高頻電子線路第四章正弦波振蕩器

1第四章正弦波振蕩器4.1概述4.2反饋振蕩原理

※4.3LC振蕩器

※4.4晶體振蕩器

※4.5壓控振蕩器4.6集成電路振蕩器4.7實例介紹24.1概述

振蕩器是一中能自動地將直流能源轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號能量的轉(zhuǎn)換電路。它與放大器的區(qū)別在于，無需外加激勵信號，就能產(chǎn)生具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交流信號。根據(jù)所產(chǎn)生的波形不同，可將振蕩器分成正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩大類。前者能產(chǎn)生正弦波，后者能產(chǎn)生矩形波、三角波、鋸齒波等。按照選頻網(wǎng)絡(luò)所采用元件的不同，正弦波振蕩器可分為LC振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型。其中LC振蕩器和晶體振蕩器用于產(chǎn)生高頻正弦波，RC振蕩器用于產(chǎn)生低頻正弦波。按照產(chǎn)生振蕩的方法，分為反饋振蕩器和負(fù)阻振蕩器。各個頻段的振蕩器（舉例）34.2反饋振蕩原理4.2.1并聯(lián)諧振回路中的自由振蕩現(xiàn)象圖4.2.1RLC電路與電壓源的連接圖4.2.2RLC欠阻尼振蕩波形44.2反饋振蕩原理4.2.2振蕩過程及其中的三個振蕩條件※※

一個反饋振蕩器必須滿足三個條件：起振條件（保證接通電源后能逐步建立起振蕩），平衡條件（保證進(jìn)入維持等幅持續(xù)振蕩的平衡狀態(tài)）和穩(wěn)定條件（保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞）。反饋振蕩器的組成51.起振過程與起振條件

要使振幅不斷增長的條件：環(huán)路增益：也可寫成：（n=0,1,2,···）62.平衡過程與平衡條件

反饋振蕩器的平衡條件為：又可寫成：（n=0,1,2,···）滿足起振和平衡條件的環(huán)路增益特性73.平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性和穩(wěn)定條件相位的穩(wěn)定條件：動畫演示84.2.3反饋振蕩電路的判斷方法

根據(jù)上述反饋振蕩電路的基本原理和應(yīng)當(dāng)滿足的起振、平衡和穩(wěn)定三個條件，判斷一個反饋振蕩電路能否正常工作，需考慮以下幾點：

1.可變增益放大器件（晶體管，場效應(yīng)管或集成電路）應(yīng)有正確的直流偏置，開始時應(yīng)工作在甲類狀態(tài)，便于起振。

2.開始起振時，環(huán)路增益幅值A(chǔ)F(ω0)應(yīng)大于1。由于反饋網(wǎng)絡(luò)通常由無源器件組成，反饋系數(shù)F小于1，故A(ω0)必須大于1。共射、共基電路都可以滿足這一點。為了增大A(ω0)，負(fù)載電阻不能太小。9

3.環(huán)路增益相位在振蕩頻率點應(yīng)為2π的整數(shù)倍，即環(huán)路應(yīng)是正反饋。

4.選頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有負(fù)斜率的相頻特性。因為在振蕩頻率點附近，可以認(rèn)為放大器件本身的相頻特性為常數(shù)，而反饋網(wǎng)絡(luò)通常由變壓器、電阻分壓器或電容分壓器組成，其相頻特性也可視為常數(shù)，所以相位穩(wěn)定條件應(yīng)該由選頻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。請看例題：10

例4.1

判斷圖例4.1所示各反饋振蕩電路能否正常工作。其中（ａ）、（ｂ）是交流等效電路,（ｃ）是實用電路。圖例4.111121.LC并聯(lián)回路阻抗的相頻特性和LC串聯(lián)回路導(dǎo)納的相頻特性是負(fù)斜率。2.LC并聯(lián)回路導(dǎo)納的相頻特性和LC串聯(lián)回路阻抗的相頻特性是正斜率。注意13串聯(lián)諧振曲線并聯(lián)諧振曲線144.2.4振蕩器的頻率穩(wěn)定度1、頻率穩(wěn)定度定義

反饋振蕩器如滿足起振、平衡、穩(wěn)定三個條件，就能夠產(chǎn)生等幅持續(xù)的振蕩波形。當(dāng)受到外界不穩(wěn)定因素影響時，振蕩器的相位或振蕩頻率可能發(fā)生變化，雖然能自動回到平衡狀態(tài)，但振蕩頻率在平衡點附近隨機(jī)變化這一現(xiàn)象卻是不可避免的。

