uestc射頻模擬電路與系統(tǒng)310反饋式、三端式LC振蕩器

1、上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展1 上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展高頻諧振功放的匹配網(wǎng)絡(luò)工作在所需狀態(tài)時(shí)的匹配網(wǎng)絡(luò)匹配網(wǎng)絡(luò)同時(shí)又是選頻網(wǎng)絡(luò)。匹配網(wǎng)絡(luò)還可起到隔離作用。21輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中介回路效率：10欠壓末級(jí)射頻諧功放應(yīng)工作在略欠壓狀態(tài)末級(jí)功放匹配的概念？高頻諧振功放的匹配網(wǎng)絡(luò)上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展32級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)中間級(jí)輸出級(jí)應(yīng)保證負(fù)載變化，輸出電壓恒定欠壓過(guò)壓0臨界Rp恒流源恒壓源恒壓源中間級(jí)工作于恒壓源狀態(tài)過(guò)壓狀態(tài)上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展高頻諧振功放的匹配網(wǎng)絡(luò)4上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展高頻諧振功放的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)5第三章 波形發(fā)生與變換電路 （P218)3.1 LC反饋正弦波振蕩器的工作原理3.2 反饋型晶體管LC振蕩器電路3.3 頻率

2、穩(wěn)定度及改進(jìn)型電容三端式振蕩電路3.5 石英晶體振蕩器6 概述高頻電路1.定義高頻功放不需外加激勵(lì)，自身將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。7第三章 波形發(fā)生與變換電路1、自激振蕩器2、振蕩器與放大器的區(qū)別3、不同的振蕩器 頻譜純度 穩(wěn)定度4、應(yīng)用廣泛8 LCR回路中的瞬變現(xiàn)象由于大多數(shù)高頻振蕩器都是利用LC回路來(lái)產(chǎn)生振蕩的，因此應(yīng)首先研究LC回路中如何可以產(chǎn)生振蕩，作為研究振蕩器工作原理的預(yù)備知識(shí)。LCR自由振蕩電路 所謂“諧振”，就能量關(guān)系而言，是指：回路中儲(chǔ)存的能量是不變的，只是在電感與電容之間相互轉(zhuǎn)換；外加電動(dòng)勢(shì)只提供回路電阻所消耗的能量，以維持回路的等幅振蕩。9 LC振蕩器的基本工作原理1）振

3、蕩回路，包含兩個(gè)（或兩個(gè)以上）儲(chǔ)能元件。在這兩個(gè)元件中，當(dāng)一個(gè)釋放能量時(shí)，另一個(gè)就接收能量。釋放與接收能量可以往返進(jìn)行，其頻率決定于元件的數(shù)值。2）一個(gè)能量來(lái)源，補(bǔ)充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的能量損失。在晶體管振蕩器中，這個(gè)能源就是直流電源。3）一個(gè)控制設(shè)備，可以使電源功率在正確的時(shí)刻補(bǔ)充電路的能量損失，以維持等幅振蕩。這是由有源器件和正反饋電路完成的。10 由正反饋的觀點(diǎn)來(lái)決定振蕩的條件利用正反饋方法來(lái)獲得等幅的正弦振蕩, 這就是反饋振蕩器的基本原理。 反饋振蕩器是由主網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路。 其主網(wǎng)絡(luò)一般由放大器和選頻網(wǎng)絡(luò)組成, 反饋網(wǎng)絡(luò)一般由無(wú)源器件組成。 ufu0ui11放大器晶

4、體三極管場(chǎng)效應(yīng)管差分放大器運(yùn)算放大器選頻網(wǎng)絡(luò)LC并聯(lián)諧振回路RC選頻網(wǎng)絡(luò)晶體濾波器等反饋網(wǎng)絡(luò)電容分壓電感分壓變壓器耦合電阻分壓振蕩器組成123.1 LC 反饋正弦波振蕩器的工作原理如何產(chǎn)生一個(gè)振蕩？電容中存儲(chǔ)的電能和電感中存儲(chǔ)的磁能就會(huì)交替轉(zhuǎn)換而形成振蕩?；芈冯妷悍匠袒芈返乃p系數(shù) 回路的無(wú)阻尼振蕩角頻率 +V-V+133.1 LC 反饋正弦波振蕩器的工作原理回路的衰減系數(shù) 回路的無(wú)阻尼振蕩角頻率 初始條件 與 非振蕩型與 衰減振蕩型143.1 LC 反饋正弦波振蕩器的工作原理回路的衰減系數(shù) 回路的無(wú)阻尼振蕩角頻率 增幅振蕩 阻尼振蕩等幅振蕩在電路中引入正反饋就相當(dāng)于引入了負(fù)電阻。振蕩頻率為：

