高频电子线路5

1、1第第5章章 正弦波振荡器正弦波振荡器第第5章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 振振荡荡器器：在在没没有有激激励励信信号号的的情情况况下下，能能自自动动的的将将直直流流电电源源能能量量转转换换为为周周期期性性交交流流信信号号输输出出的的电电子子电电路路。振振荡荡器器的的应应用用十十分分广广泛泛，振振荡荡器器的的种种类类也也很很多多。 反反馈馈振振荡荡器器 按按振振荡荡原原理理分分类类 负负阻阻振振荡荡器器 低低频频振振荡荡器器 按按振振荡荡频频率率分分类类 高高频频振振荡荡器器 正正弦弦波波振振荡荡器器 按按振振荡荡波波形形分分类类 非非正正弦弦波波振振荡荡器器（多多谐谐振振荡荡器器等等） LC

2、振振荡荡器器 按按选选频频回回路路元元件件性性能能分分类类 RC 振振荡荡器器 晶晶体体振振荡荡器器等等52 反馈振荡器原理反馈振荡器原理一一 反反馈馈振振荡荡器器工工作作原原理理分分析析 放大器放大器 A A（s s） 反馈网络反馈网络 F F（s s） 右右 图图 为为 反反 馈馈 振振 荡荡 器器 的的 结结 构构框框 图图 ,为为 了了 能能 产产 生生 自自 激激 振振 荡荡一一 个个 基基 本本 的的 条条 件件 是是 必必须须构构 成成正正 反反 馈馈 回回 路路 ， 即即 反反 馈馈到到输输 入入端端 的的 信信 号号 和和 放放 大大 器器 输输入入信信 号号相相 位位 相相

3、 同同 。suiufuou如如果果设设放放大大器器的的电电压压放放大大倍倍数数为为 A（S） ，反反馈馈网网络络的的反反馈馈系系数数为为 F（S）则则有有：闭闭 环环 增增 益益：)()()(sususAsof , 开开环环增增益益： )()()(sususAioo 反反馈馈系系数数：)()()(sususFof 又又因因为为：)()()(sususufsi )()(1)()()()()(1)()()(1)()()()()()(sFsAsAsususususAsusususususususAooofiooifioiiof 其其中中： )()()()(sususFsAifo 称称为为反反馈馈系系

4、统统的的环环路路增增益益。 若若 令令 js 代代 入入 上上 式式 ,则则 有有 ： )()()()( jFjAsFsAoo 则则有有 )( jAf,即即表表明明在在没没有有外外加加信信号号,也也可可以以维维持持振振荡荡输输出出, 故故自自激激振振荡荡的的条条件件为为: 1)j(F)j(A 显显然然在在某某一一个个工工作作频频率率0 时时, 如如果果1)()(00 jFjAo,即即)()(susufi 二二 反馈振荡器的线路组成反馈振荡器的线路组成正正弦弦波波反反馈馈振振荡荡器器主主要要由由三三个个部部分分构构成成: 电源电源 有源元件有源元件 选频网络选频网络 反馈网络反馈网络1 有有源源

5、器器件件:非非线线性性有有源源器器件件,具具有有一一定定的的功功率率增增益益, 能能维维持持振振荡荡回回路路不不可可避避免免的的功功率率损损耗耗.2 选选频频回回路路:决决定定振振荡荡器器的的工工作作频频率率,并并能能保保证证振振荡荡相相位位的的稳稳定定.3 反反馈馈网网络络:实实现现正正反反馈馈,一一般般可可以以通通过过互互感感(变变压压器器),电电感感及及电电容容等等获获得得正正反反馈馈电电压压。 互互感感反反馈馈振振荡荡器器:由由互互感感(变变压压器器)构构成成反反馈馈网网络络.根根据据反反馈馈网网络络 电电感感反反馈馈振振荡荡器器:由由电电感感构构成成反反馈馈网网络络. 电电容容反反馈

6、馈振振荡荡器器:由由电电容容构构成成反反馈馈网网络络.三三 振荡电路分析实例振荡电路分析实例如如下下图图所所示示的的电电路路为为互互感感耦耦合合正正弦弦波波振振荡荡器器.1 自自激激振振荡荡过过程程: ifoccbiuuuiiiu11 开开启启电电源源ibic+uo1-+uf-2. 交交流流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晶晶体体管管的的输输出出导导纳纳 goe,且且在在小小信信号号的的情情况况下下分分析析电电路路(起起振振初初期期),其其等等效效电电路路如如下下图图所所示示.*ui3 电电路路分分析析:LLijij)j(v)j(vFLLoi 而而)j(g)j(v)j(vg

