高頻電子線路第二版第5章正弦波振蕩器

1、高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 第5章正弦波振蕩器 教學(xué)基本要求 1.掌握反饋式正弦波振蕩器的基本工作原理。 2.掌握LC振蕩器、晶體振蕩器的電路組成、 工作原理和性能特點(diǎn)。 3.了解頻率穩(wěn)定度的概念和影響頻率穩(wěn)定度的 因素。掌握改善頻率穩(wěn)定度的措施。 4.了解負(fù)阻振蕩原理。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 本章教學(xué)內(nèi)容 5.1 概述 5.2 反饋型LC振蕩原理 5.3 反饋型LC振蕩電路 5.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定原理 5.5 高穩(wěn)定度LC振蕩器 5.6 晶體振蕩器 5.7 負(fù)阻振蕩器 5.8 集成壓控振蕩器高頻電子線路

2、高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.1概述 5.1.1 振蕩電路的功能 振蕩電路的功能是在沒有外加輸入信號(hào)的條件下，電路自動(dòng)將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交變振蕩信號(hào)輸出。 正弦波振蕩電路的功能是在沒有外加輸入信號(hào)的條件下，電路自動(dòng)將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為具有一定頻率、一定振幅的波形為正弦波的信號(hào)輸出。 電路在沒有輸入信號(hào)的條件下，接通電源VCC后，電路輸出的信號(hào) 或)sin()(mtUtu)cos()(mtUtu高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.1.2 振蕩電路的分類及用途 RC振蕩器 反饋型振

3、蕩器 LC振蕩器 正弦波振蕩器 晶體振蕩器 振蕩電路 負(fù)阻型振蕩器(100MHz以上) 非正弦波振蕩器 用途： 發(fā)射機(jī)中,用來產(chǎn)生運(yùn)載信息的載波信號(hào)； 超外差接收機(jī)中，用來產(chǎn)生“本地振蕩”信號(hào)與接收的高頻信號(hào)進(jìn)行混頻； 測量儀器中，作為信號(hào)發(fā)生器、時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)、頻率標(biāo)準(zhǔn)等應(yīng)用。 5.1.3 振蕩電路的主要技術(shù)指標(biāo) 振蕩頻率、頻率穩(wěn)定度、振蕩幅度和振蕩波形等按振蕩原理分按波形分按振蕩元件分高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.2反饋型LC振蕩原理 反饋型振蕩器的基本組成： 由調(diào)諧放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈

4、爾濱工程大學(xué) 5.2.1 振蕩的建立與起振條件 圖5.2.2是調(diào)諧放大器經(jīng)互感耦合反饋的振蕩電路。 設(shè)放大器的諧振頻率為0， 諧振電壓增益為A,是L1C 回路兩端的輸出電壓 和輸入電壓 的比值，即 其中A為電壓增益的模， 為 與 的相位差。 圖5.2.2互感耦合反饋振蕩線路 反饋網(wǎng)絡(luò)是 由L1通過互感M耦合到L2上的電壓為 ， 令反饋系數(shù)為 其中F為反饋系數(shù)的模， 為 和 的相位差。cUAcUiUiUcUAjice/AUUAfUFjcfe/FUUFFfUcU高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 開環(huán)條件下的放大與反饋(開關(guān)S合到1) 當(dāng)滿足 AF=1； 時(shí),則

5、表明 與 大小相等相位相同。 問題1：若在此條件下,將開關(guān)S合到2,電路會(huì)產(chǎn)生什么樣的變化? 結(jié)論：因?yàn)樵瓉硪延型饧虞斎腚妷?,電路維持等幅振蕩。 問題2：如果AF=1； ,而沒有輸入激勵(lì)電壓 時(shí),開關(guān)S合到2,電路能否振蕩? 注意：電源接通后的過程!i)j(ifFAeUAFUFAU), 2 , 1 , 0(2FAnnnifUUfUiU問題1iUiU), 2 , 1 , 0(2FAnnn問題2高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 在振蕩電路接通電源的瞬間，晶體三極管的電流將從零躍變到某一數(shù)值，集電極電流的躍變在諧振回路中將激起振蕩。因?yàn)榛芈肪哂羞x頻作用，回路兩端

6、只建立振蕩頻率等于回路諧振頻率的正弦電壓 ，但是這個(gè) 數(shù)值很小。通過互感耦合得到反饋電壓 ， 加至晶體三極管的輸入端，這就是振蕩器的原始輸入電壓 。 通過放大得到的 與電流躍變產(chǎn)生的 相等，其數(shù)值很小是不可能得到振蕩輸出電壓的。 結(jié)論：電路僅滿足AF=1； 的條件是不能實(shí)現(xiàn)自激振蕩的。 只有當(dāng)電路滿足 ； 時(shí),振蕩才能建立。其中，A0為當(dāng)電源接通時(shí)放大器的電壓增益。 因?yàn)锳0F1是增幅振蕩,故振蕩能建立起來。cUfUfUiUiUcUcU), 2 , 1 , 0(2FAnnn01A FcU), 2 , 1 , 0(2FAnnn高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)

