東華大學(xué)高頻電子電路通信電子電路課件5-3

1、三點(diǎn)式振蕩器的性能分析 1電容三點(diǎn)式振蕩器考畢茲（Colpitts）振蕩器圖5 23給出電容三點(diǎn)式兩種組態(tài)的振蕩器電路。圖中和為分壓式偏置電阻。這就是具有自給偏置效應(yīng)的反饋振蕩電路。 圖5 23電容三點(diǎn)式振蕩器電路圖（a）電路中，三極管發(fā)射極通過(guò)交流接地，是共射組態(tài)；圖（b）電路中，三極管基極通過(guò)交流接地，是共基組態(tài)。組態(tài)不同，但都滿足“射同基反”的構(gòu)成原則，即與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗性質(zhì)相同，不與發(fā)射極相連的是性質(zhì)相異的電抗。 Attention : 一定要會(huì)識(shí)別電路中的旁路電容和耦合電容Ø 高頻耦合和旁路電容(和)對(duì)于高頻振蕩信號(hào)可近似認(rèn)為短路，即隔直通交；Ø 旁路和耦合

2、電容的容值至少要比回路電容的容值大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上?；芈冯娙葜傅氖菢?gòu)成諧振回路的電容。 構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，稱為回路電容(也工作電容)。圖5 24電容三點(diǎn)式振蕩器電路的等效交流通路2電容三點(diǎn)式振蕩器電路的起振條件以圖5 22（b）所示共基組態(tài)的電容三點(diǎn)式電路為例分析起振條件。1） 高頻交流等效電路畫高頻振蕩回路之前應(yīng)仔細(xì)分析每個(gè)電容與電感的作用。必須處理好以下問(wèn)題：畫高頻振蕩回路時(shí)，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, 大電感是高頻扼流圈。畫等效交流電路時(shí)，保留工作電容與工作電感, 將耦合電容與旁路電容短路, 高頻扼流圈開路, 直流電源與地短路.通常高頻振蕩回路是用于

3、分析振蕩頻率的，一般不需畫出偏置電阻如何判斷工作電容和工作電感？一是根據(jù)參數(shù)值大小。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數(shù)值往往要大于工作電容幾十倍以上；高頻扼流圈的電感數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作電感；二是根據(jù)所處的位置。旁路電容分別與晶體管的電極和交流地相連，旁路電容對(duì)偏置電阻起旁路作用；耦合電容通常在振蕩器負(fù)載和晶體管電路之間，起到高頻信號(hào)耦合及隔直流作用，即“隔直通交”。這兩種電容對(duì)高頻信號(hào)都近似為短路。工作電容與工作電感是按照振蕩器組成法則設(shè)置的。必須滿足“射同基反”。高頻扼流圈對(duì)直流和低頻信號(hào)提供通路, 對(duì)高頻信號(hào)起阻隔

4、作用。圖5 23（b）的交流等效電路（一定要會(huì)畫交流通路）圖5 24（a）電容三點(diǎn)式交流等效電路說(shuō)明：如果僅從相位角度考慮能否起振，或只要求振蕩頻率，則關(guān)注諧振網(wǎng)絡(luò)，其它部分均可不畫。2）起振條件和振蕩頻率起振條件包括振幅條件和相位條件。起振的相位條件已由“射同基反”滿足。判斷能否起振要解決的關(guān)鍵問(wèn)題就是推出反饋放大器的環(huán)路增益。振蕩器起振的振幅條件推導(dǎo)環(huán)路增益是判斷起振的關(guān)鍵。推導(dǎo)環(huán)路增益時(shí)，需將閉合環(huán)路斷開。斷開點(diǎn)的選擇并不影響表達(dá)式的推導(dǎo)，斷開點(diǎn)的選擇一般以便于分析為準(zhǔn)則，通常選擇在輸入端， 環(huán)路斷開后的等效電路（在這部分將給出一系列推導(dǎo)的等效電路）本題在圖5 24所示的×處斷

5、開，斷開點(diǎn)的右面加環(huán)路的輸入電壓，斷開點(diǎn)的左面應(yīng)接入自左向右看進(jìn)去的輸入阻抗，如下圖（a）所示。 圖中是并聯(lián)諧振回路的諧振電阻，式中為回路固有品質(zhì)因素。將共基組態(tài)的晶體管用混合型等效電路表示。當(dāng)振蕩頻率遠(yuǎn)小于管子的特征頻率時(shí)，可忽略和，圖5 25（b）給出共基組態(tài)晶體管等效電路。（參看課本P31）可見(jiàn)由斷開處向右看進(jìn)去的輸入阻抗畫出斷開環(huán)路后的等效電路如下圖（c）所示。圖中虛線框內(nèi)是晶體管共基極組態(tài)的簡(jiǎn)化等效電路,為共基放大器的輸入電阻, 為發(fā)射結(jié)電阻，為共射組態(tài)時(shí)晶體管的低頻放大倍數(shù)。因?yàn)樵诜糯髤^(qū)，發(fā)射結(jié)總是正偏的，所以，通常很小，一般在幾百歐以下。將輸出回路的等效電路簡(jiǎn)化為如圖5 25（d

