高频电子线路Class12课件

1、高频电子线路王军王军汕头大学电子工程系汕头大学电子工程系4.6 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象4.6.1 间歇振荡间歇振荡 时而振荡时而停振的现象，产生的原因主要是由于晶体管的非线性建立起的自偏压效应引起的。 下面一电容反馈电路为例： 图:电容反馈振荡器的自偏压等效电路(a)实际电路；(b)偏置电路(a)ReCeCbub(b)Eb020122112000bCBBBEQbebEeREERRR RRRRUEUEIR 等效的静态工作点电压从图中可以计算出(1)稳幅建立过程 开始时，由于环路增益大于1，故电路增幅振荡。由于非线性原因，使集电极电流平均值IC0逐渐增大，即给电容Ce充电，Ue上升，

2、使UBE减小，最后使晶体管进入非线性状态，反馈电压的正半周电容充电，负半周晶体管截止，电容放电。在某时刻t1达到平衡后，一个周期内的充放电相等，此时环路增益等于一，进入等幅振荡。(1)1?TTbebbbbEQBQLbebeUUrrrIIRArAifAFthenr 直流直流（2）间歇原因 如果电容Ce过大，Re、Ce在Ub的负半周晶体管截止时放电速度较慢，当uc( ub)开始下降时，UBE还处于较大的自偏压，不能跟随uc( ub) 的变化，因此UBE会继续下降，从而也造成环路增益小于1的减幅振荡，直到使得在uc( ub)的正半周，晶体管依然截止，造成停振，然后Ce放电恢复到初始值，电路重新起振。

3、如下图：导通时相当于一个射极跟随器导通时相当于一个射极跟随器, ,输出内阻很小输出内阻很小, ,时间常数很小时间常数很小, ,而截止时呢而截止时呢? ?充电的速度快于放电的速度充电的速度快于放电的速度=静态工作点进一静态工作点进一步左移步左移(1)TTbebbbbEQBQLbeUUrrrIIRAr 直流直流 因此，要避免间歇振荡，要使晶体管电流放大倍数不宜过大，这样接成反馈时输出电阻不会太小,从而使得电容充电常数过小,即自偏压不能建立的太多太快；二是Cb、Ce的值不宜选择过大,过大则时间常数过大,放电速度太慢.图427 间歇振荡时Ub与Eb的波形4.6.2 频率拖曳现象频率拖曳现象 拖拽现象发

4、生在耦合回路做负载的反馈振荡器中，如果耦合系数过大，而次级也是谐振回路，当调节次级回路参数时，振荡频率也随之改变。谐振回路+u2-(a)C1CbVCeC2MRbRrEcL1L2C2L2L1r1r2C1(b)(a )C1CbVCeC2MRbRrEcL1L2C2L2L1r1r2C1(b )图428变压器反馈振荡器(a)实际电路; (b)耦合回路的等效电路互为同名端FA需要明确一点的是需要明确一点的是:初级回初级回路构成振荡电路路构成振荡电路,而次级回而次级回路仅仅是负载路仅仅是负载,负责输出信负责输出信号号,只不过负载的变化会改只不过负载的变化会改变初级电路参数而已变初级电路参数而已的的情情况况。

5、条条件件，来来分分析析满满足足相相位位的的影影响响，即即和和忽忽略略00 LfFfF 1111112222222222222222222221()()()1()()fffffZrjLjZrjXZCMMMZZrjXrjLjCMMrjXRjXrXrX（1）如L=0，初级谐振时，次级X2=0时，即次级也谐振，那么Zf为一纯阻Rf，振荡频率为 = 01= 02 。（2）如L=0，初级谐振时，次级X20时，那么Xf为容性电抗，使初级总电容减小，则振荡频率为 。（3）如L=0，初级谐振时，次级X20时，那么Xf为感性电抗，使初级总电感增大，则振荡频率为 。 可以看出，这种振荡器有三个振荡频率(实际上不是很

6、准确，他们是变化的)，它取决于初级和次级参数以及耦合系数。 12122212222222222222221222222222222()()(1)(1)(1)(1)fLLrrMMXXXXrXrk L LQ kAXXXr 即： 可以看出：当1和02一定时，耦合越紧， 、 离 越远。图4-29给出了耦合回路的相频特性。回顾一下耦合回路的频率特性就很容易理解,见图2-13 耦合系数的影响 在满足振荡的相位条件，即L=0时，必须保证初级谐振，所以有：1和02对和 的影响 当改变是1和02 ，即回路系数不一样时，如果忽略了损耗电阻r的影响，则振荡时应满足:图429 阻抗ZL的幅角L的频率特性2221112

