高频电子电路3.2

1、3.3 LC振荡电路振荡电路(LC Oscillator CirCuits)一一 互感耦合互感耦合LCLC振荡电路振荡电路例例3-23-23.3 LC振荡电路振荡电路(LC Oscillator CirCuits)一一 构构成成L LC C振振荡荡器器的的基基本本原原则则LC 振振荡荡器器又又称称为为三三点点式式振振荡荡器器, 其其基基本本电电路路结结构构如如右右图图所所示示,即即晶晶体体 三三极极管管的的三三个个电电极极分分别别于于三三个个电电抗抗元元 件件 X1 ,X2 ,X3相相连连接接.X1 ,X2 ,X3可可以以是是 电电感感也也可可以以是是电电容容, 但但电电路路在在构构造造上上

2、必必须须满满足足以以下下基基本本原原则则: 1 1为为了了满满足足正正反反馈馈的的相相位位条条件件, ,反反馈馈电电路路必必须须使使晶晶体体管管的的交交流流瞬瞬时时电电压压极极性性的的相相位位关关系系满满足足: : beu为为正正时时, ,ceu为为负负 beu为为负负时时, ,ceu为为正正 即即: : beu与与ceu反反相相。 beu ceuI证证明明：若若设设回回路路电电流流为为 I, , 则则有有: : beu=2jXI ； ceu=1jXI 要要求求电电抗抗 X1与与 X2具具有有相相同同的的电电抗抗特特性性。 即即 X1与与 X2或或者者 同同为为电电感感元元件件,或或同同为为电

3、电容容元元件件 2 X1,X2,X3构构成成谐谐振振回回路路,当当回回路路谐谐振振时时应应满满足足谐谐振振条条件件: X1+X2+X3=0, |X1+X2|=|X3| 表表明明三三个个电电抗抗元元件件不不可可能能全全为为电电感感与与电电容容, ,而而是是由由两两种种性性质质的的电电抗抗所所组组成成 . .由由上上所所述述可可得得结结论论: : 晶晶体体管管发发射射极极所所按按的的两两个个电电抗抗元元件件性性质质相相同同, ,而而不不与与发发 射射极极相相接接的的回回路路元元件件, ,其其电电抗抗性性质质与与前前者者相相反反. . 振振荡荡频频率率满满足足: : |X1+X2|=|X3| I I

4、 I IC1C2LLECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc二二 电容反馈三点式振荡器电容反馈三点式振荡器(Colpitts Oscillators)(Colpitts Oscillators)1 1. . 电电路路结结构构(1) 直直流流偏偏置置电电路路决决定定了了起起振振时时电电路路的的工工作作点点,当当振振荡荡以以后后 Re,Ce构构成成自自给给偏偏压压电电路路，LC阻阻流流圈圈可可以以用用一一个个大大电电阻阻代代替替,防防止止电电源源对对回回路路旁旁路路. （2 2）交交流流等等效效电电路路典典型型的的电电容容三三点点式式振振荡荡电电路路.满满足足相相位位平平衡衡条条件件,只只要要适适

5、当当选选取取 C1与与 C2的的比比值值,并并使使放放大大器器有有足足够够的的放放大大量量,电电路路就就能能产产生生振振荡荡. +uce- -+ube - -LECRb1Rb2ReCeCbC2C1LcC1C2L（3 3） 起起振振条条件件分分析析分分析析起起振振条条件件时时可可以以利利用用高高频频小小信信号号放放大大器器的的分分析析法法. . 如如右右图图为为小小信信号号微微变变等等效效电电路路, ,如如果果忽忽略略rey 且由于且由于mfeoeiegyCCCC ,12 ( (即忽略即忽略ci与与beu的相移的相移) )而回路线圈的损而回路线圈的损 耗及负载用耗及负载用Lg 等效等效 1 1,

