第4章高频振荡电路

1、第 4 章高频振荡电路复旦大学电子工程系 陈光梦高频电路基础复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础2反馈振荡器原理放大器反馈网络vsvivfvoA(s)F(s)( )( )( )1( ) ( )1( )fA sA sAsA s F sT s|()|1Re ()1( )2Im ()0TT jT jnT j即平衡条件：|()|1()2T jjn起振条件：( )1T s 当时形成自激振荡。复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础3稳定条件00oBoBovvvovvTvFGv振幅稳定条件：当反馈网络线性（即 为线性函数）时，上述条件等效于上电后，由于T 1，系统将自动

2、起振。当由于某种原因使得 vo脱离平衡点时，稳定条件使得系统可以恢复。|T|vovB1复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础4110( )0 1()1()2()TTTddtLCH jjH jtgtgQLCQ 相位稳定条件：对于谐振回路，有所以，回路的 值越高振荡器的频率稳定度越高0T()Q高Q低复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础5互感耦合型LC振荡器电路利用电感耦合构成反馈，反馈极性与两个电感的同名端接法有关根据谐振回路位于晶体管的哪个电极，有调集、调发、调基等不同接法VCCL1L2C复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础6MLL2Cv

3、cvfryieyoeyfevbvb21()1fecvboeyvGjvyj Cj LrZ 1121()()fcvj M iF jvij LrZ 21()()()1feoej M yT jj LrZyj C起振阶段信号很小，可以用小信号等效模型分析。起振条件分析复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础7假设Z21为纯电阻，令实部为0，有谐振频率：令01(1)oer yLC令虚部为0，有21()feoeLyyM Q r起振条件：212()1()()1( )()10( 1)()0feoeoefeoeoefej MyT jj LrZyj Crj L yj Cj Myr yLCjL yC

4、rMy 21 rrZ其中复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础8谐振频率：令01(1)oer yLC21()feoeLyyM Q r起振条件：/L CQrr其中 为有载品质因数很小时，01LCoer y（无耗近似）当互感为紧耦合（变压器）时，起振条件演变为1221()feoenyynQ r复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础9互感耦合型LC振荡器的平衡状态分析1vTGF 从理论上说，振荡器平衡的振幅条件是 ，但是实际上上述公式很难应用。 对于振荡器来说，由于起振时信号幅度很小，所以尚可以用晶体管小信号模型讨论。但是到了稳幅阶段，信号幅度已经大到可以使晶体管

5、进入强烈的非线性区，增益开始急剧下降，导致振荡幅度增加趋势减小，最终达到动态平衡。 由于严格讨论晶体管进入非线性区后的增益是困难的，所以实用上一般都采用实验、图解等方法。这里我们从振荡器的工作状态入手，给出一些一般性的定性讨论结果：复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础10在右图电路中，基极的静态（直流）电位基本上是固定的，反馈电压在静态电位上下波动。复旦大学电子工程系 陈光梦 由于晶体管的非线性，随着反馈电压幅度增加集电极电流开始不对称。 反馈电压幅度继续增加，则Vbe的负半周进入截止区，集电极电流出现截止，晶体管进入C类放大状态。 振荡器进入C类放大状态后，导通角变得极小

6、，激励电流中的基频分量急剧下降，导致增益急剧下降，最后达到动态平衡，振荡器就进入稳定状态。2022-6-26高频电路基础11复旦大学电子工程系 陈光梦另外，在这个电路中，由于不对称的集电极电流同时流过发射极，在发射极电容上造成一个附加偏置电压（上正下负）。这个附加的偏置电压是抵消静态偏置电压的，当电路起振后，晶体管的直流电流会减小，所以会加快晶体管的工作状态由A类向C类转变的过程。需要说明的是，即使没有发射极电容，晶体管也会进入C类放大状态。振荡器的平衡主要是由于晶体管进入C类放大状态后的增益变化造成的。2022-6-26高频电路基础12复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础

7、13三点式振荡器一般构成法则：1、在谐振频率上， 必有 X1+X2+X3=02、由于晶体管的 vb 与 vc 反相，而根据振荡器的振荡条件 |T|=1，要求vbe k vce ，即 i X1 = i X2，所以要求 X1 与 X2 为同性质的电抗。综合上述两个条件，可以得到晶体管 LC 振荡器的一般构成法则如下：在发射极上连接的两个电抗为同性质电抗，另一个为异性质电抗。X1X2X3i复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础14电容三点式振荡器（Colpitts 电路）原理电路实际电路VCCC1LRB1C2RB2RE复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础15求T

