高頻電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)踐項(xiàng)目教程

第四單元

高頻振蕩電路知識(shí)目標(biāo)：熟悉振蕩的工作原理；掌握三端式振蕩器的工作原理和電路；理解石英諧振器及其特性。技能目標(biāo)：會(huì)分析振蕩電路的平衡和起振條件；會(huì)設(shè)計(jì)一種三端式振蕩器。高頻電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)踐項(xiàng)目教程書名：高頻電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)踐項(xiàng)目教程書號(hào)：978-7-111-51095-6作者：張培蘇品剛出版社：機(jī)械工業(yè)出版社配套模擬試卷，習(xí)題及答案反饋式振蕩器的工作原理(1)組成(2)分類振蕩的建立過程:當(dāng)接通電源時(shí)，回路內(nèi)的各種電擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)選頻后，將其中某一頻率的信號(hào)反饋到輸入端，再經(jīng)放大→反饋→放大→反饋的循環(huán)，該信號(hào)的幅度不斷增大，振蕩由小到大建立起來。隨著信號(hào)振幅的增大，放大器將進(jìn)入非線性狀態(tài)，增益下降，當(dāng)反饋電壓正好等于輸入電壓時(shí)，振蕩幅度不再增大進(jìn)入平衡狀態(tài)。

4.1項(xiàng)目一：初識(shí)振蕩電路

4.1.1實(shí)物與測試4.1.2什么是振蕩電路振蕩電路的功能是在沒有外加輸入信號(hào)的條件下，電路自動(dòng)將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交變振蕩信號(hào)輸出。正弦波振蕩電路的功能是在沒有外加輸入信號(hào)的條件下，電路自動(dòng)將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為具有一定頻率、一定振幅的波形為正弦波的信號(hào)輸出。即電路在沒有輸入信號(hào)的條件下，接通電源VCC后，電路輸出的信號(hào)u(t)=umsin(wt+f)，

或u(t)=umcos(wt+f)，從頻譜的角度看，正弦波振蕩器輸出信號(hào)的頻率大小為w。振蕩器的頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一項(xiàng)重要指標(biāo)。所謂頻率穩(wěn)定度，就是在各種外界條件發(fā)生變化的情況下，振蕩器的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率之間的偏差。這種偏差越小，電路性能越好。振蕩器的頻率穩(wěn)定度主要取決于振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性和品質(zhì)因數(shù)。LC振蕩器由于受到LC回路的標(biāo)準(zhǔn)性和品質(zhì)因數(shù)的限制，其頻率穩(wěn)定度只能達(dá)到10-4量級(jí)，很難滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。石英晶體振蕩器為采用石英晶體諧振器作為選頻回路的振蕩器，其振蕩頻率主要由石英晶體決定。與LC回路相比，石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性和品質(zhì)因數(shù)，使石英晶體振蕩器可以獲得極高的頻率穩(wěn)定度。由于采用石英晶體的精度和穩(wěn)頻措施不同，石英晶體振蕩器可以獲得高達(dá)10-4～10-11量級(jí)的頻率穩(wěn)定度。4.1.3如何判斷反饋型振蕩電路的平衡和起振條件

1.振蕩的建立與起振條件2.振蕩的平衡與平衡條件3.振蕩平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件所謂穩(wěn)定平衡是指因某一外因的變化，振蕩的原平衡條件遭到破壞，振蕩器能在新的條件下建立新的平衡，當(dāng)外因去掉后，電路能自動(dòng)返回原平衡狀態(tài)。平衡的穩(wěn)定條件也包含振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。圖示是反饋型振蕩器的放大器的電壓增益A與振幅u。的關(guān)系。Q點(diǎn)是穩(wěn)定平衡點(diǎn)。振蕩器的平衡穩(wěn)定條件：有穩(wěn)定平衡和不穩(wěn)定平衡，振蕩器工作時(shí)要處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。（1）振幅穩(wěn)定條件：AF與Ui的變化方向相反。（2）相位穩(wěn)定條件：相位與頻率的變化方向相反。4.1.4認(rèn)識(shí)互感耦合振蕩電路反饋型振蕩電路的正反饋信號(hào)是通過電感L1和L2之間的互感M來耦合，所以通常稱為互感耦合振蕩器。判斷互感耦合振蕩器是否可能振蕩，通常是以能否滿足相位平衡條件，即是否構(gòu)成正反饋為判斷準(zhǔn)則。判斷方法是采用瞬時(shí)極性法?；ジ旭詈险袷幤鞯恼袷庮l率可近似由調(diào)諧回路的L和C決定。共基調(diào)集型互感耦合振蕩電路4.1.5知識(shí)鏈接——三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則三端式振蕩器是指LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而組成的反饋型振蕩器。三端式振蕩電路用電感耦合或電容耦合代替變壓器耦合，可以克服變壓器耦合振蕩器只適宜于低頻振蕩的缺點(diǎn)，是一種廣泛應(yīng)用的振蕩電路，其工作頻率可從幾兆赫到幾百兆赫。4.2項(xiàng)目二：基本型電容反饋式三端振蕩器的分析與設(shè)計(jì)