7、02222221211121111222221111221121112()()11()()()(1)(1)frMMXXXrXXX XLLMCCLCL CL L kCC 42211212111222421122220102010224222221101020102(1)()10(1)1110(1)()0C C L LkL CL Ckk 22222222010201020102212()()4(1)2(1)kk 0220120122200201010(b )(a )1,2 2MNdecbaf0220120122200201010(b )(a )1,2 2MNdecbafM1 N1 可见，当改变初级

8、或次级参数时，即改变02 和01时，振荡频率都会随之改变。图430 是I、II随02的关系曲线。 图430 I、II与02的关系曲线及拖曳 (a)(b) 如果设振荡器的振幅平衡条件实际在1M1N之间，则对应的02应在MN之间符合振幅平衡条件。那么当02从小到大变化时，应先在上振荡，即1= ，到达N(c点)时， 再不满足振幅条件，因此跳到(d点) 上振荡，然后随02增加而增加；当02减小到(f点) N时 ， 又不满足振幅条件，因此跳到(b点) 上振荡，然后随02减小而减小。 总之：在紧耦合回路中，如变化一个回路的参数使它的谐振频率改变时，振荡频率1是非单值变化，将产生一个拖曳环b-c-d-f-b

9、,如果02位于MN之间，那么当有一个干扰，就可能引起振荡频率发生突变。这就是引起振荡频率发生突变。这就是振荡器的频率拖曳现象。 因此，在实际不需要拖拽现象或可能减弱拖拽现象，应采取的措施为： 1.减小耦合系数k，或减小Q值 2.选择次级回路谐振频率远离振荡频率，然后可通过调整初级的谐振频率01来调整1的频率。4.6.3 振荡器的频率占据现象振荡器的频率占据现象1 . 频 率 占 据 现 象 由于外界信号fs引入了反馈回路，当fs信号频率接近于原振荡频率时，fs将对振荡频率产生牵引；当fs在原f1附近时，f1被 fs强制同步，即完全占据了原来的频率。占据特性如图4-31ES.Ui.Ic1.Uo.

10、(a )f0fsfCfDfAfB2 f(b )fs f1fs f1Ub频率为fS图431(a)外来信号加入振荡器有点类似于电路、信号与系统、自动控制等里面讲的受迫响应ES.Ui.Ic1.Uo.(a)f0fsfCfDfAfB2 f(b)fs f1fs f1Ub11ff 是是未未被被牵牵引引的的原原振振荡荡频频率率是是被被牵牵引引后后的的振振荡荡频频率率fAfB, fDfC是被牵引区域fBfC是完全被占据区域，其宽度叫占据频带图4-31(b)外来信号带来的频率牵引与占据现象如果不牵引时的频差振荡频率不受fs影响牵引时的频差振荡频率完全受牵引信号的频率所控制2.频率占据产生的原因频率占据产生的原因S

11、ibOEUUI c（1）当无时，等于反馈电压，并与输出电压、集电极电流 都同相位。U U112,() ,ssssCCEUEUffEtUIUIUI isbbibco（ ）当有时，=+，当时，落后U落后相位为因此、也要落后，因此，谐振回路对新的集电极电流，使新的输出电感压超前一性失谐个相位。CsCLCUEUUIff obioiL1s（3）当达到平衡后与U 同相，U 和I一个固定相位 ，和一个固定的相位，就是回路对I 感性失谐造成的。这说明新超前的振荡频率 等于.如图4-超前32所示回忆一下频率与相位之间的关系就很容易理解Ub.Uo.Ui.ES.0(b)(a)Uo.Ic1.Ui.Ub.ES.0LIc

12、1Ub.Uo.Ui.ES.0( b )( a )Uo.Ic1.Ui.Ub.ES.0LIc1图432说明占据过程的瞬时电压矢量图 (a)fs小于f1;(b)占据时的矢量 ()()00iObiOLibTLsEUUUUUUUcc显然，闭环回路的的总的由回路的感性失谐补偿（与I了由于带来的）或超前I落后或也就是说落后反馈电压相，移为的相位.同理，当Es带来的Ui超前反馈电压时，并联回路谐振回路会产生容性失谐，造成相位滞后，从而补偿Es带来相位超前。由三个矢量构成的平行四边形关系,可得通常sinsinbLSUE 00022sintanLLfQQf 02sinSbEffU Q 回路失谐不大(失谐很大时振幅

