大三上第八章-3

自给偏置电路起振物理过程,振荡器的偏置效应,环路增益的变化率要比固定偏置的振荡器陡。采用自偏置方法的优点是避免了通过晶体管的饱和来达到振幅平衡，而是让晶体管在振荡周期的一周内有一部分时间是截止的。这样，对选频回路Q值的影响，也即对选频回路的选频性能影响就很小，从而对振荡器的频率稳定性有益。平衡时处于丙类放大状态的晶体管电流中虽然也包含了很多谐波，但选频回路良好的选频特性使振荡器输出仍为正弦波。,LC并联谐振的选频特性图（a）所示为一LC并联回路，R为回路的等效损耗电阻。在电路中,LC并联电路及频率特性（a）LC并联电路;（b）频率特性,Q为品质因数。Q值越大，R值越小，谐振时阻抗值越大，相角随频率变化的程度越急剧，说明选频效果越好。LC并联电路的频率特性如图（b）、(c)所示。,（b）频率特性,根据振荡器的振荡条件，可归纳如下：(1)振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。(2)相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。(3)振荡幅度的稳定是由器件非线性保证的，所以振荡器是非线性电路。,(4)振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。(5)振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网络，它们必须能够完成选频、稳频、稳幅的功能。(6)利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工作状态转换成丙类工作状态。,例判断图中所示各反馈振荡电路能否正常工作。其中（）、（）是交流等效电路,（）是实用电路。,解:图示三个电路均为两级反馈,且两级中至少有一级是共射电路或共基电路,所以只要其电压增益足够大,振荡的振幅条件容易满足。而相位条件一是要求正反馈,二是选频网络应具有负斜率特性。（）图由两级共射反馈电路组成,其瞬时极性如图中所标注,所以是正反馈。并联回路同时担负选频和反馈作用,且在谐振频率点反馈电压最强。在讨论选频网络的相频特性时,一定要注意应采用其阻抗特性还是导纳特性。对于（）图,并联回路输入是V2管集电极电流ic2,输出是反馈到V1管be两端的电压ube1,所以应采用其阻抗特性。并联回路的阻抗相频特性是负斜率。综上所述,(a)图电路也满足相位条件,因此能够正常工作。,（）图由共基共集两级反馈组成。根据瞬时极性判断法,如把并联回路作为一个电阻看待,则为正反馈。但并联回路在谐振频率点阻抗趋于无穷大,正反馈最弱。同时对于此并联回路来说,其输入是电阻e2上的电压,输出是电流（电压并联反馈）,所以应采用其导纳特性。由于并联回路导纳的相频特性是正斜率,所以不满足相位稳定条件。综上所述,（）图电路不能正常工作。（）图与（）图不同之处在于用串联回路置换了并联回路。由于LC串联回路在谐振频率点阻抗趋于零,正反馈最强,且其导纳的相频特性是负斜率,满足相位稳定条件,所以（）图电路能正常工作。(c)图中在V2的发射极与V1的基极之间增加了一条负反馈支路,用以稳定电路的输出波形。,三端式振荡器选频网络由三部分电抗组成，有三个端子对外，分别接在三极管的三个极上或集成运放的两个输入端和输出端上。用三极管作放大器时，从发射极向另外两个极看，应是同性质的电抗，而集电极与基极间应接与上述两电抗性质相反的电抗。用集成运放作放大器时，从同相输入端向反相输入端及输出端看去时，应是同性质的电抗，反相输入端和输出端之间的电抗应是与上述两电抗性质相反的电抗。,电感三点式LC振荡器,1.电路结构下图所示为电感三点式LC振荡器，图（a）是用晶体管作放大电路;图（b）是用运放作放大电路。特点是电感线圈有中间抽头，使LC回路有三个端点，并分别接到晶体管的三个电极上（交流电路），或接在运放的输入、输出端。,放大部分为晶体管,放大部分为运算放大器,2.振荡条件及频率在上图（a）中，用瞬时极性法判断相位条件，若给基极一个正极性信号，晶体管集电极得到负的信号。在LC并联回路中，1端对“地”为负，3端对“地”为正，故为正反馈，满足振荡的相位条件。振荡的幅值条件可以通过调整放大电路的放大倍数Au和L2上的反馈量来实现。该电路的振荡频率基本上由LC并联谐振回路决定。,式中，L=L1+L2+2M。,3.电路特点电感三点式LC振荡电路，由于L1和L2是由一个线圈绕制而成的，耦合紧密，因而容易起振，并且振荡幅度和调频范围大，使得高次谐波反馈较多，容易引起输出波形的高次谐波含量增大，导致输出波形质量较差。,电容三点式LC振荡器1.