6、 ,反反馈馈系系数数 F | |F| |= =cebeuu = =1211CjiCji = =21CC 2 2, ,放放大大器器的的放放大大倍倍数数| |uoA| | 因因为为| |uoA| |= =beceuu 而而 gugubemce ieFLoegkggg2 其其中中ieFgk2为为ieg折折合合到到放放大大器器输输出出端端的的等等效效电电阻阻, ,而而21CCkF 为为折折合合系系数数. . FCCuukgkugucebeFieFceiebe 21222ieFLoemmuogkgggggA2 代代入入起起振振条条件件: : 1 FAuo )(112212LoeiemFieFLoemgg

7、CCgCCgkgkggg 有有C2C1LgiegLgoegmube+uce- -+ube- -iC1LgiegLgmubegoe+ube- -i+uce- -C2+uce- -C2LC1gLgoegmubek2Fgie+ube- -iC1LgiegLgmubegoe+ube- -i+uce- -C2( (4 4) ) 振振荡荡频频率率振振荡荡频频率率一一般般可可以以利利用用相相位位平平衡衡条条件件求求解解: :即即令令 bebeuuFA 的的相相位位差差为为 0 0 2221be11111CjgLjCjgCjgLjCjgguguieieieLoebem 222111111CjgLjCjgCjg

8、LjCjggguuieieieLoembebe 令令上上式式虚虚部部为为零零, ,可可得得: :0)()(21321 CLCggLgCCLoeie 所所以以有有: : LCCCgggLCLoeie1)(121 其其中中2121CCCCC ECL1L2CRb1Rb2CbCeReL1L2C三三, ,电感三点式振荡器电感三点式振荡器(Hartly Oscillators)(Hartly Oscillators)( (1 1) ) 电电路路结结构构 其其交交流流等等效效电电路路及及起起振振时时的的小小信信号号高高频频电电路路如如右右下下图图所所示示注注意意其其中中高高频频小小信信号号等等效效电电路路忽

9、忽略略了了rey和和ieC及及oeC对对电电路路的的影影响响, ,另另外外, ,mfegy （2 2） 起起振振条条件件分分析析: :忽忽略略ieg对对回回路路的的影影响响时时, ,反反馈馈系系数数为为: : FcebekMLiMLiuuF )()(12即即: :MLMLkFF 12 RguuAmbeceuo由由起起振振条条件件 1 FAuo 有有: :)(1LoeFieFmggkgkg ( (3 3) ) 振振荡荡频频率率令令bebeuujFjA )()( 的虚部为零的虚部为零 即即 可可 求求 出出 振振 荡荡 频频 率率 : :LC1)MLL(g)gg(LC1221ieLoe 而而其其中

10、中: :MLLL221 一一般般LC10 而而当当1LLMK21 时时. .有有0 L2L1CgLgoegmubek2Fgie+ube- -+uce- -+uce- -+ ube - -iiieFLoegkggR21 电容三点式振荡器和电感三点式振荡器各有其电容三点式振荡器和电感三点式振荡器各有其优缺点。优缺点。 电容三点式振荡器的优点是： 反馈电压取自2, 而电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗, 所以反馈电压中高次谐波分量很小, 因而输出波形好, 接近于正弦波。 缺点是：反馈系数因与回路电容有关, 如果用改变回路电容的方法来调整振荡频率, 必将改变反馈系数, 从而影响起振。 电感

11、三点式振荡器的优点是便于用改变电容的方法来调整振荡频率, 而不会影响反馈系数, 缺点是反馈电压取自2, 而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗, 所以反馈电压中高次谐波分量较多, 输出波形较差。 两种振荡器共同的缺点是：晶体管输入输出电容分别和两个回路电抗元件并联, 影响回路的等效电抗元件参数, 从而影响振荡频率。 由于晶体管输入输出电容值随环境温度、电源电压等因素而变化, 所以三点式电路的频率稳定度不高, 一般在-3量级。 LC1C2C3RLBA四四, ,两种改进型的电容反馈振荡器两种改进型的电容反馈振荡器 电电感感反反馈馈振振荡荡器器:反反馈馈系系数数 F=kF的的改改变变可可通通过过改改变变线线