通常所講的頻率穩(wěn)定度一般指短期頻穩(wěn)度，定義為：152、提高LC振蕩器頻率穩(wěn)定度的措施（1）減少外界因素變化的影響（2）提高電路抗外界因素變化影響的能力

其中是第i次測試時的絕對頻率偏差。

是絕對頻率偏差的平均值，也就是絕對頻率準(zhǔn)確度。

可見，頻率穩(wěn)定度是用均方誤差值來表示的相對頻率偏差程度。164.3LC振蕩器

定義

采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器統(tǒng)稱為LC振蕩器LC振蕩器可以用來產(chǎn)生幾十千赫到幾百兆赫的正弦波信號17

本節(jié)介紹以單個晶體管作為放大器，以LC分立元件作為選頻網(wǎng)絡(luò)的LC振蕩器。其中晶體管也可以改用場效應(yīng)管，工作原理基本相同。LC振蕩器按其反饋網(wǎng)絡(luò)的不同互感耦合電容耦合自耦變壓器耦合

統(tǒng)稱為三端式振蕩器184.3.1互感耦合振蕩器

此電路采用共發(fā)射極組態(tài)，LC回路接在集電極上。

互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實現(xiàn)正反饋，所以，應(yīng)注意耦合線圈同名端的正確位置。同時，耦合系數(shù)M要選擇合適，使之滿足振幅起振條件。

集電級調(diào)諧型互感耦合振蕩電路如圖示:請看例題：19【例4.2】判斷圖例4.2所示兩級互感耦合振蕩電路能否正常工作。圖例4.220214.3.2三端式振蕩器電路組成法則

三端式振蕩器是指LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接而組成的一種振蕩器。三端式振蕩器電路用電容耦合或自耦變壓器耦合代替互感耦合，可以克服互感耦合振蕩器振蕩頻率低的缺點，是一種廣泛應(yīng)用的振蕩電路，其工作頻率可達(dá)到幾百兆赫。三端式振蕩器的原理電路如動畫所示22圖4.3.2三端式振蕩器的原理電路

23

假定LC回路由純電抗元件組成，其電抗值分別為Xce、Xbe和Xbc，同時不考慮晶體管的電抗效應(yīng)，則當(dāng)回路諧振(ω=ω0)時，回路成純阻性，有：Xce+Xbe+Xbc=0，因此-Xce=Xbe+Xbc，由于Uf是Uc在Xbe、Xbc支路分配在Xbe上的電壓，有

因為這是一個由反相放大器組成的正反饋電路，Ui與Uf

同相，Uc與Ui反相，所以

即Xbe與Xce必須是同性質(zhì)電抗，因而Xbc必須是異性質(zhì)電抗。24

結(jié)論：在三端式電路中，LC回路中與發(fā)射極相連接的兩個電抗元件必須為同性質(zhì)，另外一個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組成法則。與發(fā)射極相連接的兩個電抗元件同為電容時的三端式電路，稱為電容三端式電路，也稱為考畢茲電路。與發(fā)射極相連接的兩個電抗元件同為電感時的三端式電路，稱為電感三端式電路，也稱為哈特萊電路。25電容三端式（考畢茲電路）電感三端式（哈特萊電路）262.電容三端式電路（又稱為考畢茲電路，Coplitts）(a)(b)高頻等效電路27(a)(b)(c)電容三端式振蕩器的交流等效電路本電路的反饋系數(shù)：28

在圖４.３.４（ａ）中的雙電容耦合電路里,可把次級電路元件re、Re、Cb′e等效到初級中,如圖４.３.４（ｂ）所示。其中接入系數(shù)n=(因為re<<Re)29因為

圖4.3.４（ｂ）又可以進(jìn)一步等效為圖4.3.4（ｃ）。其中等效電導(dǎo)G=gL′+ge′。等效電納B=ωC-1／(ωL),30振蕩角頻率由此可求得振幅起振條件為:

所以環(huán)路增益31即其中本電路的反饋系數(shù)