7、)j(v)j(i)j(v)j(v)j(Amiimicio iciLML+vi-其其中中)( jZ为为并并联联谐谐振振回回路路的的阻阻抗抗.LMgjwc1Ljr)Ljr(cj1)j(F)j(Am 当当满满足足振振荡荡条条件件: 即即1)()( jFjA),c1L( jrLMg)Ljr(cj1m )c1L( jrLCMrgjCMgmm L)LrMg1(c1Mrcgmm 所所以以得得振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率为为:202001111QrLCrgLMm +v0-即即: cjLjrcjLjrjZ 11)()( 而而其其中中 crLrLQ 0 为为谐谐振振回回路路的的品品质质因因数数当当 Q 值值较

8、较高高时时,有有0 +v0-5.3振荡条件的分析振荡条件的分析由由上上述述分分析析已已知知振振荡荡条条件件:1)()( jFjA它它是是维维持持振振荡荡的的基基本本条条件件,通通常常也也称称为为振振荡荡的的平平衡衡条条件件.又又由由于于 FAjjFejFAejA )()(所所以以振振荡荡平平衡衡条条件件的的约约束束方方程程可可以以分分为为两两个个方方程程: )2 , 1 ,0n(n21AFFA 或或 n2FZ 其其 中中 :的的相相角角与与基基极极输输入入电电压压为为集集电电极极基基波波电电流流i1Cvi: 的的相相角角谐谐振振回回路路基基波波谐谐振振阻阻抗抗为为LC:Z 晶体管晶体管 反馈网

9、络反馈网络 LC选频网络选频网络Y Z F 一一 振振荡荡器器的的起起振振条条件件实实际际上上振振荡荡器器在在开开始始建建立立振振荡荡时时应应满满足足的的条条件件为为:1 FAvivoA1/F1iv 3iu 2iu 4iu 03u 02u 01u 04u 即即有有:ofiouuFuuAFA ,.1而而 ifuu 有有即即要要求求在在起起振振初初期期,振振荡荡过过程程应应该该是是一一个个增增幅幅的的振振荡荡过过程程.如如 右右 图图 ： 分分 别别 为为 基基 本本 放放 大大 器器 A 和和反反 馈馈 网网 络络 1/F 的的 曲曲 线线 ,如如果果设设开开启启电电源源后后在在放放大大器器输输

10、入入端端产产生生一一 个个小小扰扰动动电电压压 :,1则则有有iu 121011fifiuuuuu AF1iu 1ou fu 232022fifiuuuuu 343033fifiuuuuu 123123,oooiiiuuuuuu 即即有有可可见见起起振振初初期期是是一一个个增增幅幅的的振振荡荡过过程程,即即随随着着信信号号幅幅度度的的不不断断增增加加,放放大大器器的的工工作作状状态态将将由由线线性性工工作作状状态态:丙丙类类状状态态过过渡渡乙乙类类甲甲乙乙类类放放大大甲甲类类)(ui11fu 2fu 3fu ibic+uo1-+ uf-*二二 振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件

11、为了维持振荡器稳定的工作为了维持振荡器稳定的工作, ,只满足平衡只满足平衡条件和起振条件是不够的条件和起振条件是不够的, ,因为平衡条件只能因为平衡条件只能说明振荡可能平衡在某一状态说明振荡可能平衡在某一状态, ,而不能说明振而不能说明振荡的平衡状态是否稳定荡的平衡状态是否稳定. .1 1 振振幅幅平平衡衡的的稳稳定定条条件件1/FAuuo 由由于于放放大大器器的的非非线线性性, ,放放大大倍倍数数是是信信号号振振幅幅的的函函数数, ,即即)(ouAAuu , , 而而反反馈馈系系数数 F F 仅仅取取决决于于反反馈馈网网络络的的元元件件参参数数, ,一一般般与与信信号号振振幅幅大大小小无无关

12、关. . B即即: :F(j)|j=常常数数= 常常数数, ,右右图图为为Au及及 1/F 随随信信号号振振幅幅变变化化的的曲曲线线, ,显显然然两两线线的的交交点点满满足足Au=1/F,即即为为振振幅幅平平衡衡点点. . 0: OBoUUouuA振振幅幅稳稳定定条条件件即即表表明明: :在在平平衡衡点点附附近近, ,放放大大器器增增益益随随信信号号振振幅幅的的变变化化特特性性具具有有负负斜斜率率. .实实际际中中, ,由由于于工工作作于于大大信信号号状状态态下下的的非非线线性性有有源源器器件件正正好好具具有有这这种种特特性性, ,自自然然具具有有稳稳定定幅幅度度的的功功能能。2 2 相相位位

