高频电子线路Class10

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第第4章正弦波振荡器章正弦波振荡器4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.2 LC振荡器振荡器 4.3 频率稳定度频率稳定度 4.4 LC振荡器的设计考虑振荡器的设计考虑 4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器4.6 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象 4.7 RC振荡器振荡器 4.8 负阻振荡器负阻振荡器 本章讲授本章讲授6 6个学时个学时4.1 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.1.1 反馈振荡器的原理分析反馈振荡器的原理分析 反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路, 放大器通常是以某种选频网络(如振荡回

2、路)作负载, 是一调谐放大器, 反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。 图4-1 反馈型振荡器原理框图图该放大器的闭环增益是：( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )ouSoiioisiUsKsUsUsK sUsUsF sUsUsUsUs 由：11( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )iuiiiiK s U SK sK sKsU sT sK sUSFU SK s F ssUTss 得：叫反馈系统的环路增益。其中(4-1)(4-2)(4-3)(4-4)(4-5)(4-6)因此自激振荡的条件就是环路增益为1, 即 ()

3、()()1T jK jF j 这通常又称为振荡器的平衡条件。另外，也可以看出()1,( )( )()1,( )( )iiiiT jU sU sT jU sU s 形成增幅振荡形成减幅振荡jS 稳用代替式中的 ，就得到下的环路增益态和传输系数(4-7)(4-8) 4.1.2平衡条件平衡条件振荡器的平衡条件即为：211()()()()()|()|()|KFj njjjjT jK jF jK jeFeej 120 1 2(), ,TKFTjKFnn （振幅平衡条件）（相位平衡条件），也可表示为： 这个条件是在其振荡频率上才满足的，其他频率不满足，因此可由平衡条件求出振荡频率。(4-9)例如例如，用一

4、个单调谐放大器构成振荡器时，设放大器集电级阻抗ZL，则：112()()()()()()()()LfofLiCjLLCjCffbfLfLfLfLFUK jYjZUUZR eIIYjY eUT jYjZ F jYjZ FjY R Fn 放大器增益：集电极阻抗：晶体管转移导纳： 因此平衡条件可表示为：可见，调整回路参数，可以改变振荡频率可见，调整回路参数，可以改变振荡频率(4-10)(4-11)(4-12)(4-13)(4-14)振荡频率不仅仅取决于调谐电路输入输出转移导纳输入输出转移导纳,Yfe4.1.3 起振条件起振条件1.起振条件起振条件 要想使反馈系统最终达到平衡，首先必须能够起振，其初始激

5、励来自电源接通的时刻，例如电冲击、热噪音等。只要反馈系统的反馈量是随时间逐渐增加的， 即输出是一个增幅振荡，一直循环下去，最后达到平衡的等幅振荡。 因此，为了起振，必须保证环路增益大于1，即：1120 1 2()()(, , ,fLTfLFT jT jY R Fnn 起振振幅条件）（ 起振相位条件）(4-15)2.起振到平衡的过程起振到平衡的过程 那如何在增幅振荡的进行中逐渐达到等幅振荡，即达到平衡条件？因为反馈网络一般是一个线性网络，其反馈系数一般是个常数。很明显，放大环节的增益K()必须随ui的增大而逐渐减小，即具有负斜率特性。其图解如下：0UoUb(a)A反馈特性放大特性0UoUb(b)

6、F1AK 图 4 2 振幅条件的图解表示 K，1/FA-平衡点 一般的放大器能满足这个条件。当晶体管进入非线性区时，由于非线性，输入的信号越大，其晶体管的ic-ube的平均跨导也越小，即增益越小。而且，放大器的自偏压效应也会是增益随输入幅度增大而减小，因此靠晶体管的非线性的，可以达到稳幅，因此这是一种内稳幅过程。例如： 图 4 2 晶体管的非线性特性图解icubeubettic0004.1.4 稳定条件稳定条件 当外界因素，如温度、湿度、电源电压等都将使振荡器的工作状态受到影响。改变平衡条件。使振荡器的频率不稳定或者停振。因此必须考虑振荡器的稳定工作条件。 稳定：当干扰时，经过放大器内部循环，

7、能在原来的平衡点附 近建立起新的平衡，干扰消失后，又回到原来的平衡点。 不稳定：当干扰时，使其偏离原来的平衡点，或者干脆停振，而当干扰消失后，不能使其回到原来的平衡点。 1.振幅稳定条件振幅稳定条件 要达到振幅稳定，振荡器在平衡点处的环路增益应该是随输入负斜率变化。要区别“系统的稳定性”概念0iiAUUiKU 振幅定件：UiT()UiAUiBAB1 斜率越大，越稳定。 例如图4-3 如果A点是原来的平衡点，当干扰过后，它必将稳定在A点，因此，A 点是稳定的，而如果原来在B点，正向干扰后它将在A点建立新的平衡，负向可能使之停振，所以B点是不稳定的。(4-15)图4-3振幅稳定示例newiiKKK