Ｆ的取值一般為1/8～1/2。32

由式（4.3.1）可知,為了使電容三端式電路易于起振,應(yīng)選擇跨導(dǎo)gm較大、rb′e較大的晶體管,其負(fù)載RL和回路諧振電阻Re0也要大,而接入系數(shù)ｎ要合理選擇。實踐表明,如果選用截止頻率fT大于振蕩頻率五倍以上的晶體管作放大器,負(fù)載RL不要太?。ǎ眐Ω以上）,接入系數(shù)ｎ取值合適,一般都能滿足起振條件。333.電感三端式電路（也稱為哈特萊電路，Hartley）本電路的反饋系數(shù)：(a)(b)34兩種三端式振蕩電路優(yōu)缺點的比較：1.電容三端式振蕩器

優(yōu)點是：反饋電壓取自C2,而電容對晶體管非線性特性產(chǎn)生的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，所以反饋電壓中高次諧波分量很小，因而輸出波形好，接近于正弦波。

缺點是：反饋系數(shù)因與回路電容有關(guān)，如果用改變回路電容的方法來調(diào)整振蕩頻率，必將改變反饋系數(shù)，從而影響起振。35

電感三端式振蕩器優(yōu)點:便于改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率，而不會影響反饋系數(shù)；缺點：反饋電壓取自L2,而電感線圈對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，所以反饋電壓中高次諧波分量很多，輸出波形較差兩種振蕩器共同的缺點是：晶體管輸入輸出電容分別和兩個回路電抗元件并聯(lián)，影響回路的等效電抗元件參數(shù)，從而影響振蕩頻率。由于晶體管輸入輸出電容值隨環(huán)境溫度、電源電壓等因素而變化，所以三點式電路的頻率穩(wěn)定度不高，一般在10-3量級。36[例４.３]在圖例4.3所示振蕩器交流等效電路中,三個ＬＣ并聯(lián)回路的諧振頻率分別是： ,試問ｆ1、ｆ2、ｆ3滿足什么條件時該振蕩器能正常工作？且相應(yīng)的振蕩頻率是多少？

解:由圖可知,只要滿足三端式組成法則,該振蕩器就能正常工作。若組成電容三端式,則在振蕩頻率ｆ01處,Ｌ1Ｃ1回路與Ｌ2Ｃ2回路應(yīng)呈現(xiàn)容性,L3C3回路應(yīng)呈現(xiàn)感性。所以應(yīng)滿足ｆ1≤ｆ2＜ｆ01＜ｆ3或ｆ2＜ｆ1＜ｆ01＜ｆ3。37圖例4.338在兩種情況下,振蕩頻率的表達(dá)式均為:394.克拉波(Clapp)電路(a)克拉波電路的實用電路(b)高頻等效電路

電容三端式電路比電感三端式電路性能要好些,但如何減小晶體管輸入輸出電容對頻率穩(wěn)定度的影響仍是一個必須解決的問題,于是出現(xiàn)了改進(jìn)型的電容三端式電路——克拉潑電路。40各電容取值必須滿足：Ｃ3<<Ｃ1,Ｃ3<<Ｃ2,

這樣可使電路的振蕩頻率近似只與Ｃ3、Ｌ有關(guān)。先不考慮晶體管輸入輸出電容的影響。因為Ｃ3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Ｃ1或Ｃ2,所以Ｃ1、Ｃ2

、Ｃ3三個電容串聯(lián)后的等效電容結(jié)論：

克拉潑電路的振蕩頻率幾乎與Ｃ1、Ｃ2無關(guān)。振蕩角頻率41現(xiàn)在分析晶體管結(jié)電容Ｃce、Ｃbe

對振蕩頻率的影響。由圖4.3.6（ｂ）可以看到,Ｃce與諧振回路的接入系數(shù)42與電容三點式電路中Ｃce與諧振回路的接入系數(shù)n=C2／(C1+C2)比較,由于Ｃ3<<Ｃ1,Ｃ3<<Ｃ2,所以ｎ′<<ｎ。由于Ｃce的接入系數(shù)大大減小,所以它等效到回路兩端的電容值也大大減小,對振蕩頻率的影響也大大減小。同理,Ｃbe對振蕩頻率的影響也極小。因此,克拉潑電路的頻率穩(wěn)定度比電容三點式電路要好。在實際電路中,根據(jù)所需的振蕩頻率決定Ｌ、Ｃ3的值,然后取Ｃ1、Ｃ2遠(yuǎn)大于Ｃ3即可。但是Ｃ3不能取得太小,否則將影響振蕩器的起振。43