13、条件也将不能满足)时,L不大,因此有下列近似关系:当ES不大时,可以用Ub代替Ub因而占据带宽为：000000arctan1arctan 2pLLCrZQjQQ 可能得到的最大占据频带2fmax出现在sin的最大值1处,因此可得相对占据最大频带：02maxSbfEfU Q 因此，增大Q值和减小Es或增大振荡幅值都是减小占据带宽的有效措施。(4-87) 4.6.4 寄生振荡寄生振荡(Parastitic Oscillation) 由于分布系数，杂散电容和结电容，引线电感等的影响，对于一个高频信号发大器来说，一旦增益符合振荡条件，有可能产生不需要的自激振荡。 例如一个高频功放电路，如图4-33：图

14、433 低频寄生振荡的等效电路和波形1/()cbbcLL C 等效一个低频振荡器，其振荡频率为(a)(b)(c)怎么分析？ 由Lc、Lb和Cbc产生的寄生振荡，直接产生在C极，故可看做晶体管的集电极电压为 为功放的振荡频率：因而，集电极波形可看作一个受因而，集电极波形可看作一个受信号控制的调幅波信号控制的调幅波.cos,cmEUt 1/()cbbcLL C 同样，在高频时，主要由引线电感、晶体管的极间电容、分布杂散电容、构成的振荡器，产生高频寄生振荡。 多级放大器之间的级间耦合，外界的电磁干扰也都可能引起自激振荡。等效于电感影响等效于电容（电场）或公共阻抗影响形成反馈可能形成自激寄生振荡消除的

15、方法：寄生振荡消除的方法：选择Cbc较小的晶体管。减小引线电感，和减小分布电感和电容，抑制高频寄生振荡。(缩短引线长度减少分布电感，增加并行导线之间间距等)将扼流圈中加一个电阻，增加阻抗，破坏振荡条件。(加大阻尼，减小Q值)在多级使用时，减小由于接地和引线电阻造成的级间反馈，如加电源去耦电路，既加入、滤波电路在大电容上并接一个小电容，因为对于一个大电容来说它将导致一定的电感性质。采用无感电阻。如绕线电阻分布参数比较大，不适合用于高频制作电路时元件的布局、布线、接地更加合理。 相位补偿(人为加入一些校正环节)造成共模干扰,也即公共阻抗形成反馈.解决方法：去耦和多点接地4.7.1 RC网络网络1

16、超前型移相网络超前型移相网络图4-35(a)示出了RC超前型移相网络。传输系数为 (4-61)j12ej1jj1ARCRCCRRUUA4.7 RC 振振 荡荡 器器其模值和相角分别为式中0=1/(RC)。幅频特性和相频特性分别如图4-35(b)、(c)所示。200222)/(1/1CRRCA0arctan21arctan2RC图 4-35 超前型移相网络 (a) 电路；(b) 幅频特性；(c) 相频特性2 滞后型移相网络滞后型移相网络图4-36(a)示出了RC滞后型移相网络。传输系数为(4-62)其模值和相角分别为式中0=1/(RC)。幅频特性和相频特性分别如图4-36(b)、(c)所示。01

17、2j11j11j1j1CRCRCUUA20222)/(1111CRA0arctanarctanCR图 4-36 RC滞后型移相网络(a) 电路；(b) 幅频特性；(c) 相频特性3. 串并联型选频网络串并联型选频网络图 4-37(a)示出了RC串并联型网络。传输系数(传递函数)为(4-63)0012j31 1CRj31 j1j1j1CRCRRCRRCRUUA式中0=1/RC， 其模和相角分别为相应的幅频特性和相频特性如图4-37(b)、(c)所示。220013A0031arctan图 4-37 串并联型选频网络 (a) 电路；(b) 幅频特性；(c) 相频特性4.7.2 RC振荡器振荡器图4-

18、38(a)和(b)分别示出了由晶体管以及由集成运放构成的反相放大器所组成的超前型RC振荡器。图(a)晶体管接成共射放大， 图(b)集成运放接成反相放大器， 它们都可以提供180的相移， 要组成振荡器， 满足相位平衡条件， 相移网络也必须提供180相移， 所以图(a)和(b)中都由3节RC电路构成相移网络， 图(a)中第三节RC电路的R由晶体管的输入电阻取代。由于RC相移电路的选频特性不理想， 又是采用内稳幅， 因而RC相移振荡器的输出波形失真大， 频率稳定度低， 只能用在性能不高的设备中。图 4-38 超前型RC振荡器4.7.3 文氏桥振荡器文氏桥振荡器文氏桥正弦波振荡器的原理电路如图4-39