8、UU0iKU0iU()newnewiiKKKUU 原有值若当0iKU0iU()newnewiiKKKUU 原有值若当在解释振荡器的相位稳定性前，我们必须清楚，一个正弦信号的相位和它的频率之间的关系(4-19a)(4-19b)可见，相位的变化必然要引起频率的变化，频率的变化也必然要引起相位的变化。ddtt d2.相位稳定条件相位稳定条件0Vf超前超前Vi0ff， 即反之亦然外因引起的相位变化与频率的关系外因引起的相位变化与频率的关系:相位超前导致频率提升,相位滞后导致频率降低,频率随相位变化的关系可表示为:0为了保持振荡器的相位平衡点稳定,振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力.也就是,在振荡周期

9、变化的同时,振荡电路中能够产生一个新的相位变化,以抵消由外因引起的 变化,因而这二者的符号应该相反,也即相位稳定条件应为 ,写成偏微分形式,即0()0TYLFL回顾选频网络的频率特性可知,选频网络的相频特性刚好是负梯度变化的.图4-3 振荡器稳定工作时回路的0000000() TffffYFfYFfTLYFLYFYFTYFTLLTLLTLetifandthenifandthen L和Yf+ F变化梯度符号一定要相反才能使得T才能根据频率变化系统重新回到平衡状态.为了减小振荡频率的变化,一方面要尽可能地减小 ,也就是减小 和 对外界因素影响的敏感性;另外,提高相频特性曲线斜率的绝对值 ,这可由提

10、高回路的Q值来实现的.FY FY4.1.5 振荡线路举例振荡线路举例互感耦合振荡器互感耦合振荡器图4-4是一LC振荡器的实际电路，图中反馈网络由L和L1间的互感M担任，因而称为互感耦合式的反馈振荡器，或称为变压器耦合振荡器。设振荡器的工作频率等于回路谐振频率，当基极加有信号时，由三极管中的电流流向关系可知集电极输出电压与输入电压反相，根据图中两线圈上所标的同名端，可以判断出反馈线圈L1两端的电压与反相，故 与 同相，该反馈为正反馈。因此只要电路设计合理，在工作时满足 条件，在输出端就会有正弦波输出。互感耦合反馈振荡器的正反馈是由互感耦合回路中的同名端来保证的。bUcUbUcUbUbUbUbbU

11、U图 4-4 互感耦合振荡器 4.2.1 三点式振荡器的组成原则三点式振荡器的组成原则 在满足高Q值的情况下。（即忽略外电路的影响）X1、X2、X3为电抗。根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性, 因而有：Ic.VUb.Uc.X2X1X3I.1230XXX22322231()bCCCjXUUj XXXXUUXXX 图4-8 三点式LC振荡器的组成(4-21)(4-22)4.2 LC振荡器振荡器rC3,C3C2,CCCCCC 总总电电容容为为：(a)(b)(4-45)103411()LCL CC 振荡器的振荡频率为 因此可调节C4来改变频率而不改变接入系数，因此调

12、整系数可以加大，一般为1.61.8，适用于较宽波段工作。另外还可用C3来完成细调。环路增益仍然不变，为122021()mmFFLLFieFieggTKKgggK gK gp (4-46)(4-47)4.2.5 场效应管振荡器场效应管振荡器场效应管三点式LC振荡器组成原则与晶体管三点式LC振荡器一样，即“源同余异”，具体电路如下：RLCL2EcCGugsRGL1iDVDSGM(a)(b) EcL1C1CSRSRGGVSDRDCB电路有问题电路有问题输出1.3 H1 M6.8 kRL20 MHz振荡器C1680 pFC275 pFVCF47 pF Ec 12 VL(c) Ec 图 4 14 由场效

13、应管构成的振荡器电路（a）互感耦合场效应管振荡器; (b) 电感反馈场效应管振荡器; (c) 电容反馈场效应管振荡器 4.2.6 压控振荡器压控振荡器(Volltage control Oscillater, 简称简称VCO)1.原理原理 使用压控振荡器是通过改变电压来控制频率改变，可用于电调谐，调频，调相，锁相环中，一般采用的元件是变容二极管，变容二极管的特性如下：图 4 -15 变容二极管特性- u +0Cj 2 1/3 1/2u /V(a )0Cj/pFu /V(b )20604024680Cj 2 1/3 1/2u /V(a )0Cj/pFu /V(b )2060402 4 6 8( )a( )b数学表达式为：其中：C0为外加u=0时的电容称为零偏压电容。 u：加在二极管两端的反向电压 u：二极管的势垒电压 ：变容指数，取决于PN结的掺杂浓度和杂质分布。显然，当改变加在二极管上的电压u时 ，就可以改变结电容 C j，如果用它直接做为振荡器的电抗元件，则可通过改变电压来改变频率。0(1)jCCuu(4-48)一般定义压控灵敏度来表示u对f 的控制能力.0Hz/VffdfSdu （）0f0Uf 其中fo是在静态工作点EQ处的中心频率，线性度是它的一个重要指标，由于非线性的存在，使压控振荡器的振荡频率范围也会受到一定的限制，非线性取决