晶體管c、b兩端與回路A、B兩端之間的接入系數(shù)所以，A、B兩端的等效電阻RL′=RL//Re0

，折算到c、b兩端后為：445.西勒(Seiler)電路(a)實用電路(b)高頻等效電路45

針對克拉潑電路的缺陷,出現(xiàn)了另一種改進(jìn)型電容三端式電路——西勒電路。圖4.3.7（ａ）是其實用電路,（ｂ）是其高頻等效電路。西勒電路是在克拉潑電路基礎(chǔ)上,在電感Ｌ兩端并聯(lián)了一個小電容Ｃ4,且滿足Ｃ1

、Ｃ2遠(yuǎn)大于Ｃ3,Ｃ1

、Ｃ2遠(yuǎn)大于Ｃ4,所以其回路等效電容振蕩頻率為：西勒電路可用作波段振蕩器,其波段覆蓋系數(shù)為1.6～1.8左右。

結(jié)論：46電容、電感兩種三點式振蕩電路優(yōu)缺點：1.電容三點式振蕩器優(yōu)點是：

反饋電壓取自C2,而電容對晶體管非線性特性產(chǎn)生的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，所以反饋電壓中高次諧波分量很小，因而輸出波形好，接近于正弦波。

缺點是：反饋系數(shù)因與回路電容有關(guān)，如果用改變回路電容的方法來調(diào)整振蕩頻率，必將改變反饋系數(shù)，從而影響起振回顧：4.4晶體振蕩器472.電感三點式振蕩器優(yōu)點:便于改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率，而不會影響反饋系數(shù)；缺點：反饋電壓取自L2,而電感線圈對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，所以反饋電壓中高次諧波分量很多，輸出波形較差共同的缺點：兩種振蕩器晶體管輸入輸出電容分別和兩個回路電抗元件并聯(lián)，影響回路的等效電抗元件參數(shù)，從而影響振蕩頻率。且電容值隨環(huán)境溫度、電源電壓等因素而變化，所以三點式電路的頻率穩(wěn)定度不高，一般在10-3量級。48

由分析可知：電容三點式電路比電感三點式電路性能要好些,但如何減小晶體管輸入輸出電容對頻率穩(wěn)定度的影響仍是一個必須解決的問題,于是出現(xiàn)了改進(jìn)型的電容三點式電路——克拉潑電路。優(yōu)點：由于3.克拉潑電路克拉潑電路的振蕩頻率幾乎與Ｃ1、Ｃ2無關(guān)，所以，穩(wěn)定。

缺點：不適合于作波段振蕩器，C3不能太小，否則影響起振。494.西勒電路針對克拉潑電路的缺陷,出現(xiàn)的另一種改進(jìn)型電容三點式電路結(jié)論：西勒電路可用作波段振蕩器,其波段覆蓋系數(shù)為1.6～1.8左右。504.4晶體振蕩器※4.4.1石英晶體及其阻抗頻率特性1、石英晶體諧振器

石英是礦物質(zhì)硅石的一種，化學(xué)成分是SiO2，形狀是呈角錐形的六棱結(jié)晶體。石英晶體具有壓電效應(yīng)。

當(dāng)交流電壓加在晶體兩端,晶體先隨電壓變化產(chǎn)生應(yīng)變,然后機(jī)械振動又使晶體表面產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時,它本身有一個固有的機(jī)械振動頻率。工作原理51

當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時,晶體片的機(jī)械振動最大,晶體表面電荷量最多,外電路中的交流電流最強(qiáng),于是產(chǎn)生了諧振。因此,將石英晶體按一定方位切割成片,兩邊敷以電極,焊上引線,再用金屬或玻璃外殼封裝即構(gòu)成石英晶體諧振器（簡稱石英晶振）。32.768KHz52

2）.石英晶振的振動具有多諧性,即除了基頻振動外,還有奇次諧波泛音振動。對于石英晶振,既可利用其基頻振動,也可利用其泛音振動?；l振動稱為基頻晶體,奇次諧波泛音振動稱為泛音晶體。

3）.工作頻率較低時（小于20MHz）常采用基頻晶體，工作頻率較高時（大于20MHz）,常采用泛音晶體。特點：

1）.石英晶振的固有頻率十分穩(wěn)定,它的溫度系數(shù)（溫度變化１℃所引起的固有頻率相對變化量）在10-6以下；532、石英晶振的阻抗頻率特性圖4.４.1是石英晶振的符號和等效電路。