电路组成下图所示为电容三点式LC振荡电路。电容C1、C2与电感L组成选频网络，该网络的端点分别与三极管的三个电极或与运放输入、输出端相连接。,电容三点式LC振荡器（a）放大部分为晶体管;（b）放大部分为运算放大器,电容三点式LC振荡器（a）放大部分为晶体管;（b）放大部分为运算放大器,2.振荡条件和振荡频率以图(b)为例，用瞬时极性法判断振荡的相位条件。若反相输入端为正极性信号，LC网络的1端点产生负极性信号;3端点相应为正极性信号，从而构成正反馈形式，满足相位条件（反馈电压）。幅值条件如前所述，其振荡频率为,式中，C=C1C2/(C1+C2)。,3.电路特点由于反馈电压取自C2，电容对高次谐波容抗小，反馈中谐波分量少，振荡产生的正弦波形较好，但这种电路调频不方便，因为改变C1、C2调频的同时，也改变了反馈系数。为了克服上述缺点，常采用改进后的选频网络。,Clapp振荡器,Seiler电路,1.电路组成右图所示为一变压器反馈式LC振荡电路。图中，LC并联回路作为三极管的集电极负载，是振荡电路的选频网络。变压器反馈式振荡电路由放大电路、反馈网络和选频网络三部分组成。电路中三个线圈作变压器耦合。线圈L与电容C组成选频电路，L2是反馈线圈，与负载相接的L3为输出线圈。,变压器反馈式LC振荡电路,2.振荡条件及振荡频率集电极输出信号与基极的相位差为180，通过变压器的适当连接，使L2两端的反馈交流电压又产生180相移，即可满足振荡的相位条件。自激振荡的频率基本上由LC并联谐振回路决定。即,当电路电源接通瞬间，在集电极选频电路中激起一个很微弱的电流变化信号。选频电路只对谐振频率fo的电流，呈现很大阻抗。该频率的电流在回路两端产生电压降，这个电压降经变压器耦合到L2，反馈到三极管输入端；对非谐振频率的电流，LC谐振回路呈现的阻抗很小，回路两端几乎不产生电压降，L2中也就没有非谐振频率信号的电压降，当然这些信号也没有反馈。谐振信号经反馈、放大、再反馈就形成振荡。当改变L或C的参数时，振荡频率将发生相应改变。,(a)基本共基电路(b)基本共射电路,(c)带回路抽头的共基电路抽头的共射电路图8-16互感耦合LC振荡器的交流等效电路,(a)共基振荡电路(b)共射振荡电路图8-17互感耦合LC振荡器的原理电路,3.电路特点变压器反馈式振荡电路的特点是电路结构简单，容易起振，改变电容大小可方便地调节振荡频率。在应用时要特别注意线圈L2的极性，否则没有正反馈，无法振荡。,LC振荡器的设计考虑,1振荡器电路选择LC振荡器一般工作在几百千赫兹至几百兆赫兹范围。振荡器线路主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择。在短波范围,电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以采用。在中、短波收音机中,为简化电路常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。2晶体管选择从稳频的角度出发,应选择fT较高的晶体管,这样晶体管内部相移较小。通常选择fT(310)f1max。同时希望电流放大系数大些,这既容易振荡,也便于减小晶体管和回路之间的耦合。,3直流馈电线路的选择为保证振荡器起振的振幅条件,起始工作点应设置在线性放大区;从稳频出发,稳定状态应在截止区,而不应在饱和区,否则回路的有载品质因数QL将降低。所以,通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区,电路应采用自偏压。4振荡回路元件选择从稳频出发,振荡回路中电容C应尽可能大,但C过大,不利于波段工作;电感L也应尽可能大,但L大后,体积大,分布电容大,L过小,回路的品质因数过小,因此应合理地选择回路的C、L。在短波范围,C一般取几十至几百皮法,L一般取0.1至几十微亨。,5反馈回路元件选择为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振,在静态工作点通常应选择,当静态工作点确定后,Yf的值就一定,对于小功率晶体管可以近似为,反馈系数的大小应在下列范围选择,环路增益,石英晶体的等效电路、频率特性及符号(a)等效电路；(b)频率特性；(c)符号,由等效电路可知，石英晶体振荡器应有两个谐振频率。在低频时，可把静态电容Co看作开路。若f=fs时，L、C、R串联支路发生揩振，XL=XC，它的等效阻抗Zo=R，为最小值串联谐振频率为,当频率高于fs时，XLXC，L、C、R支路呈现感性，Co与LC构成并联谐振回路，其振荡频率为,(a)皮尔斯电路原理(b)交流等效电路图8-19皮尔斯电路,(a)密勒电路原理(b)等效电路图8-20密勒电路,市场上出售的石英晶体盒子上标注的频率值既非fs，也非fp，而是指石英谐振器与规定的电容CL相并联的谐振频率值。