5、 153.1 LC 反饋正弦波振蕩器的工作原理在電路中引入正反饋就相當(dāng)于引入了負(fù)電阻。負(fù)電阻提供能量，能量的提供需要合適的時(shí)間！163.1 LC 反饋正弦波振蕩器的工作原理(1)具有放大能力的有源器件。它的作用是不斷地向振蕩系統(tǒng)補(bǔ)充能量，以維持等幅振蕩并輸出給負(fù)載。(2)由儲(chǔ)能元件組成的選頻網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)決定著振蕩器的振蕩頻率。(3)控制能量補(bǔ)充的正反饋網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)控制能量適時(shí)、適度地補(bǔ)充給振蕩系統(tǒng)。振蕩器的工作原理與LC諧振回路的自由振蕩類似，它至少應(yīng)由以下三部分組成。173.1.1 自激振蕩的建立過(guò)程及起振條件放大器 振蕩器1、決定振蕩頻率的儲(chǔ)能回路2、控制合適補(bǔ)充能量的系統(tǒng)3、能源的提供

6、與合適的偏置電路+-+-+正反饋（由同名端保證的）也稱為相位條件放大器（ ）也稱為振幅條件183.1.1 自激振蕩的建立過(guò)程及起振條件放大器 振蕩器限幅放大器的放大倍數(shù)（開(kāi)環(huán)增益） 反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù) 正反饋：閉環(huán)增益：193.1.1 自激振蕩的建立過(guò)程及起振條件放大器 振蕩器閉環(huán)增益： 建立等幅振蕩器的條件 （振蕩平衡條件）203.1.1 自激振蕩的建立過(guò)程及起振條件放大器 振蕩器使振蕩器輸出的幅度越來(lái)越大 起振條件能否輸出變得越來(lái)越大無(wú)限增長(zhǎng)？希望最終可以輸出等幅振蕩。213.1.2振蕩器的平衡條件如何讓振蕩器輸出由起振時(shí)的振幅逐漸加大到最終輸出的穩(wěn)幅振蕩？限幅放大器的放大倍數(shù)（開(kāi)環(huán)增益）

7、 反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù) 一般不變?nèi)绾巫孉由大變?。?23.1.2振蕩器的平衡條件振蕩器的偏置電路VBVEV b (t)VQ工作狀態(tài)發(fā)生改變，由甲類到丙類！讓A由大變小。233.1.2振蕩器的平衡條件工作狀態(tài)發(fā)生改變，由甲類到丙類！243.1.2振蕩器的平衡條件振幅平衡振幅平衡A253.1.3 振蕩器的振幅平衡的穩(wěn)定條件N點(diǎn) 穩(wěn)定平衡點(diǎn)26 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，如果靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)不當(dāng)，振蕩特性可能不是單調(diào)下降的。 這種振蕩器電路一般不能自行起振，而必須給以一個(gè)較大幅度的初始激勵(lì)，使動(dòng)態(tài)點(diǎn)越過(guò)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)M才能起振，這叫硬激勵(lì)起振，設(shè)計(jì)電路要力加避免。3.1.3 振蕩器的振幅平衡的穩(wěn)定條件振幅平衡的穩(wěn)定條

8、件是平衡點(diǎn)的位置必須滿足：273.1.4 振蕩器的相位平衡的穩(wěn)定條件振蕩器平衡的相位條件實(shí)際上是正反饋條件放大器的相移 放大器本身的相移 (可認(rèn)為是 引起的相移) 諧振回路的相移 或相位平衡若遭到破壞，產(chǎn)生一個(gè)正的相位增量反饋電壓 超前原來(lái)輸入電壓 (前一次反饋電壓)一個(gè)相角283.1.4 振蕩器的相位平衡的穩(wěn)定條件相位平衡若遭到破壞，產(chǎn)生一個(gè)正的相位增量反饋電壓 超前原來(lái)輸入電壓 (前一次反饋電壓)一個(gè)相角相位超前導(dǎo)致頻率升高，相位滯后導(dǎo)致頻率降低，振蕩器本身的某一機(jī)構(gòu)應(yīng)有恢復(fù)相位平衡的能力什么電路結(jié)構(gòu)具有此種相位特性？293.1.4 振蕩器的相位平衡的穩(wěn)定條件諧振回路的相頻特性曲線在工作頻

