高頻電子線路Class12

1、高頻電子線路王軍王軍汕頭大學(xué)電子工程系汕頭大學(xué)電子工程系4.6 振蕩器中的幾種現(xiàn)象振蕩器中的幾種現(xiàn)象4.6.1 間歇振蕩間歇振蕩 時(shí)而振蕩時(shí)而停振的現(xiàn)象，產(chǎn)生的原因主要是由于晶體管的非線性建立起的自偏壓效應(yīng)引起的。 下面一電容反饋電路為例： 圖:電容反饋振蕩器的自偏壓等效電路(a)實(shí)際電路；(b)偏置電路(a)ReCeCbub(b)Eb020122112000bCBBBEQbebEeREERRR RRRRUEUEIR 等效的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓從圖中可以計(jì)算出(1)穩(wěn)幅建立過(guò)程 開(kāi)始時(shí)，由于環(huán)路增益大于1，故電路增幅振蕩。由于非線性原因，使集電極電流平均值IC0逐漸增大，即給電容Ce充電，Ue上升，

2、使UBE減小，最后使晶體管進(jìn)入非線性狀態(tài)，反饋電壓的正半周電容充電，負(fù)半周晶體管截止，電容放電。在某時(shí)刻t1達(dá)到平衡后，一個(gè)周期內(nèi)的充放電相等，此時(shí)環(huán)路增益等于一，進(jìn)入等幅振蕩。(1)1?TTbebbbbEQBQLbebeUUrrrIIRArAifAFthenr 直流直流（2）間歇原因 如果電容Ce過(guò)大，Re、Ce在Ub的負(fù)半周晶體管截止時(shí)放電速度較慢，當(dāng)uc( ub)開(kāi)始下降時(shí)，UBE還處于較大的自偏壓，不能跟隨uc( ub) 的變化，因此UBE會(huì)繼續(xù)下降，從而也造成環(huán)路增益小于1的減幅振蕩，直到使得在uc( ub)的正半周，晶體管依然截止，造成停振，然后Ce放電恢復(fù)到初始值，電路重新起振。

3、如下圖：導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于一個(gè)射極跟隨器導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于一個(gè)射極跟隨器, ,輸出內(nèi)阻很小輸出內(nèi)阻很小, ,時(shí)間常數(shù)很小時(shí)間常數(shù)很小, ,而截止時(shí)呢而截止時(shí)呢? ?充電的速度快于放電的速度充電的速度快于放電的速度=靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)一靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)一步左移步左移(1)TTbebbbbEQBQLbeUUrrrIIRAr 直流直流 因此，要避免間歇振蕩，要使晶體管電流放大倍數(shù)不宜過(guò)大，這樣接成反饋時(shí)輸出電阻不會(huì)太小,從而使得電容充電常數(shù)過(guò)小,即自偏壓不能建立的太多太快；二是Cb、Ce的值不宜選擇過(guò)大,過(guò)大則時(shí)間常數(shù)過(guò)大,放電速度太慢.圖427 間歇振蕩時(shí)Ub與Eb的波形4.6.2 頻率拖曳現(xiàn)象頻率拖曳現(xiàn)象 拖拽現(xiàn)象發(fā)

4、生在耦合回路做負(fù)載的反饋振蕩器中，如果耦合系數(shù)過(guò)大，而次級(jí)也是諧振回路，當(dāng)調(diào)節(jié)次級(jí)回路參數(shù)時(shí)，振蕩頻率也隨之改變。諧振回路+u2-(a)C1CbVCeC2MRbRrEcL1L2C2L2L1r1r2C1(b)(a )C1CbVCeC2MRbRrEcL1L2C2L2L1r1r2C1(b )圖428變壓器反饋振蕩器(a)實(shí)際電路; (b)耦合回路的等效電路互為同名端FA需要明確一點(diǎn)的是需要明確一點(diǎn)的是:初級(jí)回初級(jí)回路構(gòu)成振蕩電路路構(gòu)成振蕩電路,而次級(jí)回而次級(jí)回路僅僅是負(fù)載路僅僅是負(fù)載,負(fù)責(zé)輸出信負(fù)責(zé)輸出信號(hào)號(hào),只不過(guò)負(fù)載的變化會(huì)改只不過(guò)負(fù)載的變化會(huì)改變初級(jí)電路參數(shù)而已變初級(jí)電路參數(shù)而已的的情情況況。

