《通信電路》課件-第4章

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人實(shí)例介紹４.８章末小結(jié)第4章正弦波振蕩器4.1概述振蕩器是一種能自動(dòng)地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號(hào)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(lì)信號(hào),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(hào)。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。本章僅介紹正弦波振蕩器。

常用正弦波振蕩器主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反饋放大器組成,這就是反饋振蕩器。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。正反饋放大器既可以由晶體管、場效應(yīng)管等分立器件組成,也可以由集成電路組成,但前者的性能可以比后者做得好些,且工作頻率也可以做得更高。本章介紹高頻振蕩器時(shí)以分立器件為主,介紹低頻振蕩器時(shí)以集成運(yùn)放為主。另外還有一類負(fù)阻振蕩器,它是利用負(fù)阻器件所組成的電路來產(chǎn)生正弦波,主要用在微波波段,本書不作介紹。

4.2.1并聯(lián)諧振回路中的自由振蕩現(xiàn)象

在反饋振蕩器中,ＬＣ并聯(lián)諧振回路是最基本的選頻網(wǎng)絡(luò),所以先討論ＬＣ并聯(lián)回路的自由振蕩現(xiàn)象,并以此為基礎(chǔ)分析反饋振蕩器的工作原理。圖4.2.1是一個(gè)并聯(lián)諧振回路與一個(gè)直流電壓源US的連接圖。Ｒe0是并聯(lián)回路的諧振電阻。在ｔ＝０以前開關(guān)S接通１,使uc(０)=Us。在ｔ＝０時(shí),開關(guān)S很快斷開１,接通２。4.2反饋振蕩原理

根據(jù)電路分析基礎(chǔ)知識(shí),可以求出在Ｒe0＞的情況下,ｔ＞０以后,并聯(lián)回路兩端電壓的表達(dá)式,即回路在欠阻尼情況下的零輸入響應(yīng)：(4.2.1)其中振蕩角頻率ω0=1／,衰減系數(shù)α=1/(2Re0C)。圖4.2.1RLC電路與電壓源的連接

可見,當(dāng)諧振電阻較大時(shí),并聯(lián)諧振回路兩端的電壓變化是一個(gè)振幅按指數(shù)規(guī)律衰減的正弦振蕩。其振蕩波形如圖4.2.2所示。并聯(lián)諧振回路中自由振蕩衰減的原因在于損耗電阻的存在。若回路無損耗,即Ｒe0→∞,則衰減系數(shù)α→０,由式（4．2．1）可知,回路兩端電壓變化將是一個(gè)等幅正弦振蕩。由此可以產(chǎn)生一個(gè)設(shè)想,如果采用正反饋的方法,不斷地適時(shí)給回路補(bǔ)充能量,使之剛好與Ｒe0上損耗的能量相等,那么就可以獲得等幅的正弦振蕩了。圖4.2.2RLC欠阻尼振蕩波形4.2.2振蕩過程與振蕩條件

利用正反饋方法來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,如圖4.2.3所示。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)一般由無源器件組成。一個(gè)反饋振蕩器必須滿足三個(gè)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）。圖4.2.3反饋振蕩器的組成

１.起振過程與起振條件在圖4.2.3所示閉合環(huán)路中,在×處斷開,并定義環(huán)路增益其中,,,分別是反饋電壓、輸入電壓、主網(wǎng)絡(luò)增益和反饋系數(shù),均為復(fù)數(shù)。其中(4.2.2)

在剛接通電源時(shí),電路中存在各種電擾動(dòng),如接通電源瞬間引起的電流突變,電路中的熱噪聲等等,這些擾動(dòng)均具有很寬的頻譜。如果選頻網(wǎng)絡(luò)是由ＬＣ并聯(lián)諧振回路組成,則其中只有角頻率為諧振角頻率ω0的分量才能通過反饋產(chǎn)生較大的反饋電壓。如果在諧振頻率處,與原輸入電壓同相,并且具有更大的振幅,則經(jīng)過線性放大和反饋的不斷循環(huán),振蕩電壓振幅就會(huì)不斷增大。所以,要使振幅不斷增長的條件是:也可分別寫成：即

φT(ω0)=2nπ(n=０,１,２,…)(4.2.5)

式（4．2．4）和（4．2．5）分別稱為振幅起振條件和相位起振條件。在起振過程中,直流電源補(bǔ)充的能量大于整個(gè)環(huán)路消耗的能量。(4.2.4)(4.2.3)

２平衡過程與平衡條件振蕩幅值的增長過程不可能無止境地延續(xù)下去,因?yàn)榉糯笃鞯木€性范圍是有限的。隨著振幅的增大,放大器逐漸由放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū),工作于非線性的甲乙類狀態(tài),其增益逐漸下降。當(dāng)放大器增益下降而導(dǎo)致環(huán)路增益下降到１時(shí),振幅的增長過程將停止,振蕩器達(dá)到平衡,進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)以后,直流電源補(bǔ)充的能量剛好抵消整個(gè)環(huán)路消耗的能量。所以,反饋振蕩器的平衡條件為:

φT(ω0)=2nπn=０,１,２,…(4.2.8)

式（4．2．7）和（4．2．8）分別稱為振幅平衡條件和相位平衡條件。(4.2.6)也可分別寫成：(4.2.7)

根據(jù)振幅的起振條件和平衡條件,環(huán)路增益的模值應(yīng)該具有隨振幅Ui增大而下降的特性,如圖4.2.4所示。由于一般放大器的增益特性曲線均具有如圖4.2.4所示的形狀,所以這一條件很容易滿足,只要保證起振時(shí)環(huán)路增益幅值大于１即可。而環(huán)路增益的相位φT（ω0）則必須維持在２ｎπ上,保證為正反饋。圖4.2.4滿足起振和平衡條件的環(huán)路增益特性

