非線性電子線路：第3章 正弦波振蕩器-2

3.2

LC正弦波振蕩器第3章正弦波振蕩器3.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路13.2

LC正弦波振蕩器

LC正弦波振蕩器：采用LC諧振回路作為相移網(wǎng)絡(luò)的振蕩器。

種類：變壓器耦合振蕩電路三點(diǎn)式振蕩電路差分對管振蕩電路（用于集成電路中）*23.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路一、電路組成法則

1．電路

兩種基本類型三點(diǎn)式振蕩器的原理電路(交流通路)。

2．組成法則：交流通路中，三極管的三個極與諧振回路的三個引出端相連接。其中，與發(fā)射極相接的為兩個同性質(zhì)電抗，接在集-基間的為異性電抗。三點(diǎn)式振蕩電路組成法則:射同基反

可證，此法連接必滿足相位平衡條件，實(shí)現(xiàn)正反饋。3二、三點(diǎn)式振蕩器電路

1．電容三點(diǎn)式

(1)電路RB1、RB2和RE：分壓式偏置電阻；CC、CB、CE：旁路和隔直流電容；RC：集電極直流負(fù)載電阻；RL：輸出負(fù)載電阻；

L、C1、C2

：并聯(lián)諧振回路。

(2)組成可變增益器件：三極管T；相移網(wǎng)絡(luò)：LC并聯(lián)諧振。交流通路：發(fā)射極：為兩同性質(zhì)容性電抗；集-基：感性電抗。（注意：大電容應(yīng)短路，小電容應(yīng)留著）4

交流通路：（近似為并聯(lián)諧振回路的諧振角頻率）5(3)討論——起振與平衡

T為可變增益器件，增益隨振幅增大而減小。同時，隨vi的增大產(chǎn)生自給偏置效應(yīng)，加速放大器增益的下降。以共B電容三點(diǎn)式電路為例，其直流偏置電路如圖。剛起振時，發(fā)射結(jié)直流偏置為靜態(tài)偏置電壓，VBE0=

VBEQ=VBB

-IBQRB-IEQRE反饋→vi↑→vi一部分進(jìn)入截止區(qū)→iC為失真的脈沖波，其平均值IC0

將＞ICQ→VBE0↓→增益↓→平衡

所以，振蕩振幅增大時，加在BE結(jié)上的偏置電壓將自靜態(tài)值向截止方向移動，使環(huán)路增益進(jìn)一步下降，增加環(huán)路增益下降速度，從而提高了振蕩振幅的穩(wěn)定性。6

72．電感三點(diǎn)式振蕩器電路(1)電路組成(2)組成法則判斷

L1和L2通常繞在一個線圈架，M為二者之間的互感。8三、舉例

例1：判斷圖示交流通路能否滿足相位平衡條件？

解：若L、C3串聯(lián)支路呈感性，則符合相位平衡條件條件：當(dāng)

osc>

時，

L、C3串聯(lián)支路呈感性。感性容性純阻且：由電路知，電路總電容為C1~C3的串聯(lián)，因此必有9

例2：圖為三回路振蕩器交流通路，f01，f02，

f03分別為三個回路的固有諧振頻率，寫出它們之間能滿足相位平衡條件的兩種關(guān)系式，并指出兩種情況下振蕩頻率處在什么范圍內(nèi)。

解：已知串、并聯(lián)諧振回路電抗特性曲線如圖(b)、(c)串聯(lián)中，>0，X>0，呈感性；

<0，X<0，呈容性并聯(lián)中，

>0，X<0，呈容性；

<0，X>0，呈感性101．若構(gòu)成電容三點(diǎn)式電路

L1C1、L2C2回路呈容性失諧，L3C3

回路呈感性失諧。容性失諧：fosc

<

f01,

fosc

>

f02；感性失諧：fosc

<

f032．若構(gòu)成電感三點(diǎn)式電路

L1C1、L2C2回路呈感性失諧，L3C3

回路呈容性失諧。感性失諧：fosc

>

f01，

fosc

<

f02容性失諧：fosc

>

f0311

(b)能，考慮極間電容Cb’c。(d)不能，不滿足“源同柵反”。（在FET電路中，三點(diǎn)式組成法則為：與源極相連的為同性質(zhì)電抗，不與源極相連的為異性質(zhì)電抗）12

例3-2-3

試指出圖示振蕩電路中的錯誤，并改正（注：未標(biāo)符號的電容為旁路或耦合電容）方法：（1）檢查直流偏置是否正常：保證晶體管工作在放大區(qū)，注意L對直流短路，C對直流開路；（2）檢查交流電路是否滿足三點(diǎn)式法則；（3）再次檢查直流情況，避免因交流的修改影響直流。13三、電容三點(diǎn)式振蕩電路的起振條件(相位與振幅)1．等效電路(以圖3-2-1b為例)

推導(dǎo)環(huán)路增益T(j)

