第三章-通訊電子電路

1第三章正弦波振蕩電路1、振蕩器的用途①頻率輸出：產(chǎn)生穩(wěn)定而準(zhǔn)確的電信號，如信號發(fā)生器、時鐘源等②功率輸出：高頻功率源，如醫(yī)用電療儀器等2、振蕩器的分類波形正弦波振蕩器非正弦波振蕩器工作原理反饋式振蕩器負(fù)阻式振蕩器本章主要討論反饋式頻率輸出正弦波振蕩器23.振蕩器的組成放大電路選頻電路反饋電路非線性元件能量補(bǔ)充穩(wěn)幅構(gòu)成振蕩頻率處的正反饋33.1反饋式正弦波振蕩電路的工作原理和頻域分析方法3.1.1反饋式正弦波振蕩電路的工作原理假設(shè)：在輸入端送一個信號，就會得到及；若，如果將輸入端斷開，即，仍有，則稱之為電路發(fā)生了振蕩（自激；無輸入，有輸出）。4一、自激條件①幅度平衡條件：②相位平衡條件：5②相位平衡條件：先決條件充分條件必須同時滿足，是維持等幅振蕩的條件①幅度平衡條件：（必要條件）6二、振蕩幅度的建立和穩(wěn)定過程1、起振過程當(dāng)輸入，則（開環(huán)）∴

起振條件為：即使無輸入，vi=0時，vo仍呈上升趨勢，vf與vo的正反饋作用使vo越來越大。7最初的信號從哪兒來？含電源沖擊信號選頻網(wǎng)絡(luò)反饋放大如LC、RC網(wǎng)絡(luò)A↓使只在某一特定頻率時才成立作用82、穩(wěn)幅過程

隨著vo的增大，晶體管的非線性程度增加，使A↓，最終的平衡點為。結(jié)論：振幅的穩(wěn)定過程，是一個由到的過程，該過程靠電路的非線性自動完成。晶體管或者外接元件非線性使A↓增幅振蕩等幅振蕩穩(wěn)幅條件：9

LC正弦振蕩電路vi(t),iC(t)和vo(t)的波形圖10三、穩(wěn)定條件為了產(chǎn)生持續(xù)的等幅振蕩，平衡狀態(tài)必須是穩(wěn)定的。①振蕩電壓,使②振蕩電壓,使B點穩(wěn)定的關(guān)鍵：曲線在B點附近具有負(fù)斜率幅度穩(wěn)定條件：1、幅度穩(wěn)定條件112、相位穩(wěn)定條件①②相位穩(wěn)定條件：B點穩(wěn)定的關(guān)鍵：曲線在B點附近具有負(fù)斜率123.1.2正弦波振蕩電路的線性頻域分析方法分析一個電路能否振蕩首先，看其是否正反饋其次，分析平衡條件（相位、幅度），驗證是否滿足起振條件開環(huán)法畫交流通路，判別正反饋畫微變等效電路，打開環(huán)，但保證原工作條件不變計算開環(huán)傳遞函數(shù)利用相位平衡條件確定振蕩頻率利用下的幅度平衡條件，確定晶體管參數(shù)13相位平衡條件幅度平衡條件起振條件忽略Ri和Ro的影響：14閉環(huán)法列方程組計算機(jī)輔助分析153.2LC正弦波振蕩電路反饋式正弦振蕩器放大電路選頻電路反饋電路非線性元件LC并聯(lián)諧振回路變壓器耦合電容、電感反饋式LC并聯(lián)諧振回路調(diào)諧型振蕩器三端型LC振蕩器LC正弦振蕩器:中、高頻RC正弦振蕩器:低頻163.2.1

LC振蕩電路的工作狀態(tài)工作在放大區(qū)，易起振，頻穩(wěn)好，但幅度穩(wěn)定性差，易停振工作點低，比甲類穩(wěn)定，多為小功率OSC采用甲類甲乙類一、靜態(tài)工作點和起始值17丙類具有較高的幅度穩(wěn)定性，多用于大功率OSC，但不能起振