7、所以,自激振蕩的起振條件是 振幅起振條件 相位起振條件 5.2.2 振蕩的平衡與平衡條件 1.自激振蕩的平衡與平衡條件 自激振蕩器起振時(shí)A0F1是增幅振蕩，由增幅振蕩達(dá)到等幅振蕩，稱為振蕩達(dá)到平衡。維持等幅振蕩的條件是自激振蕩的平衡條件,即 振幅平衡條件 相位平衡條件 問題3：自激振蕩電路是怎樣保證由起振時(shí)的A0F1達(dá)到振蕩平衡的AF=1呢? 即放大器電壓增益由A0怎樣變化到A呢? 注意：晶體管的非線性特性及電路中偏置電路的反饋?zhàn)饔谩?1A F), 2 , 1 , 0(2FAnnn增幅振蕩問題3正反饋), 2 , 1 , 0(21FAnnnAF正反饋等幅振蕩高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁

8、首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) *由晶體管內(nèi)部非線性決定的因素 因?yàn)榫w管是非線性器件，起振時(shí)輸入振幅很小，可認(rèn)為放大器工作于線性區(qū)。由于A0F1，反饋回來的輸入振幅會(huì)不斷增大，諧振放大器的輸岀電壓也不斷増大，隨著信號(hào)電壓的不斷增大，放大特性從線性變成非線性。集電極電流iC從線性不失真到產(chǎn)生非線性失真。iC為失真電流時(shí)，由于諧振回路的濾波作用，諧振放大器的輸岀電壓是集電極電流iC的基波分量Ic1和諧振電阻RP的積，放大器的電壓增益A=Ic1mRP/Uim 。這表明進(jìn)入非線性放大的電壓增益A比線性放大時(shí)的電壓增益A0要有所下降，再經(jīng)正反饋、放大的多次循環(huán)達(dá)到AF=1。 *外部的偏置電路的反饋決

9、定的因素 由于外部的偏置電路的反饋?zhàn)饔茫趇C為失真電流時(shí)，發(fā)射極電流iE也為失真電流，其直流分量IE0流經(jīng)Re會(huì)產(chǎn)生附加的直流偏置電壓IE0Re ，也使放大器的直流靜態(tài)工作點(diǎn)向非線性區(qū)偏移，也會(huì)使電壓增益下降。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 2.非線性區(qū)放大的電壓增益與起振時(shí)電壓增益的關(guān)系 由于振蕩在起振后的振幅不斷增大，使放大進(jìn)入非線性放大的大信號(hào)工作狀態(tài)。根據(jù)折線分析法，放大器的電壓増益為 因?yàn)槠鹫駮r(shí)的A0是小信號(hào)放大,通角c=180,所以A0=gcRP。即 可見,當(dāng)振幅增大進(jìn)入非線性工作狀態(tài)后,通角c180，故A與A0相比是要減小的。pc1ccpc

10、1CMimpc1mi1c)()cos1 ( )(RgURIURIUUAim)()()cos1 (c0c1c0AAA高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 3.電路參數(shù)確定后,振蕩器的平衡工作狀態(tài)的確定 問題4：當(dāng)放大器的A0和反饋系數(shù)F確定之后，振蕩器應(yīng)該平衡到什么狀態(tài)呢？ 起振時(shí)A0 F1,平衡時(shí)AF=1?？傻?計(jì)算 確定工作狀態(tài)。 例如： 當(dāng)A0F=2時(shí)， ，平衡后的工作狀態(tài)為乙類； 當(dāng)A0F2時(shí)， ,平衡后的工作狀態(tài)為丙類； 當(dāng)1A0F1) 增大反饋系數(shù)F。 (滿足A0F1)穩(wěn)定平衡點(diǎn)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工

11、程大學(xué) 3.相位平衡的穩(wěn)定條件 相位平衡條件 相位平衡的穩(wěn)定條件： 由于并聯(lián)諧振回路的相頻特性 為負(fù)斜率,當(dāng)外因變化引起某一相位 變化,則會(huì)引起振蕩頻率變化,振蕩頻率的變化會(huì)使并聯(lián)諧振回路 的相位產(chǎn)生變化,保證振蕩器滿足相位平衡條件。0ZYF0ZZYF高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.3反饋型LC振蕩電路 分類： 互感耦合振蕩電路 反饋型LC振蕩電路 電容反饋振蕩電路 電感反饋振蕩電路 組成：放大器+選頻回路+正反饋網(wǎng)絡(luò) 選頻回路：LC并聯(lián)諧振回路 放大器：晶體管放大器；場效應(yīng)管放大器。 共射(或共源)放大 共基(或共柵)放大 共集(或共漏)放大 放大電

12、路的偏置電路：通常采用分壓式偏置和自給偏置。 (使靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定，使振蕩器的自動(dòng)穩(wěn)幅能力增強(qiáng)。) 按反饋元件分高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.3.1 互感耦合振蕩電路 1.電路形式 特點(diǎn)： 共基放大,集電極調(diào)諧； 反饋信號(hào)是通過L1與L2 之間的互感M來耦合； 振蕩頻率 2.判斷振蕩(利用瞬時(shí)極法判斷是否正反饋,以地為參考點(diǎn)) CLf1021高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 3.其他形式的互感耦合振蕩電路 互感耦合振蕩器一般工作于中、短波段, 由于分布電容的影響, 在頻率較高時(shí),很難保證變壓器的穩(wěn)定性。高頻電子線路高