圖4.4.1石英晶體諧振器(a)符號；(b)基頻等效電路；(c)完整等效電路(a)(b)(c)54封裝電容C0約1pF~10pF動態(tài)電感Lq約10-3H~102H動態(tài)電容Cq約10-4pF~10-1pF動態(tài)電阻rq約幾十歐到幾百歐由以上參數(shù)可以看到：(1)石英晶振的Q值和特性阻抗ρ都非常高。Q值可以達(dá)到幾萬到幾百萬，因為Lq較大,Cq與rq很小的緣故。55

綜合以上兩點，不難理解石英晶振的頻率穩(wěn)定度是非常高的。

(2)由于石英晶振的接入系數(shù)n=Cq/(C0+Cq)很小，所以外接元器件參數(shù)對石英晶振的影響很小。串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率56晶振的頻率特性曲線574.4.2晶體振蕩器電路

將晶振作為高Q值諧振回路元件接入正反饋電路中，就組成了晶體振蕩器。

1.將晶振作為等效電感元件作用在三端式電路中，工作在感性區(qū)，稱為并聯(lián)型晶體振蕩器；

2.將晶振作為一個短路元件串接于正反饋支路上，工作在它的串聯(lián)諧振頻率上，稱為串聯(lián)型晶體振蕩器。根據(jù)晶振在振蕩器中的作用原理分類581、皮爾斯（Pierce）振蕩電路

—使石英晶體等效于電容三端式中的電感

皮爾斯電路是最常用的振蕩電路之一。

圖4.4.3（ａ）是皮爾斯電路,（ｂ）是其高頻等效電路,其中虛線框內(nèi)是晶振的等效電路。59皮爾斯（Pierce）振蕩電路分析

(1)振蕩回路與晶體管、負(fù)載之間的耦合很弱。晶體管c、b端，c、e端和e、b端的接入系數(shù)分別是：

由圖4.４.３（ｂ）可以看出,皮爾斯電路類似于克拉潑電路,但由于石英晶振中Ｃq極小,Ｑq極高,所以皮爾斯電路具有以下一些特點：

結(jié)論：以上三個接入系數(shù)一般均小于10-3～10-4,所以外電路中的不穩(wěn)定參數(shù)對振蕩回路影響很小,提高了回路的標(biāo)準(zhǔn)性。60

(2)振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數(shù)決定，而石英晶振本身的參數(shù)具有高度的穩(wěn)定性。振蕩頻率

其中，CL是和晶振兩端并聯(lián)的外電路各電容的等效值，即根據(jù)產(chǎn)品要求的負(fù)載電容。

在實用時，一般需加入微調(diào)電容，用以微調(diào)回路的諧振頻率，保證電路工作在晶振外殼上所注明的標(biāo)稱頻率fN上。61

(4)由于晶振的Q值和特性阻抗都很高，所以晶振的諧振電阻也很高，一般可達(dá)1010Ω以上。

(3)由于振蕩頻率f0一般調(diào)諧在標(biāo)稱頻率fN上，位于晶振的感性區(qū)內(nèi)，電抗曲線陡峭，穩(wěn)頻性能極好。

結(jié)論：即使外電路接入系數(shù)很小，此諧振電阻等效到晶體管輸出端的阻抗仍很大，使晶體管的電壓增益能滿足振幅起振條件的要求。62

例4.5圖例4.５（ａ）是一個數(shù)字頻率計晶振電路,試分析其工作情況。圖例4.563

解:先畫出V1管高頻交流等效電路,如圖例4.５（ｂ）所示,0.01μF電容較大,作為高頻旁路電路,V2管作射隨器。由高頻交流等效電路可以看到,V1管的c、e極之間有一個LC回路,其諧振頻率為:所以在晶振工作頻率5MHz處,此ＬＣ回路等效為一個電容?？梢?這是一個皮爾斯振蕩電路,晶振等效為電感,容量為5pF～35pF的可變電容起微調(diào)作用,使振蕩器工作在晶振的標(biāo)稱頻率5MHz上。642.密勒（Miller）振蕩電路