8、(j)的等效电路晶体管 LC谐振回路gibgobG0viyfbviC1C2LvfebcCibCobRE1小信号等效模型分析。下图的模型中忽略晶体管的基极电阻rbb,也忽略晶体管反向传输系数。复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础16在LC回路谐振点附近有201(11()fbcveobibEyvGjvjggpgR 112()()beCF jpCCC20()() ()1()fbvobibEpyT jGjF jggpgR2011()fbobibEyggpgRp起振条件为011()()fbobibEyggp gpR或复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础17相位平衡

9、条件为 ，即( )0T201Im()011()fbobibEp yjggpgR若忽略晶体管的相移，此式等效于001()0QLC所以振荡频率为0121211()bebcbeLCC CCL CCCC实际振荡频率略高于上述计算值复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础18例l电容三点式振荡器，已知 RE =1kW, C1 =110pF, C2 =130pF, L = 440nH, Q0=220。晶体管参数： Cbc =2pF, Cbe=97pF, rc 20MW。 试求振荡频率以及起振时的集电极电流。VCCC1LRB1C2RB2RE复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路

10、基础19601212580002412101221173 1027.5MHz()115.8 105 10()1 7.48 10 S b eb cb eobcbfbEfC CCL CCCCGgQLrCCCyGC CCRI 0解：根据题中参数， 振荡频率， ，（可忽略） 起振条件 所以起振电流为20A60A 60ACfbTyV 经实际测量，此振荡器的起振电流大约为。这是由于上述估算忽略了许多实际因素的缘故。而要振荡器正常工作，还必须考虑工作的可靠性，所以实际的工作电流还要大于。复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础20电容三点式振荡器的另一种接法与前面接法的区别在于：晶体管射极交

11、流接地。由于此接法需要高频扼流圈，在实际使用中较少采用此电路。由于电路交流结构与基极接地电路一致，所以有关起振条件和振荡频率等分析过程以及分析结果与基极接地电路一致。RFCVCCC1LRB1C2RB2RECECB复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础21电感三点式振荡电路（Hartley电路）接法1接法2VCCn2n1LCVCCn2n1LC复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础22ebcCbegibgmvigobviCbcCg0L2L1vfRE高频等效电路高频等效电路电感三点式电路的分析方法与电容三点式电路的分析基本一致，只要注意反馈系数与n1、n2的相应关

12、系即可。1112()LLvnF jpvnn复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础23l振幅起振条件l近似振荡频率l实际振荡频率略低于上述计算值011()()fbobibEyggp gpR021bebcCL CCp复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础24VCCC1LRB1C2RB2RE我们还是从振荡器的工作状态入手，给出一些一般性的定性讨论结果。为了说明方便，我们以下图的电容三点式电路为例进行分析：在这个三点式电路中，由于流过基极的电流很小，即使晶体管工作状态发生改变，基极电流的改变也很小，所以可以认为基极电位基本保持不变。三点式LC振荡器的平衡状态分析bV

13、eV复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础25晶体管的集电极电流波形近似尖顶余弦脉冲，进入C类放大。由于基极电位基本不变，发射极波形的最低电位被钳位在比基极电位低一个pn结的导通阈值左右，发射极的平均电位将随着振荡电压的幅度增加而升高，晶体管的导通角随着振荡电压的幅度增加而变小。复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础26晶体管三点式振荡器进入C类放大状态后，导通角变得极小，激励电流中的基频分量急剧下降，导致增益急剧下降，最后达到动态平衡，振荡器就进入稳定状态。显然，晶体管静态工作点可以影响进入C类放大状态的时机，从而影响最终输出幅度。另外，由于发射极的平均电

14、位 将随着振荡电压的幅度增加而增加，而发射极直流电流等于发射极的平均电位除以发射极电阻，所以本电路在起振后晶体管的工作电流会加大。由于起振后晶体管的工作电流会加大，所以有可能在起振的初始阶段，晶体管增益随着幅度加大而加大，到达某个顶点后再下降。若静态时的增益不满足起振条件，而幅度加大后又满足了起振条件，就会发生只有通过所谓的 “硬激励”才会振荡的现象。改变晶体管静态工作点可以消除此非正常现象。eV复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础27三点式振荡器的特点l电路简单。通过改变电容的比值或电感的抽头位置可以方便地改变反馈系数kf，起振容易。 l电容三点式能够振荡的最高频率通常比