13、頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.3.2 電容反饋振蕩電路 1.電路形式 特點(diǎn)： 共射放大,選頻回路為 并聯(lián)LC諧振回路； 反饋支路由回路電容 C1和C2組成； 由于晶體管的c、e、b 分別接到回路電容的三端,稱 為電容三點(diǎn)式振蕩器,也稱為 考比茲(Colpitts)振蕩器。 高頻扼流圈諧振回路高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 2.相位平衡(滿足正反饋條件)高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 3.起振條件(小信號(hào)放大狀態(tài)) 討論的關(guān)鍵：振幅起振條件應(yīng)滿足A0F1。 分析小信號(hào)放大,原則上可以用y參數(shù)

14、或h參數(shù)小信號(hào)等效電路。 對于y參數(shù)小信號(hào)等效電路來說,分析振蕩電路時(shí),外電路的正反饋 作用大,忽略晶體管內(nèi)部yre的反饋?zhàn)饔谩eoeoej Cgyieieiej Cgy高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) (1)小信號(hào)電壓增益A0 其中 , gL=1/RL , 。 (2)電路的反饋系數(shù)F為(忽略各個(gè)g的影響)oe11CCCie22CCC0210gpg 2211/ )(CCCpgyUUA/feic0ie20Loegpgggg21/CCp21cfCCUUF高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) (3)起振條件 對起振條件的說明： 輸

15、出電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)對振蕩的影響，F(xiàn)越大，越容易振蕩； 輸入電導(dǎo)對振蕩的影響，gie和F越大，越不容易起振,因而反饋系數(shù)F并不是越大越容易起振； 在晶體管參數(shù)goe、gie、yfe一定的情況下，可以改變電路的gL、F來保證起振。F一般選取0.10.5。121fe0CCgyFAgCCy12feie0Loeie20Loefe)(1 )(11FggggFgpgggFgFy高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 4.振蕩頻率 在忽略gie等的影響時(shí)，根據(jù)相位平衡條件可得其近似式為 其中， 。如果考慮gie 、goe 、gL等的影響，實(shí)際振蕩頻率c0，只不過差值不大，通常就用0

16、近似代替計(jì)算。 CL10)/(2121CCCCC另一種形式的電容三點(diǎn)式振蕩電路高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.3.3電感反饋振蕩電路 1.電路形式 特點(diǎn)： 共射放大,選頻回路為 并聯(lián)LC諧振回路； 反饋支路由回路電感 L1和L2組成； 由于晶體管的c、e、b 分別接到回路電感的三端,稱 為電感三點(diǎn)式振蕩器,也稱為 哈特萊(Hartley) 振蕩器。 諧振回路高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 2.相位平衡(滿足正反饋條件)高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 3.起振條件 設(shè)在晶體管的c

17、e兩端接有負(fù)載RL，若反饋系數(shù)不考慮gie、 goe 、Coe、Cie 的影響時(shí)可得 由起振條件A0F1，同樣可得出 當(dāng)線圈繞在封閉磁芯的磁環(huán)上時(shí)，線圈兩部分為緊耦合，反饋系數(shù)F近似等于兩線圈的匝比，即FN2/N1。 4.振蕩頻率 對于工程計(jì)算來說，可近似表示為 其中L=L1+L2+2MMLMLF12ie0Loefe)(1 FggggFyLC1高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.電感三點(diǎn)式與電容三點(diǎn)式振蕩電路的比較 (1)兩種電路都較為簡單，容易起振。 (2)電容三點(diǎn)式振蕩電路的輸出電壓波形比電感三點(diǎn)式振蕩電路的輸出電壓波形好。 原因： 在電容三點(diǎn)式振蕩電

18、路中，反饋是由電容產(chǎn)生的，高次諧波在電容上產(chǎn)生的反饋電壓降較小，輸出電壓中高頻諧波電壓小,波形好； 而在電感三點(diǎn)式振蕩電路中，反饋是由電感產(chǎn)生的，高次諧波在電感上產(chǎn)生的反饋電壓降較大，輸出電壓中高頻諧波電壓大,波形好。 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) (3)電容三點(diǎn)式振蕩電路最高振蕩頻率一般比電感三點(diǎn)式振蕩電路要高。 原因： 電感三點(diǎn)式振蕩電路中，晶體管的極間電容是與諧振回路電感并聯(lián)，在頻率較高時(shí)，電感與極間電容并聯(lián)，有可能其電抗性質(zhì)變成容抗，這樣就不能滿足電感三點(diǎn)式振蕩電路的相位平衡條件，電路不能振蕩。 在電容三點(diǎn)式振蕩電路中，極間電容是與電容C1、C2

