通信電子線路10

1、射頻通信電路振蕩器東南大學(xué)ASIC中心huan第七章振蕩器振蕩器功能：不需要輸入信號就能自動的將直流電源的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟l率和振幅的交變能量的電路頻率頻率的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度振幅振幅的大小與穩(wěn)定性波形及波形的失真輸出功率能帶動一定阻抗的負(fù)載反饋型振蕩器振蕩器的指標(biāo)：按電路原理分負(fù)阻型振蕩器振蕩器的分類按輸出波形分正弦波、方波、三角波等反饋型正弦波振蕩器電路原理及性能本章主要內(nèi)容電壓頻率振蕩器原理7.1反饋型振蕩器的基本原理7.1.1 反饋型振蕩器的基本組成與平衡條件1. 基本組成反饋型振蕩器基于放大與反饋的機理帶反饋的放大電路V&= A& ( jw )V&oiV&=

2、 F& ( jw )V&FoV&= V&+ V&isF= V&A&A&= o 1 - A& F&反饋放大器的增益:V&fs= V&A&說明什么？不需要輸入信號A&= o V&1 - A& F&fsV&（V&A& f= 0 ）A& F& = 1=® ¥ o 當(dāng)時V&Ss就有輸出反饋型振蕩器基本組成閉環(huán)回路振蕩器V&= 0&&反饋支路Vi = V放大器SF如何保證單一頻率的

3、正弦波？閉環(huán)回路中必須有一選頻回路或選頻放大器A& ( jwosc ) × F& ( jwosc ) = 1或選頻反饋只能在頻率 wosc 上滿足帶選頻反饋支路的反饋型正弦波振蕩器帶選頻放大器的反饋型正弦波振蕩器起振條件平衡條件穩(wěn)定條件振蕩器的三個條件2. 平衡條件反饋振蕩器的環(huán)路增益為：T&( jw ) = V&= A& ( jw ) × F& ( jw ) F V&iT&( jwosc ) = 1振蕩平衡時,在頻率 wosc 處有:平衡條件振幅平衡條件： T&( jw osc )A& ( j

4、w osc ) × F& ( jw osc )= 1環(huán)路增益的模為1相位平衡條件： jT& ( jw) = j A& ( jw) + j F& ( jw)oscoscosc= 2np(n=0,1,2)環(huán)路增益的相移為0，即 V&與 V&同相，滿足正反饋條件Fi相位平衡條件分析如何保證正反饋？變壓器的同名端必須正確相位平衡條件的應(yīng)用？可用來求振蕩器的振蕩頻率A& ( jw)F ( jw)注意j求 T&( jw)為求相移T& ( jw )&VoViV& &&&放大器的增益為：

5、A( jw ) = V&w )= o gZ ( jZ&( jw)miV&NF& ( jw ) =n = n 2 F 反饋系數(shù)為：V&No1T&( jw) = A（&jw) × F& ( jw) = g&m Z& ( jw) × F&振蕩器的環(huán)路增益g&mT&( jw ) = A& （jw ) × F& ( jw ) = g& m Z& ( jw ) × F&由環(huán)路增益表達(dá)式環(huán)路總相移應(yīng)滿足：j &T (

6、jw )= j g&m+ j z&( jw )+ j &F= 0LC諧振回路相移放大器跨導(dǎo)相移反饋網(wǎng)絡(luò)相移即：jLC回路相頻特性+ j)F&什么頻率值時能滿足此條件？» -arctg 2Q w - w 0jz&( jw )w 0交點交點 j &T ( jw )= 0相位平衡相位平衡點的頻率值即振蕩頻率 woscwosc¹ w0= w0問題：為什么？wosc什么時候j &j和都很小，&Fgm而且?guī)缀醪浑S而變化當(dāng)管子的特征頻率選得合適時： jg&= 0mF&本電路反饋系數(shù)是j= 0F&變壓器

