反饋型振蕩器的振蕩條件

1、反饋型振蕩器的振蕩條件一個(gè)反饋振蕩器要產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩必須滿足三個(gè)條件：起振條件, 保證接通電源后能逐步建立起振蕩；平衡條件，保證起振之后能夠進(jìn)入維持等幅持續(xù)振蕩的平衡狀態(tài)；穩(wěn)定條件，保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞。1 起振過程與起振條件起振過程是指接通電源后，振蕩從無到有的建立過程。起振條件又稱自激條件。它表示振蕩電路在接通電源時(shí)，輸出信號從無到有建立起來應(yīng)滿足的條件。振蕩器最初的激勵(lì)從何而來？第一，來源于放大管基極電壓，電壓在開機(jī)后由零升至定值，就相當(dāng)于接入一個(gè)階躍信號，此階躍信號含有多種頻率分量；第二，電路各部分存在許多形式的擾動(dòng)，如管子的內(nèi)部噪聲、輸入回路電阻的熱噪聲等，這

2、些噪聲和干擾所含有的頻率成分十分豐富。這些微小的擾動(dòng)電壓或電流經(jīng)過振蕩器放大管的放大，加至負(fù)載回路及反饋網(wǎng)絡(luò)，由于負(fù)載諧振回路的選頻作用，只有與諧振回路的固有諧振頻率相同的那個(gè)頻率成分才能在負(fù)載回路兩端產(chǎn)生電壓。由于正反饋的存在，這一微弱信號經(jīng)過放大，反饋，再放大，再反饋，往復(fù)循環(huán)在信號較小的起振階段，每次返回至輸入端信號的幅度總要比前一次的大，振蕩幅度不斷增加，完成起振過程。反饋型振蕩器組成框圖將閉合環(huán)路在“X”處斷開，并定義環(huán)路增益 根據(jù)上述分析，可直接寫出振蕩器的起振條件為 即環(huán)路增益 （）式（）為復(fù)數(shù)形式，。令，式（）可表示為振幅起振條件 （5.2.6a） 相位起振條件 （b）式中表示

3、開環(huán)環(huán)路增益的相角，為基本放大器輸出電壓與輸入電壓的相位差，為反饋網(wǎng)絡(luò)的相移。 振幅的起振條件（5.2.6a）要求，即反饋信號幅度大于前一次的信號輸入；（b）為相位起振條件，要求在環(huán)路起振過程中，環(huán)路始終保持正反饋。2 平衡過程與平衡條件由于放大器的線性范圍是有限的，因此振蕩幅值的增長過程不可能無止境的延續(xù)下去。隨著振幅的增大，放大器逐漸由放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，工作于非線性的甲乙類狀態(tài)，其增益逐漸減小。當(dāng)減小到使環(huán)路增益，即每次循環(huán)中反饋電壓等于上一次的輸入信號電壓時(shí)，振幅的增長過程將停止，振蕩器進(jìn)入等幅振蕩的平衡狀態(tài)。此時(shí)，每個(gè)振蕩周期中，直流電源補(bǔ)充給LC振蕩回路的能量正好等于回路損耗

4、的能量。所以反饋振蕩器的平衡條件為 （）式中放大器的增益和反饋系數(shù)均為復(fù)數(shù)，因而可將式分解為振幅平衡條件： （5.2.8a）相位平衡條 （b）振幅平衡條件（5.2.8a）決定了振蕩器輸出信號的幅值；相位平衡條件（b）決定了振蕩器輸出信號的頻率。振蕩器的相位平衡條件表述的是正反饋，也就是說僅在特定頻率點(diǎn)上才滿足嚴(yán)格的正反饋，在其它頻率點(diǎn)上無法滿足正反饋條件，所以相位平衡條件決定了反饋振蕩器的振蕩頻率。振蕩器的振幅平衡條件是由放大器中晶體管的非線性來保證的。在起振時(shí)，反饋網(wǎng)絡(luò)提供的正反饋總是大于前一次反饋，隨著輸入信號幅度的增加，管子在輸入信號的正半周進(jìn)入飽和區(qū)，在輸入信號的負(fù)半周進(jìn)入截止區(qū)，也就