甲乙類運用的振蕩幅度比甲類的穩(wěn)定，實用的小功率OSC多工作在甲乙類。18振蕩幅度的建立過程：19采用自偏電路：甲類起振，丙類工作丙類丙類固定偏置電路20二、自偏電路①加直流電流，Q在放大區(qū)，，起振。②iC↑→截止區(qū),使iC,iB為的余弦脈沖,且含有直流分量ICO,IBO③IBO不能流過Cb,降在Rb上,且IEO=IBO+ICO,VBEO=VBEQ

-RBIBO-REIEO,使Q點向負(fù)偏壓方向移動④截止→↓;幅度↑→

Q↓→

ICO,IBO↑→↓↓→為止。213.2.2調(diào)諧型振蕩電路（變壓器耦合OSC）反饋網(wǎng)絡(luò)由變壓器組成:相位平衡條件是靠變壓器初、次級繞組具有合適同名端來保證的選頻網(wǎng)絡(luò)由LC諧振回路組成高頻輸出穩(wěn)定幅頻特性平穩(wěn)調(diào)集調(diào)基調(diào)射223.2.3三端型LC振蕩電路一、選頻網(wǎng)絡(luò)的反相作用開環(huán)分析，設(shè)設(shè)Z為純電抗元件：23X1和X2同號X3和X1、X2反號X1,X2為電感,

X3為電容(三端電感)X1,X2為電容,X3為電感(三端電容)相位、幅度平衡條件在處：滿足24選頻網(wǎng)絡(luò)具有倒相作用諧振時：

對于一個三端型正弦波振蕩電路，可以利用公式：X1＋X2＋X3＝0來計算其振蕩頻率o

。25三端電感振蕩電路：26三端電容振蕩電路：27補(bǔ)充：

三端型OSC相位平衡條件的簡易判別略去RB,RC略去RB,RC三端型OSC相位條件判別:射同基反28具體方法畫交流通路圖看選頻網(wǎng)絡(luò)是否符合“射同基反”原則由運放構(gòu)成的三端型OSC電路特點29例：試判斷其是否滿足自激振蕩所需的相位條件。解：(1)由圖可知，X1和X1為感抗，要使電路滿足自激振蕩所需的“射同基反”的相位條件，X3必須為容抗。設(shè)L1C組成的串聯(lián)諧振回路的諧振頻率為s，即如果電路的自激振蕩角頻率為o，要滿足電路諧振時X3必須為容抗的條件，則要求o<s。一般來說，電路的振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率，即(2)圖(b)所示電路，基極所接的兩個元件C1、C2均為電容，不滿足自激所需要的“射同基反”的相位條件。顯然，o<s成立，滿足相位條件。30(3)圖(c)電路，要求L2C2支路等效為容抗。設(shè)L2C2組成的串聯(lián)諧振回路的諧振頻率為s，即如果電路的自激振蕩角頻率為o，要滿足電路諧振時X2必須為容抗的條件，則要求o<s。由于電路的振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率，即因此，要求整理得

(4)圖(d)所示的電路，必須使L1C1支路為感抗的同時，L2C2支路為容抗，電路才能滿足自激振蕩的相位條件。設(shè)電路的自激振蕩角頻率為o，必須滿足31二、三端電感振蕩電路1.交通圖，證明滿足相位平衡條件3.振蕩頻率～諧振頻率①L1,L2間不存在互感（分立電感）②若L1,L2間存在互感（順向串聯(lián)）2.適當(dāng)選取L1、L2的比值及，滿足幅度平衡條件，使324.優(yōu)缺點①存在M，容易起振②C↗→f0↗，適用于可調(diào)f0③受極間電容影響大（并聯(lián)于L上），因此f0不宜高（一般幾十兆赫）。④波形不好，因為vo、vf均與L并聯(lián)，對高次諧波電抗大，濾除電流諧波的能力差。總之，三端電感型（電感三點式）可用在較寬的頻率范圍內(nèi)，但波形較差。33三、三端電容振蕩電路1.忽略RB、RC,畫出交通圖，證明滿足相位平衡條件。2.適當(dāng)選取C1、C2的比值及，滿足幅度平衡條件，使3.振蕩頻率4.優(yōu)缺點①波形好，因為vf取自C2兩端，電容對高次諧波有短路作用。②調(diào)頻不方便（要求C1、C2同時改變，以防反饋量變化），使用雙連電容。③f0受極間電容影響。343.2.4改進(jìn)型三端電容OSC一、克拉潑電路（串聯(lián)改進(jìn)型三端電容）在L支路串聯(lián)可調(diào)電容C:C<<C1,C<<C2優(yōu)點：f0受極間電容影響小，且調(diào)f0（調(diào)C）時，不變。缺點：當(dāng)C↘→↘，不易起振，可調(diào)頻率范圍不寬。35二、西勒電路（并聯(lián)改進(jìn)型三端電容）在L兩端并聯(lián)C:C1>>C3,C2>>C3