３.平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性和穩(wěn)定條件

振蕩器在工作過程中,不可避免地要受到各種外界因素變化的影響,如電源電壓波動(dòng)、溫度變化、噪聲干擾等。這些不穩(wěn)定因素將引起放大器和回路的參數(shù)發(fā)生變化,結(jié)果使Ｔ（ω0）或φT（ω0）變化,破壞原來的平衡條件。如果通過放大和反饋的不斷循環(huán),振蕩器越來越偏離原來的平衡狀態(tài),從而導(dǎo)致振蕩器停振或突變到新的平衡狀態(tài),則表明原來的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的。反之,如果通過放大和反饋的不斷循環(huán),振蕩器能夠產(chǎn)生回到原平衡點(diǎn)的趨勢,并且在原平衡點(diǎn)附近建立新的平衡狀態(tài),則表明原平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。

要使振幅穩(wěn)定,振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力。具體來說,在平衡點(diǎn)Ui＝UiA附近,當(dāng)不穩(wěn)定因素使輸入振幅Ui增大時(shí),環(huán)路增益幅值Ｔ(ω0)應(yīng)該減小,使反饋電壓振幅Uf減小,從而阻止Ui增大；當(dāng)不穩(wěn)定因素使Ui減小時(shí),T(ω0)應(yīng)該增大,使Uf增大,從而阻止Ui減小。這就要求在平衡點(diǎn)附近,T(ω0)隨Ui的變化率為負(fù)值,即: (4.2.9)

式（4．2．9）就是振幅穩(wěn)定條件。對(duì)照?qǐng)D4．2．4可以看到,滿足這個(gè)條件的環(huán)路增益特性與滿足起振和平衡條件所要求的環(huán)路增益特性是一致的。

振蕩器的相位平衡條件是φT（ω0）＝２ｎπ。在振蕩器工作時(shí),某些不穩(wěn)定因素可能破壞這一平衡條件。如電源電壓的波動(dòng)或工作點(diǎn)的變化可能使晶體管內(nèi)部電容參數(shù)發(fā)生變化,從而造成相位的變化,產(chǎn)生一個(gè)偏移量Δφ。由于瞬時(shí)角頻率是瞬時(shí)相位的導(dǎo)數(shù),所以瞬時(shí)角頻率也將隨著發(fā)生變化。為了保證相位穩(wěn)定,要求振蕩器的相頻特性φT（ω）在振蕩頻率點(diǎn)應(yīng)具有阻止相位變化的能力。具體來說,在平衡點(diǎn)ω=ω0附近,當(dāng)不穩(wěn)定因素使瞬時(shí)角頻率ω增大時(shí),相頻特性φT（ω0）應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)-Δφ,從而產(chǎn)生一個(gè)-Δω,使瞬時(shí)角頻率ω減小；

當(dāng)不穩(wěn)定因素使ω減小時(shí),相頻特性φT（ω0）應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)Δφ,從而產(chǎn)生一個(gè)Δω,使ω增大,即φT（ω）曲線在ω0附近應(yīng)為負(fù)斜率,如圖4.2.5所示。數(shù)學(xué)上可表示為：

式（4.2.10）就是相位的穩(wěn)定條件。(4.2.10)圖4.2.5滿足相位穩(wěn)定條件的相頻特性

4.2.3反饋振蕩電路判斷

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(gè)條件,判斷一個(gè)反饋振蕩電路能否正常工作,需考慮以下幾點(diǎn)：①可變?cè)鲆娣糯笃骷?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(shí)應(yīng)工作在甲類狀態(tài),便于起振。②開始起振時(shí),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(diǎn)。為了增大A(ω0),負(fù)載電阻不能太小。③環(huán)路增益相位在振蕩頻率點(diǎn)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?yàn)樵谡袷庮l率點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。注意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,而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。以上第①點(diǎn)可根據(jù)直流通路進(jìn)行判斷,其余3點(diǎn)可根據(jù)交流等效電路進(jìn)行判斷。

例4.1

判斷圖例4.2.6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(shí)用電路。圖例4.2.6例4.1圖

解:圖示三個(gè)電路均為兩級(jí)反饋,且兩級(jí)中至少有一級(jí)是共射電路或共基電路,所以只要其電壓增益足夠大,振蕩的振幅條件容易滿足。而相位條件一是要求正反饋,二是選頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有負(fù)斜率特性。（ａ）圖由兩級(jí)共射反饋電路組成,其瞬時(shí)極性如圖中所標(biāo)注,所以是正反饋。ＬＣ并聯(lián)回路同時(shí)擔(dān)負(fù)選頻和反饋?zhàn)饔?且在諧振頻率點(diǎn)反饋電壓最強(qiáng)。在討論選頻網(wǎng)絡(luò)的相頻特性時(shí),一定要注意先分別判斷此選頻網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出參數(shù)是電壓，

還是電流，然后才能決定究竟是應(yīng)采用其阻抗特性還是導(dǎo)納特性。對(duì)于（ａ）圖,ＬＣ并聯(lián)回路輸入是V2管集電極電流ic2,輸出是反饋到V1管b、e兩端的電壓ube1,對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)是阻抗（輸出電壓與輸入電流的比值），所以應(yīng)采用其阻抗特性。根據(jù)圖１.２.４（b）,可知并聯(lián)回路的阻抗相頻特性是負(fù)斜率。綜上所述,(a)圖電路也滿足相位條件,因此能夠正常工作。

（ｂ）圖由共基—共集兩級(jí)反饋組成。根據(jù)瞬時(shí)極性判斷法,如果把圖中諧振時(shí)的ＬＣ并聯(lián)回路作為一個(gè)純電阻看待,則應(yīng)該是正反饋。根據(jù)圖中信號(hào)的流程，V2管的輸出發(fā)射極電流在Re2上產(chǎn)生電壓，此電壓就是LC并聯(lián)回路的輸入，而LC回路的輸出就是流入Re1的電流,對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)是導(dǎo)納，所以這里應(yīng)采用其導(dǎo)納特性。由于并聯(lián)回路導(dǎo)納的相頻特性是正斜率,因此不滿足相位穩(wěn)定條件。也可以從另一個(gè)角度考慮，由于LC并聯(lián)回路在諧振頻率點(diǎn)阻抗趨于無窮大，近似于開路，因此正反饋支路斷開，這個(gè)電路不會(huì)起振。綜上所述,（ｂ）圖電路不能正常工作。