19、并聯(lián)，頻率變高不會(huì)改變?nèi)菘沟男再|(zhì)，故能滿足相位平衡條件。 (4)電容三點(diǎn)式振蕩電路的頻率穩(wěn)定度要比電感三點(diǎn)式振蕩電路的頻率穩(wěn)定度高。 原因： 電容三點(diǎn)式振蕩電路的 比電感三點(diǎn)式振蕩電路的 要小。 YFYF高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.3.4 LC三點(diǎn)式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則 不論電感三點(diǎn)式振蕩電路，還是電容三點(diǎn)式振蕩電路，其晶體管的集電極-發(fā)射極之間和基極-發(fā)射極之間回路元件的電抗性質(zhì)都是相同的，而與集電極-基極之間回路元件的電抗性質(zhì)總是相反的。 判斷準(zhǔn)則： Xce與Xbe的電抗性質(zhì)相同。 Xcb與Xce、Xbe的電抗性質(zhì)相反。 對于振蕩頻率，

20、滿足Xce+Xbe +Xcb=0。 這一判斷準(zhǔn)則是最常用的判斷 三點(diǎn)式振蕩器能否滿足正反饋的方法。 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.4振蕩器的頻率穩(wěn)定原理 5.4.1 頻率穩(wěn)定度的定義 振蕩器的頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一個(gè)很重要的指標(biāo)。 頻率穩(wěn)定度在數(shù)量上通常用頻率偏差來表示。 頻率偏差是指振蕩器的實(shí)際工作頻率和標(biāo)稱頻率之間的偏差。 頻率偏差可分為絕對偏差和相對偏差。 設(shè)f為實(shí)際振蕩頻率，fc為指定標(biāo)稱頻率， 絕對偏差為 相對偏差為 頻率穩(wěn)定度通常定義為在一定時(shí)間間隔內(nèi)，振蕩器頻率的相對偏差的最大值，cfffccc|fffffmaxmaxcccfffff時(shí)

21、間間隔時(shí)間間隔高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 相對偏差的最大值的數(shù)值越小，頻率穩(wěn)定度越高。 按照時(shí)間間隔長短不同，通常可分為下面三種頻率穩(wěn)定度。 (1)長期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以上以至幾個(gè)月的時(shí)間間隔內(nèi)的頻率相對變化。這種變化通常是由振蕩器中元器件老化而引起的。 (2)短期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以內(nèi)，以小時(shí)、分或秒計(jì)算的時(shí)間間隔內(nèi)的頻率相對變化。產(chǎn)生這種頻率不穩(wěn)的因素有溫度、電源電壓等。 (3)瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度：一般指秒或毫秒時(shí)間間隔內(nèi)的頻率相對變化。這種頻率變化一般都具有隨機(jī)性質(zhì)并伴隨著有相位的隨機(jī)變化。引起這類頻率不穩(wěn)定的主要因素是振蕩器內(nèi)部噪聲。高頻

22、電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.4.2 振蕩器的頻率穩(wěn)定度的表示式 振蕩器的振蕩頻率是由 相位平衡條件決定的 (1) 由相頻特性 滿足相位平衡條件可得 ZYF0c0Z2arctanQ?02arctan0YFQ0YF2tan QYF0tan2Q高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) (2)振蕩器的工作頻率的表示式 振蕩器的振蕩頻率c是0、 和Q的函數(shù)，這三者的變化都將會(huì)引起頻率不穩(wěn)。 (3)實(shí)際振蕩頻率的變化YF00ctan211QYFQQcYFYFc00ccYF0ctan211QYF20YFccos12QYF20ctan2QQ

23、高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 由于Q較大, 較小， ，可得 (4) LC振蕩器頻率穩(wěn)定度的一般表達(dá)式 考慮到 相對 較小，則 ，可得YF1tan21YFQQQQ2YF0YFYF200c2tancos12QQQ2YFYFYF2000c2tancos2100cQQQ2YFYFYF2000ccc2tancos21高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 圖5.4.1 、 、 變化對 的影響Q的變化的變化的變化0YF0YFQc高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.4.3 振蕩器的穩(wěn)頻措施 1.引起頻

24、率不穩(wěn)的原因 外因的變化(溫度變化、電源電壓的變化、振蕩器負(fù)載的變動(dòng)、機(jī)械震動(dòng)、濕度和氣壓的變化以及外界電磁場的影響等),對回路元件L、C和晶體管的參數(shù)產(chǎn)生變化,從而產(chǎn)生 、 和 的變化,直接引起振蕩頻率不穩(wěn)。 2.穩(wěn)頻措施 (1)減小外因的變化 溫度變化-恒溫； 電源電壓變化-穩(wěn)壓； 負(fù)載變化-射隨器； 濕度變化-密封或固化； 機(jī)械震動(dòng)-減震； 電磁場影響-屏蔽措施等。 (2)提高電路參數(shù)抗外因變化的能力 是取決于L和 ，可選用正溫度系數(shù)的電感和負(fù)溫度系數(shù)的回路電容進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 0YFQ0C高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 減小晶體管極間電容的不穩(wěn)定量對