7、的匝數(shù)比 n ，j &T ( jw )= jg&m+ jz&( jw )wosc+ j &F= w0j & » j &TZ結(jié)論：決定了相位平衡條件振蕩頻率當(dāng)管子和反饋網(wǎng)絡(luò)引入的相移可以忽略時，振蕩頻率等于選頻回路的中心頻率主要取決于環(huán)路增益的相頻特性選頻回路的相頻特性回路Q越大，相頻特性的斜率越陡，選頻、濾波特性越好7.1.2起振條件振蕩如何產(chǎn)生？為了保證輸出信號從無到有幅度不斷增長，起振時要求：VF反饋電壓> VV同相，且Fi輸入電壓 Vi（1）振幅條件= V&環(huán)路增益T = AF大于1增益越大越易起振A& (

8、jw ) × F ( jw )T&( jw )&=> 1 F V&i（2）相位條件j &= j &+ j &T ( jw )A( jw )F ( jw )環(huán)路增益的相位為0滿足正反饋條件= 0平衡？振蕩器的起振過程分析？振蕩如何從無起振時放大器的工作條件和狀態(tài)放大器 小信號、線性工作狀態(tài)，高增益A，可用晶體管交流小信號等效電路計算增益必須設(shè)置合適的工作點起振過程中放大器工作狀態(tài)的變化Vi ­­不能用小信號等效電路出現(xiàn)諧波，輸出波形失真VF > Vi大信號非線性環(huán)路增益T > 1小信號放大器線性為保證

9、正弦波振蕩，要求選頻回路必須高Q？ 從起振的AF > 1平衡時的AF = 1環(huán)路中一定有一個非線性器件參數(shù)隨信號大小變化而變化非線性器件是晶體管晶體管大信號非線性A 下降增益壓縮選頻回路反饋變壓器T=AF>1 下降A(chǔ)F =1 平衡注意：區(qū)分起振和平衡時放大器的不同狀態(tài)晶體管大信號工作給振蕩器帶來的問題及解決方法非線性出現(xiàn)諧波需選頻濾波飽和截至大信號工作晶體管輸出阻抗影響選頻回路Q值減少晶體管的非線性采取措施保證AF>1AF=1的過渡措施1.用差分放大器代替單管放大器伏安特性雙曲正切函數(shù)Vi ­，電流常數(shù)放大器增益下降但晶體管沒有飽和措施2.閉環(huán)增益自動特點：外電路檢

10、測幅度，增益，使晶體管不達(dá)飽和措施3.采用偏置電路的負(fù)反饋帶選頻放大器和變壓器反饋的振蕩器交流通路VccE=Rbb 2R+ Rb1b2帶偏置的完整電路Rb1Rb 2R =R、R、R直流偏置電阻交流旁路電容b1b2bR+ RECEb1b 2CB隔直流電容起振過程中，由于管子的非線性Ie=Ib=平均分量和均增大結(jié)果：工作點左移管子趨于截至增益A下降A(chǔ)F=1平衡稱為自偏置效應(yīng)帶自偏置效應(yīng)的振蕩器的特點起振過程有直流負(fù)反饋 利用管子趨于截至而不是飽和使增益下降使選頻回路Q不受影響選頻特性好振蕩器的環(huán)路增益 T 隨Vi的變化曲線比等偏置電路更陡7.1.3振蕩器的穩(wěn)定條件不穩(wěn)定？穩(wěn)定？振蕩器的平衡穩(wěn)定經(jīng)過

11、外界擾動，系統(tǒng)能自動恢復(fù)（靠近）到原平衡位置1. 振幅穩(wěn)定條件¶T< 0¶V平衡點i結(jié)論： 為使振幅穩(wěn)定，振蕩器的振蕩特性曲線 T Vi在平衡點處必須是負(fù)斜率的，且曲線越陡，穩(wěn)定性越好。振幅穩(wěn)定條件分析曲線AT Vi振蕩曲線曲線BT > 1自動起振起始點軟激勵曲線A¶TT = 1< 0平衡點且穩(wěn)定¶V平衡點iT < 1 不能起振起始點硬激勵曲線B¶T ¶VT = 1T = 1> 0平衡點M ：但不穩(wěn)定平衡點i¶T< 0且穩(wěn)定平衡點N ：¶V平衡點i2.相位穩(wěn)定條件討論相位穩(wěn)定前應(yīng)