時，應(yīng)將閉合環(huán)路斷開。(1)改畫電路

斷點(diǎn)左面加環(huán)路的輸入電壓Vi(j)斷點(diǎn)右邊(與C2

并聯(lián))接入自斷點(diǎn)向左看進(jìn)去的阻抗Zi

Re0：

L、C1、C2

并聯(lián)諧振回路的固有諧振電阻。Q0：固有品質(zhì)因數(shù)。14(2)用混合

型等效電路表示設(shè)fosc<<fT

(管子的特性頻率)，忽略rbb

、ree

和Cbc，得簡化的等效電路：由圖可見，在

×

處呈現(xiàn)的輸入阻抗。其中Zi=RE//re//(1/jCbe)，re=26mV/IEQ15令且設(shè)則反饋電壓Vf(j)

為：(Z1、Z2

串與Z3并)Z1Z2Z316所以將Z1、Z2、Z3

表達(dá)式帶入，整理得(3-2-1)

其中式中，

諧振時滿足虛部為0，即B=0，T(osc)=0

起振時滿足T(osc)>1

(gm>A)可求得三點(diǎn)式振蕩器的相位起振條件為17

振幅起振條件為

討論：1．振蕩角頻率osc

振蕩頻率osc

由相位起振條件決定，求得(3-2-4)式中，

：LC回路總電容，

：固有諧振角頻率。

osc

與0(LC)有關(guān)，還與gi

(Ri)、gL

(

Re0、RL)有關(guān)，且osc>0

。在實(shí)際電路中，一般滿足

工程估算時，osc

0=

(3-2-5)182．振幅起振條件

工程估算時，令

=osc

0

，求得：

振幅起振條件可簡化為：設(shè)(3-2-8)n為電容分壓比，上式改寫為gm>(3-2-7a)或

(3-2-7b)若

gi<<

，則由圖可見，n2gi便是gi

經(jīng)電容分壓器折算到集電極上的電導(dǎo)值。19

因而回路諧振時集電極上的總電導(dǎo)為(

+n2gi)，gm

除以這個總電導(dǎo)就是回路諧振時放大器的電壓增益Av(0)，而n則是反饋網(wǎng)絡(luò)(C1、

組成)的反饋系數(shù)kf

，這樣式(7b)又可表示為Av(0)kf

>120

討論：為滿足振幅起振條件（T（OSC）為3~5），應(yīng)增大Av(0)

和kf

。

①

增大kf(=n)

，但n2gi

增大，Av(0)

減?。粶p小kf

，雖提高

Av(0)，但回路增益T(0)受限。故n取值應(yīng)適中。

②

提高ICQ，可以增大gm，從而提高Av(0)

，但不宜過大，否則，gi(1/re

)會過大，降低增益，且造成回路有載品質(zhì)因數(shù)下降，影響頻率穩(wěn)定性。ICQ一般取(15)mA。

結(jié)論：若振蕩管fT

>5fosc，RL又不太小(>1k)，且n(兩電容)取值適中，一般都滿足起振條件。21四、用工程估算法求起振條件

1．將閉合環(huán)路斷開，畫出開環(huán)等效電路。2．求出固有諧振頻率0，并令osc

0。

3．將諧振回路的電導(dǎo)折算到放大器輸出端（集電極）上，求放大器回路諧振時的增益和反饋系數(shù)，便可確定振幅起振條件。22

五．電感三點(diǎn)式與電容三點(diǎn)式的比較電感三點(diǎn)式：優(yōu)點(diǎn)：由于L1和L2之間有互感，易起振。且改變C調(diào)整fosc時，基本不影響電路的反饋系數(shù)，較方便。缺點(diǎn)：反饋支路為感性支路，對高次諧波呈高阻抗，即高次諧波反饋較強(qiáng)，波形失真較大。工作頻率較高時，因?yàn)殡姼猩系姆植茧娙莺途w管的極間電容并聯(lián)于L1和L2兩端，分布參數(shù)影響嚴(yán)重，甚至使反饋系數(shù)下降到無法起振。23

電容三點(diǎn)式：優(yōu)點(diǎn)：反饋支路為容性支路，對高次諧波呈低阻抗，即高次諧波反饋較弱，波形較好。電路中的分布電容都是與C1、C2并聯(lián)，因此可適當(dāng)加大回路電容，以減弱不穩(wěn)定因素對振蕩頻率的影響，從而提高頻穩(wěn)度。當(dāng)工作頻率較高時，甚至可以只利用器件的極間電容作為回路電容。所以適用于較高工作頻率。缺點(diǎn)：不易起振。調(diào)C1或C2來改變振蕩頻率時，反饋系數(shù)會改變。Clapp，Seiler電路。24第

3章正弦波振蕩器3.3

LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度3.3.1

提高頻穩(wěn)度的基本措施3.3.2電容三點(diǎn)式振蕩電路的改進(jìn)電路253.3

LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度一、定義：頻率穩(wěn)定度又稱頻穩(wěn)度，為振蕩器最重要的指標(biāo)，指在規(guī)定時間內(nèi)，規(guī)定的溫度、濕度、電源電壓等變化范圍內(nèi)，振蕩頻率的相對變化量。二、種類

