3.2負(fù)阻振蕩器ppt課件

1、 負(fù)阻振蕩器：利用負(fù)阻器件抵消回路中的正阻損耗，產(chǎn)生自激振蕩的振蕩器。由于負(fù)阻器件與回路僅有兩端連接，故負(fù)阻振蕩器又稱為“二端振蕩器”。3.7.1 3.7.1 負(fù)阻器件的基本特性負(fù)阻器件的基本特性一、負(fù)阻的概念 常見的電阻，不論線性電阻還是非線性電阻，都屬常見的電阻，不論線性電阻還是非線性電阻，都屬于正電阻。其特征是流過電阻電流越大，其電阻兩端的于正電阻。其特征是流過電阻電流越大，其電阻兩端的電壓降也越大，消耗功率也越大，如圖電壓降也越大，消耗功率也越大，如圖3.7.1a所示。所示。三者的關(guān)系為三者的關(guān)系為PIV 這里這里 VI R 3.7.1圖3.7.1 電阻器件的伏安特性 （a正電阻器件

2、（b電壓控制型負(fù)阻器件 (c) 電流控制型負(fù)阻器件 負(fù)電阻是流過其間的電流越大，電阻兩端電壓越小，故電流、電壓增量的方向相反，兩者的乘積為負(fù)值，如圖3.7.1b）、(c)所示： VI R 3.7.1 正功率表示能量的消耗，負(fù)功率表示能量的產(chǎn)生，即負(fù)阻器件在一定條件下，不但不消耗交流能量，反而向外部電路提供交流能量，當(dāng)然該交流能量并不存在于負(fù)阻器件內(nèi)部，而是利用其能量變換特性，從保證電路工作的直流能量中取得。所以負(fù)阻振蕩器同樣是一個能量變換器。 1、電壓控制型器件圖3.7.1b），也稱為N型負(fù)阻器件，其電流為電壓的單值函數(shù)，具有這種特性的器件有隧道二極管、共發(fā)射極組態(tài)的某種點(diǎn)接觸三極管和真空四極

3、管等。 3.7.1負(fù)阻器件有兩種類型：圖3.7.1 （b電壓 控制型器件 2、電流控制型器件圖3.7.1 (c)），也稱為S型負(fù)阻器件，其電壓為電流的單值函數(shù)，屬于這一類的器件有單晶體管、硅可控整流器和弧光放電管等。 從兩種負(fù)阻器件的伏安特性可以看出，在它們各自的 AB段，電流、電壓均呈負(fù)斜率的關(guān)系。圖3.7.1 (c) 電流控制型器件 以隧道二極管為例: 在圖3.7.2所示的伏安特性曲線中，若將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在伏安特性的負(fù)斜率區(qū)，則直流電阻 RooVRI微變增量電阻微變增量電阻: 2121VVVrIII 可見，盡管器件的微變電阻是負(fù)值，但其直流電阻仍是正值，這說明負(fù)阻器件起著從直流電源中獲取

4、能量并將其轉(zhuǎn)換成交變能量的作用。顯然，負(fù)阻器件是指它的微變增量電阻為負(fù)值的器件。3.7.1圖3.7.2 隧道二極管特性二、負(fù)阻器件的特性Q 當(dāng)在當(dāng)在 點(diǎn)加上點(diǎn)加上微弱的正弦電壓微弱的正弦電壓如圖如圖3.7.3所示）所示） sinimVt時，那時，那么么 sinQiQmVVVt3.7.1圖3.7.3 隧道二極管特性 在忽略失真的情況下，在忽略失真的情況下，通過管子的電流為通過管子的電流為 sinQiQmiIiIIt 其中，其中， ii是增量電流，其值為是增量電流，其值為 ()()sinsiniininmmigg VtItr 式中，式中， mmnmVIg Vr， 1ngr是隧道二極管在靜態(tài)工作點(diǎn)是