12、明確：正弦振蕩 v(t) = Vm cosw × t頻率和相位的關(guān)系w = df相位超前，頻率必然上升dt相位，必然是頻率下降振蕩器的相位穩(wěn)定條件也就是振蕩器的頻率穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件：¶jT¶w< 0平衡點結(jié)論：為使相位穩(wěn)定，振蕩器的環(huán)路增益的相位頻率特性jT w在平衡點處必須是負(fù)斜率的。w = df相位超前，頻率必然上升dt相位，必然是頻率下降相位穩(wěn)定條件分析環(huán)路增益的相位：jT= j gm+ j F + j Z¶jg¶j¶j¶j¶j= m +F +z » T ¶w z ¶w

13、¶w¶w¶w因為 j g和j F 幾乎不隨頻率而變mw - w0j= -arctg 2Q并聯(lián)諧振回路的相頻特性wze0jZ w曲線是負(fù)斜率的，所以，振蕩器是相位穩(wěn)定的相位穩(wěn)定性頻率穩(wěn)定性的優(yōu)劣¶jT¶wjT w相頻曲線越陡，即越大，穩(wěn)定性越好w - w0 ) = - 2Qe¶jT¶w» ¶jz¶¶w=(-arctg 2Qw0w0¶weww00結(jié)論：選頻回路的 Q 值越高，振蕩器的頻率穩(wěn)定性越好外界擾動使電路參數(shù)變化小結(jié)：分析反饋型振蕩器時，首先要抓住以下幾個要點：（1）包含一

14、個合適偏置的可變增益放大器。：振蕩電路的合理性（2） 閉合環(huán)路是正反饋（3） 有選頻回路（4） 環(huán)路增益T的相頻特性為負(fù)斜率進(jìn)一步計算：（1）環(huán)路增益 T ( jw )是否大于1？（2）按照相位平衡條件計算振蕩頻率。7.2LC 振蕩器7.2.1LC 振蕩器的兩個晶體管放大器反饋網(wǎng)絡(luò)反饋型振蕩器的三個部分選頻網(wǎng)絡(luò)LC諧振回路（1）反饋電壓的提取必須保證正反饋正反饋eggmveb實數(shù)m1gmCgsLC回路諧振純電阻b共基放大器共基同相放大器c負(fù)反饋b_gm實數(shù)LC回路諧振純電阻g vm beCgsrp+e共射反相放大器共射放大器必須注意反饋電壓提取，以保證正反饋c（2）對 LC 回路 Q 值的影響

15、保證選頻回路Q值高的必要性提高頻率穩(wěn)定度反饋支路將晶體管 放大器的輸入阻抗 直接并聯(lián)在回路兩端Ri = rp問題：降低了回路Q解決方法：阻抗變換后接入回路阻抗變換方法 變壓器互感耦合LC振蕩器 部分接入三點式LC振蕩器 R = r ip7.2.2電路互感 LC 振蕩器特點： 用變壓器進(jìn)行阻抗變換，以保證高Q注意變壓器同名端，以保證正反饋共射組態(tài)共基組態(tài)變壓器同名端變壓器同名端R¢ = ( N1 )2 R(N > N )阻抗變換12iiN21w» w=振蕩頻率osc0LC7.2.3三點式振蕩器電路特點： 用電抗部分接入進(jìn)行阻抗變換，以保證高Q注意電抗元件的放置，以保證正

16、反饋電抗元件部分接入進(jìn)行阻抗變換形式：page20參考電容部分接入電感部分接入C1RL2RP =R¢ =¢ =PL =RcC + C2PcL1 + L22PL121共基組態(tài)同相放大器回路諧振純電阻w=振蕩頻率oscC(L + L )12共基組態(tài)三點式特征：C1C2 相同性質(zhì)電抗電容反饋電壓取自相阻抗變換：抗元件反饋電壓與輸入同相1=1RR = R/w¢R =振蕩頻率oscE C Cg2PL12C1 + C2m共射組態(tài)三點式分析從相抗元件抽頭反饋從不抗元件抽頭反饋L2問題：放置電抗元件？L11.推導(dǎo)晶體管和振蕩器三點式振蕩器的一般規(guī)則電抗元件3忽略晶體管極間電容、跨