13、平平衡衡的的稳稳定定条条件件相相位位稳稳定定条条件件的的意意义义: :指指当当相相位位平平衡衡条条件件遭遭到到破破坏坏时时, ,线线路路本本身身能能重重新新建建立立起起相相位位平平衡衡点点的的条条件件. . 由由于于dtd , ,即即相相位位变变化化时时, ,频频率率也也变变化化, ,故故相相位位稳稳定定条条件件也也就就是是频频率率稳稳定定的的条条件件. . 如如果果设设某某种种原原因因, ,相相位位平平衡衡破破坏坏, ,产产生生一一个个很很小小的的相相位位增增益益量量. .即即设设: :iivvAF0 反反馈馈信信号号iv超超前前原原输输入入信信号号iv一一个个相相角角信信号号周周期期缩缩短

14、短信信号号频频率率0 。tvi同同理理：0iv 落落后后iv信信号号周周期期 信信号号频频率率 0 显显然然可可以以看看出出由由于于外外因因引引起起的的相相位位变变化化与与频频率率之之间间的的关关系系为为: : 0000 即即可可得得：0 提提出出问问题题: :要要保保证证振振荡荡的的相相位位平平衡衡点点的的稳稳定定, ,必必须须当当振振荡荡器器频频率率发发生生变变化化的的同同时时, ,要要求求振振荡荡电电路路内内部部能能够够产产生生一一个个新新的的相相位位变变化化, ,而而这这个个相相位位变变化化与与外外因因引引起起的的相相位位变变化化 的的符符号号应应相相反反, ,以以消消弱弱或或抵抵消消

15、由由外外因因引引起起的的变变化化, ,即即要要求求: :0)(0)( FAFA或或ZYA 其其中中 Y 为为放放大大器器正正向向传传输输导导纳纳的的相相移移 Z 为为选选频频网网络络负负载载阻阻抗抗的的相相移移又又因因为为一一般般Y 和和F 对对频频率率变变化化的的灵灵敏敏性性远远小小于于Z , ,即即有有 Y C C3 3 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

16、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. 如如果果设设回回路路 L 两两端端的的等等效效电电阻阻为为 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时时的的关关系系为为: LLLRpRCCR221)( 可见接入系数为可见接入系数为131CCCCp 很小很小, , 且且 voL1ARpC有有可可能能不不满满足足振振荡荡条条件件( (不不利利于于起起振振) ) 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,

17、不不易易起起振振. RLLC1C2C3C4ABC4LC2C3C1Rb1Rb2CbReRcAB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 r O Os sc ci il ll la at to or r 与与C Cl la ap pp p 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 L 两两端端并并联联一一个个可可变变电电 容容C C4 4 , ,而而C C3 3 为为固固定定值值电电容容 , ,且且 有有C C3 3 CCq q , ,故故晶体管与晶体振荡回路之间的晶体管与晶体振荡回路之间的藕合很松藕合很松, , 减少了

18、电路不稳定因素对晶体振荡回路的影减少了电路不稳定因素对晶体振荡回路的影响响, ,提高了振荡回路的稳定性提高了振荡回路的稳定性. .3 3电路的谐振频率的估算电路的谐振频率的估算: :二二, ,晶体振荡器电路晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators)(Circuit of Crystal Oscillators)（2 2） M Mi il ll lo or r O Os sc ci il ll la at to or r晶晶体体接接在在基基极极与与发发射射极极之之间间, ,该该电电路路实实质质上上是是个个双双回回路路振振荡荡电电路路, ,L L1 1, ,C

19、C1 1 是是集集电电极极回回路路元元件件, ,由由于于基基极极与与发发射射极极之之间间接接入入感感性性元元件件的的晶晶体体, ,根根据据相相位位平平衡衡条条件件的的判判断断准准则则, ,集集电电极极回回路路必必须须等等效效为为感感性性. .可可变变电电容容 C C1 1作作为为集集电电极极回回路路的的调调谐谐电电容容, ,可可调调高高回回路路的的固固有有谐谐振振频频率率1f, ,使使01ff , ,另另外外 C C1 1 的的改改变变也也可可改改变变振振荡荡幅幅度度的的大大小小, ,又又由由于于晶晶体体被被晶晶体体管管的的低低输输入入阻阻抗抗所所并并联联, ,降降低低了了有有载载 Q QL