15、电感式的高。原因是：电感式振荡器中晶体管极间电容与电感并联，频率升高可能引起支路的电抗性质改变，从而不满足相位平衡条件。电容式振荡器的晶体管极间电容与电容并联，频率升高时支路电抗性质不变，相位平衡条件不会被破坏。l电容三点式振荡器电路的局限：两个电容的取值不能太小，否则受晶体管极间电容的影响太大，频率精度将大大下降 。l电感三点式振荡器可以通过改变电容值比较方便地调节频率，而电容三点式则难以通过改变电容来改变频率。复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础28三点式振荡器的设计考虑l电路选择l频率范围：适用于几百kHz几百MHzl波段宽度：电感型宽，稳定性稍差。电容型窄，但稳定性

16、好l晶体管选择lfT (35) fmaxl起始工作点选择l小功率晶体管大致为亚毫安到毫安数量级lLC回路设计l通常选择 |F(j)| = 0.10.5，起振时 |T(j)| = 35 复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础29设计三点式振荡器的例 试设计一个电容三点式振荡器，要求：f0=27MHz，电源电压9V，负载阻抗为2kW / 30pF。解：前面已经介绍了电容三点式振荡器的电路，对于本设计来说，首先需要确定输出形式，即负载在哪里接入。 从原理上说，振荡电路的负载可以接在LC回路的任何一点。但在实际电路中，需要考虑负载对于振荡电路的影响。在满足输出电压幅度要求的前提下，采

17、用部分接入可以减轻负载的影响，所以常常采用在电感上抽头输出（包括耦合输出）或在晶体管发射极输出（仅对于基极接地接法有效）的方式。 本设计拟采用晶体管发射极输出的方式，电路如后。复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础30 其中C1、C2和L为谐振回路，C3是输出耦合电容，R1、R2、R3、C4为偏置电路。复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础31l 设计过程l 首先确定晶体管的型号 由于要求 f0=27MHz，所以要求晶体管的 fT (80140)MHz 。另外，需考虑晶体管的其他参数对于电路的影响。在三点式振荡电路中，影响较大的是晶体管的结电容。 查得2N3

18、904的 fT 300MHz；结电容为CEB=8pF，CCB=4pF，对于27MHz的振荡回路而言均不大。所以该晶体管可以满足要求。l 选择反馈系数F 通常选择 F= 0.10.5。反馈系数稍大些容易起振(太大则由于Q值降低反而不易起振)，发射极输出电压幅度也大些，但是振荡波形失真大些，同时负载的影响也大些。这里试选择 F= 0.2。复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础32l 确定谐振电容 确定谐振电容的时候，需考虑晶体管的结电容和负载电容的影响。由于这两个电容的不确定性较大，所以LC谐振回路的电容要远大于这两个电容，才能够使这两个电容的影响降到最低。晶体管的CEB=8pF

19、以及负载电容CL=30pF是并联在谐振电容C2两端的，所以要求C238pF。据此可选择C2=330pF。 然后，根据反馈系数 F=C1/(C1+C2)=0.2（其中C2是包含了晶体管的CEB以及负载电容后的总电容），确定C1120.236892pF11 0.2FCCF 实际选用91pF的电容器。复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础33l 确定谐振电感L1 根据要求， f0=27MHz，由于已经确定谐振电容，所以可以确定谐振电感。但是在计算时需考虑晶体管的结电容CCB=4pF，此电容实际上是并联在LC回路两端的。所以0121121212012127MHz2()1450nH(2

20、) ()CBCBfC CL CCCLC CfCCC复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础34l 确定晶体管工作点，设计偏置电路 确定晶体管工作点的根据是 |T| = 35，在本设计中，此条件等效于212101223()11(3 5)()()fbobLCCCygGCCCRR 在上式中，已经确定的电容和负载电阻，还要确定 gob、G0、R3等。 gob可以从数据表中查到，当ICQ=0.11mA时gob=0.060.08mS。 计算G0需要知道电感的Q0值。作为例子，假设电感的Q0=150 (若采用漆包铜线绕制的空心线圈，此值较容易达到。参考数据：F0.62内径9mm绕7圈，L=4