9、率附近具有負(fù)的斜率，能保證相位平衡的穩(wěn)定性。30第三章 波形發(fā)生與變換電路 （P218)3.1 LC反饋正弦波振蕩器的工作原理3.2 反饋型晶體管LC振蕩器電路3.3 頻率穩(wěn)定度及改進(jìn)型電容三端式振蕩電路3.5 石英晶體振蕩器313.2 反饋型晶體管LC振蕩器電路換能器件： 晶體管 電子管 場(chǎng)效應(yīng)管 集成電路反饋耦合元件類型： 變壓器耦合型 電感反饋式 電容反饋式三端式振蕩器323.2.1 變壓器耦合LC反饋振蕩器333.2.1 變壓器耦合LC反饋振蕩器組合式偏置電路集電極調(diào)諧型思考：1、電路的直流饋電？2、交流接地端位置？3、此電路是否為正反饋？共基電路，初次級(jí)繞組對(duì)地應(yīng)有相同的同名端才是正

10、反饋！+-+vf-vivo343.2.1 變壓器耦合LC反饋振蕩器發(fā)射極調(diào)諧型，部分耦合！共基電路，初次級(jí)繞組對(duì)地應(yīng)有相同的同名端才是正反饋！思考：1、電路的直流饋電？2、交流接地端位置？3、此電路是否為正反饋？+-+-+-vf+353.2.1 變壓器耦合LC反饋振蕩器基極調(diào)諧型，部分耦合！共射電路，初次級(jí)繞組對(duì)地應(yīng)有相反的同名端才是正反饋！思考：1、電路的直流饋電？2、交流接地端位置？3、此電路是否為正反饋？+-+-+-vivovf+36互感線圈的極性判別1234磁棒初級(jí)線圈次級(jí)線圈同極性端1234+CLRuiLici反饋信號(hào)通過(guò)互感線圈引出373.2.1 變壓器耦合LC反饋振蕩器1、電路的

11、組合式偏置2、如何減小B? 熱敏二極管、熱敏電阻 采用限幅器3、用小信號(hào)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分析起振條件383.2.1 變壓器耦合LC反饋振蕩器用小信號(hào)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分析起振條件振蕩器的振蕩頻率不僅決定于諧振回路的LC，還與損耗電阻r及晶體管的 h 參有關(guān)。2. LC回路的損耗電阻r=0，則振蕩器的振蕩頻率與晶體管參數(shù)無(wú)關(guān)，r越小，回路品質(zhì)因數(shù)越高，晶體管參數(shù)的影響越小。393.2.1 變壓器耦合LC反饋振蕩器用小信號(hào)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分析起振條件起振條件 3. 起振條件與電流放大倍數(shù) hfb 及互感M有關(guān)，hfb 越大， M越大，越易起振。403.2.1 變壓器耦合LC反饋振蕩器起振條件 優(yōu)點(diǎn)：改變f時(shí)，B不變。缺點(diǎn)：

12、1、通過(guò)電感反饋，電感上的分布電容，影響最終的輸出頻率，太大的分布電容會(huì)產(chǎn)生自諧振。2、感性元件反饋，高次諧波產(chǎn)生的壓降大，波形差。41第三章 波形發(fā)生與變換電路 （P218)3.1 LC反饋正弦波振蕩器的工作原理3.2 反饋型晶體管LC振蕩器電路3.3 頻率穩(wěn)定度及改進(jìn)型電容三端式振蕩電路3.5 石英晶體振蕩器42 三端式LC振蕩電路是經(jīng)常被采用的，其工作頻率約在幾MHz到幾百M(fèi)Hz的范圍，頻率穩(wěn)定度也比變壓器耦合振蕩電路高一些，約為103104量級(jí)，采取一些穩(wěn)頻措施后，還可以再提高一點(diǎn)。三端式LC振蕩器有多種形式，主要有：電感三端式，又稱哈特萊振蕩器(Hartley)；電容三端式，又稱考畢

13、茲振蕩器(Coplitts)；串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱克拉潑振蕩器(Clapp)；并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱西勒振蕩器(Selier)。LC三端式振蕩器組成法則(相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則)3.2.2 三端式振蕩器433.2.2 三端式振蕩器回路諧振時(shí)，電抗之和為零。+-vi-+vo-+Vf 在三端式電路中, 回路中與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件必須為同性質(zhì), 另外一個(gè)電抗元件必須為異性質(zhì)。這就是三端式電路組成的相位判據(jù), 或稱為三端式電路的相位平衡判別準(zhǔn)則。以此準(zhǔn)則可迅速判斷振蕩電路組成是否合理，能否起振。也可用于分析復(fù)雜電路與寄生振蕩現(xiàn)象。 與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件同為電容時(shí)的三端式電路,