20、L值值, ,所所以以稳稳定定度度较较低低, ,故故不不如如 P Pi ie er rc ce e 电电路路. .二二, ,晶体振荡器电路晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators)(Circuit of Crystal Oscillators)2 2 串串联联型型晶晶体体振振荡荡器器( (S SE ER RI IE ES S C CR RY YS ST TA AL L O OS SC CI IL LL LA AT TO OR RS S) )电电路路的的交交流流等等效效电电路路如如图图所所示示若若将将晶晶体体短短路路, ,就就是是一一个个普普通通的的电电容容反反

21、 馈馈振振荡荡电电路路, ,由由于于晶晶体体在在串串联联谐谐振振时时, ,阻阻抗抗很很小小, ,仅仅为为 r rq q , ,相相当当于于短短路路, ,所所以以振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率应应接接近近晶晶体体的的串串联联谐谐振振频频率率, ,即即为为 q 如如果果由由 L L, ,C C1 1, ,C C2 2, ,C C3 3组组成成的的回回路路谐谐振振频频率率距距q q较较远远, ,由由于于晶晶体体阻阻抗抗增增大大, ,从从而而使使正正反反馈馈减减弱弱, ,增增益益下下降降，破破坏坏振振荡荡条条件件, ,使使其其不不能能振振荡荡. . 0 0 0 0 Z 二二, ,晶体振荡器电路晶体振

22、荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators)(Circuit of Crystal Oscillators)2 2 串串联联型型晶晶体体振振荡荡器器( (S SE ER RI IE ES S C CR RY YS ST TA AL L O OS SC CI IL LL LA AT TO OR RS S) )串串联联型型晶晶体体振振荡荡器器的的稳稳频频原原理理: :由由于于在在一一般般的的 L LC C 振振荡荡器器中中, ,L LC C 振振荡荡回回路路的的阻阻抗抗相相移移Z 在在0 附附近近变变化化显显著著, ,而而A 与与F 则则基基本本上上不不随随频频率率变变

23、化化, ,因因而而由由相相位位平平衡衡条条件件所所决决定定的的振振荡荡工工作作频频率率基基本本上上决决定定0 0，即即: :0 而而在在串串联联晶晶体体振振荡荡器器中中就就完完全全不不同同, ,由由于于晶晶体体串串接接在在反反馈馈电电路路中中, ,且且在在q 附附近近相相位位变变化化很很快快, ,从从而而使使反反馈馈系系数数的的相相角角F 随随频频率率变变化化显显著著, ,这这样样振振荡荡器器的的工工作作频频率率就就主主要要决决定定于于q , ,故故起起到到稳稳频频作作用用. .即即: : q AF Z F qqeZ q 电感性电感性P 电容性电容性电容性电容性5.7 5.7 振荡器中的几种现

24、象振荡器中的几种现象一一 , ,间间 歇歇 振振 荡荡间间歇歇振振荡荡是是指指振振荡荡器器工工作作时时, ,时时而而起起振振, ,时时而而停停振振的的一一种种振振荡荡现现象象. .一一般般L LC C振振荡荡器器在在建建立立振振荡荡的的过过程程中中, ,有有两两个个互互相相联联系系的的暂暂态态过过程程: : 高高频频振振荡荡的的建建立立过过程程 偏偏压压的的建建立立过过程程如如右右图图所所示示电电容容三三点点式式振振荡荡电电路路的的偏偏置置电电压压EeCC2b1b2bEBBEIRVRRRVVV BEV显显然然R Re e上上的的直直流流电电压压V VE E是是由由发发射射极极电电流流I IE

25、E自自己己建建立立的的, ,且且随随I IE E的的变变化化而而变变化化, ,故故称称为为自自给给偏偏压压. .IE1 1 在在 振振 荡荡 起起 振振 之之 前前 , ,起起 始始 偏偏 压压V VB BE EO O为为 正正 偏偏置置即即: : EOeCCBEIRVRRRV 2120其其中中I IE EO O为为发发射射极极静静态态电电流流. .BV EV 2 2 当起振后当起振后由由于于, ,1 FAvo, , 从从而而使使: :稳稳定定时时当当晶晶体体管管进进入入截截止止区区bvovoBEEeEeEOEebv,1FAAVIRV)iI(Iiv vbieVEBEV如如果果 R Re e C

26、 C e e值值比比较较大大（即即 R Re e C Ce e充充电电比比较较缓缓慢慢）, ,当当振振荡荡平平衡衡以以后后 V VB BE E值值仍仍然然会会稍稍有有下下降降, ,从从而而有有：振振荡荡又又重重新新开开始始上上升升到到使使当当放放电电停停振振 1FAVVVC0vv0FAAVOBEBEEEbbvovobeVbv防防止止间间歇歇振振荡荡的的方方法法: :可可以以把把C Ce e, ,R Re e的的值值适适当当选选小小些些, ,使使偏偏压压的的变变化化能能跟跟得得上上bv的的变变化化. . 振振荡荡器器为为了了将将信信号号传传输输到到下下一一级级负负载载上上, ,往往往往采采用用互