5、隧道二極管在靜態(tài)工作點(diǎn)上的微變增量電導(dǎo)，其值為負(fù)（上的微變增量電導(dǎo)，其值為負(fù)（ ng為正值）。因而，為正值）。因而，加到器件上的平均功率為加到器件上的平均功率為 0011(sin) (sin)TTQmQmPi dtVVtIIt dtTT 222mmmnQ QQ QV IV gV IV I式中，式中， QQV I表示直流電源供給器件的平均功率；表示直流電源供給器件的平均功率； 22mnV g表示器件給出的交流功率表示器件給出的交流功率 。 3.7.1由于由于 mQVV， mQII，那，那么么 0P 因而，負(fù)阻器件本身總是消耗功率的，它所以能夠通過負(fù)電導(dǎo)給出交流功率，是由于它具有將直流功率的一部分

6、轉(zhuǎn)換為交流功率的作用。 由圖由圖3.7.3知，當(dāng)器件在小信號工作時，知，當(dāng)器件在小信號工作時， ng為定值。為定值。 當(dāng)器件在大信號工作時，通過器件的電流波形是非當(dāng)器件在大信號工作時，通過器件的電流波形是非正弦的，如圖正弦的，如圖3.7.4a所示。所示。圖3.7.4 隧道二極管工作在大信號時的特性（a） 電流波形 （b） 平均電導(dǎo)特性 3.7.1 在這種情況下，在這種情況下，為了表示器件的負(fù)為了表示器件的負(fù)阻特性，引入?yún)?shù)阻特性，引入?yún)?shù)（ ) ) ()n avg稱為平均負(fù)增量電導(dǎo)。稱為平均負(fù)增量電導(dǎo)。 ()n avg的定義：的定義： i中基波電流振幅與外加正弦電壓振幅的比值。中基波電流振幅與

7、外加正弦電壓振幅的比值。 可見，當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)一定時，隨著輸入電壓的增大，可見，當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)一定時，隨著輸入電壓的增大，電流正、負(fù)半周的頂部出現(xiàn)凹陷，并且不斷加深，電流正、負(fù)半周的頂部出現(xiàn)凹陷，并且不斷加深， 因而，基波電流分量的增長逐步趨緩，結(jié)果使因而，基波電流分量的增長逐步趨緩，結(jié)果使 ()n avg減小，如圖減小，如圖3.7.4b所示。所示。 負(fù)阻負(fù)阻NegativeResistance振蕩器是采用負(fù)振蕩器是采用負(fù)阻器件與阻器件與 LC諧振回路共同構(gòu)成的一種正弦波振蕩器，諧振回路共同構(gòu)成的一種正弦波振蕩器，主要工作在主要工作在 100 MHZ以上的超高頻段。以上的超高頻段。一、負(fù)阻振蕩原理

8、 1. 組成條件： （1負(fù)阻器件和負(fù)阻器件和 LC選頻網(wǎng)絡(luò)組成選頻網(wǎng)絡(luò)組成 ；（2建立合適靜態(tài)工作點(diǎn)；建立合適靜態(tài)工作點(diǎn)；（3) 負(fù)阻器件與負(fù)阻器件與 LC回路正確連接；回路正確連接；3.7.22、電壓控制型負(fù)阻振蕩器負(fù)阻器件與負(fù)阻器件與 LC回路并聯(lián)連接，如圖回路并聯(lián)連接，如圖3.7.5所示，圖中所示，圖中 1()eoeogR為諧振回路的固有諧振電導(dǎo)，為諧振回路的固有諧振電導(dǎo)， ()n avg為負(fù)阻器為負(fù)阻器件的平均增量負(fù)電導(dǎo)。該電路的齊次微分方程為：件的平均增量負(fù)電導(dǎo)。該電路的齊次微分方程為： 10edCdtgdtL圖3.7.5 負(fù)阻振蕩原理圖式中式中 ()eeon avggg當(dāng)當(dāng) 12e

9、ogC時，對上式求解得：時，對上式求解得：( )cos()totAetA和和 為由起始條件決定的常數(shù)。為由起始條件決定的常數(shù)。 12egC其中，其中， 22oo 1oLC可以證明該電路的振幅起振條件為：可以證明該電路的振幅起振條件為： neogg平衡條件為平衡條件為 ()10eon avoscoscggjCjL()eon avgg1oscoLC振蕩角頻率振蕩角頻率 振幅穩(wěn)定條件為振幅穩(wěn)定條件為 ()0n avmgV3.7.2或 相位穩(wěn)定條件則依靠并聯(lián)諧振回路具有負(fù)斜率變化相位穩(wěn)定條件則依靠并聯(lián)諧振回路具有負(fù)斜率變化的相頻特性予以保證。的相頻特性予以保證。3、電流控制型負(fù)阻振蕩器： 單結(jié)晶體二極

