振蕩電路考比茲(Colpitts)振蕩器雖然有電路簡(jiǎn)單，波形好的優(yōu)點(diǎn)，在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用，但從提高振蕩器頻率穩(wěn)定性的角度考慮，電容三點(diǎn)式振蕩器存在許多需要完善的不足之處。原因：晶體管的極間電容直接和諧振回路電抗元件并聯(lián)，極間電容（即結(jié)電容）是隨環(huán)境溫度、電源電壓和電流變化的不穩(wěn)定參數(shù)，它的變化會(huì)導(dǎo)致諧振回路諧振頻率的變化，因?yàn)檎袷幤鞯恼袷庮l率基本上由諧振回路的諧振頻率決定。極間電容的數(shù)量級(jí)一定要知道，這樣才能了解哪些電容在特定情況下是必須考慮的。參看課本P32諧振回路L、C元件參數(shù)不穩(wěn)定將直接影響振蕩器頻率的穩(wěn)定性。結(jié)果：三點(diǎn)式振蕩電路的頻率穩(wěn)定性不高。一般在量級(jí)，為提高

2、頻率穩(wěn)定度，必須設(shè)法減小晶體管極間電容的不穩(wěn)定性對(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響。因?yàn)榭急绕?Colpitts)振蕩器存在不足，有必要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，所以產(chǎn)生了克拉潑（Clapp）振蕩電路改進(jìn)的方法：串聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器克拉潑（Clapp）振蕩電路。圖（a）克拉潑振蕩器的實(shí)用電路，與普通電容三點(diǎn)式(Colpitts)電路相比，其區(qū)別僅在于b-c間的電感支路串入一個(gè)小電容，滿足，這就是串聯(lián)改進(jìn)型電路命名的來(lái)由。圖（b）是其高頻等效電路。克拉潑振蕩電路的組態(tài)：圖中輸入端（反饋接入端）與發(fā)射極相連，輸出回路與集電極相連，基極通過(guò)旁路電容接地，所以電路為共基組態(tài)。用于分析振蕩頻率的簡(jiǎn)化等效電路圖5 30

3、(忽略直流偏置電路)該電路滿足“射同（、）基反（串聯(lián)呈現(xiàn)感抗）。振蕩頻率的分析振蕩頻率由選頻回路決定，選頻回路由和串聯(lián)，再與并聯(lián)構(gòu)成。諧振回路的總電容滿足 所以有 注意：串聯(lián)電容的總電容取決于小電容，而并聯(lián)電容的總電容取決于大電容。 振蕩器的振蕩頻率 （5.3.8）結(jié)論：由式（5.3.8）可知：當(dāng)滿足時(shí)，幾乎不受晶體管極間電容（即輸入輸出電容）的影響，越小，晶體管極間電容對(duì)振蕩頻率的影響就越小。電路的頻率穩(wěn)定性就越好。實(shí)際電路設(shè)計(jì)中諧振回路中元件的取值規(guī)則根據(jù)需要的振蕩頻率確定的值，的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于。僅從振蕩頻率的穩(wěn)定度考慮，越小越好，但過(guò)小會(huì)影響振蕩器的起振。（下面分析）了解 “晶體管對(duì)輸出回

4、路的接入系數(shù)”計(jì)算接入系數(shù)的目的是計(jì)算晶體管輸出的等效電阻，以便計(jì)算放大器的增益。下面給出接入系數(shù)與等效負(fù)載計(jì)算的方法。圖5 30 接入系數(shù)與等效負(fù)載計(jì)算示意圖晶體管輸出回路的兩個(gè)端點(diǎn)c、b對(duì)諧振回路A、B兩端的接入系數(shù)（5.3.9）（注：對(duì)諧振回路的接入系數(shù)以電感為基準(zhǔn)。）諧振回路A、B兩端的等效電阻，將折算到輸出回路c、b兩端，得到晶體管的等效阻抗 （5.3.10）由式（5.3.10）可得如下結(jié)論： Clapp振蕩電路是以犧牲環(huán)路增益的方法來(lái)?yè)Q取回路振蕩頻率穩(wěn)定性能的改善。綜上分析，Clapp振蕩電路有以下幾點(diǎn)不足：）在減小以提高振蕩頻率的同時(shí)，使環(huán)路增益減小，減小到一定程度會(huì)導(dǎo)致電路無(wú)法

