高頻電子線路課件-第7講

1振蕩器是一種能自動(dòng)地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一 波形的交變振信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換電路它與放大器的區(qū)別在于：無需外加激勵(lì)信號(hào),就能 根據(jù)所產(chǎn)生的波形不同可將振蕩器分成正弦波振 前者能產(chǎn)生正弦波正弦波振蕩器主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反饋放大器組成,這就是反饋振蕩器。按照選頻網(wǎng)絡(luò)所采用元件的不同,正弦波振蕩器可ＬＣ振蕩器和晶體振蕩器用于產(chǎn)生高頻正弦波,正反饋放大器既可以由晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管等分立,也可以由集成電路組成,但前者的性能可以比后者做得好些,且工作頻率也可以做得更高。反饋振 ＬＣ并聯(lián)回路的自由振蕩現(xiàn)象,是分析反饋振蕩器 SS＋—＋—＋—圖RLC并聯(lián)諧振回路電路與直流電壓源的Ｒe0是并聯(lián)回路的諧振電阻。在ｔ＝０以前開關(guān)S接通１, 根據(jù)電路分析基礎(chǔ)知識(shí)可以求出在Ｒ>

LC的情況下 ０以后,并聯(lián)回路兩端電壓的表達(dá)式,即回路在阻尼情況輸入響應(yīng)uc(t)Use

其中振蕩角頻率ω0=1／

衰減系數(shù)α=1/(2Re0C并聯(lián)諧振回路中自由振蕩衰減的原因在于損耗電阻的存在。若回路無損耗,即Ｒe0→∞,則衰減系數(shù)α→０,由上式可知,回正弦波振蕩器工作原理：采用正反饋的方法,不斷地適時(shí),使之剛好與Ｒe0上損耗的能量相等,那么就可以獲得等t ＋＋—＋—＋—＋—4.1反饋振蕩器的反饋振蕩器的基本原理：利用正反饋方法來獲得等幅的正弦振蕩 振蕩過程一個(gè)反饋振蕩器必須滿足三個(gè)條件 起振條件：保證接通電源后能逐步建立起振 平衡條件：保證進(jìn)入維持等幅持續(xù)振蕩的平衡狀 穩(wěn)定條件：保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影１.起振過程與起振在圖4.1所示閉合環(huán)路中在×處斷開并定義環(huán)路&i其中&

,

&分別是反饋電壓、輸入電壓、主網(wǎng)絡(luò)i益和反饋系數(shù)i在剛接通電源時(shí),電路中存在各種電擾動(dòng),電流突變電路中的熱噪聲等等,振角頻率ω0的分量才能通過反饋產(chǎn)生較大的反饋電壓&f 如果在諧振頻率處,&f&i同相,并且具有更大的振幅,則經(jīng)過線性放大和反饋的不斷循環(huán),因此，要使振幅不斷增長(zhǎng)的條件是&f(0)&i(0)U&i(0即)

T(0) φT(ω0)=2nπ(n=０,１,２, 式（4．2）和（4．3）分別稱為振幅起振條件和相位起振條件 隨著振幅的增大,放大器逐漸由放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū),工作于非線性的甲乙類狀態(tài),其增益逐漸下降。 過程將停止,振蕩器達(dá)到平衡,進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)以后,直流電源補(bǔ)充的能量剛好抵消整反饋振蕩器的平衡條件為)