25、 的影響，也就是將晶體管的極間電容通過電路的部分接入方式減小 。這一點(diǎn)是高穩(wěn)定度振蕩器提高頻率穩(wěn)定度的主要方式。 選用高Q的電感和參數(shù)穩(wěn)定的電容，能減小外因變化而引起的Q。 (3)選用 小的電路形式 越小，頻率穩(wěn)定度越高。因?yàn)殡娙萑c(diǎn)式的反饋支路是電容，其 比采用電感反饋的電感三點(diǎn)式要小，在高穩(wěn)定度的振蕩器中是選用電容三點(diǎn)式電路形式的。CCYFYFYF高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.5 高穩(wěn)定度的LC振蕩器 5.5.1 電容反饋振蕩電路的頻率穩(wěn)定性分析 幾個(gè)問題：1.振蕩頻率決定于電路中的哪些元件？ 2.頻率的穩(wěn)定度考慮哪些因素？ 3.怎樣分析說明頻率

26、穩(wěn)定度？高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 1.振蕩頻率 2.頻率穩(wěn)定度表示形式 越小, 頻率穩(wěn)定度越高。即電路的 和 越小, 振蕩電路的頻率穩(wěn)定度越高。LC10c),(0CLfLLCCLLCC0000021LLCC2100LLCCff210000/CC /LL/高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 3.電容三點(diǎn)式(Colpitts)振蕩電路的頻率穩(wěn)定性分析 (以共射電容三點(diǎn)式為例) (1)等效電路圖5.5.1電容三點(diǎn)式(Colpitts)等效電路 設(shè)Coe、Cie沒變化時(shí)，回路總電容 , 其中 ， 。 )/(2121CCCCC

27、oe11CCCie22CCC高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) (2)電路的 等于什么？ 考慮到 有變量 , 有變量 , 總電容的增量 可得總電容增量相對于總電容的變化量為 (3)頻率穩(wěn)定性分析 要提高頻率穩(wěn)定度必須減小 。在L 、 、Co和Ci一定的條件下，應(yīng)同時(shí)減小p1和p2。對于一般電容三點(diǎn)式(Colpitts)振蕩器來說，增大C1或減小C2可使p1減少，而同時(shí)引起p2增大,不可能同時(shí)減小p1和p2,頻率穩(wěn)定度不可能太高。 CoeCoCieCiCi22o21CpCpC21211CCCCCp21122CCCCCpioCCpCCpCC2221CC /C高頻電

28、子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.5.2 克拉潑(Clapp)振蕩電路 1.電路特點(diǎn)： 共基放大；C1與C2構(gòu)成反饋。 在振蕩回路中加一個(gè)與電感 串接的小電容C3，并且滿足 , 。 回路總電容為 振蕩頻率估算13CC23CC3313221321CCCCCCCCCCCLC10c高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 2.頻率穩(wěn)定性分析 不穩(wěn)定電容 和 對總電容的影響 p1為 折合到電感L兩端的接入系數(shù)； p2為 折合到電感L兩端的接入系數(shù)。 不穩(wěn)定電容相對總電容的變化量為 因?yàn)镃3比C1和C2都小很多,故p1、 p2可以同時(shí)減小。因

29、此克拉潑振蕩電路比電容三點(diǎn)式(Colpitts)振蕩電路的頻率穩(wěn)定度要高。i22o21CpCpCoCiCoCiC13111)/(1)/(1CCCCCCp23222)/(1)/(1CCCCCCpi22o21CCpCCpCC高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 3.克拉潑電路的優(yōu)缺點(diǎn) 克拉潑電路由于增加了C3，且保證C3 C1, C3 C2,使得不穩(wěn)定電容的變化對回路總電容的影響減小，且C1、C2可以增大,提高頻率穩(wěn)定度 。 由于C3的接入,電感損耗電導(dǎo)g0折合到ce兩端的g0增大，對起振是不利的。實(shí)際上是用對起振條件要求變得更嚴(yán),換取頻率穩(wěn)定度提高。 因?yàn)楦淖僀3

30、可以調(diào)節(jié)振蕩頻率，但還會(huì)引起p1、 p2變化，影響頻率穩(wěn)定度,對電路是不利的。所以克拉潑電路的主要用作固定頻率振蕩器。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.5.3 西勒(Siler)振蕩電路圖5.5.3西勒振蕩電路及等效電路 1.主要特點(diǎn)： 與電感L并聯(lián)一可變電容C4。 保持電路中p1和p2可以同時(shí)減小的特點(diǎn)，頻率穩(wěn)定度高。 用C4改變振蕩頻率，且接入系數(shù)p1以 p2不受C4的影響，所以在整個(gè)波段中振蕩振幅比較平穩(wěn)。使西勒電路能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率，在實(shí)際運(yùn)用中較多采用這種電路。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 2.振蕩頻