14、 稱為電容三端式電路, 也稱為考畢茲(Colpitts)電路。 與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件同為電感時(shí)的三端式電路, 稱為電感三端式電路, 也稱為哈特萊(Hartley)電路。44相位平衡判別準(zhǔn)則應(yīng)用舉例ecbL3L1L2C振蕩能產(chǎn)生的條件？L3與C組成的串聯(lián)諧振回路呈現(xiàn)何種電抗特性？若振蕩頻率為f，則L3與C組成的串聯(lián)諧振回路的謝振頻率f3與f的關(guān)系為？L3與C組成的串聯(lián)諧振回路呈現(xiàn)電容特性453.2.2 電感三端式振蕩電路共射電路交流等效電路矢量圖哈特萊(Hartley)電路463.2.2 電感三端式振蕩電路此電路的實(shí)際電路如何畫？哈特萊(Hartley)電路共基電路473.2.2 電感三

15、端式振蕩電路起振條件振蕩頻率起振條件回路折合到ce端的諧振電阻 p=L1/(L1+L2)在壓控振蕩器中，哈特萊(Hartley)電路出現(xiàn)較多！483.2.3 電容三端式振蕩電路考畢茲(Colpitts)電路高頻振蕩時(shí)使用較多振蕩頻率 起振條件 優(yōu)點(diǎn)：振蕩頻率高，輸出波形好！ 結(jié)電容的影響及作用！C1可由結(jié)電容Coe代替， 結(jié)電容受偏壓控制，則可變?yōu)榭烧{(diào)電容。缺點(diǎn)：C改變時(shí)，B也變化，不易起振。493.2.3 電容三端式振蕩電路考畢茲(Colpitts)電路高頻振蕩時(shí)使用較多共射電路共基電路振蕩頻率 503.2.3 電容三端式振蕩電路51LC振蕩電路舉例振蕩頻率=？此電路是電容三端振蕩器52第三

16、章 波形發(fā)生與變換電路 （P218)3.1 LC反饋正弦波振蕩器的工作原理3.2 反饋型晶體管LC振蕩器電路3.3 頻率穩(wěn)定度及改進(jìn)型電容三端式振蕩電路3.5 石英晶體振蕩器533-3 振蕩器的頻率穩(wěn)定度與 改進(jìn)型電容三端振蕩器準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度是振蕩器頻率的主要指標(biāo)。 振蕩器實(shí)際工作頻率f與標(biāo)稱頻率 f 0之間的偏差，稱為振蕩頻率準(zhǔn)確度，又稱為頻率精度。頻率穩(wěn)定度分為時(shí)間頻率穩(wěn)定度和溫度頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度：是表明在一定時(shí)間內(nèi)或一定溫度、電源電壓等變化范圍內(nèi)的相對(duì)頻率變化量3.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義54振蕩器的頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一個(gè)重要性能指標(biāo)。1、各種無(wú)線電設(shè)備的性能穩(wěn)定與振蕩器的頻率穩(wěn)定

17、度有著極為 密切的關(guān)系。（發(fā)射： 載波；接收端：本地振蕩信號(hào)）2、多路通信中發(fā)射頻率的穩(wěn)定度決定著所占頻帶的寬窄，從而 決定了通信的路數(shù)和抗干擾能力的強(qiáng)弱。 (穩(wěn)定度達(dá)不到要求可能會(huì)使通信中斷）3、通信系統(tǒng)中的頻率穩(wěn)定度是能否正常通信的關(guān)鍵。 （穩(wěn)定度達(dá)不到要求可能會(huì)使通信中斷）4、各種測(cè)量?jī)x器的頻率穩(wěn)定度決定了測(cè)量的誤差大小。 （例如數(shù)字式時(shí)鐘）5、數(shù)字頻率計(jì)中，振蕩頻率的穩(wěn)定度決定了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的精確度。3.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義55溫度頻率穩(wěn)定度：溫度頻率穩(wěn)定度是指當(dāng)溫度每變化l，頻率的相對(duì)準(zhǔn)確度的變化情況。頻率準(zhǔn)確度的單位一般是“ppm”(一百萬(wàn)分之一)，溫度頻率穩(wěn)定度的單位是ppm。