5、起振，這就限制了振蕩頻率的提高；）Clapp振蕩電路不適合作波段振蕩器。波段振蕩器要求振蕩頻率在一定區(qū)間內(nèi)可調(diào)，且輸出信號(hào)的振蕩幅值基本保持不變。由于Clapp電路是通過(guò)改變來(lái)調(diào)節(jié)振蕩頻率的，根據(jù)式（5.3.10）可知，的改變，導(dǎo)致變化，致使共基電路的增益變化，最終導(dǎo)致輸出信號(hào)的幅值發(fā)生變化，使所調(diào)波段頻率范圍內(nèi)輸出信號(hào)的幅度不平穩(wěn)。所以Clapp電路可以調(diào)節(jié)的頻率范圍不夠?qū)?，只能用作固定振蕩器或波段覆蓋系數(shù)（）較小的可變頻率振蕩器。一般Clapp電路的波段覆蓋系數(shù)為1.21.3。6西勒（Seiler）振蕩電路在對(duì)Clapp振蕩電路的不足之處進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)，產(chǎn)生了西勒電路。圖（a）給出Seil

6、er振蕩電路的實(shí)用電路，Seiler電路是在克拉潑電路中的電感兩端并聯(lián)了一個(gè)可變小電容,且滿足、 ，這就是并聯(lián)改進(jìn)型電路命名的來(lái)由。圖（b）是其高頻等效電路。Seiler振蕩電路的回路總電容由串聯(lián)，再與并聯(lián)構(gòu)成。 （5.3.11）串聯(lián)電容并聯(lián)電阻取決于小電阻，小電容；并聯(lián)電容串聯(lián)電阻取決于大電阻，大電容振蕩器的振蕩頻率 （5.3.12）圖5 32 給出計(jì)算接入系數(shù)與晶體管等效負(fù)載的結(jié)構(gòu)示意圖下面討論晶體管c、b兩端對(duì)諧振回路A、B兩端的接入系數(shù)問(wèn)題：為什么要計(jì)算c、b兩端對(duì)諧振回路兩端A、B的接入系數(shù)？Seiler電路的組態(tài)共基；射極e輸入，集電極c輸出輸出回路在c、b之間計(jì)算c、b兩端對(duì)諧振

7、回路兩端A、B的接入系數(shù)就是為了計(jì)算真實(shí)負(fù)載對(duì)晶體管呈現(xiàn)的等效負(fù)載。也就是上圖中的。求得之后，就可求出基本放大器的增益A。真實(shí)負(fù)載通常并在諧振回路兩端，而諧振回路是以電感為參照的，因此實(shí)際負(fù)載是并接在電感兩端的結(jié)論：晶體管c、b兩端對(duì)諧振回路A、B兩端的接入系數(shù)與Clap電路的完全相同。Seiler電路晶體管c、b兩端對(duì)諧振回路A、B兩端的接入系數(shù)當(dāng)通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)改變振蕩頻率時(shí)，不會(huì)影響回路的接入系數(shù)，結(jié)論：通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)改變振蕩頻率時(shí)，輸出回路cb端的等效負(fù)載不會(huì)隨之變化，共基電路增益也保持不變，在波段范圍內(nèi)輸出信號(hào)的幅值基本保持不變，振幅的穩(wěn)定性較好。且調(diào)諧電容直接與電感并聯(lián)，所以對(duì)回路的諧振頻率

