高頻電子線路Class10

1、高頻電子線路王軍王軍汕頭大學(xué)電子工程系汕頭大學(xué)電子工程系第第4章正弦波振蕩器章正弦波振蕩器4.1 反饋振蕩器的原理反饋振蕩器的原理 4.2 LC振蕩器振蕩器 4.3 頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度 4.4 LC振蕩器的設(shè)計(jì)考慮振蕩器的設(shè)計(jì)考慮 4.5 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器4.6 振蕩器中的幾種現(xiàn)象振蕩器中的幾種現(xiàn)象 4.7 RC振蕩器振蕩器 4.8 負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器 本章講授本章講授6 6個(gè)學(xué)時(shí)個(gè)學(xué)時(shí)4.1 4.1 反饋振蕩器的原理反饋振蕩器的原理 4.1.1 反饋振蕩器的原理分析反饋振蕩器的原理分析 反饋型振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路, 放大器通常是以某種選頻網(wǎng)絡(luò)(如振蕩回

2、路)作負(fù)載, 是一調(diào)諧放大器, 反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。 圖4-1 反饋型振蕩器原理框圖圖該放大器的閉環(huán)增益是：( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )ouSoiioisiUsKsUsUsK sUsUsF sUsUsUsUs 由：11( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )iuiiiiK s U SK sK sKsU sT sK sUSFU SK s F ssUTss 得：叫反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益。其中(4-1)(4-2)(4-3)(4-4)(4-5)(4-6)因此自激振蕩的條件就是環(huán)路增益為1, 即 ()

3、()()1T jK jF j這通常又稱為振蕩器的平衡條件。另外，也可以看出()1,( )( )()1,( )( )iiiiT jU sU sT jU sU s 形成增幅振蕩形成減幅振蕩jS 穩(wěn)用代替式中的 ，就得到下的環(huán)路增益態(tài)和傳輸系數(shù)(4-7)(4-8) 4.1.2平衡條件平衡條件振蕩器的平衡條件即為：211()()()()()|()|()|KFj njjjjT jK jF jK jeFeej 120 1 2(), ,TKFTjKFnn （振幅平衡條件）（相位平衡條件），也可表示為： 這個(gè)條件是在其振蕩頻率上才滿足的，其他頻率不滿足，因此可由平衡條件求出振蕩頻率。(4-9)例如例如，用一個(gè)

4、單調(diào)諧放大器構(gòu)成振蕩器時(shí)，設(shè)放大器集電級(jí)阻抗ZL，則：112()()()()()()()()LfofLiCjLLCjCffbfLfLfLfLFUK jYjZUUZR eIIYjY eUT jYjZ F jYjZ FjY R Fn 放大器增益：集電極阻抗：晶體管轉(zhuǎn)移導(dǎo)納： 因此平衡條件可表示為：可見，調(diào)整回路參數(shù)，可以改變振蕩頻率可見，調(diào)整回路參數(shù)，可以改變振蕩頻率(4-10)(4-11)(4-12)(4-13)(4-14)振蕩頻率不僅僅取決于調(diào)諧電路輸入輸出轉(zhuǎn)移導(dǎo)納輸入輸出轉(zhuǎn)移導(dǎo)納,Yfe4.1.3 起振條件起振條件1.起振條件起振條件 要想使反饋系統(tǒng)最終達(dá)到平衡，首先必須能夠起振，其初始激勵(lì)

5、來自電源接通的時(shí)刻，例如電沖擊、熱噪音等。只要反饋系統(tǒng)的反饋量是隨時(shí)間逐漸增加的， 即輸出是一個(gè)增幅振蕩，一直循環(huán)下去，最后達(dá)到平衡的等幅振蕩。 因此，為了起振，必須保證環(huán)路增益大于1，即：1120 1 2()()(, , ,fLTfLFT jT jY R Fnn 起振振幅條件）（ 起振相位條件）(4-15)2.起振到平衡的過程起振到平衡的過程 那如何在增幅振蕩的進(jìn)行中逐漸達(dá)到等幅振蕩，即達(dá)到平衡條件？因?yàn)榉答伨W(wǎng)絡(luò)一般是一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)，其反饋系數(shù)一般是個(gè)常數(shù)。很明顯，放大環(huán)節(jié)的增益K()必須隨ui的增大而逐漸減小，即具有負(fù)斜率特性。其圖解如下：0UoUb(a)A反饋特性放大特性0UoUb(b)F