18、舉例：3.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義56時(shí)間頻率穩(wěn)定度：時(shí)間頻率穩(wěn)定度是指在室溫下，觀察時(shí)間內(nèi) 的變化情況。 觀察時(shí)間間隔內(nèi)的最大頻率偏移。 時(shí)間頻率穩(wěn)定度長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度3.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義573.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度是指較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)相對(duì)頻率準(zhǔn)確度的變化，這個(gè)時(shí)間間隔指幾個(gè)月，幾天，幾小時(shí)，分秒以上。 長(zhǎng)期頻率不穩(wěn)定的原因主要是電壓、電流變化，電路參數(shù)的不穩(wěn)定，老化等。測(cè)量次數(shù) n 第i所測(cè)的相對(duì)頻率準(zhǔn)確度 n個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)平均值 統(tǒng)計(jì)值表征583.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義短期頻率穩(wěn)定度電路內(nèi)部噪聲主要來(lái)源于電阻的熱噪聲及有源器件內(nèi)部的哄聲。例如，晶體

19、管的內(nèi)部噪聲除了熱噪聲之外，還有散粒噪聲以及閃爍噪聲。 指秒或毫秒內(nèi)的隨機(jī)頻率變化，是頻率瞬間的無(wú)規(guī)則變化。短穩(wěn)在頻域上又稱為相位抖動(dòng)或相位噪聲。引起短穩(wěn)不穩(wěn)的原因：頻率源內(nèi)部噪聲593.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義短期頻率穩(wěn)定度理想的輸出信號(hào)是純凈的正弦信號(hào) 均為常數(shù)實(shí)際上不是理想的，有寄生調(diào)幅與調(diào)相。相位噪聲可以用相位噪聲測(cè)試儀，例如HP3047測(cè)得。603.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義寄生調(diào)幅 寄生調(diào)相 一般較小，可以采用限幅的辦法消除。 引起短穩(wěn)指標(biāo)惡化的主要根源 隨機(jī)相位噪聲 613.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義時(shí)域瞬時(shí)相位瞬時(shí)頻率 瞬時(shí)頻偏 定義短期頻率穩(wěn)定度無(wú)法直接測(cè)量，測(cè)到的只是某一段時(shí)間

20、內(nèi)的平均值。短期頻率穩(wěn)定度的指標(biāo)在頻域用“相位噪聲功率譜密度” 表示在處的噪聲功率譜密度，單位：rad2/Hz62振蕩頻率 3.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路63振蕩頻率 3.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路如何減少Ci和Co的影響？增大減弱由于 ， 的變化對(duì)振蕩頻率的影響。但Q下降，A減少，頻穩(wěn)度下降。如何保證Q提高,又使Ci和Co的影響下降？643.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路如何保證Q提高,又使Ci和Co的影響下降？減弱有源器件與LC諧振回路之間的耦合有利于提高諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)減小Pce？Pce=C2/(C1+C2)Pbe=C1/(C1+C2)上升！若C1減小，C2增加！，PCE下

21、降！如何同時(shí)減小Pce和Pbe?653.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路如何同時(shí)減小Pce和Pbe?改進(jìn)型電容三端振蕩電路, clapp振蕩電路。 663.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路 clapp振蕩電路振蕩頻率 起振條件 高頻端不宜起振！673.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路 波段覆蓋系數(shù)clapp振蕩電路的缺點(diǎn)：在波段內(nèi)輸出幅度不均勻 波段覆蓋系數(shù)小不易起振進(jìn)一步改進(jìn)：西勒振蕩電路683.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路 西勒振蕩電路其一， 改變成固定的小電容其二，L上并聯(lián)可變電容 振蕩頻率 起振條件 693.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路 西勒振蕩電路seiler電路改變振蕩頻率時(shí)， 是固定值。從頻率穩(wěn)定的角度看， 愈小愈好， 的選擇原則就是保證起振條件的情況下，盡可能減小 的值。seiler電路在頻率高端更易起振太小，起振條件難滿足不能選得太小振蕩頻率 起振條件 703.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路 實(shí)例交流等效電路？713.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路 振蕩器設(shè)計(jì)實(shí)例1、L、C的數(shù)值與頻率的關(guān)系？電容量高于數(shù)百PF后，在10MHz F以后，會(huì)呈現(xiàn)電感特性。電感線圈上的雜散電容將使電感成為電容。改進(jìn)方法？選用高Q電感在旁路電容和耦合電容上并100-300PF的低值電容。2、元件的選?。緽JT,fT大于5f0。LC振蕩器中，C選高Q值及穩(wěn)定的溫度特性Npo電容。L