4.2.1認(rèn)識(shí)電容三端式振蕩器

分析起振條件起振條件包括振幅條件和相位條件。起振的相位條件已經(jīng)滿足，若判斷能否起振，要解決的關(guān)鍵問題就是推導(dǎo)出反饋放大器的環(huán)路增益。電容三端式振蕩電路的優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：由于反饋電壓取自電容，而電容對(duì)晶體管的非線性產(chǎn)生的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，能有效地濾除高次諧波，因而輸出波形好。晶體管的極間電容與回路電容并聯(lián)，可并入回路電容中考慮。若直接用極間電容代替回路電容，工作頻率可大大提高。缺點(diǎn)是反饋系數(shù)與回路電容有關(guān)。如果用改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率，將改變反饋系數(shù)，甚至可能造成電路停振。4.2.2動(dòng)手任務(wù)——電容三端式振蕩器（考畢茲振蕩器）的設(shè)計(jì)4.3項(xiàng)目三：改進(jìn)型電容三端振

4.3.1認(rèn)識(shí)克拉潑(Clapp)振蕩電路考畢茲振蕩器雖然有電路簡單，波形好的優(yōu)點(diǎn)，在許多場合得到應(yīng)用，但從提高振蕩器頻率穩(wěn)定性的角度考慮，仍然存在以下不足之處。在考畢茲電路中，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，回路諧振頻率的不穩(wěn)定，將直接影響振蕩器頻率的穩(wěn)定性。由于考畢茲電路的頻率穩(wěn)定性不高，一般在

量級(jí)，為提高頻率穩(wěn)定度，必須從電路形式上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的方法就是設(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，所以產(chǎn)生了串聯(lián)改進(jìn)型電容三端式振蕩器——克拉潑（Clapp）振蕩電路?？死ㄕ袷庪娐放c考畢茲電路相比，其特點(diǎn)是在振蕩回路中加一個(gè)與電感串接的小電容C3。回路總電容為我們知道串聯(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。所以，振蕩頻率主要決定于C3，在電路中C1、C2可以取得較大，解決了一般電容三端式不能解決的難題。克拉潑電路的主要用作固定頻率振蕩器。電路振蕩頻率的估算可近似為克拉潑振蕩電路的缺點(diǎn)4.3.2認(rèn)識(shí)西勒(Siler)振蕩電路西勒振蕩器是另一種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器，它可以認(rèn)為是克拉潑電路的改進(jìn)電路。特點(diǎn)就是與電感L并聯(lián)一可變電容C4，且滿足C1

