电子设计竞赛(高频)

1、20052005年年 全国大学生电子设计竞赛全国大学生电子设计竞赛 ( (暑期培训班暑期培训班) )高频信号发生高频信号发生器器 根据振荡器产生信号频率的高低根据振荡器产生信号频率的高低, ,振荡器可分为低频振荡器可分为低频振荡器和高频振荡器振荡器和高频振荡器, ,以以RCRC选频网络构成的振荡器产生的选频网络构成的振荡器产生的信号频率通常信号频率通常1MH1MH1MHZ Z, ,属于高频信号发生器。与属于高频信号发生器。与RCRC正弦正弦波振荡电路相似，波振荡电路相似，LCLC正弦波振荡电路同样包括有放大电路、正弦波振荡电路同样包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。只是这里的选频网

2、络正反馈网络、选频网络和稳幅电路。只是这里的选频网络是由是由LCLC并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LCLC正正弦波振荡电路而有所不同。弦波振荡电路而有所不同。 1 LC 1 LC并联谐振电路的频率响应并联谐振电路的频率响应 2 2 变压器反馈变压器反馈LCLC振荡器振荡器 3 3 电感三点式电感三点式LCLC振荡器振荡器 4 4 电容三点式电容三点式LCLC振荡器振荡器 5 5 石英晶体石英晶体LCLC振荡器振荡器1 LC并联谐振电路的频率响应并联谐振电路的频率响应 LC并联谐振电路如图1（a）所示。显然输出电压是频率的函数： )()(ioVf

3、V （a）LC并联谐振电路图1 LC并联谐振电路与并联谐振曲线 （b）并联谐振曲线 输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。并联谐振曲线如图1（b）所示。谐振时:谐振频率:0100CLLCf210 谐振时电感支路电流或电容支路电流与总电流之比，称为并联谐振电路的品质因数CLRCRRLIIIIQ1/1/00CL 考虑电感支路的损耗，用R表示，如图2所示。 图2 有损耗的谐振电路 对于图1 (b)的谐振曲线，Q值大的曲线较陡较窄，图中Q1Q2。并联谐振电路的谐振阻抗CLQCQLQRCLZ000谐振时LC并联谐振电路相当一个电阻。2 变压器反馈变压器反馈LC振荡

4、电路振荡电路图图3变压器反馈变压器反馈LC振荡电路振荡电路变压器反馈LC振荡电路如图3所示。 LC并联谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈L2与电感线圈相耦合,将反馈信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性发生变化。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。 有关同名端的极性请参阅图4。 图4 同名端的极性 变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为LCf210 起振条件起振条件: : 其中：是折合到回路中与串联的等效损耗电阻；是2与的互感。振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定: : 直至MCRrFAbe1BEEBbcoUAFUUi

5、iu,3 电感三点式电感三点式LC振荡器振荡器( (哈特莱哈特莱) ) 图5 为电感三点式LC振荡电路。电感线圈L1和L2是一个线圈，2点是中间抽头。如果设某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图所示。反馈到发射极的极性对地为正，图中三极管是共基极接法，所以使发射结的净输入减小，集电极电流减小，符合正反馈的相位条件。 图图5 5 电感三点式电感三点式LC振荡器（振荡器（CBCB）图图6 6 电感三点式电感三点式LC振荡器（振荡器（CE）图6 为另一种电感三点式LC振荡电路。 分析三点式LC振荡电路常用如下方法，将谐振回路的阻抗折算到三极管的各个电极之间，有Zbe、Zce、Zcb ,如图7所

6、示。 图7 三点式振荡器 对于图5 Zbe是L2、 Zce是L1、 Zcb是C。可以证明若满足相位平衡条件， Zbe和Zce必须同性质，即同为电容或同为电感，且与Zcb性质相反。对于图6起振条件起振条件: : 其中：L是折合到回路中与并联的等效总损耗电阻；是1与2的互感；1 约为总匝数的 至 。振荡频率振荡频率: :电路特点电路特点: : 振荡频率在几十Z，易起振,频率调节方便，可调范围大。 反馈信号取自1,高次谐波较强,波形差。LbeRrMLMLFA1214181CMLLLCf)2(212121（a）CB组态 （b）CE组态图8 电容三点式LC振荡电路 与电感三点式LC振荡电路类似的有电容三