6、），以便求出基本放大器的增益A和反饋系數(shù)F，最終得到環(huán)路增益。圖中，輸入阻抗對(duì)諧振回路的接入系數(shù)，通常，所以有由圖5 25（d）可簡(jiǎn)化為圖（e），圖中的電導(dǎo) 其中 圖中的電納 式中 （其中）由圖（e）可知 反饋系數(shù) 環(huán)路增益 當(dāng)回路發(fā)生諧振時(shí)，分母的虛部為零，即可得到振蕩器的振蕩角頻率為： （5.3.3）令，即可求得振幅起振的條件： （5.3.4）上式可改寫為 （5.3.5 a）或 （5.3.5 b）由圖5 25（c）可知，是經(jīng)電容分壓器折算集電極輸出回路上的電導(dǎo)值。諧振回路諧振時(shí)，集電極輸出回路的總電導(dǎo)為，回路諧振時(shí)，放大器的電壓增益為，是接入系數(shù)，也就是反饋系數(shù)。如何設(shè)置電路參數(shù)，滿足振幅

7、起振條件？要滿足振幅起振條件應(yīng)增大和。a) （）， ；b) 反之， ，雖，但不能增大，結(jié)論：要使較大，必須合理選擇值。一般要求為35，的取值一般為。另外，提高三極管集電極電流，可增大，從而提高，但是不宜過(guò)大，否則，會(huì)過(guò)大，造成回路有載品質(zhì)因數(shù)過(guò)低（為什么？請(qǐng)聯(lián)系前面所講內(nèi)容），影響振蕩頻率穩(wěn)定度。一般取值。通常選用，反饋系數(shù)取值適當(dāng)，一般都能滿足振幅起振條件。（1） 工程估算法求起振條件和諧振頻率通過(guò)上述分析可知，采用工程估算法，可大大簡(jiǎn)化起振條件的分析?，F(xiàn)將基本步驟歸納如下：（結(jié)合文件5-3圖理解該過(guò)程）選擇斷開點(diǎn)，畫出推導(dǎo)的高頻等效電路；求出諧振回路的（近似由諧振回路決定）；將輸入阻抗中部

8、分接入電阻折算到集電極輸出回路中。求出諧振回路諧振時(shí)基本放大器的增益和反饋系數(shù)（通常就是接入系數(shù)），便可得到振幅起振條件；其中 ，3 電感三點(diǎn)式振蕩器哈特萊（Hartely）振蕩器圖5 26電感三點(diǎn)式振蕩器電路，分別是兩種組態(tài)。圖（a）中，三極管發(fā)射極通過(guò)交流接地，是共射組態(tài)；圖（b）中，三極管基極通過(guò)交流接地，是共基組態(tài)。都滿足“射同基反”的構(gòu)成原則。電路簡(jiǎn)單分析：圖中和為分壓式偏置電阻，和為高頻耦合和旁路電容，對(duì)于高頻振蕩信號(hào)可近似認(rèn)為短路，為集電極限流電阻，為輸出負(fù)載電阻，構(gòu)成并聯(lián)諧振回路。電感三點(diǎn)式振蕩器電路的起振條件前面電容三點(diǎn)式振蕩器是以共基組態(tài)為例進(jìn)行分析的，電感三點(diǎn)式將以圖5

9、26（a）所示共射組態(tài)為例分析因電感三點(diǎn)式振蕩器應(yīng)用較少，尤其在集成電路中更為少見(jiàn)，故只對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，給出一些結(jié)論作為參考。（a）交流等效電路圖5 27共射電感三點(diǎn)式交流等效電路（b）起振條件和振蕩頻率共射組態(tài)的晶體管的等效電路將共射組態(tài)的晶體管用Y參數(shù)等效電路表示。當(dāng)振蕩頻率遠(yuǎn)小于管子的特征頻率時(shí)，可忽略晶體管正向傳輸導(dǎo)納的相移，可近似等于晶體管的跨導(dǎo)，電路中忽略了晶體管的內(nèi)部反饋，即，不考慮晶體管輸入和輸出電容的影響，得共射組態(tài)的晶體管用Y參數(shù)等效電路圖5 28（a）給出高頻微變等效電路。圖5 28（b）為斷開環(huán)路后的等效電路，圖中虛線框內(nèi)是晶體管共射極組態(tài)的簡(jiǎn)化等效電路,為共射放大器

10、的輸入電導(dǎo)，為輸出電導(dǎo)，為輸出負(fù)載回路等效電導(dǎo)，其中為諧振回路諧振電導(dǎo)。振蕩電路的反饋系數(shù) 取值過(guò)小，不易起振；過(guò)大，管子的輸入阻抗會(huì)對(duì)諧振回路的值及頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響(?)，并使振蕩波形失真，嚴(yán)重時(shí)致使電路無(wú)法起振。為了兼顧振蕩的起振條件和各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，通常取。 放大器增益的幅值 其中 為接入系數(shù)，其值等于反饋系數(shù)。振幅起振條件 ，即 上式可改寫為 （5.3.6）振蕩頻率的近似計(jì)算式為 （5.3.7）式中。4 三點(diǎn)式振蕩器性能比較 電容三點(diǎn)式的優(yōu)點(diǎn)Ø 由于反饋電壓取自電容，而電容對(duì)晶體管的非線性產(chǎn)生的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，能有效地濾除高次諧波，因而輸出波形好。Ø 晶體管的極間電容與回路電容并聯(lián)，可并入回路電容中考慮。若直接用極間電容代替回路電容，工作頻率可大大提高。其缺點(diǎn)是反饋系數(shù)與回路電容有關(guān)。如果用改變電容的方法來(lái)調(diào)整振蕩頻率，將改變反饋系數(shù)，甚至可能造成電路停振。電感三