10、管的伏安單結(jié)晶體二極管的伏安特性如圖特性如圖3.7.6a所示。負(fù)所示。負(fù)阻器件串接在諧振回路中，以阻器件串接在諧振回路中，以保證加到負(fù)阻器件的電流控制保證加到負(fù)阻器件的電流控制量是正弦的，如圖量是正弦的，如圖3.7.6b所示，。此時，器件的負(fù)阻特所示，。此時，器件的負(fù)阻特性應(yīng)由平均負(fù)電阻性應(yīng)由平均負(fù)電阻 表示。表示。 ()n avr3.7.2圖3.7.6 電流控制型負(fù)阻振蕩原理圖（a） 伏安特性 （b） 負(fù)阻振蕩器原理電路 振幅穩(wěn)定條件為：振幅穩(wěn)定條件為： ()0n avmrI 相位穩(wěn)定條件則依靠串聯(lián)諧振回路具有負(fù)斜率變相位穩(wěn)定條件則依靠串聯(lián)諧振回路具有負(fù)斜率變化的相頻特性予以滿足?；南囝l特

11、性予以滿足。3.7.2采用同樣的分析方法可以得到它的起振條件：采用同樣的分析方法可以得到它的起振條件：neorr平衡條件為：平衡條件為：()10eon avoscoscrrjLjC或或 ()eon avrr1oscoLC（振蕩角頻率）（振蕩角頻率） 二、負(fù)阻振蕩器電路 為保證振蕩器的正常工作，電流型負(fù)阻器件應(yīng)與為保證振蕩器的正常工作，電流型負(fù)阻器件應(yīng)與串聯(lián)諧振回路相連接；電壓型負(fù)阻器件則應(yīng)與并聯(lián)諧串聯(lián)諧振回路相連接；電壓型負(fù)阻器件則應(yīng)與并聯(lián)諧振回路相連接。振回路相連接。圖圖3.7.7a所示是電壓控制型負(fù)阻振蕩器的實用電路。所示是電壓控制型負(fù)阻振蕩器的實用電路。圖中，圖中， DDV、 1R2R、

12、 組成隧道二極管的直流供電電路，提供組成隧道二極管的直流供電電路，提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)合適的靜態(tài)工作點(diǎn) Q； 1C是高頻旁路電容，用來避免直流是高頻旁路電容，用來避免直流供電電路對回路供電電路對回路 eQ的影響，的影響，L和和C是諧振回路的電感和電是諧振回路的電感和電容，容， LR為負(fù)載電阻。圖為負(fù)載電阻。圖3.7.7b是高頻等效電路，是高頻等效電路， nr和和 nC為隧道二極管的等效負(fù)電阻和電容，為隧道二極管的等效負(fù)電阻和電容， /LLeoRRR 為等效為等效負(fù)載，負(fù)載，eoR為回路的固有諧振電阻；為回路的固有諧振電阻； 3.7.2在上述電路中，在上述電路中， 1R、 2R取值應(yīng)保證直流負(fù)載線與隧道二極取值應(yīng)保證直流負(fù)載線與隧道二極管伏安特性的交點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn)管伏安特性的交點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn) Q）處于負(fù)阻區(qū)，如圖）處于負(fù)阻區(qū)，如圖3.7.7c中的直線中的直線，圖中，圖中 212DDODDRVVRR12/RRR3.7.2圖3.7.7所示是電壓控制型負(fù)阻振蕩器（a實用電路 （b高頻等效電路 （c伏安特性 1R2R假如假如 、 取值過大，則直流負(fù)載線圖中所示直線取值過大，則直流負(fù)載線圖中所示直線）與伏安特性就有三個交點(diǎn)，就會引起靜態(tài)工作點(diǎn)的）與伏安特性就有三個交點(diǎn)，就會引起靜態(tài)工作點(diǎn)的不穩(wěn)定，例如，若原先工作在不穩(wěn)定，例如，若原先工作在 Q點(diǎn)，由于偶然因素使點(diǎn)，由