（ｃ）圖與（ｂ）圖不同之處在于用串聯(lián)回路置換了并聯(lián)回路。由于LC串聯(lián)回路在諧振頻率點(diǎn)阻抗趨于零,正反饋?zhàn)顝?qiáng),且LC串聯(lián)回路導(dǎo)納的相頻特性是負(fù)斜率,滿足相位穩(wěn)定條件,所以（ｃ）圖電路能正常工作。(c)圖中在V2的發(fā)射極與V1的基極之間增加了一條負(fù)反饋支路,用以穩(wěn)定電路的輸出波形。4.2.4振蕩器的頻率穩(wěn)定度

1.頻率穩(wěn)定度定義反饋振蕩器若滿足起振、平衡、穩(wěn)定三個(gè)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(shí),振蕩器的相位或振蕩頻率可能發(fā)生些微變化,雖然能自動(dòng)回到平衡狀態(tài),但振蕩頻率在平衡點(diǎn)附近隨機(jī)變化這一現(xiàn)象卻是不可避免的。為了衡量實(shí)際振蕩頻率ｆ相對(duì)于標(biāo)稱振蕩頻率ｆ0變化的程度,提出了頻率穩(wěn)定度這一性能指標(biāo)。

頻率穩(wěn)定度是將振蕩器的實(shí)測數(shù)據(jù)代入規(guī)定的公式中計(jì)算后得到的。根據(jù)測試時(shí)間的長短,將頻率穩(wěn)定度分成長期頻穩(wěn)度、短期頻穩(wěn)度和瞬時(shí)頻穩(wěn)度三種,測試時(shí)間分別為一天以上、一天以內(nèi)和一秒以內(nèi)。時(shí)間劃分并無嚴(yán)格的界限,它是按照引起頻率不穩(wěn)定的因素來區(qū)別的。長期頻穩(wěn)度主要取決于元器件的老化特性,短期頻穩(wěn)度主要取決于電源電壓和環(huán)境溫度的變化以及電路參數(shù)的變化等等,而瞬時(shí)頻穩(wěn)度則與元器件的內(nèi)部噪聲有關(guān)。通常所講的頻率穩(wěn)定度一般指短期頻穩(wěn)度,定義為(4.2.11)其中，(Δf0)i=|fi-f0|是第ｉ次測試時(shí)的絕對(duì)頻率偏差； 是絕對(duì)頻率偏差的平均值,也就是絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度?？梢?頻率穩(wěn)定度是用均方誤差值來表示的相對(duì)頻率偏差程度。2.提高LC振蕩器頻率穩(wěn)定度的措施反饋振蕩器的振蕩頻率通常主要由選頻網(wǎng)絡(luò)中元件的參數(shù)決定,同時(shí)也和放大器件的參數(shù)有關(guān)。各種環(huán)境因素如溫度、濕度、大氣壓力等的變化會(huì)引起回路元件、晶體管輸入輸出阻抗以及負(fù)載的微小變化,從而對(duì)回路Ｑ值和振蕩頻率產(chǎn)生影響,造成頻率不穩(wěn)定。針對(duì)這些原因,主要可采取兩類措施來提高ＬＣ振蕩器的頻率穩(wěn)定度。

(1)減小外界因素變化的影響。可以采用穩(wěn)壓或振蕩器單獨(dú)供電的方法來穩(wěn)定電源電壓,或采用恒溫或溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉淼窒麥囟茸兓挠绊?還可以預(yù)先將元器件進(jìn)行老化處理,采取屏蔽、密封、抽真空方法減弱外界磁場、濕度、壓力變化等等的影響。(2)提高電路抗外界因素變化影響的能力。這類措施包括兩個(gè)方面：一是提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性,二是選取合理的電路形式?；芈返臉?biāo)準(zhǔn)性是指外界因素變化時(shí),振蕩回路保持其諧振頻率不變的能力?；芈窐?biāo)準(zhǔn)性越高,則頻率穩(wěn)定度越高。采用溫度系數(shù)小或溫度系數(shù)相反的電抗元件組成回路,注意選擇回路與器件、負(fù)載之間的接入系數(shù),實(shí)現(xiàn)元器件合理排隊(duì)以盡可能減小不穩(wěn)定的分布電容和引線電感的影響,這些措施都有助于提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性。如果采用回路Q值很高的石英晶體諧振器,則可組成頻率穩(wěn)定度很高的晶體振蕩器。4.3LC振蕩器4.3.1互感耦合振蕩器圖4.3.1是常用的一種集電極調(diào)諧型互感耦合振蕩器電路。此電路采用共發(fā)射極組態(tài),ＬＣ回路接在集電極上。注意耦合電容Cb的作用。如果將Cb短路,則基極將通過變壓器次級(jí)直流接地,振蕩電路不能起振。根據(jù)瞬時(shí)極性判斷法，此電路可以看成是一個(gè)共射電路與起倒相作用的互感耦合線圈級(jí)聯(lián)而成，是正反饋。讀者可以畫出其高頻等效電路。圖4.3.1集電極調(diào)諧型互感耦合振蕩器電路

互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實(shí)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(shí),耦合系數(shù)Ｍ要選擇合適,使之滿足振幅起振條件?；ジ旭詈险袷幤鞯念l率穩(wěn)定度不高,且由于互感耦合元件分布電容的存在,限制了振蕩頻率的提高,因此只適用于較低頻段。另外，因高次諧波的感抗大，故取自變壓器次級(jí)的反饋電壓中高次諧波振幅較大，所以導(dǎo)致輸出振蕩信號(hào)中高次諧波分量較大，波形不理想。【例4.2】判斷圖例4.3.2所示兩級(jí)互感耦合振蕩電路能否正常工作。

解:

在V1的發(fā)射極與V2的發(fā)射極之間斷開。從斷開處向左看,將V1的eb結(jié)作為輸入端,V2的ec結(jié)作為輸出端,可知這是一個(gè)共基—共集反饋電路,振幅條件是可以滿足的,所以只要相位條件滿足,就可起振。利用瞬時(shí)極性判斷法,根據(jù)同名端位置,有ue1↑→uc1↑→ub2↓→ue2（ue1）↓,可見是負(fù)反饋,不能起振。如果把變壓器次級(jí)同名端位置換一下,則可改為正反饋。而變壓器初級(jí)回路是并聯(lián)ＬＣ回路,作為V1的負(fù)載,此處應(yīng)考慮其阻抗特性，由于滿足相位穩(wěn)定條件,因此可以正常工作。圖4.3.2例4.2圖

4.3.2三點(diǎn)式振蕩器

１．電路組成法則

三點(diǎn)式振蕩器是指ＬＣ回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而組成的一種振蕩器。三點(diǎn)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(diǎn),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。圖4.3.3是三點(diǎn)式振蕩器的原理圖。先分析在滿足正反饋相位條件時(shí),ＬＣ回路中三個(gè)電抗元件應(yīng)具有的性質(zhì)。

假定ＬＣ回路由純電抗元件組成,其電抗值分別為Ｘce,Ｘbe和Ｘbc,如果不考慮晶體管的電抗效應(yīng),則當(dāng)回路諧振（ω＝ω0）時(shí),回路呈純阻性,有：Ｘce+Ｘbe＋Ｘbc=0,因此

－Ｘce＝Ｘbe＋Ｘbc

由于是在ΧbeΧbc支路分配在Xbe上的電壓,有圖4.3.3三點(diǎn)式振蕩器的原理電路因?yàn)檫@是一個(gè)正反饋反相放大器,與同相,與反相,所以

即Χbe與Χce必須是同性質(zhì)電抗,因而Xbc必須是異性質(zhì)電抗。

由上面的分析可知,在三點(diǎn)式電路中,ＬＣ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)。這就是三點(diǎn)式電路組成的相位判據(jù),或稱為三點(diǎn)式電路的組成法則。與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件同為電容時(shí)的三點(diǎn)式電路,稱為電容三點(diǎn)式電路,也稱為考畢茲電路。與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件同為電感時(shí)的三點(diǎn)式電路,稱為電感三點(diǎn)式電路,也稱為哈特萊電路。

２．電容三點(diǎn)式電路（又稱考畢茲電路,Ｃｏｐｌｉｔｔｓ）圖4.3.3（ａ）是電容三點(diǎn)式電路一種常見形式,（ｂ）是其高頻等效電路。圖中Ｃ1、Ｃ2是回路電容,Ｌ是回路電感,Ｃb和Ｃc分別是高頻旁路電容和耦合電容。一般來說,旁路電容和耦合電容的電容值至少要比回路電容值大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。有些電路里還接有高頻扼流圈,其作用是為直流提供通路而又不影響諧振回路工作特性。對(duì)于高頻振蕩信號(hào),旁路電容和耦合電容可近似為短路,高頻扼流圈可近似為開路。圖4.3.4電容三點(diǎn)式振蕩電路

由于電容三點(diǎn)式電路已滿足反饋振蕩器的相位條件,只要再滿足振幅起振條件就可以正常工作。因?yàn)榫w管放大器的增益隨輸入信號(hào)振幅變化的特性與振蕩的三個(gè)振幅條件一致,所以只要能起振,必定滿足平衡和穩(wěn)定條件。由圖4.3.4（ｂ）可見,這是一個(gè)共基電路。利用晶體管共基組態(tài)簡化等效電路可以將電容三點(diǎn)式電路畫成如圖4.3.5（ａ）所示的形式,其中虛線框內(nèi)是晶體管共基組態(tài)簡化等效電路。 。晶體管輸出電容未考慮。圖4.3.5電容三點(diǎn)式振蕩器的交流等效電路

在圖４.３.5（ａ）中的雙電容耦合電路里,可把次級(jí)電路元件ｒe、Ｒe、Ｃb′e等效到初級(jí)中,如圖４.３.5（ｂ）所示。其中接入系數(shù)(因?yàn)閞e<<Re)

圖4.3.４（ｂ）又可以進(jìn)一步等效為圖4.３.5（ｃ）。其中G(等效電導(dǎo))=gL′+ge′,式中， 。 B(等效電納)=ωC-1／(ωL)因?yàn)檎袷幗穷l率由此可求得振幅起振條件為:所以環(huán)路增益即其中本電路的反饋系數(shù)Ｆ的取值一般為１／８～１／２。

由式（4.3.1）可知,為了使電容三點(diǎn)式電路易于起振,應(yīng)選擇跨導(dǎo)ｇm及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(shí)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。

３.電感三點(diǎn)式電路（又稱哈特萊電路Ｈａｒｔｌｅｙ）圖4.3.6（ａ）為電感三點(diǎn)式振蕩器電路。其中Ｌ1、Ｌ2是回路電感,Ｃ是回路電容,Ｃc和Ｃe是耦合電容,Ｃb是旁路電容,Ｌ3和Ｌ4是高頻扼流圈。（ｂ）為其共基組態(tài)交流等效電路。利用類似于電容三點(diǎn)式振蕩器的分析方法,也可以求得電感三點(diǎn)式振蕩器振幅起振條件和振蕩頻率,區(qū)別在于這里以自耦變壓器耦合代替了電容耦合。圖4.3.6電感三點(diǎn)式振蕩電路振蕩角頻率ω0=其中L=L1+L2+2M,M為互感系數(shù)起振條件式中(4.3.3)(4.3.4)本電路反饋系數(shù)Ｆ的取值一般為１／１０～１／２。電容三點(diǎn)式振蕩器和電感三點(diǎn)式振蕩器各有其優(yōu)缺點(diǎn)。電容三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是：反饋電壓取自Ｃ2,而電容對(duì)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(diǎn)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。(4.3.5)