C1>>C4,C2>>C4改變C4，可改變f0，不影響起振條件，對影響不大，常作波段OSC兩種改進(jìn)型三端電容OSC頻穩(wěn)較高36表3.2.1幾種三端型振蕩電路的性能比較或名稱三端電感（哈特萊）三端電容（科皮茲）串聯(lián)改進(jìn)型三端電容（克拉潑）并聯(lián)改進(jìn)型三端電容（西勒）振蕩頻率o近似表達(dá)式L=L1+L2+2MC≈C3+C4波形差好好好反饋系數(shù)作可變o振蕩電路可以不方便方便，但幅度不穩(wěn)方便，幅度平穩(wěn)頻率穩(wěn)定度差差好好最高振蕩頻率幾十兆赫幾百~幾千兆赫百兆赫百兆赫~千兆赫373.2.5結(jié)型場效應(yīng)管OSC場效應(yīng)管特點：Ri大，噪聲低，頻穩(wěn)好一、調(diào)柵電路的自激條件（調(diào)諧型）①相位平衡條件②幅度平衡條件③振蕩頻率由交流通路圖可知：正反饋全耦合：38二、柵極自給偏壓電路1.起振時,vgs=0,id=IDSS，gm最大,Av值最大，滿足AF>1,增幅振蕩。2.隨著iD的增大，振蕩幅度↑→產(chǎn)生失真→

RG中的直流分量↑→

︱vGS

︱↑→gm↓→︱Av

︱↓→︱AF︱=1,等幅振蕩。39三、JFET三端型電路“源同柵反”403.2.6集成電路振蕩器一般需要外接LC選頻回路一、差分對管OSC差分對管、偏置電路、隔離放大電路41二、集成LCOSC（E1648）422.實際電路振蕩頻率

式中Ci≈6pF是E1648第10、12腳間的輸入電容。E1648的最高振蕩頻率可達(dá)fOmax=225MHz。電路中，1腳的L2C2回路是為增加輸出幅度而連接的，也可不接。當(dāng)不接入L2C2回路而1腳接＋5V時，從3腳輸出的電壓的峰–峰值不小于750mV。當(dāng)1腳接L2C2回路（應(yīng)調(diào)諧于振蕩頻率），1腳電源電壓為+9V時，R（包括負(fù)載電阻）取1k，1腳輸出功率最大可達(dá)5mW（fO＝100MHz）~13mW（fO＝10MHz)。

43三、集成寬帶高頻正弦波振蕩電路

為了滿足振幅起振條件,集成放大電路的單位增益帶寬BWG至少應(yīng)比振蕩頻率fO大1-2倍。為了保證振蕩器有足夠高的頻率穩(wěn)定度,一般宜取BW≥fo或者BW≥(3～10)fo。集成放大電路的最大輸出電壓幅度和負(fù)載特性也應(yīng)滿足振蕩器的起振條件及振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件。44四、運放OSC由于運放輸出電阻很小，對選頻網(wǎng)絡(luò)影響較大，所以這種電路用的不多。45作業(yè):3.1.23.2.23.2.3(1)3.2.7463.3RC正弦振蕩電路RC正弦振蕩電路f較低時，對于LCOSC，由于大電感、大電容較難制作，且體積大，一般選用RCOSC。選用RC電路作移相選頻網(wǎng)絡(luò)，Q值不高，選頻能力差，所以放大器多工作在線性放大區(qū)需要外接非線性器件來穩(wěn)幅優(yōu)點：便于小型化，集成化分類文氏橋RCOSC積分式正交正弦式OSC移相式、雙T網(wǎng)絡(luò)OSC等473.3.1文氏橋RCOSC1、電路原理圖選頻網(wǎng)絡(luò)同相放大482、RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻作用