、C2

遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C3

，C4，這就是并聯(lián)改進(jìn)型電路命名的來由。這種電路保持了克拉潑電路中晶體管與回路耦合弱的特點(diǎn)，頻率穩(wěn)定度高。因?yàn)橛肅4改變振蕩頻率，且接入系數(shù)不受C4的影響，所以在整個(gè)波段中振蕩振幅比較平穩(wěn)。這使西勒電路能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率，在實(shí)際運(yùn)用中較多采用這種電路。西勒振蕩電路的振蕩頻率可近似認(rèn)為是其中因此，西勒振蕩器的振蕩頻率為4.3.3動(dòng)手任務(wù)——克拉潑振蕩器的設(shè)計(jì)4.3.4動(dòng)手任務(wù)——西勒振蕩器的設(shè)計(jì)4.3.5知識(shí)鏈接——設(shè)計(jì)LC振蕩器時(shí)需考慮的問題頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一項(xiàng)十分重要的技術(shù)指標(biāo)，這表示在一定的時(shí)間范圍內(nèi)或一定的溫度、濕度、電源、電壓等變化范圍內(nèi)振蕩頻率的相對(duì)變化程度、振蕩頻率的相對(duì)變化量越小，則表明振蕩器的頻率穩(wěn)定度越高。頻率穩(wěn)定度通常定義為在一定時(shí)間間隔內(nèi)，振蕩器頻率的相對(duì)偏差的最大值。這個(gè)數(shù)值越小，頻率穩(wěn)定度越高。目前，一般的短波、超短波發(fā)射機(jī)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度約在10-4～10-5量級(jí)，一些軍用、大型發(fā)射機(jī)及精密儀器的振蕩器的相對(duì)頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-6量級(jí)甚至更高。4.4項(xiàng)目四：石英晶體振蕩電路的分析與設(shè)計(jì)石英晶體具有十分穩(wěn)定的物理和化學(xué)特性，在諧振頻率附近，晶體的等效參量Lq很大，Cq很小，Rq也不大，因此晶體Q值可達(dá)百萬數(shù)量級(jí)，所以晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度比LC振蕩器高很多。石英晶體振蕩器是采用石英諧振器作為振蕩回路的元件的電路。因?yàn)槭⒅C振器具有極高的Q值和良好的穩(wěn)定性，它具有很高的頻率穩(wěn)定度，一般在10-4～10-11量級(jí)范圍內(nèi)。4.4.1認(rèn)識(shí)晶體振蕩電路晶體振蕩電路可分為兩大類：一種是晶體工作在它的串聯(lián)諧振頻率上，作為高Q的串聯(lián)諧振元件串接于正反饋支路中，稱為串聯(lián)型晶體振蕩器；另一種是晶體工作在串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率之間，作為高Q的等效電感元件接在振蕩電路中，稱為并聯(lián)型晶體振蕩器。1.并聯(lián)型晶體振蕩器并聯(lián)型晶體振蕩器的工作原理和一般三點(diǎn)式LC振蕩器相同，只將其中的一個(gè)電感元件用晶體置換，通常將晶體接在晶體管的c-b或b-e之間，如圖所示，分別稱為皮爾斯晶體振蕩器和密勒晶體振蕩器。并聯(lián)型晶體振蕩器的兩種基本類型晶體管的基極對(duì)高頻接地，晶體接在集電極與基極之間。只有當(dāng)振蕩器工作頻率在晶體串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振頻率之間時(shí)，晶體才呈現(xiàn)感性。C1和C2為回路的另外兩個(gè)電抗元件。振蕩回路的等效電路如圖b所示。由圖可知，只要將石英晶體等效為電感，就是電容三點(diǎn)式振蕩電路。實(shí)用的皮爾斯晶體振蕩電路圖示為采用微調(diào)電容的皮爾斯晶體振蕩電路，適當(dāng)調(diào)節(jié)圖中的C4值，可以使振蕩器工作在晶體的標(biāo)稱頻率上，使外接電容更接近出廠時(shí)規(guī)定的負(fù)載電容值。2.串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩的特點(diǎn)是，晶體工作在串聯(lián)諧振頻率上并作為短路元件串接在三點(diǎn)式振蕩電路的反饋支路中。這種振蕩器與三端式振蕩器基本類似，只不過在正反饋支路上增加了一個(gè)晶體。Ｌ、C1

、C2和C3組成并聯(lián)諧振回路，而且調(diào)諧在晶體的串聯(lián)諧振頻率上。結(jié)論在晶體振蕩器中，把石英晶體諧振器用作等效感抗，振蕩頻率必處于

和

之間的狹窄頻率范圍內(nèi)。由于石英晶體的高Q特性，等效感抗隨f的變化率極其陡峭，它對(duì)頻率的變化非常敏感。因而如果在晶體振蕩器的振蕩系統(tǒng)中出現(xiàn)頻率不穩(wěn)定因素影響，使振蕩系統(tǒng)的電抗不等于零時(shí)，石英晶體具有極高的頻率補(bǔ)償能力，晶體振蕩器的振蕩頻率只要有極微小的變化，就足以保持振蕩系統(tǒng)的電抗等于零。因此，晶體振蕩器的工作頻率非常穩(wěn)定。4.4.2動(dòng)手任務(wù)——皮爾斯晶體振蕩器的設(shè)計(jì)本章小結(jié)反饋式正弦波振蕩器主要