電感三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是便于用改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率,而不會(huì)影響反饋系數(shù),缺點(diǎn)是反饋電壓取自Ｌ2,而電感線圈對(duì)高次諧波呈現(xiàn)高阻抗,所以反饋電壓中高次諧波分量較多,輸出波形較差。兩種振蕩器共同的缺點(diǎn)是：晶體管輸入輸出電容分別和兩個(gè)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(diǎn)式電路的頻率穩(wěn)定度不高,一般在10-3量級(jí)。[例４.３]在圖例4.3.7所示振蕩器交流等效電路中,三個(gè)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(shí)該振蕩器能正常工作？

解:

由圖可知,只要滿足三點(diǎn)式組成法則,該振蕩器就能正常工作。圖4.3.7例4.3圖

解:由圖可知,只要滿足三點(diǎn)式組成法則,該振蕩器就能正常工作。由式（1.1.12）可知，在并聯(lián)LC回路的電抗頻率曲線中，感抗XL=ωL為正值，且感性區(qū)頻率低于諧振頻率，容抗為負(fù)值，且容性區(qū)頻率高于諧振頻率。由此可以確定f1、f2、f3與振蕩器振蕩頻率之間的關(guān)系。例如，L3C3回路的諧振頻率為f3，相應(yīng)的感抗頻率曲線XL3

和容抗頻率曲線XC3分別如(b)圖所示，即感性區(qū)頻率低于f3，容性區(qū)頻率高于f3。若組成電容三點(diǎn)式,則在振蕩頻率ｆ01處,Ｌ1Ｃ1回路與Ｌ2Ｃ2回路應(yīng)呈現(xiàn)容性,f01位于L1C1回路與L2C2回路的容性區(qū)，即f01應(yīng)大于f1和f2；L3C3回路應(yīng)呈現(xiàn)感性，f01位于L3C3回路的感性區(qū)，即f01應(yīng)小于f3。所以應(yīng)滿足ｆ1≤ｆ2＜ｆ01＜ｆ3或ｆ2＜ｆ1＜ｆ01＜ｆ3，如圖4.3.7（b）所示。若組成電感三點(diǎn)式,則在振蕩頻率ｆ02處,L1C1回路與Ｌ2Ｃ2回路應(yīng)呈現(xiàn)感性,f02位于L1C1回路與L2C2回路的感性區(qū)，即f02應(yīng)小于f1和f2；Ｌ3Ｃ3回路應(yīng)呈現(xiàn)容性,f02位于L3C3回路的容性區(qū)，即f02應(yīng)大于f3。所以應(yīng)滿足ｆ1≥ｆ2＞ｆ02＞ｆ3或ｆ2＞ｆ1＞ｆ02＞ｆ3，如圖4.3.7（c）所示。

例4.4

在圖例4.3.8所示電容三點(diǎn)式振蕩電路中,已知Ｌ＝０.５μH,Ｃ1＝５１ｐF,Ｃ2＝３３００ｐF,Ｃ3＝１２～２５０ｐF,ＲL＝５kΩ,ｇm＝３０mＳ,Ｃb′e＝２０ｐF,Ｑ0＝８０,試求能夠起振的頻率范圍。

解:參照?qǐng)D4.3.5所示交流等效電路,可求得圖例4.4所示電容三點(diǎn)式電路的有關(guān)參數(shù)。圖4.3.8例4.４圖(1)當(dāng)C3=12pF時(shí),又所以根據(jù)振幅起振條件式（4.3.1）可見Ｃ3＝１２ｐF時(shí),電路滿足起振條件,相應(yīng)的振蕩頻率

（２）當(dāng)Ｃ3＝２５０pF時(shí),可求出相應(yīng)參數(shù)可見這時(shí)電路不滿足振幅起振條件。

（３）低頻段滿足起振條件的臨界值為:ge0=n(gm-nge)-gL=0.015×(30×10-3-0.015×30×10-3)-0.2×10-3≈0.24mSCΣ=L(Q0ge0)2=0.5×10-6×(80×0.24×10-3)2≈184pF

對(duì)應(yīng)的總等效電容所以所以,振蕩頻率范圍為16.59～28.53ＭＨｚ。對(duì)應(yīng)的C3為134~12pF

對(duì)應(yīng)可變電容值

對(duì)應(yīng)的振蕩頻率

４．克拉潑（Ｃｌａｐｐ）電路

從上面分析可知,電容三點(diǎn)式電路比電感三點(diǎn)式電路性能要好些,但如何減小晶體管輸入輸出電容對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響仍是一個(gè)必須解決的問題,于是出現(xiàn)了改進(jìn)型的電容三點(diǎn)式電路——克拉潑電路。圖4.3.9（ａ）是克拉潑電路的實(shí)用電路,（ｂ）是其高頻等效電路。與電容三點(diǎn)式電路比較,克拉潑電路的特點(diǎn)是在回路中增加了一個(gè)與Ｌ串聯(lián)的電容Ｃ3。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)。圖4.3.9克拉潑振蕩電路

先不考慮晶體管輸入輸出電容的影響。因?yàn)椋?遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Ｃ1或Ｃ2,所以Ｃ1、Ｃ2

、Ｃ3三個(gè)電容串聯(lián)后的等效電容于是,振蕩角頻率

由此可見,克拉潑電路的振蕩頻率幾乎與Ｃ1、Ｃ2無關(guān)。

現(xiàn)在分析晶體管結(jié)電容Ｃce、Ｃbe

對(duì)振蕩頻率的影響。由圖4.3.9（ｂ）可以看到,Ｃce與諧振回路的接入系數(shù)

和電容三點(diǎn)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(duì)振蕩頻率的影響也大大減小。同理,Ｃbe對(duì)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(diǎn)式電路要好。在實(shí)際電路中,根據(jù)所需的振蕩頻率決定Ｌ、Ｃ3的值,然后?。?、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。