T(0) φT(ω0)=2nπn=０,１,２, 式（4．4）和（4．5）分別稱為振幅平衡條件和相位。T(T(1A0UiAUi根據(jù)振幅的起振條件和平衡條件,環(huán)路增益的模值應(yīng)該具有隨振幅Ui增大而的特性由于一般放大器的增益特性曲線均具有如圖4.2所示的形狀,所以這一條件很滿足,只要保證起振時(shí)環(huán)路而環(huán)路增益的相位φT（ω0）則必須維持在２ｎπ上,保證為正反饋振蕩器在工作過程中,不可避免地要受到各種外界因素變化這些不穩(wěn)定因素將引起放大器和回路的參數(shù)發(fā)生變化,Ｔ（ω0）或φT（ω0）變化,破壞原來的平衡條件平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的：如果通過放大和反饋的不斷循環(huán),器越來越偏離原來的平衡狀態(tài),從而導(dǎo)致振蕩器停振或突變到新原平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的：如果通過放大和反饋的不斷循環(huán),器能夠產(chǎn)生回到原平衡點(diǎn)的趨勢(shì),并且在原平衡點(diǎn)附近建立新的T(0U 要使振T(0U 增益幅值Ｔ(ω0)應(yīng)該減小,使反饋電壓振幅Uf減小,從 Ui增 Ui減小要求在平衡點(diǎn)附近,T(ω0)隨Ui的變化率為負(fù)值,即式（4．6）就是振幅穩(wěn)定條件 振蕩器的相位平衡條件是φT（ω0）＝２ｎπ。在振蕩器工,某些不穩(wěn)定因素可能破壞這一平衡條件。如電源電壓的波動(dòng)或工作點(diǎn)的變化可能使晶體管內(nèi)部電容 從而造成相位的變化,產(chǎn)生一個(gè)偏移量Δφ。由于瞬時(shí)角頻率是瞬時(shí)相位的導(dǎo)數(shù),所以瞬時(shí)角頻率也將隨著發(fā)生 為了保證相位穩(wěn)定要求振蕩器的相頻特φ）在振蕩頻率點(diǎn)應(yīng)具有 相位變的能。在平衡點(diǎn)ω=ω0附近,當(dāng)不穩(wěn)定因素使瞬時(shí)角頻率ω增大時(shí),相頻特性φT（ω0）應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)-Δφ,從而產(chǎn)生一個(gè)-Δω,使瞬時(shí)角頻率ω減?。划?dāng)不穩(wěn)定因素使ω減小時(shí),相頻特性φT（ω0）應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)Δφ,從而產(chǎn)生一個(gè)Δω,使ω增大TT

式（4.9）就是相位的穩(wěn)定條件T0圖4.3滿足相位穩(wěn)定條件的相頻直流偏置,開始時(shí)應(yīng)工作在甲類狀態(tài),便于起振。起振條②開始起,環(huán)路增益幅值A(chǔ)F(ω0)應(yīng)大于1——起振條③——起振條件、平衡條④選頻網(wǎng)——穩(wěn)定第①點(diǎn)可根據(jù)直流等效電路進(jìn)行判斷；另3點(diǎn)可根例判斷圖例所示各反饋振蕩電路能否正常工作。其中（ａ）、（ｂ）是交流等效電路,（ｃ）是實(shí)用電RRLCLCV1RCLR

圖示三個(gè)電路均為兩級(jí)反饋 所以只要其電壓增益足夠大,振蕩的振幅條件容易滿 相位條件：一是要求正反饋二是選頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有負(fù)斜率特VVVVRCLR(a（a）圖由兩級(jí)共射反饋電路組成,其瞬時(shí)極性如圖中所標(biāo)注,所以是正反饋ＬＣ并聯(lián)回路同時(shí)擔(dān)負(fù)選頻和反饋?zhàn)饔?且在諧振頻率點(diǎn)反饋電壓最論選頻網(wǎng)絡(luò)的相頻特性時(shí),一定要注意應(yīng)采用其阻抗特性還是導(dǎo)納特性。對(duì)于（a）圖,ＬＣ并聯(lián)回路輸入是V2管集電極電流ic2,輸出是反饋到V1管b、兩端的電壓ube1,所以應(yīng)采用其阻抗特根據(jù)圖１．２．４（b）,可知并聯(lián)回路的阻抗相頻特性是負(fù)斜率綜上所述,(a)圖電路能夠正常工LC（ｂ）圖由共基—共集兩級(jí)反饋組成。根據(jù)瞬時(shí)極性判斷法 如把ＬＣ并聯(lián)路作為一個(gè)電阻看待,則為正反饋但ＬＣ并聯(lián)回路在諧振頻率點(diǎn)阻抗趨于無窮大,正反饋?zhàn)?,,并聯(lián)回路的導(dǎo)納相頻特性是正斜率,所以不滿足相位穩(wěn)定條件綜上所述,（ｂ）圖電路不能正RRLC（ｃ）圖與（ｂ）圖不同之處在于用串聯(lián)回路置換了并聯(lián)回（ｃ）圖電路能正常工作(c)圖中在V2的發(fā)射極與V1的基極之間增加了一條負(fù)反饋支路,振蕩器的頻率穩(wěn)頻率穩(wěn)定度定義（反饋振蕩器若滿足振、平衡、穩(wěn)定三個(gè)條件,就能夠產(chǎn)生等當(dāng)受到外界不穩(wěn)定因素影響時(shí),振蕩器的相位或振蕩頻率可,雖然能自動(dòng)回到平衡狀態(tài),但振蕩頻率在平衡點(diǎn)附近隨機(jī)為了衡量實(shí)際振蕩頻率f相對(duì)于標(biāo)稱振蕩頻率f0 頻率穩(wěn)定度是將振蕩器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入規(guī)定的公式中計(jì)算后 根據(jù)測(cè)試時(shí)間的長(zhǎng)短,,測(cè)試時(shí)間分別為一天以上、一天以內(nèi)和一秒以內(nèi)。 通常所講的頻率穩(wěn)定度一般指短期頻穩(wěn)度f0

