第正弦波振蕩器(高頻電子技術(shù))

--好好學(xué)習(xí)，每天向上--1高頻電子技術(shù)第七章正弦波振蕩器§ 概述振蕩器：是不需要外信號鼓勵，自身可將直流電能轉(zhuǎn)換為溝通電能的裝置。應(yīng)用：放射機的主振蕩器、接收機的本地振蕩器、信號發(fā)生器、數(shù)字頻率計等。分類：反響式振蕩器：利用放大電路的正反響產(chǎn)生振蕩；負(fù)阻式振蕩器：將一個呈現(xiàn)負(fù)阻特性的有源器件直接與諧振電路連接，產(chǎn)生振蕩。振蕩器通常工作于丙類，因此工作狀態(tài)是非線性的，為了便利分析，將振蕩器用甲類線性工作來分析，可以獲得與實際工作近似的狀況?！?LCR回路中的瞬變現(xiàn)象7.2.1〔P276〕LCR自由振蕩電路1212iS+ +iVCCC- -R開關(guān)S1V，然后開關(guān)S2CLR放電。Ldi

1idt0dt C上式微分一次得線性微分方程

2i0dt2 dt 0R 1LC其中設(shè)回路衰減系數(shù) ，回路固有角頻率 LC2L 0t0i0，

L(didt

) Vt02L 2202L 220

22te22t)00分為三種狀況：00LCR LC過阻尼2

2(R20

, , )LC2L 0LCL 220i V etsinh( 22tL 22007.2.2〔P276〕此時不能產(chǎn)生振蕩。臨界阻尼2

2(R2 )LCLCL7.2.3〔P277〕仍舊不能振蕩。欠阻尼2

2(R2 )LCLCViL

etsint此時回路中的電流作周期性變化，產(chǎn)生自由振蕩。1122011LC 4L2R2振蕩頻率：f2 電阻為正時，產(chǎn)生衰減振蕩；電阻為零時，產(chǎn)生等幅振蕩；電阻為負(fù)〔正反響〕時，7.2.4〔P278〕由于回路總是存在正電阻，因此必需引入負(fù)電阻，抵消回路的正電阻。引入負(fù)電阻的方法，一種是引入正反響，就等效于引入負(fù)電阻；另一種是利用有源器件本身的負(fù)阻特性。機械運動解釋：電容相當(dāng)于勢能，電感相當(dāng)于動能，能量在電容和電感間流淌，相當(dāng)于能量在勢能和動能之間的轉(zhuǎn)化?；芈冯娮栎^小時，電流每循環(huán)一次，就損失一次功率，振蕩為衰減振蕩；電阻增大到肯定程度，電容放點一次，電阻就將能量全部消耗掉，因此電路不會振蕩。瞬變現(xiàn)象：振蕩器接通電源后，電路中產(chǎn)生瞬變電流，這種電流包含的頻帶很寬，但通過選頻網(wǎng)絡(luò)的作用，僅需要的諧振頻率信號保存了下來，其他頻率重量則被濾掉。在正反響的作用下，諧振頻率信號漸漸變強，形成穩(wěn)定的振蕩。通過穩(wěn)幅措施，就可以使信號變?yōu)榈确袷帯?-好好學(xué)習(xí)，每天向上--10§ LC振蕩器的根本工作原理構(gòu)成振蕩器必需具備的條件：一套振蕩回路，其中包含兩個以上的儲能元件，當(dāng)一個釋放能量時，另一個接收能量，往復(fù)進展，頻率打算于元件的數(shù)值；一個能量來源〔如直流電源等，補充回路中電阻造成的能量損失；一個掌握設(shè)備〔如晶體管，使電源功率在正確的時刻對電路補充能量，以維持等幅振蕩。VVCCRb1cbeCeMRb2CbReLC1Lr7.3.1(a)〔P280〕互感耦合調(diào)集振蕩器〔電路為共基接法〕1LCL，M組成晶體管正反響電路；1圖中電阻為晶體管各極偏置電阻，Cb為旁路電容，濾除溝通重量，Ce為隔直電容，隔離直流；LL1c，e端，以保證是正反響〔可以由微分方程的系數(shù)得到解釋。依據(jù)晶體管的h參數(shù)模型，得到電路的溝通等效模型：圖7.3.1(b)〔P280〕由等效電路得到(7.3.1)的方程組，消去相關(guān)變量可得微分方程：d2i