21、50nH，Q0=200)，则 00010.41mSGQL复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础35 确定R3需要以下几方面的配合：电源电压、晶体管工作点以及输出电压幅度等。若R3太小，LC回路的有载Q值下降，电路不易起振；若R3太大，虽然Q值增大，但是由于电源电压的限制，晶体管工作点电流将减小，也可能会出现起振困难。总的说来在合适范围内R3的大小对起振的影响不是很大。所以，通常可以先根据电源电压，人为设定晶体管基极偏置电压和静态工作点数值，并据此确定射极电阻R3，最后验算设计是否符合要求。若符合，则通过设计，否则此结果指出了修改设计的方向。 在本例中，假定我们根据电源电压为9

22、V确定晶体管基极偏置电位大致在3V左右，则发射极电阻上的压降大致为2.3V ，再考虑一般振荡器的工作点为亚毫安级，则可以先设定 R3 = 4.7kW。复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础36由于gob比G0小许多，故忽略。令系数为5，则212101223233()115()(91368)911150.41 10() 1091 368368 4.725(2.580.18)mS13.8mSfbLCCCyGC CCRR 代回原设计验算，R3上的压降为1.7V，略小于原来的假设值。但从上面计算可看到， R3数值的改变对于gm影响甚小，即使不合适也可以径直修改R3而不必重新验算起振条

23、件。因此，下面我们就以此值为基础进行设计。13.8mS26mV0.36mACQfbTIyV复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础37 由于R3上的压降为1.7V，假定晶体管的VBE(on) = 0.7V，则 VBQ = 1.7+0.7 =2.4V。根据这个电压可以设计偏置电阻，过程从略。 最后的设计结果为复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础38l核对输出幅度 根据前面对晶体管三点式振荡器稳定状态的分析，最终的输出幅度与初始的静态电流有关。 在本例电路中，通过实际测量，当R3=4.7kW时，初始的静态电流约为0.4mA，稳态输出电压峰峰值大约为800mV。若

24、改变R3，对起振条件的影响极小，但是对于最终的输出幅度影响较大，当初始的静态电流为0.8mA时，稳态输出电压峰峰值大约为1.6V。 最终的取值可以根据实际需要确定，仅改变R3即可。复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础39振荡器的频率稳定性20011(/)(/)nniiffffn 频率稳定性的指标：频率准确度，也称频率标准性频率稳定度，分为长期稳定度和短期稳定度000fffff复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础40LC振荡器的频率稳定相位平衡条件： T0将T分为3部分： L 并联谐振回路的相移 f 晶体管正向转移特性的相移 r 反馈系数的相移相位平衡条件

25、可以写为 L (f r )- (f +r)L10实际振荡频率复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础41引起LC振荡器频率变化的原因lLC参数变化l直接影响 0，l晶体管参数变化l影响 f 和 QL- (f +r)L10QL变化引起的影响f 变化引起的影响复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础42提高LC振荡电路频率稳定性的措施l稳定LC的值l固定电感骨架尺寸l采用温度系数小的电容l减轻LC回路负载，提高QL值l采用fT高的晶体管，减小极间电容l稳定晶体管的工作点l改进电路结构复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础43其他形式的电容三点式振荡

26、器 一、Clapp 振荡器 电路特点：在LC谐振回路中增加C3。一般有C3 C1，C3 Cce、C2 Cbe的条件时，受晶体管极间电容的影响大大减小。频率稳定度高。 VCCC2C1LC3复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础44二、Seiler 振荡器电路特点：在Clapp电路的基础上，LC谐振回路中增加C4。除了具有Clapp电路的频率稳定度高的特点外，由于C4的作用，使得电路的频率调节范围扩大。VCCC2C1LC3C4复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础45三、差分对管振荡器（Sony振荡器） l起振条件l振荡频率l适合集成电路CLVBBVCCVEER

27、L0112GRgrggLLebLm210ebCCCLC复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础46压控振荡器VCCDLC1RFCVM+1101101122(1)jjMjjDfC CC CLLVCCCCV电感三点式压控振荡器电感三点式压控振荡器变容二极管的特性0(1)jjDCCVV复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础47电容三点式压控振荡器电容三点式压控振荡器VCCDLC1C2RFCVM+C331212312jjfC CC CLCCCC复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础48例用变容二极管设计电感三点式压控振荡器，要求如下：振荡频率1000

