《高频电子线路》-第4章

4.1反馈型正弦波振荡器4.1.1反馈型正弦波振荡器的工作原理1．组成框图和基本原理反馈型正弦波振荡器是一个由基本放大器和正反馈网络及选频网络组成的闭合环路，正反馈网络通常由无源选频网络构成，其组成原理如图4-1所示。2．振荡的平衡条件和起振条件当反馈型正弦波振荡器产生幅值和频率稳定的振荡信号时，电路必须处于平衡状态，也即反馈电压正好等于产生输出电压所需的输入电压下一页返回4.1反馈型正弦波振荡器3．振荡的稳定条件反馈型正弦波振荡器正常工作时应处于平衡状态，但受到某些外部因素的扰动，如电源电压波动、温度变化、噪声干扰等，将引起放大器和回路的参数发生变化。如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器不断偏离原来的平衡状态，则表明原来的平衡状态是不稳定的；反之，如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能够回到原平衡点，并且在原平衡点附近建立新的平衡状态，则表明原平衡状态是稳定的。因此，振荡器应具有自动恢复到原平衡状态的能力，其中又包括振幅的稳定和相位的稳定。上一页下一页返回4.1反馈型正弦波振荡器4.1.2LC正弦波振荡器以LC谐振回路作为选频网络的反馈型正弦波振荡器称为LC振荡器，根据构成反馈的器件不同，又可分为变压器反馈式振荡器和三点式振荡器，三点式振荡器又包括电感三点式和电容三点式两类。4.1.3石英晶体正弦波振荡器石英晶体谐振器简称石英晶体，具有非常稳定的固有频率，石英晶体的相关特性在第2章已作讨论，在此不做重复。石英晶体正弦波振荡器是采用石英晶体谐振器作为选频网络构成的反馈型正弦波振荡器，与LC振荡器相比，石英晶体振荡器的主要特点是振荡频率的稳定度非常高。上一页下一页返回4.1反馈型正弦波振荡器根据石英晶体在振荡器中的作用原理，石英晶体振荡器可分成两类：一类是并联型晶体振荡器；另一类是串联型晶体振荡器。上一页返回4.2负阻型正弦波振荡器负阻型正弦波振荡器是利用具有负阻特性的有源器件直接与谐振回路相连而构成的振荡器，主要用于产生微波波段信号。具有负阻特性的器件有两大类：一类是电压控制型；另一类是电流控制型。电压控制型负阻的伏安特性如图4-12(a)所示，其电流随电压单值变化，同一电流值可以对应一个以上的电压值，但一个电压值只对应一个电流。当电压升高到一定值时，电流反而下降，这一段电压升高而电流反而下降的特性称为电压控制型负阻特性，隧道二极管等具有上述电压控制型负阻特性。电流控制型负阻的伏安特性如图4-12(b)所示，其电压随电流单值变化，同一电压值可以对应一个以上的电流值，但一个电流值只对应一个电压值，其特性曲线中斜率为负的一段具有负阻特性，称为电流控制型负阻特性，单结晶体管、雪崩管等具有上述电流控制型负阻特性。下一页返回4.2负阻型正弦波振荡器由于负阻器件有两种，故由负阻器件与LC谐振回路构成的振荡器也有两种。负阻型振荡器与反馈型振荡器都是利用器件的非线性来稳幅的，故电流控制型负阻应与串联型LC谐振回路相串联，称为串联型负阻振荡器；而并联控制型负阻应与并联型LC谐振回路相并，称为并联型负阻振荡器。其原理电路分别如图4-13(a)、(b)所示。上一页返回4.3振荡器的振幅和频率稳定度振荡器能产生所需的一定频率和幅度的正弦信号，与此同时，还必须保证输出信号的稳定，频率稳定度和幅度稳定度是振荡器的两个重要性能指标，而频率稳定度尤为重要。振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化，引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度，可用振荡频率的相对变化量来表示。下一页返回4.3振荡器的振幅和频率稳定度Δf越小，频率稳定度就越高。导致振荡频率不稳定的原因除了有温度、电源电压和负载变化等外部因素外，还要考虑电路元件参数等内部因素。因此，提高振荡器的频率稳定度要内因、外因一起考虑。对外要尽可能减小温度、电源电压和负载的变化，如采取恒温措施以减小温度变化的影响；采用高稳定度的直流电源以减小电源电压变化的影响；在负载与振荡器间加缓冲级来减小负载变化的影响等。