1

1 hL (Crh

L ( br1)i 0dt2 hLCib

ib b

dt LC h ib和微分方程

d2i2di

2i0做比照，可得dt2 dt 01 1 h2h

(CrhLC

Lhb

h M)，2fb 0

(LC

br1〔諧振頻率〕ib考察自由振蕩產(chǎn)生條件〔欠阻尼2

ib2條件下〕下的電流表達(dá)式i

tetsin0 L假設(shè)電路產(chǎn)生等幅振蕩，則表達(dá)式中et必為常數(shù)，即必需有0，則2 1 (Crh

Lhh

M)0，由此得到振蕩條件hLC ib

b fbCrhh fb

LhbM式中hfbMMMhfb越大，越簡潔起振。*沖擊小，振幅也小?！?由正反響的觀點來解決振蕩條件7.4.1〔P282〕反響振蕩器方框圖0V+iS+o-i-反響網(wǎng)絡(luò)-F+ff+cc-(1)S斷開〔沒有反響()，經(jīng)由反響網(wǎng)絡(luò)輸出反響電i o c壓與原輸入信號VS1，去掉外加信號Vf f i i f將代替V變成基極的輸入，放大器也將連續(xù)維持工作。由于此時已沒有外加輸入信號，故電路i變?yōu)檎袷幤鳌? 依據(jù)電壓間的相互關(guān)系有：Vf

FVc

，V oi A0

cA0當(dāng)產(chǎn)生振蕩時，應(yīng)有Vf

V，F(xiàn)Vi

c即因此得振蕩條件：A01，或10A0 0

由模電相關(guān)學(xué)問可得反響放大器的閉環(huán)增益A

1

，當(dāng)1AF

0A

，放f AF 0 f0大器產(chǎn)生振蕩。7.4.1〔P282〕7.4.2〔P282〕調(diào)集振蕩器的溝通等效電路++i-+-cZp-M-IVf+L1LrCVc+電路為共基接法：集電極電壓V加在諧振回路上，由于耦合線圈同名端在同一方向，故輸出的c反響電壓與集電極電壓V輸出同相；而共基接法中輸入信號V應(yīng)與輸出信號V同相，且反f c i C饋電壓正向加在共基電路輸入端，即相當(dāng)于輸出通過反響正向加在輸入端，因此為正反響。f共基放大器電壓增益h參數(shù)：

hZfb

，其中Z

1 jC

為集電極負(fù)載回路輸出電壓jc

0 h hZib b p

p rj(L 1)C1L兩端的感應(yīng)電壓〔反響電壓j1i

jMI則反響系數(shù)Fic

I(rjL)10中得0jMhfb1h(12LCjrC)hfbib

(rjL)0諧振時上式中虛部為0，得hib

rChLMh 0b fb即h fb

Crhib

LhbM依據(jù)振蕩條件得負(fù)電阻的值等于正電阻的值，即實部也為0，得h(12LC)hib 1 h

r0即20

(LC h

br1)ib可見，無論由瞬變觀點還是正反響觀點，所得到的振蕩條件都是一樣的，一般正反響的方法來分析振蕩器要簡易些。§ 振蕩器的平衡與穩(wěn)定條件振蕩器起振后，在正反響的作用下振幅越來越大，在到達(dá)肯定數(shù)值后，漸漸穩(wěn)定下來，形成穩(wěn)定的震蕩，因此需要分析振蕩如何到達(dá)平衡，及平衡的穩(wěn)定條件。振蕩器的平衡條件(P283)100〔放大倍數(shù)A0為常數(shù)放大器的增益隨著振幅的變化而變化，如：振蕩器起振后，振幅漸漸變大，放大器由線性工作的甲類狀態(tài)漸漸過渡到非線性的甲乙類以致丙類工作狀態(tài)，此時放大器就變成了非線件。在非線性狀態(tài)下，引入準(zhǔn)直線性理論的平均放大倍數(shù)〔折合放大倍數(shù)〕：負(fù)載諧振阻抗上的基波電壓V 與基極輸入電壓V之比，即c1 b IRA