28、kHz2070kHz，工作电压小于9V。试计算谐振回路参数。 解：此压控振荡器要求振荡频率1000kHz2070kHz，其波段系数为2.07。首先需要选择变容二极管。电感三点式压控振荡器的频率为： 1101101122(1)jjMjjDfC CC CLLVCCCCV可见，电容的变化范围至少需要大于2.0724.28。考虑C1的影响后这个数字还要增加许多。复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础49查手册可知：变容二极管SVC321的电容变化范围如下：根据要求的频率变化范围，可写出下列方程：6min121max1121max16max121min1121min11110 Hz42

29、0 1022420 10112.07 10 Hz24 102224 10jjjjfC CCLLCCCfC CCLLCCCVM1.2V时，Cj在388到459pF之间；VM=8V时，Cj在20到27pF之间。考虑折衷值，假设Cj的变化范围为24420pF，远大于需要的4.28倍，所以可以确定采用此二极管。解方程得：1104pF,304HCL复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础50石英晶体振荡器 石英晶体振荡器的电路类似三点式振荡器。将石英晶体等效成电感，可以构成并联型振荡器；将石英晶体等效成串联谐振回路，可以构成串联型振荡器。 fgf0fX感抗容抗复旦大学电子工程系 陈光梦2

30、022-6-26高频电路基础51并联型石英晶体振荡器的基本结构 电容三点式Pierce振荡器电感三点式Miller振荡器复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础52并联型石英晶体振荡器电路lPierce振荡器的实际电路例RLC2C1RFCRECBRB2RB1CoXTALVCC晶体等效成电感C1C2XTALC3VCC复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础53VCCLC1C2XTALlMiller振荡器的实际电路例复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础54用数字电路（CMOS反相器）构成的并联型晶体振荡器电路 工作原理：CMOS反相器并联电阻以后

31、等效成为一个高增益的反相放大器，石英晶体等效成电感，与反相器构成Pierce电路。 1输出复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础55串联型石英晶体振荡电路 电容三点式电路。由于石英晶体的选频作用，即使LC回路的振荡频率略有偏差，仍然只有频率等于 fg 的信号能够产生反馈，形成稳定的振荡。 VCCC2C1L复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础56用数字电路（TTL反相器）构成的串联型晶体振荡器电路 工作原理：TTL反相器并联电阻以后等效成为一个高增益的反相放大器，两个反相器串联成为一个同相放大器。石英晶体等效成串联谐振回路，只有频率等于fg的信号能够构成正反

32、馈。1输出1复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础57石英晶体振荡器的特点和注意事项 l由于石英晶体的高度稳定性，石英晶体振荡器具有极高的频率稳定度。l泛音晶体问题：l石英晶体的基频一般只能做到230MHz，高于此频率的只能利用晶体的高次谐波，称为泛音晶体。l利用泛音晶体构成振荡器，需要在电路中增加LC滤波网络滤除基频。LC滤波网络应该调谐在所需的谐波频率上，一般采用串联型振荡器。l激励功率问题：l石英晶体有激励功率的限制，应注意不得超过。否则可能造成晶体震碎的后果。 复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础58实际振荡器电路中的几种特殊现象 一、间歇振荡 现

33、象：振荡时有时无复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础59原因：振荡建立时间 与LC回路QL值有关。QL大建立时间长，QL小建立时间短。偏压建立时间 与振荡电压的振幅有关，与直流偏置电路RC时间常数有关。平衡条件 |T|=1。要求起振时 |T|1，偏压建立后 |T|=1。若振荡建立时间 1 的状态，则振荡器重新起振，重复上述过程，形成间歇振荡。解决方法：提高LC回路QL值，使振荡建立时间加大。减小直流偏置电路RC时间常数，使偏压建立时间减小。复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础60二、频率占据现象： 在LC振荡回路中注入一个频率fs的信号，当fs接近f0时

34、，振荡器会受外加信号的影响，振荡频率向fs靠拢；当fs进一步接近f0时，振荡频率甚至会等于fs，产生强迫同步现象。当fs离开f0时，则发生相反的变化。 fsf0|fs f0|2f复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础61原因： 外加的信号在LC回路的带宽以内时，将改变振荡器的相位平衡条件，从而使振荡器在一个偏离f0的频率上满足相位平衡条件。频率占据的带宽为： 式中vs为注入信号的电压（等效到振荡器的输入端），vf为振荡器的反馈电压（在振荡器的输入端测量）。 由上式可知，QL大的回路不容易产生频率占据现象。 02sLfvffQv复旦大学电子工程系 陈光梦2022-6-26高频电路基础62三、频率拖曳 现象： 在振荡回路存在耦合回路（双调谐回路）时，