31、率 3.頻率穩(wěn)定性 1234122331C C CCCC CC CC C LCf21i22o21CpCpC13111)/(1)/(1CCCCCCp23222)/(1)/(1CCCCCCpi22o21CCpCCpCC高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.6晶體振蕩電路 引言： 克拉潑電路和西勒電路的頻率穩(wěn)定度較高是因?yàn)榻尤胄‰娙軨3。但C3的減小是有限的，不可能達(dá)到非常小。這是由于回路電感的Q值不可能做得很高，起振條件限制了C3數(shù)值的進(jìn)一步減小。因而這兩種電路的頻率度只能達(dá)10-4量級(jí)。對于穩(wěn)定度要求更高的振蕩器必然要進(jìn)一步減小C3到很小，同時(shí)要將電感的Q值提

32、高到很高。 石英諧振器具有極高的Q值和良好的穩(wěn)定性，采用石英晶體作為振蕩回路的元件的石英晶體振蕩電路，它具有很高的頻率穩(wěn)定度，一般在10-5 10-11量級(jí)范圍內(nèi)。 研討問題： (1)石英晶體具有什么樣的特性? (2)石英晶體是怎樣構(gòu)成振蕩電路的? (3)石英晶體振蕩電路為什么頻率穩(wěn)定度高? 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.6.1 石英晶體的等效電路 1.石英晶體的特點(diǎn) 石英晶體具有壓電效應(yīng)。當(dāng)晶片受某一方向施加的機(jī)械力(如壓力和張力)，就會(huì)在晶片的兩個(gè)面上產(chǎn)生異號(hào)電荷，這稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)在這兩個(gè)面上施加電壓時(shí)，晶體又會(huì)發(fā)生形變，稱為逆壓電效應(yīng)。這兩

33、種效應(yīng)是同時(shí)產(chǎn)生的。 在晶片兩端加上交變電壓，晶體就會(huì)發(fā)生周期振動(dòng)，同時(shí)由于電荷的周期變化，又會(huì)有交流電流流過晶體。不同型號(hào)的晶體，具有不同的機(jī)械自然諧振頻率。 當(dāng)外加電信號(hào)頻率等于晶體固有的機(jī)械諧振頻率時(shí)，晶體的振動(dòng)幅度最強(qiáng)，感應(yīng)的電壓也最大，表現(xiàn)出電諧振。 晶體的振動(dòng)模式存在著多諧性。除了基頻振動(dòng)外，還會(huì)產(chǎn)生奇次諧波的泛音振動(dòng)。 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 2.石英晶體的等效電路 Lq1、Lq3、Lq5分別表示晶體的基頻、 3次諧波和5次諧波動(dòng)態(tài)電感； Cq1、Cq3和Cq5分別表示基頻、3次 諧波和5次諧波動(dòng)態(tài)電容； rq1、 rq3和rq5分別

34、表示基頻、3次諧波 和5次諧波動(dòng)態(tài)電阻； 電容Co稱為晶體的靜態(tài)電容。 晶體的動(dòng)態(tài)電感很大，一般可從幾十毫亨到幾亨甚至幾百亨； 動(dòng)態(tài)電容很小，一般為10-3pF量級(jí)； 動(dòng)態(tài)電阻很小，一般幾歐至幾百歐；品質(zhì)因數(shù)105 106量級(jí)；靜態(tài)電容約為25pF。 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 3.晶體基頻等效電路及特性 晶體有兩個(gè)諧振頻率： 串聯(lián)諧振頻率 并聯(lián)諧振頻率 因?yàn)镃oCq，利用二項(xiàng)式展開，并忽略高次項(xiàng)，可得 P比q稍大，其差值P-q=qCq/(2Co）很小。 qqq1CLoqoqqP1CCCCLoqqoqqP211CCCC高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上

35、頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.6.2 石英諧振器的阻抗特性 石英諧振器等效電路的總阻抗為 當(dāng)rq可以忽略時(shí)，上式可近似為eeooqqqqqqejj111j1jXRCCCLrCLrZoqqqqoe11L11jCCCLCZe22P22qoej111jXCZ高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 電抗特性分析 當(dāng) 時(shí)， ，為容抗； 當(dāng) 時(shí)， ，晶體為串 聯(lián)諧振，相當(dāng)于短路； 當(dāng) 時(shí)， ， 晶體等效為感抗(電感)； 當(dāng) 時(shí)，Xe，晶體為 并聯(lián)諧振。 當(dāng) 時(shí)， ，為容抗。 問題： 根據(jù)晶體的電抗特性,在振蕩電路中應(yīng)該怎樣利用晶體的特性構(gòu)成振蕩器?q0eXq0eXP

36、q0eXPP0eX高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 晶體在振蕩電路中僅等效為容 抗是不合理的。電容元件比晶體價(jià)格 低得多。 晶體等效為高Q的電感元件接 在振蕩電路中,即振蕩頻率在串聯(lián)和 并聯(lián)諧振頻率之間。特別值得注意的 是電感值隨頻率增大而增大,這對穩(wěn) 頻有非常大的作用。 晶體等效為短路,工作在它的 串聯(lián)諧振頻率,在振蕩電路中作為高 Q的串聯(lián)諧振元件串接于正反饋支路。 特別值得注意的是當(dāng)頻率高于串聯(lián)諧振頻率,晶體等效感抗,而低于串聯(lián)諧振頻率,晶體等效容抗,對穩(wěn)頻起到非常大的作用。 結(jié)論： (1)晶體等效為高Q的電感,振蕩頻率為 ； (2)晶體等效為短路,振蕩