由圖４.３.9（ｂ）可以看到,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:(4.3.7)

共基電路的等效負(fù)載,ＲL″越小,則共基電路的電壓增益越小,從而環(huán)路增益越小,越不易起振。對(duì)于考畢茲電路而言,共基電路的等效負(fù)載就是RL′。所以,克拉潑電路是用犧牲環(huán)路增益的方法來換取回路標(biāo)準(zhǔn)性的提高?？死瓭婋娐返娜毕菔遣贿m合于作波段振蕩器。波段振蕩器要求在一段區(qū)間內(nèi)振蕩頻率可變,且振蕩幅值保持不變。由于克拉潑電路在改變振蕩頻率時(shí)需調(diào)節(jié)Ｃ3,根據(jù)式（4．3．7）,當(dāng)Ｃ3改變以后,ＲL″將發(fā)生變化,使環(huán)路增益發(fā)生變化,從而使振蕩幅值也發(fā)生變化。所以克拉潑電路只適宜于作固定頻率振蕩器或波段復(fù)蓋系數(shù)較小的可變頻率振蕩器。所謂波段復(fù)蓋系數(shù)是指可以在一定波段范圍內(nèi)連續(xù)正常工作的振蕩器的最高工作頻率與最低工作頻率之比。一般克拉潑電路的波段復(fù)蓋系數(shù)為1.2～1.3。

５．西勒（Ｓｅｉｌｅｒ）電路

針對(duì)克拉潑電路的缺陷,出現(xiàn)了另一種改進(jìn)型電容三點(diǎn)式電路——西勒電路。圖4.3.10（ａ）是其實(shí)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(gè)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圖4.3.10西勒振蕩電路所以,振蕩頻率

在西勒電路中,由于Ｃ4

與Ｌ并聯(lián),所以Ｃ4的大小不影響回路的接入系數(shù),其共基電路等效負(fù)載R″L仍同式（４.３.７）所示。如果使Ｃ3固定,通過變化Ｃ4來改變振蕩頻率,則R″L在振蕩頻率變化時(shí)基本保持不變,從而使輸出振幅穩(wěn)定。因此,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。(4.3.8)

６小結(jié)以上所介紹的五種ＬＣ振蕩器均是采用ＬＣ元件作為選頻網(wǎng)絡(luò)。由于ＬＣ元件的標(biāo)準(zhǔn)性較差,因而諧振回路的Ｑ值較低,空載Ｑ值一般不超過３００,有載Ｑ值就更低,所以ＬＣ振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高,一般為１０-3量級(jí),即使是克拉潑電路和西勒電路也只能達(dá)到１０-4～１０-5量級(jí)。如果需要頻率穩(wěn)定度更高的振蕩器,可以采用晶體振蕩器。4.4.1石英晶體及其特性

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(dòng)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(shí),它本身有一個(gè)固有的機(jī)械振動(dòng)頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí),晶體片的機(jī)械振動(dòng)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）。4.4晶體振蕩器

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(duì)變化量）在１０-6以下。另外,石英晶振的振動(dòng)具有多諧性,即除了基頻振動(dòng)外,還有奇次諧波泛音振動(dòng)。對(duì)于石英晶振,既可利用其基頻振動(dòng),也可利用其泛音振動(dòng)。前者稱為基頻晶體,后者稱為泛音晶體。晶片厚度與振動(dòng)頻率成反比,工作頻率越高,要求晶片越薄,因而機(jī)械強(qiáng)度越差,加工越困難,使用中也易損壞。由此可見,在同樣的工作頻率上,泛音晶體的切片可以做得比基頻晶體的切片厚一些。所以在工作頻率較高時(shí),常采用泛音晶體。通常在工作頻率小于20MHz時(shí)采用基頻晶體,大于20MHz時(shí)采用泛音晶體。圖4.4.1石英晶體諧振器(a)符號(hào)；(b)基頻等效電路；(c)完整等效電路

圖4.４.1是石英晶振的符號(hào)和等效電路。其中：安裝電容C0約１pF～１０ｐF

動(dòng)態(tài)電感Lq約10-3H～102H

動(dòng)態(tài)電容Cq約10-4pF～10-1pF

動(dòng)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值可達(dá)幾萬到幾百萬,因?yàn)?/p>

（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(duì)石英晶振的影響很小。綜合以上兩點(diǎn),不難理解石英晶振的頻率穩(wěn)定度是非常高的。由圖4.４.１（ｂ）可以看到,石英晶振可以等效為一個(gè)串聯(lián)諧振回路和一個(gè)并聯(lián)諧振回路。若忽略ｒq,則晶振兩端呈現(xiàn)純電抗,其電抗頻率特性曲線如圖4.４.２中兩條實(shí)線所示。串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率

由于Cq／C0很小,所以ｆp與ｆs間隔很小,因而在ｆs～ｆp感性區(qū)間,石英晶振具有陡峭的電抗頻率特性,曲線斜率大,利于穩(wěn)頻。若外部因素使諧振頻率增大,則根據(jù)晶振電抗特性,必然使等效電感Ｌ增大,但由于振蕩頻率與Ｌ的平方根成反比,所以又促使諧振頻率下降,趨近于原來的值。

石英晶振產(chǎn)品還有一個(gè)標(biāo)稱頻率ｆN。ｆN的值位于ｆs與ｆp之間,這是指石英晶振兩端并接某一規(guī)定負(fù)載電容ＣL時(shí)石英晶振的振蕩頻率。CL的電抗頻率曲線如圖4.4.2中虛線所示。負(fù)載電容CL的值載于生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明書中,通常為30pF(高頻晶體),或100pF(低頻晶體),或標(biāo)示為∞(指無需外接負(fù)載電容,常用于串聯(lián)型晶體振蕩器)。圖4.4.2石英晶振的電抗頻率特性4.4.2晶體振蕩器電路

將石英晶振作為高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。根據(jù)石英晶振在振蕩器中的作用原理,晶體振蕩器可分成兩類。一類是將其作為等效電感元件用在三點(diǎn)式電路中,工作在感性區(qū),稱為并聯(lián)型晶體振蕩器；另一類是將其作為一個(gè)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。