按規(guī)定時間的長短不同，頻穩(wěn)度可分：

長期頻穩(wěn)度：一天以上乃至幾個月內(nèi)因元器件老化而引起的頻率相對變化量。

短期頻穩(wěn)度：一天內(nèi)因溫度、電源電壓等外界因素變化而引起的頻率相對變化量。

瞬時(秒級)頻穩(wěn)度：電路內(nèi)部噪聲引起頻率相對變化量。

——常用

三、表達(dá)式

26絕對準(zhǔn)確度：fosc：標(biāo)稱頻率相對準(zhǔn)確度：f：實(shí)測的振蕩頻率將規(guī)定時間劃分為

n個等間隔，各間隔內(nèi)實(shí)測的振蕩頻率為

fi，短期頻穩(wěn)度的定義：式中，，第

i個間隔內(nèi)實(shí)測的絕對準(zhǔn)確度；

為絕對準(zhǔn)確度的平均值，越小，頻率準(zhǔn)確度就越高。

四、對頻穩(wěn)度的不同要求

高精度信號發(fā)生器用途中波電臺電視發(fā)射機(jī)信號發(fā)生器頻穩(wěn)度273.3.1

提高頻穩(wěn)度的基本措施首先分析外界因素對振蕩頻率變化的影響。一、頻穩(wěn)度的定性分析

1．振蕩頻率的圖解由相位平衡條件

T(osc)=0即說明：(1)A()

主要取決于并聯(lián)諧振回路的相移z()

，它在諧振頻率附近隨

的變化十分劇烈；

(2)f()

隨

的變化相對地要緩慢的多，可近似認(rèn)為它與頻率無關(guān)的常數(shù)，用f表示。得：

Z(osc)=-

f故：

z()曲線與高度為-f

水平線相交點(diǎn)上所對應(yīng)的角頻率——振蕩角頻率

osc

。

2．影響振蕩頻率osc

的參數(shù)

28由

知：影響振蕩頻率osc

的參數(shù)是0、Qe

和f

。故討論頻穩(wěn)度就是分析外界因素通過這三個參數(shù)對振蕩頻率變化的影響。

(1)諧振頻率

0

變化若

L、C

變化，0

產(chǎn)生0

的變化，則

z()曲線沿橫坐標(biāo)平移

0，曲線形狀不變。osc=0,與f

無關(guān)。

(2)Qe變化若負(fù)載和管子參數(shù)變化，使諧振回路

Qe增加

Qe，則

z()曲線變陡。Qe

引起振蕩頻率的變化量與f大小有關(guān)

。29

(3)若

f

產(chǎn)生

f，則

z()曲線形狀不變，而交點(diǎn)移動。

f

引起振蕩頻率的變化與

f(同條曲線)

、Qe

的大小有關(guān)。3．討論提高LC振蕩器頻穩(wěn)度的基本措施：

①減小0、Qe

和f，故應(yīng)減小外界因素變化引起0、Qe

和f的變化。

②減小f和增大Qe

，以減小由Qe、f引起的振蕩頻率變化量。二、提高頻穩(wěn)度的基本措施1．減小外界因素的變化

外界因素：溫度、濕度、大氣壓、電源電壓、周圍磁場、機(jī)械振動及負(fù)載變化等，其中尤以溫度的影響最嚴(yán)重。

30

措施：減振、恒溫、密封(濕度、大氣壓)、高穩(wěn)定度電源、屏蔽罩、振蕩器與負(fù)載間插入跟隨器。

2．提高振蕩回路標(biāo)準(zhǔn)性

(1)標(biāo)準(zhǔn)性：振蕩回路在外界因素變化時保持固有諧振頻率不變的能力。標(biāo)準(zhǔn)性越高，0

就越小。(2)0

與

L、C的關(guān)系將此式展開，忽略高階小量，化簡化為

31(3)分析

可見，為提高回路標(biāo)準(zhǔn)性，須減小

L、

C的相對變化量。措施：①

溫度補(bǔ)償。電感和部分寄生參量有正值的溫度系數(shù)，選用有負(fù)溫度系數(shù)的陶瓷電容器，且數(shù)值合適，正負(fù)可補(bǔ)償。②

縮短引線，采用貼片元器件，減小分布參數(shù)。

③

使用高穩(wěn)定度的外接集總電容、電感，減小不穩(wěn)定的寄生量及其在

L、C

中的比重。

(4)討論

fosc=(LC)-1/2一定時，C↑（減小分布電容在總電容中的比重）→L↓→

Q0↓→Qe

↓→頻穩(wěn)度↓所以，增加總電容是有限度的。因此一般都串聯(lián)電容，減小管子與回路間耦合的方法。如：clapp

電路323.3.2

電容三點(diǎn)式振蕩電路的改進(jìn)電路一．Clapp電路

2．特點(diǎn)