此电容CL叫负载电容，厂家在产品说明书中都会给出。因此要使振荡器的工作频率fg严格等于铭牌上标注的频率值，必须使，否则就会有微小的偏差。,并联型晶体振荡器的实用线路,反馈系数F的大小为由于晶体的品质因数Qq很高,故其并联谐振电阻Ro也很高,虽然接入系数p较小,但等效到晶体管CE两端的阻抗RL仍较高,所以放大器的增益较高,电路很容易满足振幅起振条件。,（a）(b)图8-21泛音振荡器的交流等效电路,泛音晶体皮尔斯振荡器,场效应管晶体并联型振荡器线路,串联型晶体振荡器及交流等效电路(a)原理电路；(b)交流电路,(a)(b)图8-22串联型晶体振荡器原理电路,(a)(b)图8-23用TTL数字集成电路构成晶振,几种特殊的振荡现象,1.寄生振荡寄生振荡是一种在振荡器内出现的不希望有的振荡。抑制寄生振荡的原理就是破坏其振荡条件。如果寄生振荡的频率远低于工作频率，则称为低频寄生振荡。其振荡电路是由电路中的扼流圈、隔直流电容、旁路电容等构成。消除寄生振荡的措施是力求减少扼流圈个数，适当选取其电感量和隔直流电容、旁路电容的电容量，加接电阻以增加寄生振荡回路损耗达到破坏振荡条件的目的。,低频寄生振荡的等效电路和波形,电源去耦举例,2.间歇振荡间歇振荡是指振荡器工作中时而振荡时而停振的一种现象。,3.频率牵引,振荡器的稳频措施,1减小外界因素变化。外部因素的变化会影响电路的参数从而引起频率的变化。这些外部因素包括环境温度、电源电压、振荡器负载、机械振动、磁场、湿度、气压等。它们的变化会通过回路的元件、晶体管的热状态、工作点及参数的作用直接或间接影响频率的稳定度。可采取如下措施：减小温度的影响，可将振荡器放在恒温槽内；若不用恒温槽，应使振荡器远离热源。减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采取单独供电。减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。消除机械振动的影响，通常可加橡皮垫圈作减振器。减小负载的影响，在振荡器和下级电路之间加缓冲级，提高回路Q值；本级采用低阻抗输出，本级输出与下一级采取松耦合；采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路之间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高回路标准性，提高频率稳定度。,2减小外界因素变化对频率的影响，主要是提高回路的标准性。振荡回路的标准性是指在外界因素变化时，保持其固有谐振频率0不变的能力。标准性越高，0随环境条件变化的可能性就越小。主要措施是提高回路的标准性就是要提高回路L、C的标准性，应选用高品质因数、高稳定性和低温度系数、低吸水性、不易发生机械变形的电容器与电感器。采取温度补偿法与温度隔离法。温度补偿法是用具有负温度系数的瓷介电容器，接入由普通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路。温度隔离法是将电抗元件置于特制的恒温槽内，使槽内的温度基本上不随外界环境温度变化。利用石英晶体等固体谐振系统代替由电感、电容构成的电磁谐振系统，它是高稳频率源的一个重要形式。由于这种谐振系统构成的振荡器，不但频率稳定性、频率准确度高，而且体积、耗电均很小，因此，在许多领域已被广泛地采用。,3减小晶体管对振荡频率的影响晶体管的参数（输入输出阻抗等）受工作点的影响较大，因此注意选择工作点稳定电路与良好的稳压电路。减小、的措施除了稳定晶体管的工作点外，还要使振荡器的工作频率比晶体管的的特征频率低很多，即，来减小，并选用电容三端式振荡电路，使振荡波形良好。反馈系数不宜过大，一般取值0.10.5。,4减小不稳定因素对谐振特性的影响。选择回路与器件间的接入系数的影响：晶体管的输入输出阻抗、外接负载阻抗、各种分布电容和引线电感都是影响回路标准性的重要因素。因此选择回路与器件间的接入系数，选择合适的回路与负载间的耦合系数，尽可能减小不稳定的分布电容和引线电感的影响，对于提高频率稳定性是十分重要的。外接负载阻抗的影响：后级对振荡器的作用就是一个负载，前面已说明负载对振荡器的影响。为了防止负载对振荡器的影响，应减小输出到负载的功率，负载应极轻且稳定不变。所以振荡后面器一般都加入具有高输入阻抗的射极跟随器，它起到缓冲级的作用。如必须直接连接时，也应采用变比较大的降压变