—石英晶體等效于電感三端式中的電感密勒振蕩電路密勒振蕩電路為什么通常不采用晶體管？

原因是：正向偏置時高頻晶體管發(fā)射結(jié)電阻太小,雖然晶振與發(fā)射結(jié)的耦合很弱,但也會在一定程度上降低回路的標(biāo)準(zhǔn)性和頻率的穩(wěn)定性。結(jié)論：采用輸入阻抗高的場效應(yīng)管。653.泛音晶振電路(a)并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路(b)LC1回路的電抗特性(a)(b)在工作頻率較高的晶體振蕩器中,多采用泛音晶體振蕩電路。66分析：圖（ａ）并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路假設(shè)泛音晶振為五次泛音,標(biāo)稱頻率為5MHz，基頻為1MHz。問：LＣ1回路必須調(diào)諧在什么頻率之間？

答：ＬＣ1回路必須調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間。分析：由ＬＣ1回路的電抗特性曲線可知：頻率在3.5~7MHz之間為電容性，且在5MHz頻率上,ＬＣ1回路呈容性,振蕩電路滿足組成法則和幅度條件。對于基頻和三次泛音頻率來說,ＬＣ1回路呈感性,電路不符合組成法則,不能起振。674.串聯(lián)型晶體振蕩器概念：將石英晶振用于正反饋支路中,利用其串聯(lián)諧振時等效為短路元件,電路反饋作用最強(qiáng),滿足振幅起振條件,使振蕩器在晶振串聯(lián)諧振頻率fs上起振。圖4.4.6串聯(lián)型晶體振蕩電路68特點：1.在振蕩電路的正反饋支路上增加了一個晶振；2.Ｌ、Ｃ1、Ｃ2和Ｃ3組成并聯(lián)諧振回路，而且調(diào)諧在振蕩頻率上。

3.振蕩頻率與晶振的串聯(lián)諧振頻率相同，這時晶振呈現(xiàn)為一個小電阻，相移為零。4.串聯(lián)型晶體振蕩器的振蕩頻率受晶振控制，具有很高的頻率穩(wěn)定度。結(jié)論：晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度很高,但振蕩頻率的可調(diào)范圍很小。采用變?nèi)荻O管組成的壓控振蕩器可使振蕩頻率隨外加電壓而變化,在調(diào)頻和鎖相環(huán)路里有很大的用途。

694.5壓控振蕩器4.5.1變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓變化這一特性制成的一種壓控電抗元件。變?nèi)荻O管的符號和結(jié)電容變化曲線如圖4.5.1所示。變?nèi)荻O管結(jié)電容可表示為:(4.5.1)壓控振蕩器（VoltageControlledOscillator）簡稱VCO，在頻率調(diào)制、頻率合成，鎖相環(huán)電路、電視調(diào)諧器、頻譜分析儀等方面都有應(yīng)用。70

變?nèi)荻O管必須工作在反向偏壓狀態(tài),所以工作時需加負(fù)的靜態(tài)直流偏壓－UQ。若交流控制電壓uΩ為正弦信號,變?nèi)莨苌系碾妷簽?u=-(UQ+uΩ)=-(UQ+UΩmcosΩt)

其中ｎ為變?nèi)葜笖?shù),其值隨半導(dǎo)體摻雜濃度和PN結(jié)的結(jié)構(gòu)不同而變化,Ｃj（0）為外加電壓u＝0時的結(jié)電容值,UB為PN結(jié)的內(nèi)建電位差。71圖4.5.1變?nèi)荻O管(a)符號；(b)結(jié)電容-電壓曲線

72代入式(4.5.1),則有:其中靜態(tài)結(jié)電容結(jié)電容調(diào)制度734.5.2變?nèi)荻O管壓控振蕩器

將變?nèi)荻O管作為壓控電容接入LC振蕩器中，就組成了LC壓控振蕩器。

需要注意的是,為了使變?nèi)荻O管能正常工作,必須正確地給其提供靜態(tài)負(fù)偏壓和交流控制電壓,而且要抑制高頻振蕩信號對直流偏壓和低頻控制電壓的干擾,所以,在電路設(shè)計時要適當(dāng)采用高頻扼流圈、旁路電容、隔直流電容等。無論是分析振蕩器還是壓控振蕩器都必須正確畫出振蕩器的直流通路和高頻振蕩回路。對于后者,還須畫出變?nèi)荻O管的直流偏置電路與低頻控制回路。例4.6說明了具體方法與步驟。

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例4.6畫出圖例4.6(a)所示中心頻率為360MHz的變?nèi)荻O管壓控振蕩器中晶體管的直流通路和高頻振蕩回路,變?nèi)荻O管的直流偏置電路和低頻控制回路。