5、條條件件，來(lái)來(lái)分分析析滿滿足足相相位位的的影影響響，即即和和忽忽略略00 LfFfF 1111112222222222222222222221()()()1()()fffffZrjLjZrjXZCMMMZZrjXrjLjCMMrjXRjXrXrX（1）如L=0，初級(jí)諧振時(shí)，次級(jí)X2=0時(shí)，即次級(jí)也諧振，那么Zf為一純阻Rf，振蕩頻率為 = 01= 02 。（2）如L=0，初級(jí)諧振時(shí)，次級(jí)X20時(shí)，那么Xf為容性電抗，使初級(jí)總電容減小，則振蕩頻率為 。（3）如L=0，初級(jí)諧振時(shí)，次級(jí)X20時(shí)，那么Xf為感性電抗，使初級(jí)總電感增大，則振蕩頻率為 。 可以看出，這種振蕩器有三個(gè)振蕩頻率(實(shí)際上不是很

6、準(zhǔn)確，他們是變化的)，它取決于初級(jí)和次級(jí)參數(shù)以及耦合系數(shù)。 12122212222222222222221222222222222()()(1)(1)(1)(1)fLLrrMMXXXXrXrk L LQ kAXXXr 即： 可以看出：當(dāng)1和02一定時(shí)，耦合越緊， 、 離 越遠(yuǎn)。圖4-29給出了耦合回路的相頻特性。回顧一下耦合回路的頻率特性就很容易理解,見(jiàn)圖2-13 耦合系數(shù)的影響 在滿足振蕩的相位條件，即L=0時(shí)，必須保證初級(jí)諧振，所以有：1和02對(duì)和 的影響 當(dāng)改變是1和02 ，即回路系數(shù)不一樣時(shí)，如果忽略了損耗電阻r的影響，則振蕩時(shí)應(yīng)滿足:圖429 阻抗ZL的幅角L的頻率特性2221112

7、02222221211121111222221111221121112()()11()()()(1)(1)frMMXXXrXXX XLLMCCLCL CL L kCC 42211212111222421122220102010224222221101020102(1)()10(1)1110(1)()0C C L LkL CL Ckk 22222222010201020102212()()4(1)2(1)kk 0220120122200201010(b )(a )1,2 2MNdecbaf0220120122200201010(b )(a )1,2 2MNdecbafM1 N1 可見(jiàn)，當(dāng)改變初級(jí)

8、或次級(jí)參數(shù)時(shí)，即改變02 和01時(shí)，振蕩頻率都會(huì)隨之改變。圖430 是I、II隨02的關(guān)系曲線。 圖430 I、II與02的關(guān)系曲線及拖曳 (a)(b) 如果設(shè)振蕩器的振幅平衡條件實(shí)際在1M1N之間，則對(duì)應(yīng)的02應(yīng)在MN之間符合振幅平衡條件。那么當(dāng)02從小到大變化時(shí)，應(yīng)先在上振蕩，即1= ，到達(dá)N(c點(diǎn))時(shí)， 再不滿足振幅條件，因此跳到(d點(diǎn)) 上振蕩，然后隨02增加而增加；當(dāng)02減小到(f點(diǎn)) N時(shí) ， 又不滿足振幅條件，因此跳到(b點(diǎn)) 上振蕩，然后隨02減小而減小。 總之：在緊耦合回路中，如變化一個(gè)回路的參數(shù)使它的諧振頻率改變時(shí)，振蕩頻率1是非單值變化，將產(chǎn)生一個(gè)拖曳環(huán)b-c-d-f-b