c1pV Vb b依據(jù)集電極余弦電流分解中的相關(guān)推導(dǎo)可知：當(dāng)t0時，(i

gV

〔1cos

〕〔6.3.1〔

gV〔costcos〕〕C max

c bm

C cbm cIcm1

i (Cmax 1

)〔6.3.15〕gcos〕()c1 cb c 1 c IR

pg

)A

()V V c b b

c 1

01 cA是小信號線性放大系數(shù)；(為余弦脈沖分解系數(shù)。0 1 c()0.5(90)()0.3~0.4(701 c c 1 c c

~80)可見，振蕩器從起振時的甲類狀態(tài)，不斷增加振幅而漸漸向乙類和丙類過渡，同時，放大倍數(shù)A也不斷下降。反響系數(shù)F是由無源線性網(wǎng)絡(luò)打算的比例系數(shù)，與振幅無關(guān)。由于放大器的放大倍數(shù)隨振幅增100不到肯定的強度，很簡潔被噪聲漂浮。因此，實際中反響系數(shù)F設(shè)計的要大一些，一般取F=1/2~1/。這樣，可以在01的狀況下起振，隨著振幅增加，放大倍數(shù)漸漸降低，直到振幅增大到某一程度，消滅01就到達(dá)平衡狀態(tài)。這種狀況下振蕩器的起振條件是01，平衡條件1 其中A可表示為A 0，為工作強度系數(shù)，一般取2~。A 將平衡條件用模和相角來表示：Aej Fej A AF1，即振幅在平衡狀態(tài)時，閉環(huán)增益等于1〔反響信號與原信號振幅相等。相位平衡條件： A F號相位一樣。另一種形式：

2n(n0,1,2,3,，閉環(huán)總相移為2的整數(shù)倍〔反響信號與原信

()yc1 feb1

feb其中，y g，y y ()，稱為晶體管平均正向傳輸導(dǎo)納。fe c fe fe1 c振蕩器輸出電壓IZc c1 p1平均放大倍數(shù)〔折合放大倍數(shù)〕故振蕩平衡條件可寫成y Z 1fe p1

cy ZV fe byI y其中晶體管的平均正向傳輸導(dǎo)納y fe

c1Vi

ejY，諧振回路的基波諧振阻抗feZZ

Z p1

Z p1

F

f FejF。c1 c同樣將幅值與相角分開，得：振幅平衡條件y Z F1fe p1相位平衡條件Y

Z F

為用電路參數(shù)表示的振幅平衡條件和相位平衡條件。實際上，由于晶體管的少數(shù)載流子在通過基區(qū)的有效寬度時，需要肯定的集中時間，因此集電極電流的相位總是滯后于基極輸入電壓，即Y

0，反響相角依據(jù)電路形式的不同可能為正，也可能為負(fù)，因此，往往 Y F

0，為了滿足相位平衡條件，此時Z

的相位也不能為0，即諧振回路工作于微小失諧狀態(tài)，使諧振回路對輸入的基頻不等效為純電阻，來對整個電路的相位進展平衡。注：假設(shè)諧振回路處于微小失諧狀態(tài)，會使振蕩器的頻率穩(wěn)定度與效率都降低，因此，可使諧振回路仍諧振于基頻，承受另外的相位補償法來平衡相位，如參加關(guān)心元件〔電感或電容〕等。振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件(P286)平衡條件說明白振蕩器可以在某一狀態(tài)平衡，但不能說明這一平衡是否穩(wěn)定。7.5.1〔P287〕穩(wěn)定條件也分為振幅穩(wěn)定和相位穩(wěn)定兩種。一、振幅平衡的穩(wěn)定條件AF1A是振幅Vom的非線性函數(shù)，隨晶體管進入飽和或截止?fàn)顟B(tài)而快速減小，但反響系數(shù)取決于外電路參數(shù)，與振幅無關(guān)，故保持常數(shù)。圖7.5.P287：A1/FQAQ點穩(wěn)定性：