nn1nn1(fi1 f0nn

1|f

f0|是絕對(duì)頻率偏差的平均值,inni提高LC振蕩器頻率穩(wěn)定度的 ,頻率不穩(wěn)定的原因：各種環(huán)境因素如溫度、濕度、大氣壓力,從而對(duì)回路 主要可采取兩類措施來提高ＬＣ振蕩器的頻,,還可以預(yù)先將元器件進(jìn)行老化處理,提高電路抗外界因素變化影響的能力。這類措施包括提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性,二是選取合理的電路形式?；芈返臉?biāo)準(zhǔn)性是指外界因素變化時(shí),振蕩回路保持其諧振頻率不變的能力。回路標(biāo)準(zhǔn)性越高,則頻率穩(wěn)定度越高。采用溫度系數(shù)小或溫度系數(shù)相反的電抗元件組成回路,注意選擇回路與器件、負(fù)載之間的接入系數(shù),實(shí)現(xiàn)元器件合理排隊(duì)以盡可能減小不穩(wěn)定的分布電容和引線電感的影響,這些措施都有助于提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性。如果采用回路Q值很高的石英晶體諧振器,則可組成頻率穩(wěn)定度很高的晶體振蕩器。選取合理的電路形式或采用自動(dòng)調(diào)整電路來提高頻率穩(wěn)度是改進(jìn)型電容三點(diǎn)式自動(dòng)頻率控制和鎖相環(huán)LC振蕩器互感耦合振蕩器（例圖4．4是常用的一種集電極調(diào)諧型互感耦合振蕩器電路。此電路采用共發(fā)射極組態(tài),ＬＣ回路接在集電極上。注意耦合電容Cb的作用。如果將Cb短路,則基極將通過變壓器次級(jí)直流接地,振蕩電路不能起振。根據(jù)瞬時(shí)極性判斷法，此電路可以看成是一個(gè)共射電路與起倒相作用的互感耦合線圈級(jí)聯(lián)而成，是正RRb1CLRb24.4互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)正反饋,所以,應(yīng)注意耦合線圈同名端的正確位置。同時(shí),耦合系數(shù)Ｍ要選擇合適,使之滿足振幅起振條件?；ジ旭詈险袷幤鞯念l率穩(wěn)定度不高,且由于互感耦合元件分 另外，因高次諧波的感抗大，故取自變壓器次級(jí)的反饋電壓中高次諧波振幅較大，所以導(dǎo)致輸出振蕩信號(hào)中高次諧波分量較解:在V1的發(fā)射極與V2的發(fā)射極之間斷開。從斷開處向左看,將V1的eb結(jié)作為輸入端,V2的ec結(jié)作為輸出端,可知這是一個(gè)共基—共集反饋電路,振幅條件是可以滿足的,所以只要相位條件滿足,就可起振。,,ue1↑→uc1↑→ub2↓→ue2（ue1）↓,可見是負(fù)反饋,如果把變壓器次級(jí)同名端位置換一下,變壓器初級(jí)回路是并聯(lián)ＬＣ回路,作為V1的負(fù)載,此處應(yīng)考慮其,因此可以正常工作。三點(diǎn)式振蕩 三點(diǎn)式振蕩器是指回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三。 三點(diǎn)式振蕩器電路用電容耦合或自耦變壓器耦合代替合 ,。 X＋—XceX＋—Xce＋ —＋假定ＬＣ回路由純電抗元件組成,其電抗值分別為Ｘce,Ｘbe和Ｘbc,同時(shí)不考慮晶體管的電抗效應(yīng),則當(dāng)回路諧振（ω＝ω0）時(shí),回路呈純阻性,有：Ｘce+Ｘbe＋Ｘbc=0,因此—圖4.5