5、是當(dāng)輸入信號增加到一定程度后，會(huì)出現(xiàn)切頂現(xiàn)象，雖然不是正弦波形，但由于諧振回路的選頻特性，可選出其基波分量，其輸出的電壓仍為正弦波形。環(huán)路增益的模值必須具有隨振蕩電壓振幅增大而下降的特性才能滿足振幅的起振條件和平衡條件。滿足起振條件和平衡條件的環(huán)路增益特性一般放大器的增益特性曲線均具有上述的形狀，只要保證起振時(shí)環(huán)路增益幅值大于，環(huán)路增益的相位維持在上即可起振。起振時(shí)，輸入信號迅速增長，而后減小，的增長速度變慢，直到，停止增長，振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)，維持幅值為的等幅振蕩，振蕩建立過程的波形。放大器的非線性可以保證振蕩的振幅平衡條件，從而使振蕩達(dá)到平衡。在振蕩建立過程中，環(huán)路增益大于1，放大器的輸入

6、信號不斷增大。放大器從小信號工作狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮盘柟ぷ鳡顟B(tài)，若外界不采取任何附加措施，僅靠晶體管自行從線性放大過渡到非線性放大，即發(fā)生飽和、截止。必須避免振蕩器的晶體管工作在飽和區(qū)，因?yàn)樵陲柡蛥^(qū)晶體管的輸出阻抗極低，并聯(lián)在諧振回路二端，將會(huì)大大降低選頻回路Q值，嚴(yán)重影響振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)的濾波、選頻功能。這將對振蕩器的頻率穩(wěn)定度產(chǎn)生災(zāi)難性的破壞。管子在增幅過程中是進(jìn)入截止區(qū)還是飽和區(qū)與晶體管的初始靜態(tài)工作點(diǎn)決定，靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在，放大器易產(chǎn)生飽和失真；通常振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在靠近截止區(qū)，如設(shè)置在，放大器遠(yuǎn)離飽和失真，易于產(chǎn)生截止失真。這并不是說，振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置的越低越好，因?yàn)殪o態(tài)工作

7、點(diǎn)過低，放大器的增益下降，會(huì)導(dǎo)致振蕩器無法起振，結(jié)論：必須合理選擇靜態(tài)工作點(diǎn)?？拷刂箙^(qū)，但要保證足夠的增益，確保起振。上面所介紹的僅靠晶體管的非線性使放大器進(jìn)入振幅平衡的方法稱為內(nèi)穩(wěn)幅。為了減弱管子非線性工作程度，改善輸出波形，減小失真，在電路設(shè)計(jì)時(shí)可采取一些外界措施，幫助振蕩器從起振過程中的自動(dòng)調(diào)整為平衡時(shí)的，這種方法稱為外穩(wěn)幅方法。在實(shí)際電路中，為了幫助振蕩器將起振過程中的狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整為平衡時(shí)的狀態(tài)，通常采用圖5-10所示的電路形式，這是一帶有直流負(fù)反饋電阻的振蕩電路。圖（a）為實(shí)用電路，如不考慮反饋，實(shí)際上就是一個(gè)小信號調(diào)諧放大器；圖（b）為等效直流偏置電路。帶有偏置的反饋型振蕩器電

8、路圖（b）中 （）為了避免在增幅過程中，晶體管進(jìn)入飽和區(qū)，通常振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在靠近截止區(qū)。剛起振時(shí)，幅度很小，晶體管工作在甲類，流過晶體管的平均直流分量等于晶體管的靜態(tài)工作電流。當(dāng)幅度達(dá)到一定程度時(shí)，電流下半部分進(jìn)入截止區(qū)，電流波形上、下不對稱，此時(shí)平均直流分量增加。因?yàn)?，發(fā)射極偏置電阻上的電壓增加，由式（）可知基極偏壓由大變小，由正向負(fù)變化，放大器的工作狀態(tài)由甲類向甲乙類、乙類、丙類轉(zhuǎn)化，這種現(xiàn)象稱為自給偏置效應(yīng)。直流偏置點(diǎn)隨著起振的過程不斷降低，工作點(diǎn)越低，導(dǎo)通角就越小，放大器增益的幅值也隨之減小，直到時(shí)，增幅過程停止，振蕩器最終達(dá)到振幅平衡，維持等幅振蕩。振蕩器處于平衡狀態(tài)時(shí)，放