1Q點是振蕩器的振幅平衡點。F1Vom

增加，AAF1

AF1，于是振幅漸漸衰減，回到平衡點；Vom

減小，A增大，A ，即AF1，于是振幅漸漸增大，回到平衡點；FQ點是穩(wěn)定平衡點。AV穩(wěn)定的根本緣由：在平衡點四周，放大倍數(shù)A隨振幅Vom的變化特性具有負(fù)的斜率，即AV0為平衡點的振幅穩(wěn)定條件。omVom

VomQA隨振幅增加而減小，與1/F曲線僅有一個交點，則振蕩器起始處于增幅振蕩狀態(tài)，到達(dá)Q點后變?yōu)榈确袷?。這種自激方式不需要外加鼓勵源，稱為軟自激〔通常應(yīng)使振蕩器工作于軟自激狀態(tài)。但假設(shè)晶體管的工作點設(shè)置的不好，反響系數(shù)又小，此時可能消滅另一種振蕩形式，如圖7.5.3P288：放大倍數(shù)不是隨振幅單調(diào)下降的，而是先隨振幅增大而上升〔1F交于B點〔與1F交于Q點。B點穩(wěn)定性：Vom

增加，AA1

1AF1，于是振幅漸漸增大；FVom

減小，AAF

AF1，于是振幅漸漸衰減，直到停振；BAVomB點不是穩(wěn)定的平衡點。B點以前振蕩是衰減的，故不能自行起振，需要外加鼓勵，沖過B點，才可能激Q點的平衡狀態(tài)。由于需要外加鼓勵源，故稱為硬自激。二、相位平衡的穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件和頻率穩(wěn)定條件〔實質(zhì)上是一個意思〕反響電壓超前于輸入電壓〔相位增量為正假設(shè)反響電壓一次比一次超前，周期不斷縮短，相當(dāng)于提高了頻率；反之，反響電壓滯后于輸入電壓〔相位增量為負(fù)，頻率則不斷降低。0為了使振蕩器在平衡點穩(wěn)定，則需要具有恢復(fù)相位平衡的力量，即當(dāng)振蕩器中相位受外因發(fā)生變化時，振蕩器能夠產(chǎn)生一個的相位變化，抵消外因的影響，即引入一個與相位轉(zhuǎn)變相反的量，得相位穩(wěn)定條件為0，即(Y

Z

)F 0和Y F

對頻率的變化敏感性遠(yuǎn)小于Z

對頻率變化的敏感性，因此上式可寫成 ( )

Y

F Z0也就是說相頻特性曲線在振蕩器工作頻率附件有負(fù)的斜率。依據(jù)其次章所學(xué)學(xué)問可知，諧振回7.5.P29LC而且還用來使振蕩保持穩(wěn)定。分析：假設(shè)電路中的和Y F

使振蕩電路的相位產(chǎn)生一個增量，此時振蕩器頻率增加，諧振回路產(chǎn)生一個負(fù)的相位增量，雖然抵消了和Y F

的相位增量，但振蕩頻率卻在原來諧振頻率的根底上產(chǎn)生一個偏移量，振蕩電路平衡于另一頻率〔即振蕩頻率發(fā)生了轉(zhuǎn)變，因此，為了提高頻率的穩(wěn)定性，一般要求和Y F