6、1AK 圖 4 2 振幅條件的圖解表示 K，1/FA-平衡點(diǎn) 一般的放大器能滿足這個(gè)條件。當(dāng)晶體管進(jìn)入非線性區(qū)時(shí)，由于非線性，輸入的信號(hào)越大，其晶體管的ic-ube的平均跨導(dǎo)也越小，即增益越小。而且，放大器的自偏壓效應(yīng)也會(huì)是增益隨輸入幅度增大而減小，因此靠晶體管的非線性的，可以達(dá)到穩(wěn)幅，因此這是一種內(nèi)穩(wěn)幅過程。例如： 圖 4 2 晶體管的非線性特性圖解icubeubettic0004.1.4 穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件 當(dāng)外界因素，如溫度、濕度、電源電壓等都將使振蕩器的工作狀態(tài)受到影響。改變平衡條件。使振蕩器的頻率不穩(wěn)定或者停振。因此必須考慮振蕩器的穩(wěn)定工作條件。 穩(wěn)定：當(dāng)干擾時(shí)，經(jīng)過放大器內(nèi)部循環(huán)，能

7、在原來的平衡點(diǎn)附 近建立起新的平衡，干擾消失后，又回到原來的平衡點(diǎn)。 不穩(wěn)定：當(dāng)干擾時(shí)，使其偏離原來的平衡點(diǎn)，或者干脆停振，而當(dāng)干擾消失后，不能使其回到原來的平衡點(diǎn)。 1.振幅穩(wěn)定條件振幅穩(wěn)定條件 要達(dá)到振幅穩(wěn)定，振蕩器在平衡點(diǎn)處的環(huán)路增益應(yīng)該是隨輸入負(fù)斜率變化。要區(qū)別“系統(tǒng)的穩(wěn)定性”概念0iiAUUiKU 振幅定件：UiT()UiAUiBAB1 斜率越大，越穩(wěn)定。 例如圖4-3 如果A點(diǎn)是原來的平衡點(diǎn)，當(dāng)干擾過后，它必將穩(wěn)定在A點(diǎn)，因此，A 點(diǎn)是穩(wěn)定的，而如果原來在B點(diǎn)，正向干擾后它將在A點(diǎn)建立新的平衡，負(fù)向可能使之停振，所以B點(diǎn)是不穩(wěn)定的。(4-15)圖4-3振幅穩(wěn)定示例newiiKKKU

8、U0iKU0iU()newnewiiKKKUU原有值若當(dāng)0iKU0iU()newnewiiKKKUU原有值若當(dāng)在解釋振蕩器的相位穩(wěn)定性前，我們必須清楚，一個(gè)正弦信號(hào)的相位和它的頻率之間的關(guān)系(4-19a)(4-19b)可見，相位的變化必然要引起頻率的變化，頻率的變化也必然要引起相位的變化。ddtt d2.相位穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件0Vf超前超前Vi0ff， 即反之亦然外因引起的相位變化與頻率的關(guān)系外因引起的相位變化與頻率的關(guān)系:相位超前導(dǎo)致頻率提升,相位滯后導(dǎo)致頻率降低,頻率隨相位變化的關(guān)系可表示為:0為了保持振蕩器的相位平衡點(diǎn)穩(wěn)定,振蕩器本身應(yīng)該具有恢復(fù)相位平衡的能力.也就是,在振蕩周期變化的

9、同時(shí),振蕩電路中能夠產(chǎn)生一個(gè)新的相位變化,以抵消由外因引起的 變化,因而這二者的符號(hào)應(yīng)該相反,也即相位穩(wěn)定條件應(yīng)為 ,寫成偏微分形式,即0()0TYLFL回顧選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率特性可知,選頻網(wǎng)絡(luò)的相頻特性剛好是負(fù)梯度變化的.圖4-3 振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)回路的0000000() TffffYFfYFfTLYFLYFYFTYFTLLTLLTLetifandthenifandthen L和Yf+ F變化梯度符號(hào)一定要相反才能使得T才能根據(jù)頻率變化系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài).為了減小振蕩頻率的變化,一方面要盡可能地減小 ,也就是減小 和 對(duì)外界因素影響的敏感性;另外,提高相頻特性曲線斜率的絕對(duì)值 ,這可由提高回路