对内要设法提高选频网络的稳频特性，选频网络的稳频特性主要取决于回路相频特性的变化率，相频特性的变化率越大，其稳频效果就越好，如选用高Q值的选频网络，提高选频网络的标准性，使谐振频率尽可能接近选频网络的谐振频率；采用参数稳定的器件构成谐振回路；采取措施设法减小晶体管对回路的影响等。上一页下一页返回4.3振荡器的振幅和频率稳定度振荡器的振幅稳定度是指由于外界条件的变化所引起的输出电压波动程度，定义为在规定的条件下输出信号幅度的相对变化量。设振荡器的输出电压标称值为Uo，实际输出电压与标称值之差为ΔU，则振幅稳定度为ΔU/Uo。振荡器的稳幅性能是利用放大器的非线性来实现的，为了加强放大器的非线性，偏置电路常采用自给偏压，也可外接非线性环节；同时采用高稳定度的直流电源、减小负载与振荡器的耦合等措施。上一页返回4.4振荡器的一些特殊振荡现象由于种种原因，在振荡器中有时会出现间歇振荡、寄生振荡、频率拖曳和频率占据等特殊现象，这些现象的出现将影响振荡器的正常工作，应加以避免。1．间歇振荡现象振荡器在建立振荡的过程中，有两个互有联系的暂态过程，一个是回路上高频振荡的建立过程；另一个是偏压的建立过程。当两个暂态过程能协调一致时，振荡与偏压能同时趋于稳定，可得幅度稳定的振荡。但由于动态元件的储能作用，要建立稳定的振荡需要有一定的时间，如果高频振荡建立较快而偏压由于偏置电路的时间常数过大导致变化过慢时，振荡器将产生周期性的起振和停振，振荡波形会出现不连续、间歇现象，称为间歇振荡现象，如图4-15所示。下一页返回4.4振荡器的一些特殊振荡现象为防止振荡器产生间歇振荡，需要合理地选择偏置电路中的电容值，使偏压的变化能够跟得上振荡幅度的变化，具体数值要通过调试决定；同时应选择Q值很高的谐振回路，Q值越高，越不容易发生间歇振荡。2．寄生振荡现象在高频放大器或振荡器中，由于某种原因会产生不需要的振荡信号，这种振荡称为寄生振荡。具体表现有：正常振荡输出波形上叠加了高频波形，如图4-16所示；输出波形不稳定，有低频调制现象；会出现振荡频率远大于正常振荡频率的信号等。上一页下一页返回4.4振荡器的一些特殊振荡现象寄生振荡的形式多样，产生原因复杂，为了防止寄生振荡的产生，就要设法破坏寄生振荡条件。通常，远低于工作频率的寄生振荡称为低频寄生振荡，主要由电路中的旁路电容、隔直电容和扼流圈引起。为消除低频寄生振荡，可适当选择旁路电容、隔直电容和扼流圈的容量；尽量减少扼流圈的个数，同时给扼流圈串接一个小电阻或并接一个大电阻以增大寄生振荡回路的损耗。远高于工作频率的寄生振荡称为高频寄生振荡，主要由晶体管极间电容、电路元件和连线存在的分布电容、分布电感所引起。为消除高频寄生振荡，一方面，在满足电路起振和频率稳定度的前提条件下，晶体管的跨导和特征频率不宜过高；另一方面，可采取合理的安装工艺，如元件的安装位置应使输出回路与输入回路的寄生耦合最小；上一页下一页返回4.4振荡器的一些特殊振荡现象大容量的旁路电容和隔直电容上并接一个小容量的电容，以便对高频短路；选用粗而短的引线以减小引线的分布电容、分布电感等方法，都可以消除寄生振荡。3．频率拖曳现象振荡器为了将信号传送到下一级负载上，往往要采用互感或其他耦合形式，一旦耦合系数过大，而负载又是一个调谐回路时，则调节次级回路，振荡频率会随之变化，甚至产生频率跳变，这一现象称为频率拖曳现象。为避免产生频率拖曳现象，应减小振荡信号传送至负载的耦合系数或减小次级回路的Q值。另外，应使次级回路频率远离所需的振荡频率范围。上一页下一页返回4.4振荡器的一些特殊振荡现象有时，在某些由负阻器件构成的微波振荡电路中，可利用频率拖曳，用高Q值和高稳定参数的次级回路进行稳频，这种稳频方法称为牵引稳频。4．频率占据现象在一个振荡频率为f0

的振荡器中，若从外部引入一频率为fS

的信号，当fS

接近振荡器原来的振荡频率时，会发生频率占据现象。表现为当fS

接近f0

时，振荡器受外加信号影响，振荡频率向接近fS

的频率变化甚至等于外加信号频率，产生强迫同步。这种现象称为频率占据，其实质是用外来信号（注入信号）来锁定振荡器的相位，故又称为注入锁相现象。上一页下一页返回4.4振荡器的一些特殊振荡现象振荡器的频率占据带宽同外来信号电压与反馈电压的比值成正比，而与谐