8、影響較大，使西勒電路的調(diào)諧帶寬較Clap電路大。Seiler電路可用作波段振蕩器，其波段覆蓋系數(shù)可達(dá)1.61.8左右。另外，通過(guò)減小來(lái)提高振蕩頻率時(shí)，不會(huì)影響環(huán)路增益和振蕩器的起振，因此，Seiler電路適合于更高頻段的振蕩器。5.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度（自行學(xué)習(xí)了解）滿足起振、平衡和穩(wěn)定三個(gè)條件 產(chǎn)生等幅持續(xù)的振蕩波形。當(dāng)受到外界或振蕩器內(nèi)部不穩(wěn)定因素干擾振蕩器的瞬時(shí)相位（或頻率）會(huì)在平衡點(diǎn)附近隨機(jī)變化。頻率穩(wěn)定度是振蕩器最為重要的性能指標(biāo)之一?，F(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)振蕩器的頻率穩(wěn)定度提出了越來(lái)越高的要求。振蕩器的頻率不穩(wěn)定可能造成下述不良影響：通信系統(tǒng)的頻率不穩(wěn)定，就會(huì)因漏失信號(hào)而無(wú)法通

9、信，如調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的頻率不穩(wěn)，調(diào)頻接收機(jī)就不能準(zhǔn)確接收，如調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的頻率準(zhǔn)確、穩(wěn)定，則接收機(jī)在不需要調(diào)諧的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)收聽(tīng)和轉(zhuǎn)播；在數(shù)字電路中，時(shí)鐘不穩(wěn)會(huì)引起時(shí)序關(guān)系的混亂；測(cè)量?jī)x器的頻率不穩(wěn)定會(huì)引起較大的測(cè)量誤差；軍事保密通信及空間技術(shù)對(duì)頻率穩(wěn)定度提出了更為嚴(yán)格的要求。例如，要實(shí)現(xiàn)與火星通信，頻率的相對(duì)誤差不能大于數(shù)量級(jí)。倘若給距離地球5600萬(wàn)千米衛(wèi)星定位，要求頻率的相對(duì)誤差不能大于數(shù)量級(jí)。1 頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度評(píng)價(jià)振蕩頻率的主要指標(biāo)是頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度。頻率準(zhǔn)確度：用于衡量實(shí)際振蕩頻率與標(biāo)稱頻率偏離的程度。分為絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度和相對(duì)頻率準(zhǔn)確度。絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度是實(shí)際工作

10、頻率與標(biāo)稱頻率的偏差 （5.4.1）相對(duì)頻率準(zhǔn)確度是頻率偏差與標(biāo)稱頻率之比 （5.4.2）頻率穩(wěn)定度是在指定時(shí)間間隔內(nèi)頻率準(zhǔn)確度變化的最大值。也分為絕對(duì)頻率穩(wěn)定度和相對(duì)頻率穩(wěn)定度。最常用的是相對(duì)頻率穩(wěn)定度，簡(jiǎn)稱頻率穩(wěn)定度，以表示（5.4.3）其中是某一間隔內(nèi)的最大頻率偏移。如某振蕩器標(biāo)稱頻率為5，在一天所測(cè)的頻率中，與標(biāo)稱值偏離最大的一個(gè)頻率點(diǎn)為4.99995，則該振蕩器的頻率穩(wěn)定度為在頻率準(zhǔn)確度與頻率穩(wěn)定度兩個(gè)指標(biāo)中，頻率穩(wěn)定度更為重要。因?yàn)橹挥蓄l率穩(wěn)定，才有頻率準(zhǔn)確。頻率不穩(wěn)，準(zhǔn)確度也就失去了意義。下面主要討論頻率穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度按時(shí)間間隔分為長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度：以月甚至年為觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度，觀

11、測(cè)的是長(zhǎng)時(shí)間的頻率漂移。主要取決于構(gòu)成振蕩器的有源、無(wú)源器件和石英晶體的老化特性。它主要用于評(píng)價(jià)天文臺(tái)或國(guó)家計(jì)量單位高精度頻率標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)時(shí)設(shè)備；短期頻率穩(wěn)定度：以一天，小時(shí)、分鐘為測(cè)量時(shí)間間隔。短穩(wěn)主要取決于振蕩器的電源電壓、電路參數(shù)或環(huán)境溫度的穩(wěn)定性。用于評(píng)價(jià)通信電子設(shè)備和儀器中振蕩器頻率穩(wěn)定度。瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度：在秒級(jí)時(shí)間內(nèi)，主要是振蕩器內(nèi)部干擾和噪聲作用引起的頻率起伏，是頻率的瞬間無(wú)規(guī)則變化。瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度在頻域上又稱為相位抖動(dòng)或相位噪聲。通常用得較多的是短期頻穩(wěn)度。由于頻率的變化是隨機(jī)的，不同的觀測(cè)時(shí)段，測(cè)出的頻率穩(wěn)定度往往是不同的，而且有時(shí)還出現(xiàn)某個(gè)局部時(shí)段內(nèi)頻率的漂移遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它時(shí)間在