9、大器工作于丙類狀態(tài)，晶體管集電極電流中有很多諧波成分，甚至出現(xiàn)凹陷，如圖5-11所示。但選頻回路良好的選頻濾波特性使得振蕩器的輸出仍為正弦波形。圖5-11 振蕩器的自給偏置效應(yīng)根據(jù)電路中振蕩建立后，產(chǎn)生自給負(fù)偏壓這一物理事實(shí)，判斷一個(gè)振蕩器是否起振。設(shè)法測出在消除正反饋之前和之后的，觀察其變化。若除去正反饋后，器件的正向偏壓加大，或是由反向偏壓變?yōu)檎蚱珘海瑒t意味著電路已起振，如將圖5-10中的次級線圈短路。帶有自偏置電路振蕩器的環(huán)路增益隨變化的曲線由圖知，具有自偏壓振蕩器環(huán)路增益的變化率要比固定偏置的振蕩器陡,這樣起振過程到平衡狀態(tài)的過渡時(shí)間就短。采用自偏置方法的優(yōu)點(diǎn)是避免了通過晶體管的飽和

10、來達(dá)到振幅平衡，而是讓晶體管在振蕩周期的一周內(nèi)有一部分時(shí)間是截止的。這樣，對選頻回路Q值的影響就很小，也即對選頻回路的選頻性能影響就很小，這對振蕩器頻率穩(wěn)定性的改善是非常有益的。3、穩(wěn)定條件原因：1 電源電壓、溫度、濕度等外界因素變化的影響，這些變化將引起管子和回路參數(shù)的變化。2振蕩電路內(nèi)部的噪聲疊加在振蕩電壓上，引起振蕩電壓幅度及其相移的起伏波動(dòng)，結(jié)果：造成和變化，從而破壞已建立的平衡狀態(tài)。1 如果通過放大和反饋的反復(fù)循環(huán)之后，振蕩器偏離原來的平衡狀態(tài)越來越遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致停振或突變到新的平衡狀態(tài)，這表明原來的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的。2若干擾因素經(jīng)過放大和反饋的反復(fù)循環(huán)，振蕩器在原來平衡點(diǎn)附近建立起

11、新的平衡，而且一旦外界干擾因素消除后，它能自動(dòng)恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，這種平衡狀態(tài)就是穩(wěn)定的。舉例說明穩(wěn)定平衡和不穩(wěn)定平衡的概念。圖5-13分別畫出將一個(gè)小球置于凸面上的平衡位置B，而將另一小球置于凹面上的平衡位置Q。顯然，圖（a）中的小球處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。因?yàn)樵谶@種情況下，稍有“風(fēng)吹草動(dòng)”，小球?qū)㈦x開原來的平衡點(diǎn)，即使消除外界干擾因素，小球再也不會(huì)回到原來的平衡點(diǎn)。，圖（b）中的小球則處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。因?yàn)樵谶@種情況下，外界因素的擾動(dòng)，會(huì)使小球偏離原來的平衡點(diǎn)，一旦外界干擾因素消除，在重力的作用下，小球就會(huì)自動(dòng)回到原來的平衡點(diǎn)。圖5-13 兩種平衡狀態(tài)示意圖振蕩器能起振并進(jìn)入平衡狀態(tài)，這