17、導(dǎo)的相移以及晶體管輸入阻抗對回路的影響推導(dǎo)：滿足正反饋條件時，三個電抗元件如何放置？解：代入晶體管等效電路，在 X 斷開， 由于振蕩頻率為回路中心頻率，所以Vo = gm RPVi= 0RP是回路諧振阻抗，且3× X 2= g×V則：VRF2mPiX1結(jié)論：為保證 VF與 Vi同相，電抗X 2 與X1 必須同性質(zhì)三點式振蕩器的一般規(guī)則與發(fā)射極相聯(lián)的兩個電抗元件必須同性質(zhì)，而另一個電抗元件為異性。共射組態(tài)共基組態(tài)電容三點式LC振蕩器電感三點式LC振蕩器2. 改進(jìn)型電容三點式振蕩器考慮極間電容后C1¢ = C1 + CceCceC¢ = C+ C22be振蕩

18、頻率為:1111< w=w¢=oscoscC¢C¢LCC CLCSL12SL12C1 + C2C1¢ + C2¢C1C2為提高振蕩頻率，必須減小問題：C1 C2減小，必然擴(kuò)大了極間電容對振蕩頻率的影響使頻率穩(wěn)定性變差Cbe改進(jìn)型電容三點式典型電路克拉潑振蕩器電路分析： NPN管，電源 VCC為正，負(fù)載Rb1、Rb2、RE，RL直流偏置旁路電容 CB高頻扼流圈 RFCC1、C2、C3、L 選頻回路C3,（C3<<C1、C3 << C2改進(jìn)點回路中串一小電容）交流通路圖回路總電容CS = C1 / C2/ C3

19、87; C311w=»振蕩頻率oscLCLCS3改進(jìn)型電容三點式振蕩器的優(yōu)點提高振蕩頻率回路總電容為三電容串聯(lián)，振蕩頻率取決于小電容 C3減小極間電容影響，提高頻率穩(wěn)定性用增大電容C 1C 2 來減小極間電容的影響，、但并不降低振蕩頻率C3為提高頻率而一味減小，會出現(xiàn)什么問題？最后因為環(huán)路增益T 不夠大 停振克拉潑電路改進(jìn)電路目的 : 有效的調(diào)整頻率，而不影響環(huán)路增益，防止停振電路特點：的兩端并聯(lián)一個電容C4在電感L» C3 + C4CS回路的總電容為振蕩頻率：11w=oscL(C + C )LCS34C4調(diào)整頻率方法：調(diào)整C4優(yōu)點：調(diào)整時，不改變共基放大器輸出端的接入系數(shù)

20、7.2.4負(fù)阻 LC 振蕩器思路：采用有源阻抗變換電路振蕩器（2）添加直流電源（1）交流通路圖Q1 共基放大器，Q2射極跟隨器阻抗變換正反饋電路變形121 L2LAB2C2CLC并聯(lián)回路（品質(zhì)因數(shù)Q0 ）交叉耦合的晶體管Q1 Q2正反饋負(fù)阻LC振蕩器結(jié)構(gòu)特點：集成場效應(yīng)管負(fù)阻型 LC 振蕩器電路M1 、M 2為振蕩管，M 3、M 4鏡象電流源提供直流偏置回路電感：L = L1+ L2 = 6.4nH回路電容（漏極極間電容等）Cå = 1.2 pF1f= 1.8GHZ諧振頻率o2pLCSLC 振蕩器小結(jié)：互感耦合 LC 振蕩器三點式 LC 振蕩器負(fù)阻 LC 振蕩器型1. 常用的三種形式：2.三點式振蕩器的基本原則是：與發(fā)射機（源極）相聯(lián)的兩