12、相同間隔內(nèi)的漂移值，因此用式（5.4.3）來(lái)表征頻率穩(wěn)定度不是十分合理，頻率穩(wěn)定度應(yīng)建立在大量觀測(cè)基礎(chǔ)上的統(tǒng)計(jì)值來(lái)表征較為合理，常用的方法之一是均方根值將指定的時(shí)間劃分為 n 個(gè)等間隔，測(cè)得的各頻率準(zhǔn)確度與其平均值的偏差的均方根值來(lái)表征的。即 （5.4.4）式中，為第個(gè)間隔內(nèi)實(shí)測(cè)的頻率， 為第個(gè)間隔內(nèi)實(shí)測(cè)的絕對(duì)誤差。 （5.4.5）為絕對(duì)頻差的平均值。越小，頻率準(zhǔn)確度就越高。頻率穩(wěn)定度當(dāng)然越高越好，但這樣的振蕩器造價(jià)高，使用者必須在性能和成本間折中考慮。不同場(chǎng)合，對(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定度的要求不同。例如用于中波廣播電臺(tái)發(fā)射機(jī)的為數(shù)量級(jí)，普通信號(hào)發(fā)生器的為數(shù)量級(jí)，電視發(fā)射機(jī)的為數(shù)量級(jí)，高精度信號(hào)發(fā)生器

13、的為數(shù)量級(jí)，在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)，天文測(cè)量和太空通信中，要求有很高的長(zhǎng)穩(wěn)和短穩(wěn)，相對(duì)頻率變化不大于。頻率穩(wěn)定度一般由實(shí)測(cè)確定。普通的LC電路的日頻率穩(wěn)定度可達(dá)；采用改進(jìn)型的西勒振蕩電路，也只能達(dá)到數(shù)量級(jí)，要求更高的話，采用石英諧振器。2 造成頻率不穩(wěn)定的因素(這部分內(nèi)容雖然不考，但對(duì)于設(shè)計(jì)性能良好的振蕩器非常重要，請(qǐng)同學(xué)自己學(xué)習(xí)了解一下)1）回路參數(shù)的不穩(wěn)定性溫度變化是使回路參數(shù)不穩(wěn)定的主要因素。溫度改變會(huì)使電感線圈和回路電容幾何尺寸變形，因而改變電感和電容的數(shù)值。一般具有正溫度系數(shù)，即隨溫度的升高而增大。而電容由于介電材料和結(jié)構(gòu)的不同，電容器的溫度系數(shù)可正可負(fù)。另外，機(jī)械振動(dòng)可使電感和電容產(chǎn)生變形，和

14、的數(shù)值變化，因而引起振蕩頻率的改變。晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定性當(dāng)溫度變化或電源電壓變化時(shí)，必定引起靜態(tài)工作點(diǎn)和晶體管結(jié)電容的改變，從而導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定。3 穩(wěn)頻措施1）減小溫度的影響為了減少溫度變化對(duì)振蕩頻率的影響，最根本的辦法是將整個(gè)振蕩器或振蕩回路置于恒溫槽內(nèi)，以保持溫度的恒定。這種方法適用于技術(shù)指標(biāo)要求較高的設(shè)備中。在要求不是特別高的情況下，為了減少溫度系數(shù)的影響，應(yīng)該采取溫度系數(shù)較小的電感、電容。例如，鐵氧體的溫度系數(shù)很大，當(dāng)對(duì)諧振回路的電感量提出高穩(wěn)定度要求的時(shí)候，應(yīng)該避免采用鐵氧體心。此時(shí)，電感線圈可用高頻磁鼓架，它的溫度系數(shù)和損耗都較小。固定電容器比較好的是云母電容，它的溫度系數(shù)比其