解:畫晶體管直流通路,只需將所有電容開路、電感短路即可,變?nèi)荻O管也應(yīng)開路,

因為它工作在反偏狀態(tài),如圖(b)所示。畫變?nèi)荻O管直流偏置電路,需將與變?nèi)荻O管有關(guān)的電容開路,電感短路,晶體管的作用可用一個等效電阻表示。由于變?nèi)荻O管的反向電阻很大,可以將其它和它相連的電阻作近似處理。如本例中變?nèi)荻O管的負(fù)端可直接與15V電源相接,見圖(c)。7576圖例4.6

（b）7778

壓控振蕩器的主要性能指標(biāo)是壓控靈敏度和線性度。其中壓控靈敏度定義為單位控制電壓引起的振蕩頻率的增量,用S表示,即(4.5.3)

圖4.5.2時變?nèi)荻O管壓控制震蕩器的頻率—電壓特性。一般情況下，這一特性是非線性的，其非線性程度與變?nèi)葜笖?shù)和電路結(jié)構(gòu)有關(guān)。在中心頻率附近較小區(qū)域內(nèi)線性較好，靈敏度也較高.79圖4.5.2變?nèi)荻O壓控振蕩器的頻率—電壓特性

80

【例4．7】在圖例4.6(ａ)所示電路中,若調(diào)整Ｒ2使變?nèi)荻O管靜態(tài)偏置電壓為-6Ｖ,對應(yīng)的變?nèi)荻O管靜態(tài)電容ＣjQ＝20pF,內(nèi)建電位差UB＝0.6Ｖ,變?nèi)葜笖?shù)n＝3。求振蕩回路的電感Ｌ和交流控制信號uΩ為振幅UΩm=1V的正弦波時對應(yīng)的壓控靈敏度。解:由圖例4.6（ｄ）可知,諧振回路總等效電容由三個電容串聯(lián)而成,所以靜態(tài)時總電容為81中心振蕩頻率所以82又83所以由84可求得壓控靈敏度

可見,正向和負(fù)向壓控靈敏度略有差別,說明壓控特性是非線性的。854.6集成電路振蕩器4.6.1差分對管振蕩電路圖4.6.1差分對管振蕩電路

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在集成電路振蕩器里,廣泛采用如圖4.6.1（ａ）所示的差分對管振蕩電路,其中V2管集電極外接的ＬＣ回路調(diào)諧在振蕩頻率上。（ｂ）圖為其交流等效電路。(b)圖中Ree為恒流源I0的交流等效電阻。可見,這是一個共集—共基反饋電路。由于共集電路與共基電路均為同相放大電路,且電壓增益可調(diào)至大于１,根據(jù)瞬時極性法判斷,在V1管基極斷開,有ub1↑→ue1(ue2)↑→uc2↑→ub1↑,所以是正反饋。在振蕩頻率點,并聯(lián)LC回路阻抗最大,正反饋電壓uf（uo）最強(qiáng),且滿足相位穩(wěn)定條件。綜上所述,此振蕩器電路能正常工作。

874.6.2單片集成振蕩器電路E1648圖4.6.2單片集成振蕩器E1648內(nèi)部電路圖

88Ｅ1648采用典型的差分對管振蕩電路。該電路由三部分組成：差分對管振蕩電路、放大電路和偏置電路。V7、V8、V9管與10腳、12腳之間外接LC回路組成差分對管振蕩電路,其中V9管為可控恒流源。振蕩信號由V7管基極取出,經(jīng)兩級放大電路和一級射隨后,從③腳輸出。

第一級放大電路由V5和V4管組成共射—共基級聯(lián)放大器,第二級由V3和V2管組成單端輸入、單端輸出的差分放大器,V1管作射隨器。偏置電路由V10～Ｖ14管組成,其中Ｖ11與Ｖ10管分別為兩級放大電路提供偏置電壓,V12～Ｖ14管為差分對管振蕩電路提供偏置電壓。V12與Ｖ13管組成互補(bǔ)穩(wěn)定電路,穩(wěn)定Ｖ8基極電位。若Ｖ8基極電位受到干擾而升高,則有ub8(ub13)↑→uc13(ub12)↓→ue12(ub8)↓,這一負(fù)反饋作用使Ｖ8基極電位保持恒定。89振蕩頻率：圖4.6.3E1648組成的正弦波振蕩器

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