對外界因素的影響盡量小，且Y

0〔這樣F諧振回路就可以工作于諧振狀態(tài)〔通Q值可實現(xiàn)?！?LC振蕩器反響型LC振蕩器的形式：互感耦合振蕩器、電感反響式振蕩器、電容反響式振蕩器集電極直流電源的饋電方式：串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電互感耦合振蕩器互感耦合的三種形式：調(diào)集電路、調(diào)基電路、調(diào)發(fā)電路7.6.1〔P291〕留意：基極和放射極之間的輸入阻抗較低，因此承受局部耦合接入諧振回路，這樣等效到諧振回路的阻抗較大，和來的諧振等效電阻并聯(lián)后不會使Q值顯著下降〔如阻抗過小，則會使諧振Q值降低?；ジ旭詈戏糯笃髟陬l率較高時，難于做出穩(wěn)定性高的變壓器，因此工作頻率不宜過高，一般應(yīng)用于中、短波段。電感反響式三端振蕩器〔哈特萊振蕩器〕7.6.2〔P292〕L1L2形成分壓，L1L22~5倍〔反響系數(shù)F〕優(yōu)點是簡潔起振，通過調(diào)整電容來調(diào)整諧振頻率時，不影響電路的反響系數(shù)，缺點是輸出波形不夠好〔反響支路為電感支路，由于電感對高次諧波阻抗較大，因此波形失真較大。電容反響式三端振蕩器〔考畢茲振蕩器〕7.6.3〔P293〕用電容分壓實現(xiàn)反響，優(yōu)點是反響支路為電容支路，由于電容對高次諧波阻抗較小，因此反響量中的高次諧波影響也較小〔電容對高頻重量短路C1和C2，在電感L兩端并聯(lián)一個可變電容器。LC三端式振蕩器相位平衡條件的推斷準(zhǔn)則7.6.4〔P294〕諧振回路的電阻很小，可以無視時，Z1，Z2，Z3可以換為純電抗X1，X2，X3，假設(shè)產(chǎn)生諧振，則滿足條件：XX X 01 2 3和輸入電壓V同相。集電極f i電壓與輸入電壓相位差為180度〔參考丙類功放相關(guān)分析，則反響電壓必需與集電極電o fZZo o 1他器件供電，諧振回路內(nèi)電流很大，是外部流入諧振回路電流的Q倍，則有

的電源，向其jXjXf 2 o 1假設(shè)使反響電壓與集電極電壓VX和XXf o 1 2

必需為另一性質(zhì)的電抗，這就是三端式振蕩器的構(gòu)成法則。7.6.1〔P294〕7.6.6〔P294〕§ 振蕩器的頻率穩(wěn)定問題主要指標(biāo)：ff0之間的偏差。fff0f相對準(zhǔn)確度：f 0

ff0f0穩(wěn)定度：肯定時間間隔內(nèi)，頻率準(zhǔn)確度的變化。它是頻率準(zhǔn)確度的保證。長期頻率穩(wěn)定度：一天以上甚至幾個月的〔長期〕相對頻率變化的最大值，主要取決于有源器件、電路元件、石英晶體等老化特性，與頻率的瞬間變化無關(guān)；短期頻率穩(wěn)定度：一天內(nèi)相對頻率變化的最大值，主要與溫度變化、電壓變化和電路參數(shù)不穩(wěn)定等因素有關(guān)；瞬間頻率穩(wěn)定度：頻率的瞬間無規(guī)章變化〔秒或毫秒內(nèi)聲，主要是由頻率源內(nèi)部噪聲引起的頻率起伏，與外界條件和長期頻率飄移無關(guān)。1LC(h1LC(hr1)hbib影響頻率的三種因素：振蕩回路參數(shù)LC，為了維持LC的數(shù)值不變化，可以承受準(zhǔn)確性高、不易發(fā)生氣械變形的元件，并盡量維持振蕩器所在的環(huán)境溫度恒定〔如封閉在恒溫箱中，LC承受溫度系數(shù)低的材料制成，也可以承受溫度補償法，使LC的變化量相互抵消。另外，回路的品質(zhì)因數(shù)越高，頻率的穩(wěn)定度也越高。r，回路電阻由振蕩器的負(fù)載打算，負(fù)載重，r大，負(fù)載輕，r小，為了保證穩(wěn)定，則rr越小〔并聯(lián)等效電阻越大，回路Q3〕有源器件的參數(shù)，有源器件隨電源電壓和環(huán)境溫度的轉(zhuǎn)變，其參數(shù)也會隨之發(fā)生變化，因此應(yīng)承受穩(wěn)壓電源，并實行恒溫措施。除了以上措施外，還可以承受高穩(wěn)定度的LC振蕩器電路。7.7.1〔P300〕3C1C2CC越大，電抗3