9、,如果02位于MN之間，那么當(dāng)有一個(gè)干擾，就可能引起振蕩頻率發(fā)生突變。這就是引起振蕩頻率發(fā)生突變。這就是振蕩器的頻率拖曳現(xiàn)象。 因此，在實(shí)際不需要拖拽現(xiàn)象或可能減弱拖拽現(xiàn)象，應(yīng)采取的措施為： 1.減小耦合系數(shù)k，或減小Q值 2.選擇次級(jí)回路諧振頻率遠(yuǎn)離振蕩頻率，然后可通過(guò)調(diào)整初級(jí)的諧振頻率01來(lái)調(diào)整1的頻率。4.6.3 振蕩器的頻率占據(jù)現(xiàn)象振蕩器的頻率占據(jù)現(xiàn)象1 . 頻 率 占 據(jù) 現(xiàn) 象 由于外界信號(hào)fs引入了反饋回路，當(dāng)fs信號(hào)頻率接近于原振蕩頻率時(shí)，fs將對(duì)振蕩頻率產(chǎn)生牽引；當(dāng)fs在原f1附近時(shí)，f1被 fs強(qiáng)制同步，即完全占據(jù)了原來(lái)的頻率。占據(jù)特性如圖4-31ES.Ui.Ic1.Uo.

10、(a )f0fsfCfDfAfB2 f(b )fs f1fs f1Ub頻率為fS圖431(a)外來(lái)信號(hào)加入振蕩器有點(diǎn)類(lèi)似于電路、信號(hào)與系統(tǒng)、自動(dòng)控制等里面講的受迫響應(yīng)ES.Ui.Ic1.Uo.(a)f0fsfCfDfAfB2 f(b)fs f1fs f1Ub11ff 是是未未被被牽牽引引的的原原振振蕩蕩頻頻率率是是被被牽牽引引后后的的振振蕩蕩頻頻率率fAfB, fDfC是被牽引區(qū)域fBfC是完全被占據(jù)區(qū)域，其寬度叫占據(jù)頻帶圖4-31(b)外來(lái)信號(hào)帶來(lái)的頻率牽引與占據(jù)現(xiàn)象如果不牽引時(shí)的頻差振蕩頻率不受fs影響牽引時(shí)的頻差振蕩頻率完全受牽引信號(hào)的頻率所控制2.頻率占據(jù)產(chǎn)生的原因頻率占據(jù)產(chǎn)生的原因S

11、ibOEUUI c（1）當(dāng)無(wú)時(shí)，等于反饋電壓，并與輸出電壓、集電極電流 都同相位。U U112,() ,ssssCCEUEUffEtUIUIUI isbbibco（ ）當(dāng)有時(shí)，=+，當(dāng)時(shí)，落后U落后相位為因此、也要落后，因此，諧振回路對(duì)新的集電極電流，使新的輸出電感壓超前一性失諧個(gè)相位。CsCLCUEUUIff obioiL1s（3）當(dāng)達(dá)到平衡后與U 同相，U 和I一個(gè)固定相位 ，和一個(gè)固定的相位，就是回路對(duì)I 感性失諧造成的。這說(shuō)明新超前的振蕩頻率 等于.如圖4-超前32所示回憶一下頻率與相位之間的關(guān)系就很容易理解Ub.Uo.Ui.ES.0(b)(a)Uo.Ic1.Ui.Ub.ES.0LIc

12、1Ub.Uo.Ui.ES.0( b )( a )Uo.Ic1.Ui.Ub.ES.0LIc1圖432說(shuō)明占據(jù)過(guò)程的瞬時(shí)電壓矢量圖 (a)fs小于f1;(b)占據(jù)時(shí)的矢量 ()()00iObiOLibTLsEUUUUUUUcc顯然，閉環(huán)回路的的總的由回路的感性失諧補(bǔ)償（與I了由于帶來(lái)的）或超前I落后或也就是說(shuō)落后反饋電壓相，移為的相位.同理，當(dāng)Es帶來(lái)的Ui超前反饋電壓時(shí)，并聯(lián)回路諧振回路會(huì)產(chǎn)生容性失諧，造成相位滯后，從而補(bǔ)償Es帶來(lái)相位超前。由三個(gè)矢量構(gòu)成的平行四邊形關(guān)系,可得通常sinsinbLSUE 00022sintanLLfQQf 02sinSbEffU Q 回路失諧不大(失諧很大時(shí)振幅