19、所示， 它是正弦波振荡器的一种最常用的电路。桥形RC网络接在输出端与同相输入端之间， 则起振条件应当是相移等于零， 故此电路又称零相移桥式振荡器。令则222111j1/j1CR，ZCRZ)/1( j)/1 ( j1j1)j1 (12211221222211221212CCRRCCRRRCRRCRCRRZZZUUFof图 4-39 文氏桥振荡器现在要求Uf和Uo之间相移在某个频率上等于零， 则上式的虚部等于零， 于是有得 (4-64)通常取R1=R2=R， C1=C2=C， 则振荡频率为 (4-65) (4-66)根据式(4-66)可以求出满足幅度平衡条件的运算放大器的闭环增益等于3。为了便于起

20、振， 要求Rf/R3略大于2。01102210CCRR212101CCRRRCf21031F4.8 负负 阻阻 振振 荡荡 器器4.8.1 负阻型振荡器负阻型振荡器LC振荡器的基本原理， 就是利用电容器可以储存电能、电感器可以储存磁能的特性进行电磁转换，形成电磁振荡。一般的，电容C不消耗能量，但电感L有损耗，LC在电磁转换过程中将消耗一定的能量，形成减幅振荡， 振荡的幅度越来越小，最后停振。为了保持不停的振荡， 前面我们讨论了利用正反馈不断的补充能量，形成的等幅振荡，即反馈型振荡器。另外，也可以采用负阻来补充能量，形成负阻型振荡器。对于LC回路而言， 损耗可以用并联谐振电阻R0表示， 如果我们

21、在回路的两端并联一电阻R0， 如图4-40所示。根据电路知识可知， 回路总的阻抗为， 意味着，在高频一周内， 电阻R0消耗的能量完全由负电阻R0提供， LC振荡器将形成等幅振荡， 一直持续下去。这就是负阻型振荡器的工作原理负阻型振荡器的工作原理。图 4-40 负阻型振荡器原理(a) LC回路； (b) LC回路等效电路； (c) 负阻型振荡器原理+_能量发生器电源定义？ 以前接触的电阻都是正电阻， 是消耗能量的， 那里没有器件呈现负电阻， 不消耗能量反而提供能量呢？ 下面我们先来讨论负阻器件。4.8.2 负阻性器件负阻性器件在 20 世纪初期， A.W.Hull提出“负阻”概念的时候， 曾遭到

22、许多学者的怀疑。他们认为“负阻”的概念“不符合能量守恒定律”。但是， 从负阻管的伏安特性曲线上人们可以清楚地看到，负阻器件确实存在， 但只是表现在器件的某段动态工作范围内； 对于静态， 它还是一个耗能元件， 还是一个“正阻”。 具有负阻特性的电子器件可以分为两类， 它们的伏安特性分别如图4-41(a)和(b)所示。图4-41(a)中曲线形状呈“N”形， 图4-41(b)中曲线形状呈“S”形， 但都有一个共同的特点: 图中的AB段间的斜率是负的， 即器件在该区间工作时， 呈现负阻特性。不同点在于，图4-41(a)呈现的负阻区间需要电压进行控制， 因此称为电压控制型负阻器件； 图4-41(b) 负

23、阻区间是由电流控制的， 因此称为电流控制型负阻器件。电压控制型负阻器件常见器件是隧道二极管， 符号和等效电路如图4-42(a)、(b)所示。隧道二极管和普通二极管一样， 是由一个PN结组成。PN结有两大特点: (1)结的厚度小； (2)P区和N区的杂质浓度都很大。隧道二极管具有频率高，对输入响应快，能在高温条件下工作， 并且可靠性高、耗散功率小、噪音较低。图 4-42 隧道二极管符号及等效电路 (a) 隧道二极管的符号；(b) 隧道二极管的等效电路电流控制型负阻器件常见器件是单结晶体管， 图 4-43(a)、(b)示出了其符号和等效电路图。单结晶体管是一个三端器件， 但其工作原理和双极晶体管完全不同。器件的输入端也叫发射极， 在输入电压到达某一值时输入端的阻值迅速下降， 呈现负阻特性。单结晶体管(也叫双基极二极管)是一块轻掺杂的N型硅棒和一小片重掺杂的P型材料相连而成。P型发射极和N型硅棒间形成一个PN结， 在等效电路中用一个二极管表示。图 4-43 单结晶体管符号及等效电路 (a) 单结晶体管的符号；(b) 单结晶体管的等效电路4.8.3 负阻振荡器负阻振荡器负阻振荡器具有结构紧凑， 可靠性高的优点， 随着半导体器件的迅速发展，