27、互感感或或其其它它藕藕合合形形式式. .一一旦旦藕藕合合系系数数过过大大, ,而而负负载载又又是是一一个个调调谐谐回回路路, ,则则调调节节次次级级回回路路时时, ,振振荡荡频频率率也也会会随随之之变变化化, ,甚甚至至产产生生频频率率跳跳变变. .这这一一现现象象通通常常称称为为频频率率拖拖曳曳现现象象. . 右右图图为为具具有有藕藕合合谐谐振振回回路路作作为为负负载载的的电电容容三三端端式式振振荡荡器器 如如果果设设振振荡荡回回路路的的自自然然谐谐振振频频率率为为: :0 01 1, ,负负载载回回路路的的谐谐振振频频率率为为: :0 02 2而而振振荡荡器器的的工工作作频频率率为为: :

28、两两回回路路的的藕藕合合系系数数为为：21LLMk 由由于于振振荡荡回回路路与与负负载载回回路路存存在在藕藕合合, ,因因此此调调节节负负载载回回路路将将对对振振荡荡工工作作频频率率产产生生影影响响, ,其其影影响响程程度度与与回回路路的的藕藕合合程程度度有有关关. . 二二, ,频率拖曳现象频率拖曳现象5.7 5.7 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象讨讨 论论 ：（1 1） 当当k k 很很小小时时如如果果调调节节C C2 2 , ,使使0 02 2由由小小到到大大变变化化, ,如如图图所所示示, ,工工作作频频率率的的变变化化为为：010101010202当当0 02 2 0 01 1

29、或或0 02 2 0 01 1时时, , = =0 01 1当当0 02 2接接近近0 01 1 但但0 02 2 0 01 1 0 02 2 0 01 1时时, , 0 01 1( (2 2) ) 当当K K= =K KC C= =1 1/ /Q Q时时, ,临临界界耦耦合合, ,当当0 02 2= =0 01 1时时, ,值值有有跳跳变变, ,且且有有: :0101010102020 02 20 01 1或或0 02 20 01 1时时, ,= =0 01 10 02 2接接近近0 01 1 0 02 2 0 01 1 0 02 2 0 01 1 K KC C时时abdc010101010

30、2020 02 2 0 01 1或或0 02 2 0 01 1时时, ,= =0 01 1当当0 02 2由由小小到到大大接接近近0 01 1时时 , ,沿沿 a ab b 曲曲线线上上升升, ,到到达达 b b 点点后后脱脱离离0 02 2对对的的影影响响跳跳变变到到 c c点点, ,使使= =0 01 1当当0 02 2由由大大于于 c c 点点对对应应的的频频率率而而减减少少时时, ,以以沿沿 c cd d 曲曲线线下下降降, ,到到达达 d d 点点后后又又摆摆脱脱0 02 2的的影影响响而而跳跳变变到到 a a 点点, ,使使= =0 01 1三三, ,振振荡荡器器的的占占据据现现象

31、象 频频率率占占据据( (或或牵牵引引) )现现象象是是指指外外加加电电动动势势与与振振荡荡器器自自然然振振荡荡频频率率接接近近到到一一定定程程度度时时, ,可可以以使使振振荡荡随随外外电电动动势势频频率率的的改改变变而而改改变变, ,这这时时振振荡荡器器频频率率完完全全受受外外电电动动势势控控制制, ,不不再再取取决决于于回回路路参参数数当当0 0或或0 0时时，0 0 当当S S很很接接近近0 0时时, ,有有= =S S5.8 RC5.8 RC振荡器振荡器较低的振荡频率一般都采用较低的振荡频率一般都采用 RCRC 振荡器振荡器R RC C振振荡荡器器的的主主要要优优点点: : 结结 构构 简简 单单 经经 济济 方方 便便 R RC C 振振荡荡器器和和 L LC C 振振荡荡器器工工作作原原理理相相同同, ,结结构构上上也也是是由由放放大大器器和和正正反反馈馈网网络络两两部部分分, ,区区别别仅仅在在于于用用 R RC C 选选择择网网络络来来代代替替 L LC C 回回路路. .R RC C 振振荡荡器器也也必必须须满满足足振振幅幅和和相相位位条条件件. .即即: : AF=1AF=1 .)2,1 ,0( ,2 nnFA 根根据据R RC C网网络络不不同同可可将将R RC C振振荡荡器器分分为为: : 相相移移振振