１.皮爾斯（Ｐｉｅｒｃｅ）振蕩電路并聯(lián)型晶體振蕩器的工作原理和三點(diǎn)式振蕩器相同,只是將其中一個(gè)電感元件換成石英晶振。石英晶振可接在晶體管ｃ、ｂ極之間或ｂ、ｅ極之間,所組成的電路分別稱為皮爾斯振蕩電路和密勒振蕩電路。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)是石英晶振的等效電路。

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(diǎn)：（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:

以上三個(gè)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(duì)振蕩回路影響很小,提高了回路的標(biāo)準(zhǔn)性。圖4.4.3皮爾斯振蕩電路

（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(shí)用時(shí),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。

（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。（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。這樣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。

例4.5圖例4.4.4（ａ）是一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)晶振電路,試分析其工作情況。

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(gè)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(gè)電容?？梢?這是一個(gè)皮爾斯振蕩電路,晶振等效為電感,容量為３pF～１０pF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。圖4.4.4例4.5圖

２.密勒（Ｍｉｌｌｅｒ）振蕩電路

圖4.4.5是場效應(yīng)管密勒振蕩電路。石英晶體作為電感元件連接在柵極和源極之間,ＬＣ并聯(lián)回路在振蕩頻率點(diǎn)等效為電感,作為另一電感元件連接在漏極和源極之間,極間電容Ｃgd作為構(gòu)成電感三點(diǎn)式電路中的電容元件。由于Ｃgd又稱為密勒電容,因而此電路有密勒振蕩電路之稱。密勒振蕩電路通常不采用晶體管,原因是正向偏置時(shí)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(huì)在一定程度上降低回路的標(biāo)準(zhǔn)性和頻率的穩(wěn)定性,所以采用輸入阻抗高的場效應(yīng)管。圖4.4.5密勒振蕩電路

３.泛音晶振電路

從圖4.4.1(c)中可以看到,在石英晶振的完整等效電路中,不僅包含了基頻串聯(lián)諧振支路,還包括了其它奇次諧波的串聯(lián)諧振支路,這就是前面所說的石英晶振的多諧性。但泛音晶體所工作的奇次諧波頻率越高,可能獲得的機(jī)械振蕩和相應(yīng)的電振蕩越弱。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。泛音晶振電路與基頻晶振電路有些不同。在泛音晶振電路中,為了保證振蕩器能準(zhǔn)確地振蕩在所需要的奇次泛音上,不但必須有效地抑制掉基頻和低次泛音上的寄生振蕩,而且必須正確地調(diào)節(jié)電路的環(huán)路增益,使其在工作泛音頻率上略大于1,滿足起振條件,而在更高的泛音頻率上都小于1,不滿足起振條件。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí),可在三點(diǎn)式振蕩電路中,用一選頻回路來代替某一支路上的電抗元件,使這一支路在基頻和低次泛音上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)不滿足三點(diǎn)式振蕩器的組成法則,不能起振；而在所需要的泛音頻率上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)恰好滿足組成法則,達(dá)到起振。圖4.4.6（ａ）給出了一種并聯(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,則ＬＣ1回路必須調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間。這樣,在５MHz頻率上,ＬＣ1回路呈容性,振蕩電路滿足組成法則。對(duì)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。圖4.4.6并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路及LC1回路的電抗特性(a)并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路；(b)LC1回路的電抗特性

４．串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器是將石英晶振用于正反饋支路中,利用其串聯(lián)諧振時(shí)等效為短路元件,電路反饋?zhàn)饔米顝?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4.4.7（ａ）給出了一種串聯(lián)型單管晶體振蕩器電路,（ｂ）是其高頻等效電路。這種振蕩器與三點(diǎn)式振蕩器基本類似,只不過在正反饋支路上增加了一個(gè)晶振。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。圖4.4.7串聯(lián)型晶體振蕩電路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(hào)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壓控振蕩器(4.5.1)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(shí)的結(jié)電容值,UB為ＰＮ結(jié)的內(nèi)建電位差。變?nèi)荻O管必須工作在反向偏壓狀態(tài),所以工作時(shí)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(hào),變?nèi)莨苌系碾妷簽?

u=-(UQ+uΩ)=-(UQ+UΩmcosΩt)圖4.5.1變?nèi)荻O管(a)符號(hào)；(b)結(jié)電容-電壓曲線代入式(4.5.1),則有:其中靜態(tài)結(jié)構(gòu)電容結(jié)電容調(diào)制度(4.5.2)4.5.2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。一般可采用各種形式的三點(diǎn)式電路。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(hào)對(duì)直流偏壓和低頻控制電壓的干擾,所以,在電路設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)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。

例4.6

畫出4.5.2(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?yàn)樗ぷ髟诜雌珷顟B(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(gè)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)。圖4.5.2圖例4.6

畫高頻振蕩回路與低頻控制回路前,應(yīng)仔細(xì)分析每個(gè)電容與電感的作用。對(duì)于高頻振蕩回路,小電容是工作電容,大電容是耦合電容或旁路電容,小電感是工作電感,大電感是高扼圈。當(dāng)然,變?nèi)荻O管也是工作電容。保留工作電容與工作電感,將耦合電容與旁路電容短路,高扼圈開路,直流電源與地短路,即可得到高頻振蕩回路,如圖(d)所示。正常情況下,不需畫出電阻。判斷工作電容和工作電感,一是根據(jù)參數(shù)值大小,二是根據(jù)所處的位置。電路中數(shù)值最小的電容(電感)和與其處于同一數(shù)量級(jí)的電容(電感)均被視為工作電容(電感),耦合電容與旁路電容的值往往要大于工作電容幾十倍以上,高扼圈的值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作電感。