設(shè)集成運放理想，RC串聯(lián)阻抗為Z1，

RC并聯(lián)阻抗為Z2，

令：49①當(dāng)或Vf、Vo同相②當(dāng)f<<f0超前相移③當(dāng)f>>f0滯后相移幅頻特性和相頻特性分別為：

503、振蕩條件和振蕩頻率①相位平衡條件③振蕩頻率②起振條件改變RC，則fo可調(diào)。51所以應(yīng)該使放大器工作在線性放大區(qū)，外接非線性元件（如熱敏電阻，場效應(yīng)管等），使Av可調(diào)。4、穩(wěn)幅措施

RC選頻網(wǎng)絡(luò)Q值低，選擇性差，濾除諧波能力差。若靠放大器的非線性→穩(wěn)幅，波形失真大。52①運放工作在小信號，波形好②自動穩(wěn)幅例：當(dāng)vo有變化時，也能夠自動調(diào)節(jié)，穩(wěn)幅。53③上述電路解決了：－輸出幅度的穩(wěn)定問題－減小非線性失真－易于起振④由于該電路失真度小，一般多用于低頻振蕩，調(diào)節(jié)R（雙連）。例：545.注意：若采用晶體管放大A網(wǎng)絡(luò)一般采用兩級共射電路若A網(wǎng)絡(luò)采用單級共射，有180相移若A網(wǎng)絡(luò)共集電路，Av<1╳╳553.3.2積分式正交正弦振蕩電路56作業(yè)：3.3.1573.4

正弦振蕩的頻率穩(wěn)定問題一、頻率穩(wěn)定度二、LC值變化對頻穩(wěn)的影響與L、C的穩(wěn)定度（溫度系數(shù)）有關(guān)三、內(nèi)部相移變化對頻穩(wěn)的影響通信中要求較嚴(yán)，LC振蕩器的頻穩(wěn)一般10-2～10-4。例如尋呼系統(tǒng)150MHz，頻穩(wěn)要求2×10－6以上。采用石英晶體是提高頻穩(wěn)的有效途徑，可達(dá)10-5以上與QT(諧振回路總品質(zhì)因數(shù))有關(guān)：QT↑，頻穩(wěn)↑QHQL583.4.2

石英晶體振蕩電路采用石英晶體構(gòu)成正弦振蕩電路，提高在10-5以上一、石英晶振及其特性＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋機(jī)械力電荷（電能）1、石英晶體的基本特性——壓電效應(yīng)一定方式切割晶體固有振蕩頻率就已確定～石英晶體振子符號fI當(dāng)f=f固有時，振動最強(qiáng)，電流I最大，呈現(xiàn)諧振狀態(tài)。592、石英晶振的等效電路r(損耗)小，L大，C小，C0>>C，L/C很高，因此Q值較高，可以達(dá)104～106以上。基音諧振：泛音諧振：基音諧振的奇次倍。不會同時存在603、電抗特性①串聯(lián)諧振并聯(lián)諧振呈感性→等效于電感呈容性→等效于電容②X=0→等效于一條短路線③在OSC中,晶振一般當(dāng)電感用,或者工作在fs,當(dāng)短路線用;當(dāng)晶振呈容性電抗時,曲線變化緩慢,不利頻穩(wěn),一般不宜使用由特性可知：61二、并聯(lián)型晶振構(gòu)成三端型OSC電感1、皮爾斯電路（晶體接在B、C間）