12、圈圈抽抽头头位位置置实实现现,但但振振荡荡频频率率比比较较低低,产产生生振振荡荡波波形形不不如如电电容容三三点点式式振振荡荡器器。 电电 容容 反反 馈馈 振振 荡荡 器器 :反反 馈馈 系系 数数 F = kF改改 变变 必必 须须 改改 变变 C1与与C2的的 比比 值值 ,振振 荡荡 频频 率率 较较 高高 ,电电 压压 波波 形形 较较 好好 . 1 1 Clapp Oscilltor 右右图图为为 Clapp 振振荡荡器器的的实实际际电电路路和和等等效效电电路路,它它是是在在原原电电容容三三点点式式振振荡荡器器中中,用用 L,C3的的串串联联电电路路代代替替原原来来的的 L 而而构构

13、成成,C3和和 L 的的串串联联电电路路在在振振荡荡频频率率上上等等效效为为一一个个电电感感,仍仍属属于于电电容容反反馈馈型型电电路路,振振荡荡回回路路的的总总电电容容为为: 3211111CCCC 由由于于一一般般 C1,C2取取值值较较大大, 即即 C1,C2C3 所所以以有有: :3CC 振振荡荡频频率率：311LCLC 而而电电压压反反馈馈系系数数: :21CCuuFcebe 另另外外,由由于于 C1,C2只只是是整整个个振振荡荡回回路路的的一一部部分分,晶晶体体管管是是以以部部 分分接接入入方方式式与与回回路路联联接接,减减弱弱了了晶晶体体管管与与回回路路之之间间的的藕藕合合。 如如

14、果果设设回回路路 L 两两端端的的等等效效负负载载为为RL,则则折折合合到到集集电电极极回回路路做做为为集集电电极极负负载载电电阻阻 RL: LLLRpRCCR221)( 可可见见接接入入系系数数为为131CCCCp 很很小小, , CLAPP 电电路路的的一一个个主主要要缺缺点点是是波波段段范范 围围不不宽宽,波波段段覆覆盖盖倍倍数数小小,一一般般约约为为 1.21.3, 另另外外波波段段内内输输出出幅幅度度不不均均匀匀,不不易易起起振振. RLECRLLC2C3C1Rb1Rb2CbReRcAB所以, 克拉泼电路是用牺牲环路增益的方法来换取回路标准性的提高。 克拉泼电路的缺陷是不适合于作波段

15、振荡器。波段振荡器要求在一段区间内振荡频率可变, 且振荡幅值保持不变。 由于克拉泼电路在改变振荡频率时需调节3, 根据式（4-37）,当3改变以后, RL将发生变化, 使环路增益发生变化, 从而使振荡幅值也发生变化。所以克拉泼电路只适宜于作固定频率振荡器或波段复盖系数较小的可变频率振荡器。所谓波段复盖系数是指可以在一定波段范围内连续正常工作的振荡器的最高工作频率与最低工作频率之比。一般克拉泼电路的波段复盖系数为.-.。 LC1C2C3C4ABC4LC2C3C1Rb1Rb2CbReRcAB四四, ,两种改进型的电容反馈振荡器两种改进型的电容反馈振荡器2 2. .S Se ei il lo or

16、r O Os sc ci il ll la at to or r 与与 Clapp 电电路路不不同同点点仅仅在在于于 回回路路电电感感 L 两两端端并并联联一一个个可可变变电电 容容 C4 ,而而 C3 为为固固定定值值电电容容 ,且且 有有 C3C1,C2 其其振振荡荡频频率率为为: :)(1)(1434CCLCCL 其其中中33211111CCCCC 而而电电压压反反馈馈系系数数: :21CCuuFcebe 保保持持不不变变, ,又又因因 RL的的接接入入系系数数为为: 321111111CCCCCCp 13CC 由由于于 C3为为固固定定值值,所所以以p值值 不不变变（即即与与调调谐谐电