37、頻率為 。 qPq并聯(lián)型晶振串聯(lián)型晶振高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.6.3 晶體振蕩電路與泛音晶體振蕩電路 1.并聯(lián)型晶體振蕩器 (1)兩種基本電路形式 特點(diǎn)是 晶體在電路中等效為電感, 振蕩頻率為 。 圖5.6.3 并聯(lián)型晶振的兩種基本類型 圖(a)晶體接在晶體管cb間,稱為皮爾斯(Pierce)晶體振蕩器,是電容三點(diǎn)式振蕩器。 圖(b)晶體接在晶體管be間,稱為密勒(Miller)晶體振蕩器， 是電感三點(diǎn)式振蕩器。Pq高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) (2)并聯(lián)型晶體振蕩線路的分析 LP為高頻扼流圈,共基放大,

38、晶體 接在集電極與基極之間。 C1和C2組成反饋支路。 問題： 晶體在電路中是否等效為電感? 怎樣證明振蕩頻率為 ? 令CL=C1C2/(C1+C2)稱為負(fù)載電容，則PqqLoqLo)(CCCCCCCLoqqqLoqLoq01)(11CCCCCCCCCLLC高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 因?yàn)镃q/(Co+CL)1，將上式展開為二項(xiàng)式，得振蕩角頻率為 由于 表明電路振蕩頻率在晶體的串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振頻率之間，且與負(fù)載電容CL有關(guān)。 可見并聯(lián)型晶體振蕩電路的晶體在電路中等效為電感。 問題： 為什么并聯(lián)型晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度高? )2(1Loqq0CCC

39、oqqP21CC高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 振蕩頻率的穩(wěn)定性主要取決于晶體串聯(lián)諧振頻率的穩(wěn)定性，外電路元件對晶體振蕩回路的耦合極弱，因此晶體振蕩器回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。 晶體管不穩(wěn)定的極間電容 對振蕩回路的影響 令 , , 則 Cq很小, p1和p2都很小,耦合極弱，不穩(wěn)定電容影響極小，故頻率穩(wěn)定度高。 i22o21CpCpCoe11CCCie22CCC)/(2121LCCCCCLoqq2121CCCCCCCpLoqq2112CCCCCCCp高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) (3)實(shí)用并聯(lián)型晶體振蕩電路 圖5.6.5實(shí)

40、用的皮爾斯晶體振蕩電路 是典型的c-b型皮爾斯晶體振蕩電路，晶體等效為電感，C1和C2為回路的另外兩個(gè)電抗元件，組成反饋支路。 1tt221t21LCCCCCCCCCC)(21Loqq0CCCff高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 2.串聯(lián)型晶體振蕩器 串聯(lián)型晶體振蕩的特點(diǎn)是晶體工作在串聯(lián)諧振頻率上.并作為短路元件串接在三點(diǎn)式振蕩電路的反饋支路中。 圖5.6.6串聯(lián)型晶體振蕩電路 圖5.6.6(a)為實(shí)用的5MHz串聯(lián)型晶體振蕩電路。電路的諧振回路的諧振頻率應(yīng)該等于晶體的串聯(lián)諧振頻率,晶體在此頻率相當(dāng)于短路。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大

41、學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 串聯(lián)型晶體振蕩的穩(wěn)頻原理 輸入電壓 經(jīng)同相放大器放大, 輸出電壓為 ,電壓增益為A,相移為 。 經(jīng)(C1+C3)和C2分壓反饋得 ,反饋系數(shù)F1=Uxb/Ucb, 相移 。 經(jīng)晶體與Re分壓反饋得 ,其反饋系數(shù) F2=Uf/Uxb ,相移為 。當(dāng)諧振回路的諧振頻率與晶體的串聯(lián)諧 振頻率相等時(shí), 晶體相當(dāng)于短路, 即 。振蕩器閉環(huán)的 總相移為0,滿足正反饋的相位平衡條件,保證振蕩頻率為 。 ebUcbU0AcbUxbU0F1ebfUUF20F2qxbU高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 當(dāng)外因變化時(shí)的穩(wěn)頻過程 若因某一外因(例如溫度變化) 使諧

42、振回路的元件產(chǎn)生微變, 振蕩頻率偏離串聯(lián)諧振頻率時(shí)，晶體不再等效為短路。 (1)當(dāng)頻率高于 時(shí),晶體等效為電感,如圖所示。 Uxb 經(jīng)電感與Re的分壓得Ueb ,由矢量圖可知 滯后 ,使反饋系數(shù)F2=Ueb/Uxb的 ,閉環(huán)總相移為負(fù)值,會(huì)產(chǎn)生振蕩頻率 減小向 趨近。 ,qebUxbU0F2q高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) (2)當(dāng)頻率低于 時(shí), 晶體等效為電容,如圖所示。 Uxb 經(jīng)電容與Re的分壓得Ueb ,由矢量圖可知 超前 ,使反饋系數(shù)F2=Ueb/Uxb的 。閉環(huán)總相移為正值, 會(huì)產(chǎn)生振蕩頻率增大向 趨近。 串聯(lián)型晶體振蕩器在反饋支路中引入一個(gè)附