13、條件也將不能滿足)時(shí),L不大,因此有下列近似關(guān)系:當(dāng)ES不大時(shí),可以用Ub代替Ub因而占據(jù)帶寬為：000000arctan1arctan 2pLLCrZQjQQ 可能得到的最大占據(jù)頻帶2fmax出現(xiàn)在sin的最大值1處,因此可得相對(duì)占據(jù)最大頻帶：02maxSbfEfU Q 因此，增大Q值和減小Es或增大振蕩幅值都是減小占據(jù)帶寬的有效措施。(4-87) 4.6.4 寄生振蕩寄生振蕩(Parastitic Oscillation) 由于分布系數(shù)，雜散電容和結(jié)電容，引線電感等的影響，對(duì)于一個(gè)高頻信號(hào)發(fā)大器來(lái)說(shuō)，一旦增益符合振蕩條件，有可能產(chǎn)生不需要的自激振蕩。 例如一個(gè)高頻功放電路，如圖4-33：圖

14、433 低頻寄生振蕩的等效電路和波形1/()cbbcLL C 等效一個(gè)低頻振蕩器，其振蕩頻率為(a)(b)(c)怎么分析？ 由Lc、Lb和Cbc產(chǎn)生的寄生振蕩，直接產(chǎn)生在C極，故可看做晶體管的集電極電壓為 為功放的振蕩頻率：因而，集電極波形可看作一個(gè)受因而，集電極波形可看作一個(gè)受信號(hào)控制的調(diào)幅波信號(hào)控制的調(diào)幅波.cos,cmEUt 1/()cbbcLL C 同樣，在高頻時(shí)，主要由引線電感、晶體管的極間電容、分布雜散電容、構(gòu)成的振蕩器，產(chǎn)生高頻寄生振蕩。 多級(jí)放大器之間的級(jí)間耦合，外界的電磁干擾也都可能引起自激振蕩。等效于電感影響等效于電容（電場(chǎng)）或公共阻抗影響形成反饋可能形成自激寄生振蕩消除的

15、方法：寄生振蕩消除的方法：選擇Cbc較小的晶體管。減小引線電感，和減小分布電感和電容，抑制高頻寄生振蕩。(縮短引線長(zhǎng)度減少分布電感，增加并行導(dǎo)線之間間距等)將扼流圈中加一個(gè)電阻，增加阻抗，破壞振蕩條件。(加大阻尼，減小Q值)在多級(jí)使用時(shí)，減小由于接地和引線電阻造成的級(jí)間反饋，如加電源去耦電路，既加入、濾波電路在大電容上并接一個(gè)小電容，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)大電容來(lái)說(shuō)它將導(dǎo)致一定的電感性質(zhì)。采用無(wú)感電阻。如繞線電阻分布參數(shù)比較大，不適合用于高頻制作電路時(shí)元件的布局、布線、接地更加合理。 相位補(bǔ)償(人為加入一些校正環(huán)節(jié))造成共模干擾,也即公共阻抗形成反饋.解決方法：去耦和多點(diǎn)接地4.7.1 RC網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)1

16、超前型移相網(wǎng)絡(luò)超前型移相網(wǎng)絡(luò)圖4-35(a)示出了RC超前型移相網(wǎng)絡(luò)。傳輸系數(shù)為 (4-61)j12ej1jj1ARCRCCRRUUA4.7 RC 振振 蕩蕩 器器其模值和相角分別為式中0=1/(RC)。幅頻特性和相頻特性分別如圖4-35(b)、(c)所示。200222)/(1/1CRRCA0arctan21arctan2RC圖 4-35 超前型移相網(wǎng)絡(luò) (a) 電路；(b) 幅頻特性；(c) 相頻特性2 滯后型移相網(wǎng)絡(luò)滯后型移相網(wǎng)絡(luò)圖4-36(a)示出了RC滯后型移相網(wǎng)絡(luò)。傳輸系數(shù)為(4-62)其模值和相角分別為式中0=1/(RC)。幅頻特性和相頻特性分別如圖4-36(b)、(c)所示。01