jX&c

Xbe j( XbeXbe因?yàn)檫@是一個(gè)正反饋反相放大器,Ui 與Uf同相,Uc與Ui Χbe與Χce必須是同性質(zhì)電抗,因而Xbc必須是異性質(zhì)電三點(diǎn)式電路的組成法則（三點(diǎn)式電路組成的相位）：在三點(diǎn)式電路中,ＬＣ回路中與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件必須為同性質(zhì),另外一個(gè)電抗元異性質(zhì) ２．電容三點(diǎn)式 ,, 0.033C

Rb1

CC1

n

RReLC2 圖（類習(xí)題

電容三點(diǎn)式電路性能分 所以只要能起振,e＋

gi mgi

—b

R

—c＋＋c＋＋ g&iLre——bc＋＋g &GjB——be路1U1路1U1fnfT&&'f GiggLe在圖４.３.４（ａ）中的雙電容耦合電路里,可把次級(jí)電路,

nC1/(C1C CC br1(r//R)1

(因?yàn)?/p>

<<R U1 圖4.3.４（ｂ）又可以進(jìn)一步等效為圖4.３.４（ｃ）其中等效電導(dǎo)

e′,式中g(shù)'1/R',g'1/r B=ωC- 2C 2C1C C &'f

gmUiGf& &f&& f &iGggjC 1Le

gL.1gL.11gmgm1(gg)1gnLenLeg

, 1 R// FnFnCC'12

Ｆ的取值一般為１／８～１／２電容三點(diǎn)式電路的設(shè)

R//gm1(gm1(gg)1gnLenLege

1 為了使電容三點(diǎn)式電路易于起振,應(yīng)選擇跨導(dǎo)ｇm較大、rb′e大的晶體管,其負(fù)載ＲL和回路諧振電阻Ｒe0也要大,而接入系數(shù)n實(shí)踐表明,如果選用截止頻率ｆT大于振蕩頻率五倍以上的晶體管作放大器,負(fù)載ＲL不要太?。ǎ眐Ω以上）,接入系數(shù)ｎ取值合適,一般都能滿足起振條件。３.電感三點(diǎn)式圖4.10（ａ）為電感三點(diǎn)式振蕩器電路。其中Ｌ1, Ｌ3和Ｌ4是高頻扼流圈。（ｂ）圖為其共基組態(tài)交流等效電利用類似于電容三點(diǎn)式振蕩器的分析方法,也可以求得電感三點(diǎn)式振蕩器振幅起振條件和振蕩頻率,區(qū)別在于這里以CC2332RLL42C1C 1 4.10 率

g1Le其中L=L1+L2+2MMg1Le 件

gm

'

L L

reere

n

L2L Fn L1L2Ｆ的取值一般為１／１０～電容三點(diǎn)式振蕩優(yōu)點(diǎn)Ｃ2,而電容對(duì)晶體管非線性,所以反饋電壓中高次諧波分量很小,因而輸出波形好,接近于正弦波。缺點(diǎn)：反饋系數(shù)因與回路電容有關(guān),如果用改變,必將改變反饋系數(shù),從而影響起振。電感三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)：便于用改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率,缺點(diǎn)：反饋電壓取自Ｌ2,而電感線圈對(duì)高次諧波,所以反饋電壓中高次諧波分量較多,較兩種振蕩器共同 ,, ,所以三點(diǎn)式電路的頻率穩(wěn)定度不高,一般在10-3[例]（類例4.2）在圖例所示振蕩器交流等效電路中,并聯(lián)回路的諧振頻率分別是1

L1C1),f2 f3

,試問f1、f2、f3X0(ff2(Xf1(0ff2(

振蕩器頻

CCCCCX電感f01 0ff1電容f2(或f1)(b)LL感性區(qū)頻率高容性區(qū)頻率低 只要滿足三點(diǎn)式組成法則,該振蕩器就能正