12、僅僅是建立振蕩的必要條件。為了維持振蕩，電路還必須具備抗御外界干擾，保證電路的平衡狀態(tài)不會(huì)因外界干擾而被破壞的能力，即振蕩器還必須滿足穩(wěn)定條件。穩(wěn)定條件的定義是指在某種因素作用下，使振蕩器的平衡條件遭到破壞時(shí)，它能在原來平衡點(diǎn)附近建立起新的平衡，一旦外因消除后，它自動(dòng)地恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。振蕩器的穩(wěn)定條件包括兩個(gè)方面：振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。振幅穩(wěn)定條件圖5 14所示的環(huán)路增益特性，滿足振幅起振條件和振幅平衡條件，圖5 14 環(huán)路增益特性曲線問題：圖5 14 環(huán)路增益特性曲線曲線是否滿足振幅穩(wěn)定條件?振幅穩(wěn)定條件要求振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力。振蕩器在點(diǎn)滿足，所以點(diǎn)為平衡

13、點(diǎn)。點(diǎn)的右邊，即，是輸入信號幅值不斷減小的減幅區(qū)。左邊，進(jìn)入增幅區(qū)。假設(shè)振蕩器處于平衡狀態(tài)點(diǎn)，由于某種原因，使增加， 右移，進(jìn)入減幅區(qū)，輸入信號的幅值自動(dòng)減小回到點(diǎn)；反之，若外界原因使減小，左移，進(jìn)入增幅區(qū)，輸入信號的幅值自動(dòng)增大回到點(diǎn)，結(jié)論：所以點(diǎn)具有阻止振幅變化的能力。是穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。當(dāng)外因使振蕩器進(jìn)入減幅區(qū)，阻止振蕩器幅度增加，從而維持在Q點(diǎn)不變；若外因使振蕩器進(jìn)入增幅區(qū)，阻止振蕩器幅度減小，從而維持在Q點(diǎn)不變，Q點(diǎn)的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。 VIC：振幅平衡的穩(wěn)定條件是： （）物理意義：在平衡點(diǎn)附近，環(huán)路增益的幅頻特性具有負(fù)斜率的變化規(guī)律，也就是說，放大器的增益隨輸入信號幅度的增加而減小，越

14、大，電路自動(dòng)調(diào)節(jié)振幅的能力越強(qiáng)。軟激勵(lì)：振蕩器在起振時(shí)，滿足處于增幅振蕩狀態(tài)，無需外界激勵(lì)就能自動(dòng)起振，自動(dòng)進(jìn)入平衡狀態(tài)，并具備維持平衡狀態(tài)的能力，這種特性稱為軟激勵(lì)。硬激勵(lì)：若晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)選得太低，過于靠近截止區(qū)，反饋系數(shù)又太小，接通電源后，AF<1,不滿足振幅的起振的條件，因此它不能自動(dòng)起振。必須在起振時(shí)額外加一個(gè)沖擊信號，使信號幅值超過P點(diǎn)，使振蕩器進(jìn)入增幅區(qū)，到Q點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定。關(guān)機(jī)后，再接通電源，若無外界激勵(lì)，振蕩無法建立起來。對于這種振蕩器，需要預(yù)先施加一個(gè)沖擊信號才能起振的現(xiàn)象稱為硬激勵(lì)，如圖圖5 15 硬激勵(lì)特性 一般情況下，只要靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)合理，反饋系數(shù)不要過分小，

15、就可使振蕩器工作在軟激勵(lì)狀態(tài)下。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免工作在硬激勵(lì)狀態(tài)。相位穩(wěn)定條件實(shí)質(zhì)上，相位穩(wěn)定條件就是頻率穩(wěn)定條件， 角頻率與相位的內(nèi)在關(guān)系當(dāng)外因引起振蕩器相角的變化，即反饋電壓超前于原來的輸入電壓，相當(dāng)于提前給回路補(bǔ)充能量，振蕩頻率就增加了； ，即反饋電壓滯后于原來的輸入電壓，振蕩頻率就下降。結(jié)論：外因引起相位變化，相位變化又引起頻率變化的趨勢 即 （）振蕩器的相位受到干擾而發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種結(jié)果1這種相位擾動(dòng)會(huì)無止境地發(fā)展下去，以致于使振蕩器離開原有的相位平衡點(diǎn)，破壞正常工作狀態(tài)，則這種相位平衡是不穩(wěn)定的；2 如果振蕩器的相位受到干擾而發(fā)生變化時(shí)，振蕩器內(nèi)部能夠產(chǎn)生一個(gè)新的相位變化量，這個(gè)