17、2j11j11j1j1CRCRCUUA20222)/(1111CRA0arctanarctanCR圖 4-36 RC滯后型移相網(wǎng)絡(luò)(a) 電路；(b) 幅頻特性；(c) 相頻特性3. 串并聯(lián)型選頻網(wǎng)絡(luò)串并聯(lián)型選頻網(wǎng)絡(luò)圖 4-37(a)示出了RC串并聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)。傳輸系數(shù)(傳遞函數(shù))為(4-63)0012j31 1CRj31 j1j1j1CRCRRCRRCRUUA式中0=1/RC， 其模和相角分別為相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性如圖4-37(b)、(c)所示。220013A0031arctan圖 4-37 串并聯(lián)型選頻網(wǎng)絡(luò) (a) 電路；(b) 幅頻特性；(c) 相頻特性4.7.2 RC振蕩器振蕩器圖4-

18、38(a)和(b)分別示出了由晶體管以及由集成運(yùn)放構(gòu)成的反相放大器所組成的超前型RC振蕩器。圖(a)晶體管接成共射放大， 圖(b)集成運(yùn)放接成反相放大器， 它們都可以提供180的相移， 要組成振蕩器， 滿足相位平衡條件， 相移網(wǎng)絡(luò)也必須提供180相移， 所以圖(a)和(b)中都由3節(jié)RC電路構(gòu)成相移網(wǎng)絡(luò)， 圖(a)中第三節(jié)RC電路的R由晶體管的輸入電阻取代。由于RC相移電路的選頻特性不理想， 又是采用內(nèi)穩(wěn)幅， 因而RC相移振蕩器的輸出波形失真大， 頻率穩(wěn)定度低， 只能用在性能不高的設(shè)備中。圖 4-38 超前型RC振蕩器4.7.3 文氏橋振蕩器文氏橋振蕩器文氏橋正弦波振蕩器的原理電路如圖4-39

19、所示， 它是正弦波振蕩器的一種最常用的電路。橋形RC網(wǎng)絡(luò)接在輸出端與同相輸入端之間， 則起振條件應(yīng)當(dāng)是相移等于零， 故此電路又稱零相移橋式振蕩器。令則222111j1/j1CR，ZCRZ)/1( j)/1 ( j1j1)j1 (12211221222211221212CCRRCCRRRCRRCRCRRZZZUUFof圖 4-39 文氏橋振蕩器現(xiàn)在要求Uf和Uo之間相移在某個(gè)頻率上等于零， 則上式的虛部等于零， 于是有得 (4-64)通常取R1=R2=R， C1=C2=C， 則振蕩頻率為 (4-65) (4-66)根據(jù)式(4-66)可以求出滿足幅度平衡條件的運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益等于3。為了便于起

20、振， 要求Rf/R3略大于2。01102210CCRR212101CCRRRCf21031F4.8 負(fù)負(fù) 阻阻 振振 蕩蕩 器器4.8.1 負(fù)阻型振蕩器負(fù)阻型振蕩器LC振蕩器的基本原理， 就是利用電容器可以儲(chǔ)存電能、電感器可以儲(chǔ)存磁能的特性進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)換，形成電磁振蕩。一般的，電容C不消耗能量，但電感L有損耗，LC在電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程中將消耗一定的能量，形成減幅振蕩， 振蕩的幅度越來(lái)越小，最后停振。為了保持不停的振蕩， 前面我們討論了利用正反饋不斷的補(bǔ)充能量，形成的等幅振蕩，即反饋型振蕩器。另外，也可以采用負(fù)阻來(lái)補(bǔ)充能量，形成負(fù)阻型振蕩器。對(duì)于LC回路而言， 損耗可以用并聯(lián)諧振電阻R0表示， 如果我們