根據(jù)晶體在電路中位置的不同，可以構(gòu)成三端電容電路、或者三端電感電路。例：三端電容電路62說明：由于晶體處在選頻網(wǎng)絡(luò)中的位置不同，因此皮爾斯電路的頻率穩(wěn)定性高于密勒電路。2、密勒電路（晶體接在B、E間）三端電感型63三、串聯(lián)型晶振短路線（低阻抗）①滿足相位條件②使AF>1，能起振。③f0=fs頻率穩(wěn)定度只與晶振有關(guān)。例題：當(dāng)f=fs時，晶體等效于一條短路線，構(gòu)成三端電容振蕩器。64四、泛音晶振①f<20MHz,晶體工作在基音頻率，基頻越高，晶體越?、賔>20MHz,晶體工作在泛音頻率（3～7倍基次泛音），這時，電路中應(yīng)設(shè)法抑制基頻和不需要的泛音上的寄生振蕩。例：設(shè)泛音晶振為5次泛音：5MHz則相應(yīng)地，L1C1支路應(yīng)調(diào)諧在3～5次泛音之間。L1C1支路電抗特性653.5壓控振蕩器(VCO)3.5.1變?nèi)荻O管及其特性一、變?nèi)荻O管用外加電壓，控制振蕩器頻率的變化。Cj~v曲線

電容Cj隨其反偏電壓v而變化的二極管，利用PN結(jié)的勢壘電容隨反向偏壓大小而變化的原理制成。66

式中：

V

外加控制電壓。PN結(jié)的接觸電位差（硅管約等于0.7V，鍺管約等于0.3V）；C0為外加電壓v=0時的結(jié)電容值。

電容變化指數(shù)，當(dāng)PN結(jié)為緩變結(jié)時，

當(dāng)PN結(jié)為突變結(jié)時，

當(dāng)PN結(jié)為超突變結(jié)時，甚至6以上。67二、若外加反向偏壓vc(t)則變?nèi)莨苌系目刂齐妷簽?Q為變?nèi)莨苤绷鞴ぷ鼽c

-電容調(diào)制度；其中：-當(dāng)偏置為VQ時變?nèi)荻O管的電容量。68說明：變?nèi)荻O管的電容量Cj受信號的控制，控制的規(guī)律取決于電容變化指數(shù)，控制深度取決于電容調(diào)制度m。變?nèi)荻O管的典型最大電容值約為幾～幾百pF，可調(diào)電容范圍(Cjmax/Cjmin)約為3∶1。693.5.2變?nèi)荻O管壓控振蕩電路一、電路組成和原理

將變?nèi)荻O管作為壓控電容接入LC振蕩電路中，就構(gòu)成了LC壓控振蕩電路。通?？刹捎酶鞣N形式的三端型振蕩電路。

應(yīng)提供靜態(tài)負(fù)偏壓，使二極管工作在反偏狀態(tài)；并且，還要提供一個交流控制電壓已達(dá)到控制其電容值變化的目的。此外，為了抑制電路中高頻振蕩信號對直流偏壓和低頻控制電壓的干擾，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。70例：(a)中心頻率為360MHz的變?nèi)荻O管壓控振蕩電路(b)和(c)

分別是晶體管的直流通路和直流偏置電路(d)和(e)分別是高頻交流等效電路和低頻控制電路712、實際電路舉例

（1）LC壓控振蕩器：三端電容（西勒電路）

改變控制電壓vC的大小，就可以控制可變電容Cj的參數(shù)，從而控制了fo。注：當(dāng)輸出電壓vo↗→Cj兩端的控制電壓↗→fo↗→輸出電壓vo幅度不要過大。72（2）場效應(yīng)管壓控振蕩電路

調(diào)柵電路73

一般情況下,變?nèi)荻O管壓控振蕩器的頻率-電壓特性是非線性的，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)線性度較好，壓控靈敏度也較高。

3、主要性能指標(biāo)壓控靈敏度：單位控制電壓引起的振蕩頻率的增量，即:

頻率—電壓特性74

晶振：或者等效為一個短路元件；或者等效為一個高Q值的電感元件，起選頻作用。3.5.3晶體壓控振蕩電路

為了提高壓控振蕩器中心頻率穩(wěn)定度，可采用晶體壓控振蕩電路。變?nèi)荻O管：壓控元件。

75例：晶體工作在fs處，相當(dāng)于短路線；L與Cj串聯(lián)，其諧振頻率等于fs，目的是提高fo的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。三端電容振蕩電路，晶振作電感使用。763.6負(fù)阻正弦波振蕩電路負(fù)阻振蕩電路二端負(fù)阻器件LC諧振回路