16、變化量與外因引起的相位變化的符號相反，可削弱或抵消由外因引起的相位變化，則這種相位平衡就是穩(wěn)定的。外因引起的頻率隨相位變化的趨勢，為了使振蕩器的相位平衡滿足穩(wěn)定條件，必須使得振蕩器頻率變化時(shí)產(chǎn)生相反方向的相位變化，以補(bǔ)償外因引起的相位變化。相位平衡的穩(wěn)定條件為 （）物理意義：相頻特性曲線在工作頻率附近的斜率是負(fù)的。越大，振蕩器的穩(wěn)頻能力越強(qiáng)。下面將分析由諧振回路作為負(fù)載的反饋振蕩器是否符合相位平衡的穩(wěn)定條件？反饋振蕩器的相移 ，式中的為晶體管正向傳輸導(dǎo)納的相移；為回路的相移；為反饋網(wǎng)絡(luò)的相移。由晶體管引入的相移和反饋網(wǎng)絡(luò)引入的相移，可近似認(rèn)為與頻率無關(guān)，而放大器的負(fù)載并聯(lián)諧振回路引入的相移對頻

17、率十分敏感，即有 相位平衡的穩(wěn)定條件可表示為結(jié)論：并聯(lián)LC諧振回路正好具有這種相頻特性。圖5 16 LC諧振回路的相頻特性曲線i) 當(dāng)外界干擾引入時(shí)，工作頻率將由增加為，即，由圖5 16所示，這時(shí)諧振回路將引入相移，用以抵消由外因引起的相位變化，將振蕩頻率牽引回原有的頻率，工作頻率的變動(dòng)得到控制。當(dāng)干擾當(dāng)外界干擾離去以后，工作頻率依舊回到。ii) 反之，若由外界干擾引入導(dǎo)致工作頻率降低，諧振回路將引入，抵消由外因引起的相位變化，從而維持振蕩頻率的穩(wěn)定性。綜上所述，放大器的非線性可以滿足振蕩器振幅平衡的穩(wěn)定條件；并聯(lián)諧振回路阻抗的相頻特性可以滿足振蕩器相位平衡的穩(wěn)定條件，也就是說，以并聯(lián)諧振回路

18、作為負(fù)載的LC振蕩器具有穩(wěn)定相位平衡的能力，且諧振回路的Q值越高，這種穩(wěn)頻能力就越強(qiáng)。 反饋型振蕩器的基本分析方法反饋型振蕩器的基本工作原理：一個(gè)簡單的反饋型振蕩器包括一個(gè)以并聯(lián)LC諧振回路作為負(fù)載調(diào)諧放大器，同時(shí)配置合適的直流偏置電路，以使晶體管處于正確的工作狀態(tài)，反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出的一部分反饋回輸入端。要求必須滿足正反饋。LC振蕩器可用來產(chǎn)生幾十千赫到幾百兆赫的正弦波信號。根據(jù)晶體管接地電極的不同，可分為共射（共源）組態(tài)、共基（共柵）組態(tài)和共集（共漏）組態(tài)。共集（共漏）組態(tài)的電壓放大倍數(shù)小于1，而電壓反饋系數(shù)大于1，這對分析和理解都增加了一些難度，這里不予討論。主要討論共射和共基兩種組態(tài)。（？共集（共漏）組態(tài)最重要的應(yīng)用）在設(shè)計(jì)振蕩電路時(shí)必須注意兩個(gè)問題：i) 反饋電壓的提取 振蕩電路中的放大器有三種組態(tài)：共基、共集、共射。共基、共集放大器為同相放大器，共射為反相放大器。反饋提取時(shí)，必須滿足正反饋，才可能產(chǎn)生振蕩。ii) 對并聯(lián)LC回路Q值的要求 并聯(lián)LC諧振回路的Q值反映了回路選頻特性的好壞， Q值越高，振蕩器的頻率穩(wěn)定度就越高；Q值過低，造成兩個(gè)不良后果1調(diào)諧放大器的諧振電阻就很小，放大器的增益也就很小，起