21、在回路的兩端并聯(lián)一電阻R0， 如圖4-40所示。根據(jù)電路知識(shí)可知， 回路總的阻抗為， 意味著，在高頻一周內(nèi)， 電阻R0消耗的能量完全由負(fù)電阻R0提供， LC振蕩器將形成等幅振蕩， 一直持續(xù)下去。這就是負(fù)阻型振蕩器的工作原理負(fù)阻型振蕩器的工作原理。圖 4-40 負(fù)阻型振蕩器原理(a) LC回路； (b) LC回路等效電路； (c) 負(fù)阻型振蕩器原理+_能量發(fā)生器電源定義？ 以前接觸的電阻都是正電阻， 是消耗能量的， 那里沒(méi)有器件呈現(xiàn)負(fù)電阻， 不消耗能量反而提供能量呢？ 下面我們先來(lái)討論負(fù)阻器件。4.8.2 負(fù)阻性器件負(fù)阻性器件在 20 世紀(jì)初期， A.W.Hull提出“負(fù)阻”概念的時(shí)候， 曾遭到

22、許多學(xué)者的懷疑。他們認(rèn)為“負(fù)阻”的概念“不符合能量守恒定律”。但是， 從負(fù)阻管的伏安特性曲線上人們可以清楚地看到，負(fù)阻器件確實(shí)存在， 但只是表現(xiàn)在器件的某段動(dòng)態(tài)工作范圍內(nèi)； 對(duì)于靜態(tài)， 它還是一個(gè)耗能元件， 還是一個(gè)“正阻”。 具有負(fù)阻特性的電子器件可以分為兩類(lèi)， 它們的伏安特性分別如圖4-41(a)和(b)所示。圖4-41(a)中曲線形狀呈“N”形， 圖4-41(b)中曲線形狀呈“S”形， 但都有一個(gè)共同的特點(diǎn): 圖中的AB段間的斜率是負(fù)的， 即器件在該區(qū)間工作時(shí)， 呈現(xiàn)負(fù)阻特性。不同點(diǎn)在于，圖4-41(a)呈現(xiàn)的負(fù)阻區(qū)間需要電壓進(jìn)行控制， 因此稱為電壓控制型負(fù)阻器件； 圖4-41(b) 負(fù)

23、阻區(qū)間是由電流控制的， 因此稱為電流控制型負(fù)阻器件。電壓控制型負(fù)阻器件常見(jiàn)器件是隧道二極管， 符號(hào)和等效電路如圖4-42(a)、(b)所示。隧道二極管和普通二極管一樣， 是由一個(gè)PN結(jié)組成。PN結(jié)有兩大特點(diǎn): (1)結(jié)的厚度?。?(2)P區(qū)和N區(qū)的雜質(zhì)濃度都很大。隧道二極管具有頻率高，對(duì)輸入響應(yīng)快，能在高溫條件下工作， 并且可靠性高、耗散功率小、噪音較低。圖 4-42 隧道二極管符號(hào)及等效電路 (a) 隧道二極管的符號(hào)；(b) 隧道二極管的等效電路電流控制型負(fù)阻器件常見(jiàn)器件是單結(jié)晶體管， 圖 4-43(a)、(b)示出了其符號(hào)和等效電路圖。單結(jié)晶體管是一個(gè)三端器件， 但其工作原理和雙極晶體管完全不同。器件的輸入端也叫發(fā)射極， 在輸入電壓到達(dá)某一值時(shí)輸入端的阻值迅速下降， 呈現(xiàn)負(fù)阻特性。單結(jié)晶體管(也叫雙基極二極管)是一塊輕摻雜的N型硅棒和一小片重?fù)诫s的P型材料相連而成。P型發(fā)射極和N型硅棒間形成一個(gè)PN結(jié)， 在等效電路中用一個(gè)二極管表示。圖 4-43 單結(jié)晶體管符號(hào)及等效電路 (a) 單結(jié)晶體管的符號(hào)；(b) 單結(jié)晶體管的等效電路4.8.3 負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器具有結(jié)構(gòu)緊湊， 可靠性高的優(yōu)點(diǎn)， 隨著半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，