最早出現(xiàn)的是利用隧道二極管作為負(fù)阻器件的隧道二極管振蕩器，后來又陸續(xù)出現(xiàn)了許多新型的微波半導(dǎo)體負(fù)阻振蕩器，目前它的振蕩頻率已經(jīng)擴(kuò)展到幾千MHz以上。1、構(gòu)成2、用途主要用于100MHz以上的超高頻振蕩器。773.6.1負(fù)阻器件的特性N型（壓控電阻），如隧道二極管S型（流控電阻），如四層二極管783.6.2工作原理N型（壓控電阻）：與LC回路并聯(lián)S型（流控電阻）：與LC回路串聯(lián)

還是利用器件的非線性特性來穩(wěn)幅的，所以N型負(fù)阻器件必須與LC諧振回路相并聯(lián)，S型負(fù)阻器件必須與LC諧振回路相串聯(lián)。79交流等效電路：

應(yīng)加合適的直流靜態(tài)工作點，以保證負(fù)阻器件能工作在負(fù)阻區(qū)。

如果G–＞G（

R–＞R），補(bǔ)充能量大于損耗的能量，振蕩幅度將逐漸增大。由于負(fù)阻器件的非線性特性，會使G–（R–）隨振蕩幅度的增大而減小（這時G–、R–是平均負(fù)電導(dǎo)、負(fù)電阻），終將導(dǎo)致G–＝G（R–＝R），使負(fù)阻器件提供的能量恰好抵消損耗的能量，振蕩幅度達(dá)到穩(wěn)定值。起振及穩(wěn)幅：802、振蕩頻率和起振條件其中V不為零的條件為：振蕩頻率：起振條件：（1）N型器件電路——并聯(lián)負(fù)阻根據(jù)節(jié)點電流法：81（2）S型器件電路——串聯(lián)負(fù)阻根據(jù)回路電壓法：其中I不為零的條件為：振蕩頻率：起振條件：82例：隧道二極管負(fù)阻正弦振蕩實際電路

Cj：二極管結(jié)電容；

起振條件：振蕩頻率：

電路主要優(yōu)點：工作頻段高（可在100MHz至10GHz），噪聲低，對溫度變化、核輻射均不敏感，電路簡單，體積小和成本低等。主要缺點：輸出功率和電壓都較低。近年來,隨著在微波振蕩技術(shù)方面其他新型負(fù)阻器件的出現(xiàn),克服了這一缺點,使負(fù)阻振蕩器的應(yīng)用更為廣泛。833.7振蕩器中的幾種現(xiàn)象

主要指：寄生振蕩、間歇振蕩、以及頻率拖曳、頻率占據(jù)現(xiàn)象等。對電路性能會造成嚴(yán)重破壞，應(yīng)當(dāng)盡量避免。

84所謂間歇振蕩，就是指振蕩器工作時，時而振蕩、時而停振的一種現(xiàn)象。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，就是由于振蕩器的自偏壓偏置電路參數(shù)選擇不當(dāng)造成的。3.7.1間歇振蕩

85LC振蕩器振蕩建立的過程中，有兩個瞬態(tài)過程：回路高頻振蕩的建立過程；自偏壓（甲類起振、丙類工作）的建立過程。

當(dāng)高頻振蕩建立較快，而偏壓電路由于時間常數(shù)過大而變化過慢時，使，不滿足振幅平衡條件，于是振蕩電壓振幅迅速衰減到零，振蕩器停振。停振后，回路自行放電，偏壓增大，經(jīng)過一段時間，偏壓恢復(fù)到起振時的電壓，又重復(fù)上述過程，從而形成了間歇振蕩。863.7.2寄生振蕩

在實際電路中，由于某種原因存在寄生反饋，會引起放大電路工作不穩(wěn)定；或者極端情況下，電路自行產(chǎn)生了不需要的振蕩信號，這種情況稱為寄生振蕩。如第二章介紹小信號放大器的穩(wěn)定性時所說的自激，即屬于寄生振蕩。1、危害

會使放大器產(chǎn)生寄生輻射，