1jC越小，因此，C1C2對諧振頻率的影響很小，諧C3L打算，反響系數(shù)則由C1C2打算，這樣，C3減弱了晶體管與諧振回路之間的耦合，折算到諧振回路內(nèi)的晶體管參數(shù)減小，從而提高頻率穩(wěn)定度?！?石英晶體振蕩器LC10-2~10-3為振蕩回路元件〔石英晶體振蕩器，可以獲得很高的頻率穩(wěn)定度。10-6數(shù)量級，加單層恒溫掌握，可達(dá)10-7~10-8數(shù)量級；高精度晶體在10-9~10-11數(shù)量級。壓電效應(yīng)：當(dāng)晶體受到機械力時，它的外表上就會產(chǎn)生電荷，假設(shè)機械力由壓力變?yōu)閺埩?，則外表電荷的極性就反過來。反壓電效應(yīng)：在晶體外表參加肯定的電壓，則晶體就會產(chǎn)生彈性變形，假設(shè)外加電壓為溝通量，晶體就產(chǎn)生氣械振動。依靠壓電效應(yīng)和反壓電效應(yīng)，可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能，也可以將電能轉(zhuǎn)化為機械能。此時，機械振動幅度最大，晶體外表產(chǎn)生的電荷量也最大，因此外電路的電流也最大〔等效電3.6.6，P78〕石英晶體振蕩器的優(yōu)點：物理和化學(xué)性能格外穩(wěn)定；Q值可高達(dá)數(shù)百萬數(shù)量級；在諧振頻率四周的狹窄工作頻帶內(nèi)，具有極陡峭的電抗特性曲線，對頻率變化具有極靈敏的補償力量〔諧振回路品質(zhì)因數(shù)越高，相頻特性曲線越陡峭，頻率穩(wěn)定性越高。缺點是石英晶體具有單頻性，只能供給一個穩(wěn)定的振蕩頻率，不能用于波段振蕩器。石英晶體振蕩器的應(yīng)用分為兩類：作為等效電感使用——并聯(lián)諧振型晶體振蕩器；作為串聯(lián)諧振元件使用——串聯(lián)諧振型晶體振蕩器。注P79-8：依據(jù)石英晶體等效電路〔圖3.6.P78，石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率：LCq q左邊支路的串聯(lián)諧振頻率〔石英片本身的自然角頻率〕 LCq qqLCqLCqp

1 1LCCq 0qCCq 0明顯LCCq 0qCCq 0p q在 處電抗為零，為串聯(lián)諧振；在q

處呈感性，等效為電感。p并聯(lián)諧振型晶體振蕩器把石英晶體作為電感元件接入反響網(wǎng)絡(luò)的諧振回路中，組成三端振蕩器。實際上常用圖7.8.1〔P302〕所示的兩種電路：(a)為c-b型電路〔電容三端振蕩電路〕和(b)b-e型電路〔電感三端振蕩電路。圖7.8.2〔P302〕為典型的〔c-b型〕并聯(lián)諧振晶體振蕩器電路，C2和晶體的一端接入基極，C1和晶體的另一端接入集電極。它類似于中的克拉潑電路〔P300，由于Cq很小〔率主要和Cq有關(guān)，因此晶體管與諧振回路的耦合很弱，頻率穩(wěn)定性很高。7.8.3〔P303〕為典型的〔b-e型〕晶體振蕩器電路L1C1回路應(yīng)呈電感性，和振蕩器組成反響〔電感三端振蕩電路b-e型電路中，石英晶體接入輸入阻抗較低的b-e之間，相當(dāng)于諧振回路并聯(lián)一個小電阻，引起等效并聯(lián)阻抗下降，從而使品質(zhì)因數(shù)下降，從而相頻特性曲線斜率確實定值減小，因此說影響了石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)性。b-c型電路中，石英晶體接入輸入阻抗較大的b-c之間，相當(dāng)于諧振回路并聯(lián)一個大電阻，對