15、它類型電容的小?？勺冸娙菀撞捎脴O片和轉(zhuǎn)軸線膨脹系數(shù)小的金屬材料（如鐵鎳合金）制作。它們的溫度系數(shù)小，性能穩(wěn)定可靠。還可采用正、負(fù)溫度系數(shù)的元件相互補(bǔ)償。如瓷介電容具有正溫度系數(shù)，有的電容具有負(fù)溫度系數(shù)，而很多電感都具有正溫度系數(shù)。 2）穩(wěn)定電源電壓電源電壓的波動(dòng)，會(huì)使晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化，從而改變晶體管的參數(shù)，降低頻率穩(wěn)定度。為了減小這個(gè)影響，采用性能良好的電壓源供電，并采取退耦措施避免高頻信號(hào)對(duì)電壓源穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。如果是制作高性能指標(biāo)的振蕩器，應(yīng)當(dāng)采用穩(wěn)壓電源。當(dāng)振蕩器與整機(jī)其它部分公用一個(gè)電源時(shí)，往往從公用電源取出電壓，再經(jīng)一次單獨(dú)穩(wěn)壓，以避免整機(jī)其它部分耗電的變化影響電源電壓的

16、穩(wěn)定。另外，應(yīng)采用具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的偏置電路。3）減少負(fù)載的影響振蕩器輸出信號(hào)需要加在負(fù)載上，負(fù)載的變動(dòng)必然會(huì)引起振蕩頻率變化。為了減小這一影響，可在主振級(jí)及其負(fù)載之間加一緩沖級(jí)。為使緩沖級(jí)最大限度的起到緩沖作用，緩沖級(jí)從主振級(jí)所獲取的功率應(yīng)盡可能的小。當(dāng)負(fù)載所要求的功率一定時(shí)，緩沖級(jí)的功率增益越高，則要求主振級(jí)提供的功率越小。因此緩沖級(jí)的電路形式及工作狀態(tài)的選擇，應(yīng)該從功率增益最大來(lái)考慮。即： a)緩沖放大級(jí)應(yīng)工作于甲類，因甲類工作狀態(tài)的功率增益最高； b)射級(jí)跟隨器也是最常用的緩沖級(jí)。4）晶體管與諧振回路之間采用松耦合減小晶體管和諧振回路之間的耦合，可以減小晶體管輸出、輸入電容的變化對(duì)諧

17、振回路等效電容值的影響，從而使頻率穩(wěn)定度提高。減小晶體管和諧振回路之間耦合的常用方法是將晶體管以部分接入的方式接入諧振回路。前面介紹的克拉潑電路和西勒電路就是采用了這種方法。另外，應(yīng)選擇較高的晶體管。越高，高頻性能就越好，可以保證在工作頻率范圍內(nèi)均有較高的跨導(dǎo)，電路容易起振；一般選擇，是最高振蕩頻率。 5）提高回路的品質(zhì)因數(shù)諧振回路的相頻特性表達(dá)式 （5.4.6）根據(jù)式（5.4.6）可畫(huà)出不同值對(duì)應(yīng)的相頻特性曲線，如圖5 33所示。由圖可見(jiàn)，相頻曲線的變化規(guī)律有如下特點(diǎn)。）越接近，即越小，相頻特性曲線的斜率就越大，則穩(wěn)頻能力越強(qiáng)；反之，失諧越嚴(yán)重就越小，頻率穩(wěn)定度越低。）值越大，在附近的值越大，穩(wěn)頻能力越強(qiáng)。所以提高回路的值，減小，有利于改善振蕩器的頻率穩(wěn)定性。圖5 33 并聯(lián)諧振回路相頻特性曲線如何提高諧振回路的值？在繞制電感時(shí)應(yīng)注意，平行密繞線圈的線間分布電容較大，影響值。對(duì)于匝數(shù)較多的線圈，如振蕩頻率在2以下，宜采用“蜂房式”繞法，并且最好用多股線，以減小趨附效應(yīng)的影響，以便提高值。