17、电容容 C4无无 关关）,所所以以在在波波段段内内振振幅幅比比 较较稳稳定定,且且调调谐谐范范围围比比较较宽宽, 实实际际中中常常用用于于宽宽波波段段工工作作系系 统统中中. EC3.4 振荡器的频率稳定性振荡器的频率稳定性一一, ,频频率率稳稳定定的的意意义义和和表表征征频频率率稳稳定定: :在在各各种种外外界界条条件件发发生生变变化化的的情情况况下下, ,要要求求实实际际工工作作频频率率与与指指定定频频率率的的偏偏差差最最小小. .频频率率稳稳定定在在数数量量上上常常用用频频率率偏偏差差来来表表示示: :绝绝对对偏偏差差: :01fff , , 相相对对偏偏差差: : 0011011fff

18、fffff 其其中中: :1f为为实实际际工工作作频频率率, ,0f为为指指定定频频率率定定义义: : 频频率率稳稳定定度度= =tff 1即即在在一一定定时时间间间间隔隔t 内内, ,频频率率的的相相对对偏偏差差. .一一般般按按时时间间的的长长短短不不同同, ,通通常常可可分分为为三三种种频频率率稳稳定定度度: : 长长期期稳稳定定度度: :一一般般指指几几天天或或几几个个月月 短短期期稳稳定定度度: : 指指一一天天内内, ,以以小小时时, ,分分, ,秒秒计计. . 瞬瞬时时稳稳定定度度: : 一一般般以以秒秒或或毫毫秒秒计计. .3.5 振荡器的频率稳定性振荡器的频率稳定性二二, ,

19、振振荡荡器器的的稳稳频频原原理理 放大器放大器LC选频选频 反馈网络反馈网络A Z F 1 1, ,频频率率不不稳稳定定的的原原 因因由由于于振振荡荡器器的的频频率率是是由由相相位位平平衡衡条条件件决决定定的的, ,即即0 FZA 其其中中 :A 为为正正向向转转移移导导纳纳ic1ui的的相相角角 :Z 为为L LC C回回路路阻阻抗抗ZL的的相相角角 F : : 为为反反馈馈系系数数oiuu 的的相相角角 uiic1ZLuouf)(FAZ Z )(FA 0 1 由由右右图图可可以以看看出出, ,由由Z 和和- -( (FA ) )两两条条曲曲线线的的交交点点便便决决定定了了振振荡荡器器的的振

20、振荡荡频频率率1 因因而而凡凡是是能能引引起起交交点点变变化化的的因因素素都都会会引引起起振振荡荡频频率率的的变变化化。3.5 振荡器的频率稳定性振荡器的频率稳定性Z )(FA 0 1 定定 性性 分分 析析1 1, ,外外界界因因素素仅仅使使谐谐振振回回路路固固 有有频频率率0 变变化化, ,即即Z ) (000曲曲 线线 平平 移移) (111 在在这这种种情情况况下下有有: : 10 0 1 2 2 谐谐振振回回路路的的品品质质因因数数 Q 变变化化 )()(111 曲曲线线斜斜率率变变化化ZQQQ 1 1 QQ 3 3 - -( (FA ) )的的变变化化当当- -( (FA ) )变变化化 1)( 曲线上下平稳曲线上下平稳FA 1 1 故故可可看看出出提提高高频频率率稳稳定定度度的的方方法法: : 值值增增大大减减少少减减少少QFA)(0 o 1 1 三三, ,振振荡荡器器的的稳稳频频措措施施1 1, ,提提高高振振荡荡器器回回路路的的标标准准性性提提高高回回路路元元件件 L