7、点式LC振荡电路，见图8。4 电容三点式电容三点式LC振荡器振荡器( (考毕兹考毕兹) )对于图8（b)起振条件起振条件: : 其中：L是折合到回路中与 并联的等效总损耗电阻。振荡频率振荡频率: :电路特点电路特点: : 振荡频率较高,达几百Z，反馈信号取自电容,高次谐波较弱,波形较好。 频率调节较不方便，振荡频率较高时,受三极管极间电容影响而使频率稳定度下降。LbeRrCCFA12121212121CCCCLLCf电容三点式电容三点式LCLC振荡器的改进振荡器的改进型型改进目标: 1.提高fo稳定性； 2.方便fo的调节。克拉泼振荡器克拉泼振荡器: : 特点特点: : 1.fo 1.fo稳定

8、度较高；稳定度较高； 2.Fo 2.Fo在小范围内在小范围内 调节方便；调节方便； 3.fo 3.fo较高时，较高时，vovo 明显下降；明显下降； 图中图中C C C C1 1（C C2 2） 西勒振荡器：西勒振荡器： 因因C C3 3的取值对输出幅度和频率覆盖系数有影的取值对输出幅度和频率覆盖系数有影响，故这里改用固定电容，避免响，故这里改用固定电容，避免f fo o高时输出幅度高时输出幅度的下降，而的下降，而f fo o的调节则由的调节则由C C完成；另外，采用负完成；另外，采用负温度系数的温度系数的C C还可补偿还可补偿L L的温度系数引起的的温度系数引起的f fo o漂移，漂移，故运

9、用广泛。故运用广泛。例1：图11.13为一个三点式振荡电路 试判断是否满足相位平衡条件。 (a) (b) 图9 例题1的电路图例1 LC振荡电路的频率稳定度取决于LC谐振回路的品质因数Q（= ）的大小，为此，应尽量减小回路的损耗电阻，并增大L/C的值，由于材料、体积的限制，以及分布及杂散电容的影响，一般LC回路的Q值最高只达数百，即便采取各种措施，频率稳定度也难超过10-5的数量级，此时往往采用高Q值的石英晶体谐振器代替一般的LC回路。石英晶体具有较高的L/C值，构成的振荡电路的频率稳定度可达10-610-11数量级，故得到广泛的应用。5 石英晶体石英晶体LC振荡电路振荡电路CLRRLO1.

10、.石英谐振器的基本特性和等效电路石英谐振器的基本特性和等效电路利用石英晶体作谐振器是因其有压电效应：利用石英晶体作谐振器是因其有压电效应：正压电效应：逆压电效应：正压电效应：逆压电效应：机械形变机械形变 谐振原理：外加交变电压机械振动表面周期性地产生正负电荷从外电路看相当于有一交流电流流过晶片振幅最大交流电流最大压电谐振)( QENE)( QE ovff 当时当时 等效电路：两个谐振频率：两个谐振频率：.L.Lg gC Cg gR Rg g支路（串联支路）支路（串联支路） 2.L 2.Lg gC Cg gR Rg gC Co o支路（并联支路）支路（并联支路） 因为因为CoC,CoC,所以所以

11、f fp pffs s 可在晶体两端并联电容可在晶体两端并联电容C C（不宜过大，（不宜过大，会影响会影响Q Q值）通过调节值）通过调节C C实现频率微实现频率微调，通常晶体产品上所标频率是指调，通常晶体产品上所标频率是指并联电容并联电容C=30pFC=30pF时的振荡频率。时的振荡频率。LCfs21osoopCCfCCCCLf121 利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路，如图10所示。 (a)串联型 f0 =fs （b）并联型 fs f0fp 图10 石英晶体振荡电路2.2.两种石英晶体振荡电路两种石英晶体振荡电路 石英晶体的阻抗频率特性曲线见图11.15,图11 石英晶体的电抗曲线它有一个串联谐振频率fs,一个并联谐振频率 fp，二者十分接近。 对于图对于图11 (a)11 (a)的电路与电感三点式振荡的电路与电感三点式振荡电路相似。要使反馈信号能传递到发射极，电路相似。要使反馈信号能传递到发射极，为此石英晶体应处于串联谐振点，此时晶体为此石英晶体应处于串联谐振点，此时晶体的阻抗接近为零。的阻抗接近为零。 对于图对于图10(b)10(b)的电路，满足正反馈的条件，为的电路，满足正反馈的条件，为此，石英晶体必须呈电感性才能形成此，石英晶体必