10、的Q值來實(shí)現(xiàn)的.FY FY4.1.5 振蕩線路舉例振蕩線路舉例互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器圖4-4是一LC振蕩器的實(shí)際電路，圖中反饋網(wǎng)絡(luò)由L和L1間的互感M擔(dān)任，因而稱為互感耦合式的反饋振蕩器，或稱為變壓器耦合振蕩器。設(shè)振蕩器的工作頻率等于回路諧振頻率，當(dāng)基極加有信號(hào)時(shí)，由三極管中的電流流向關(guān)系可知集電極輸出電壓與輸入電壓反相，根據(jù)圖中兩線圈上所標(biāo)的同名端，可以判斷出反饋線圈L1兩端的電壓與反相，故 與 同相，該反饋為正反饋。因此只要電路設(shè)計(jì)合理，在工作時(shí)滿足 條件，在輸出端就會(huì)有正弦波輸出?；ジ旭詈戏答佌袷幤鞯恼答伿怯苫ジ旭詈匣芈分械耐藖肀ＷC的。bUcUbUcUbUbUbUbbUU圖

11、4-4 互感耦合振蕩器 4.2.1 三點(diǎn)式振蕩器的組成原則三點(diǎn)式振蕩器的組成原則 在滿足高Q值的情況下。（即忽略外電路的影響）X1、X2、X3為電抗。根據(jù)諧振回路的性質(zhì), 諧振時(shí)回路應(yīng)呈純電阻性, 因而有：Ic.VUb.Uc.X2X1X3I.1230XXX22322231()bCCCjXUUj XXXXUUXXX 圖4-8 三點(diǎn)式LC振蕩器的組成(4-21)(4-22)4.2 LC振蕩器振蕩器rC3,C3C2,CCCCCC總總電電容容為為：(a)(b)(4-45)103411()LCL CC 振蕩器的振蕩頻率為 因此可調(diào)節(jié)C4來改變頻率而不改變接入系數(shù)，因此調(diào)整系數(shù)可

12、以加大，一般為1.61.8，適用于較寬波段工作。另外還可用C3來完成細(xì)調(diào)。環(huán)路增益仍然不變，為122021()mmFFLLFieFieggTKKgggK gK gp (4-46)(4-47)4.2.5 場效應(yīng)管振蕩器場效應(yīng)管振蕩器場效應(yīng)管三點(diǎn)式LC振蕩器組成原則與晶體管三點(diǎn)式LC振蕩器一樣，即“源同余異”，具體電路如下：RLCL2EcCGugsRGL1iDVDSGM(a)(b) EcL1C1CSRSRGGVSDRDCB電路有問題電路有問題輸出1.3 H1 M6.8 kRL20 MHz振蕩器C1680 pFC275 pFVCF47 pF Ec 12 VL(c) Ec 圖 4 14 由場效應(yīng)管構(gòu)成

13、的振蕩器電路（a）互感耦合場效應(yīng)管振蕩器; (b) 電感反饋場效應(yīng)管振蕩器; (c) 電容反饋場效應(yīng)管振蕩器 4.2.6 壓控振蕩器壓控振蕩器(Volltage control Oscillater, 簡稱簡稱VCO)1.原理原理 使用壓控振蕩器是通過改變電壓來控制頻率改變，可用于電調(diào)諧，調(diào)頻，調(diào)相，鎖相環(huán)中，一般采用的元件是變?nèi)荻O管，變?nèi)荻O管的特性如下：圖 4 -15 變?nèi)荻O管特性- u +0Cj 2 1/3 1/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)20604024680Cj 2 1/3 1/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)2060402468( )a( )b數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中：C0為外加u=0時(shí)的電容稱為零偏壓電容。 u：加在二極管兩端的反向電壓 u：二極管的勢(shì)壘電壓 ：變?nèi)葜笖?shù)，取決于PN結(jié)的摻雜濃度和雜質(zhì)分布。顯然，當(dāng)改變加在二極管上的電壓u時(shí) ，就可以改變結(jié)電容 C j，如果用它直接做為振蕩器的電抗元件，則可通過改變電壓來改變頻率。0(1)jCCuu(4-48)一般定義壓控靈敏度來表示u對(duì)f 的控制能力.0Hz/VffdfSdu （）0f0Uf 其中fo是在靜態(tài)工作點(diǎn)EQ處的中心頻率，線性度是它的一個(gè)重要指標(biāo)，由于非線性的存在，使壓控振蕩器的振蕩頻率范圍也會(huì)受到一定的限制，非線性取決