另外,工作電容與工作電感是按照振蕩器組成法則設(shè)置的,耦合電容起隔直流和交流耦合作用,旁路電容對(duì)電阻起旁路作用,高扼圈對(duì)直流和低頻信號(hào)提供通路,對(duì)高頻信號(hào)起阻擋作用,因此它們?cè)陔娐分兴幬恢貌煌?。?jù)此也可以進(jìn)行正確判斷。對(duì)于低頻控制通路,只需將與變?nèi)荻O管有關(guān)的電感和高扼圈短路(由于其感抗相對(duì)較小),除了低頻耦合和低頻旁路電容短路外,其它電容開路,直流電源與地短路即可。由于此時(shí)變?nèi)荻O管的等效容抗和反向電阻均很大,所以對(duì)于其它電阻可作近似處理。本例中1000pF電容是高頻旁路電容,但對(duì)于低頻信號(hào)卻相當(dāng)于開路。圖(e)即為低頻控制通路。

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4.5.3時(shí)變?nèi)荻O管壓控制震蕩器的頻率一電壓特性。一般情況下，之一特性是非線性的，其非線性程度與變?nèi)葜茢?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.圖4.5.3變?nèi)荻O壓控振蕩器的頻率—電壓特性【例4.7】在圖例4.5.2(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(duì)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(hào)uΩ為振幅UΩm=1V的正弦波時(shí)對(duì)應(yīng)的壓控靈敏度。

解:

由圖4.5.2（ｄ）可知,諧振回路總等效電容由三個(gè)電容串聯(lián)而成,所以靜態(tài)時(shí)總電容為因?yàn)橹行恼鹗庮l率所以又所以由可求得壓空靈敏度

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。4.5.3晶體壓控振蕩器

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器。在晶體壓控振蕩器中,晶振或者等效為一個(gè)短路元件,起選頻作用；或者等效為一個(gè)高Ｑ值的電感元件,作為振蕩回路元件之一。通常仍采用變?nèi)荻O管作壓控元件。在圖4.5.4所示晶體壓控振蕩器高頻等效電路中,晶振作為一個(gè)電感元件?？刂齐妷赫{(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的電容值,使其與晶振串聯(lián)后的總等效電感發(fā)生變化,從而改變振蕩器的振蕩頻率。圖4.5.4晶體壓控振蕩高頻等效電路

晶體壓控振蕩器的缺點(diǎn)是頻率控制范圍很窄。圖4.5.3所示電路的頻率控制范圍僅在晶振的串聯(lián)諧振頻率ｆs與并聯(lián)諧振頻率ｆp之間。為了增大頻率控制范圍,可在晶振支路中增加一個(gè)電感Ｌ。Ｌ越大,頻率控制范圍越大,但頻率穩(wěn)定度相應(yīng)下降。因?yàn)樵黾右粋€(gè)電感Ｌ與晶振串聯(lián)或并聯(lián),分別相當(dāng)于使晶振本身的串聯(lián)諧振頻率ｆs左移或使并聯(lián)諧振頻率ｆp右移,所以可控頻率范圍ｆs～ｆp增大,但電抗曲線斜率下降。從圖4.5.4中可以很清楚地說明這一點(diǎn)。圖4.5.5串聯(lián)或并聯(lián)電感擴(kuò)展晶振頻率控制范圍的原理

在圖4.5.5中,(a)圖是串聯(lián)電感擴(kuò)展法原理。其中左圖為等效電路,右圖中兩條虛曲線是晶振的電抗頻率曲線,一條斜直虛線XL=ωL表示加入的電感L的電抗特性。由于晶振與L串聯(lián),因此，在各個(gè)頻率點(diǎn)兩者的電抗頻率曲線值相加,就可以得到擴(kuò)展后的總電抗頻率曲線,如兩條實(shí)線所示。fs′是擴(kuò)展后的串聯(lián)諧振頻率。

(b)圖是并聯(lián)電感擴(kuò)展法原理。左圖為等效電路,右圖中兩條虛曲線是晶振的電抗頻率曲線,三條實(shí)線是擴(kuò)展后的電抗頻率曲線,fp′是擴(kuò)展后的并聯(lián)諧振頻率。由于分析并聯(lián)關(guān)系采用電納特性更加方便和清楚,故(c)圖給出了(b)圖對(duì)應(yīng)的電納頻率曲線。圖中兩條虛線B1和B2是晶振的電納頻率曲線,另一條虛線表示加入的電感L的電納特性。

由于晶振與L并聯(lián),所以兩者的電納頻率曲線相加,就是擴(kuò)展后的總電納頻率曲線,如兩條實(shí)線所示。這兩條實(shí)線變換到(b)圖,即為擴(kuò)展后的總電抗頻率曲線。圖4.5.6是應(yīng)用串聯(lián)電感擴(kuò)展法原理的晶體壓控振蕩器實(shí)用電路。該電路中心頻率約20MHz,頻偏約為10kHz。圖4.5.6晶體壓控振蕩器4.6.1差分對(duì)管振蕩電路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(duì)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?？梢?這是一個(gè)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(shí)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(diǎn),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。4.６集成電路振蕩器圖4.6.1差分對(duì)管振蕩電路4.6.2單片集成振蕩器電路Ｅ１６４８

現(xiàn)以常用電路Ｅ１６４８為例介紹集成電路振蕩器的組成。單片集成振蕩器Ｅ１６４８是ＥＣＬ中規(guī)模集成電路,其內(nèi)部電路圖如圖4.6.2所示。Ｅ１６４８采用典型的差分對(duì)管振蕩電路。該電路由三部分組成：差分對(duì)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(duì)管振蕩電路,其中V9管為可控恒流源。振蕩信號(hào)由V7管基極取出,經(jīng)兩級(jí)放大電路和一級(jí)射隨后,從③腳輸出。圖4.6.2單片集成振蕩器E1648內(nèi)部電路圖

第一級(jí)放大電路由V5和V4管組成共射—共基級(jí)聯(lián)放大器,第二級(jí)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(jí)放大電路提供偏置電壓,V12～Ｖ14管為差分對(duì)管振蕩電路提供偏置電壓。