43、加相移，將偏離頻率調(diào)整到串聯(lián)諧振頻率上，確保有較高的頻率穩(wěn)定度。 q0F2qebUxbU高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 晶體靜態(tài)電容Co對串聯(lián)型晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定是有影響的,通常在振蕩頻率較高的電路中增加一個(gè)與晶體并聯(lián)的電感Ln,使其與Co組成并聯(lián)諧振回路,以抵消Co的作用, 保證晶體工作在串聯(lián)諧振頻率上。圖5.6.7實(shí)用的串聯(lián)型晶體振蕩電路 圖5.6.7給出20MHz的串聯(lián)型晶體振蕩電路。20MHz晶體的靜態(tài)電容Co約為710pF, 與Ln并聯(lián)諧振于振蕩頻率。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 3.泛音晶體振蕩器 在工

44、作頻率較高的晶體振蕩器中，多采用泛音晶體諧振器。 所謂泛音振蕩是指振蕩在基頻的3次、5次等奇次諧波上。 泛音晶體振蕩器與基頻晶體振蕩器在電路上有很大的不同。 問題： 怎樣確保振蕩器的振蕩頻率準(zhǔn)確地振蕩在所需的奇次泛音頻率上? 關(guān)鍵是在電路結(jié)構(gòu)上必須有效地抑制可能在基頻或低次泛音上產(chǎn)生的振蕩。 解決辦法：利用滿足電容三點(diǎn)式振蕩器相位平衡條件的反饋電容用并聯(lián)LC回路等效代替,確保在振蕩的泛音頻率等效為容抗,而在基頻或低次泛音上等效為感抗。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 兩種方式 L1C1等效為容抗 L2C2 等效為容抗高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈

45、爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 例如圖示泛音振蕩電路圖5.6.8泛音晶體振蕩電路 圖5.6.9 高頻等效電路 4.7H電感與330pF電容并聯(lián)組成電抗電路,作為反饋電路 其諧振頻率為 晶體的基頻為1MHz時(shí), 只有5次及以上奇次諧波為容抗?jié)M足相位平衡條件。所以振蕩電路為5次泛音并聯(lián)型晶體振蕩器。而在基頻和3次泛音為感抗不滿足相位平衡條件, 不能振蕩。MHz04. 4Hz10330107 . 4211260f高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.7負(fù)阻振蕩器 5.7.1負(fù)阻的概念 1.負(fù)阻器件是指它的增量電阻為負(fù)值的器件。 2.圖示是隧道二極管的伏安特性。 若將靜

46、態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在負(fù)阻區(qū)（AB段） 的Q點(diǎn)，并加上微弱正弦信號(hào)電壓 管子兩端電壓為 則流過管子的電流為 式中的負(fù)號(hào)表明，由于負(fù)阻特性，使交流電流與交流電壓呈現(xiàn)反相。 tUusinmtUVuVusinmQQDtIIiIisinmQQD高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 3.器件所消耗的平均功率為 可以看出，器件所消耗的功率由兩部分組成。第一部分是器件的工作點(diǎn)選在Q點(diǎn)時(shí)所消耗的直流功率VQIQ，這部分功率是由直流電源提供的。第二部分交流功率-UmIm/2，負(fù)號(hào)表明器件消耗的是負(fù)交流功率，即器件是向外輸出交流功率。這說明負(fù)阻器件的負(fù)阻區(qū)具有將直流功率的一部分轉(zhuǎn)換為交流功

47、率的作用。 4.負(fù)阻器件的類型 （1）電壓控制型負(fù)阻器件（例如隧道二極管），電流i 是電壓 u的單值函數(shù)。負(fù)阻區(qū)電壓增大，電流減小。 (2）電流控制型負(fù)阻器件（例如單結(jié)型晶體管），電壓u是電流i 的單值函數(shù)。負(fù)阻區(qū)電流增大，電壓減小。mmQQ20DD21)(d21IUIVtiuP高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 5.7.2 負(fù)阻振蕩原理 1.負(fù)阻振蕩器的組成條件 (1)負(fù)阻振蕩器一般由負(fù)阻器件和LC選頻網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。 (2)建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn),使負(fù)阻器件工作于負(fù)阻特性區(qū)域內(nèi)。 (3)負(fù)阻器件應(yīng)和LC振蕩回路正確聯(lián)接。電壓控制型負(fù)阻器件應(yīng)與并聯(lián)諧振回路相聯(lián)接，電流控制型負(fù)阻器件應(yīng)與串聯(lián)諧振回路相聯(lián)接。 (4)電壓控制型負(fù)阻振蕩器，設(shè)回路諧振電阻為RP，負(fù)阻器件的負(fù)阻為-rd。顯然,rdRP時(shí)為衰減振蕩。其起振條件是rdr時(shí)為增幅振蕩，rd=r時(shí)為等幅蕩，rdr，平衡條件rd=r。 高頻電子線路高頻電子線