《高頻電子線路》課件1第5章

5.1概述5.2反饋型振蕩器的基本工作原理5.3ＬＣ正弦振蕩電路5.4晶體振蕩器5.5實(shí)訓(xùn):正弦波振蕩器的仿真與蒙托卡諾

(MonteCarlo)分析習(xí)題

5.1概述

正弦波振蕩器是一種將直流電能自動(dòng)轉(zhuǎn)換成所需交流電能的電路。它與放大器的區(qū)別在于這種轉(zhuǎn)換不需外部信號(hào)的控制。振蕩器輸出的信號(hào)頻率、波形、幅度完全由電路自身的參數(shù)決定。正弦波振蕩器在各種電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。例如,無(wú)線發(fā)射機(jī)中的載波信號(hào)源，接收設(shè)備中的本地振蕩信號(hào)源,各種測(cè)量?jī)x器如信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)、ｆT測(cè)試儀中的核心部分以及自動(dòng)控制環(huán)節(jié)，都離不開正弦波振蕩器。正弦波振蕩器可分成兩大類：一類是利用正反饋原理構(gòu)成的反饋型振蕩器，它是目前應(yīng)用最多的一類振蕩器；另一類是負(fù)阻振蕩器，它將負(fù)阻器件直接接到諧振回路中，利用負(fù)阻器件的負(fù)電阻效應(yīng)去抵消回路中的損耗，從而產(chǎn)生等幅的自由振蕩，這類振蕩器主要工作在微波頻段。反饋型振蕩器是通過正反饋連接方式實(shí)現(xiàn)等幅正弦振蕩的電路。這種電路由兩部分組成，一是放大器，二是反饋網(wǎng)絡(luò)，見圖5.1(a)。5.2反饋型振蕩器的基本工作原理圖5.1反饋振蕩器的組成方框圖及相應(yīng)電路對(duì)電路性能的要求可以歸納為以下三點(diǎn)：

(1)保證振蕩器接通電源后能夠從無(wú)到有建立起具有某一固定頻率的正弦波輸出。

(2)振蕩器在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后能維持一個(gè)等幅連續(xù)的振蕩。

(3)當(dāng)外界因素發(fā)生變化時(shí)，電路的穩(wěn)定狀態(tài)不受到破壞。

要滿足以上三個(gè)條件，就要求振蕩器必須同時(shí)滿足起振條件、平衡條件及穩(wěn)定條件。5.2.1起振條件和平衡條件

下面我們以互感耦合振蕩電路為例來(lái)分析振蕩器的起振條件和平衡條件。

1.起振條件

如圖5.1(b)所示，振蕩電路在剛接通電源時(shí)，晶體管的電流將從零躍變到某一數(shù)值，同時(shí)電路中還存在著各種固有噪聲，它們都具有很寬的頻譜，由于諧振回路的選頻作用，其中只有諧振角頻率為ω0的分量才能在諧振回路兩端產(chǎn)生較大的正弦電壓Uo。當(dāng)通過互感耦合網(wǎng)絡(luò)得到反饋電壓Uf，再將Uf加到晶體管輸入端時(shí)，就形成了振蕩器最初的激勵(lì)信號(hào)電壓Ui。

Ui經(jīng)過放大、回路選頻得到，Uf與Ui同相，而且Uf＞Ui。盡管起始輸出振蕩電壓很微弱，但是經(jīng)過反饋、放大選頻、再反饋、再放大這樣多次循環(huán)，一個(gè)正弦波就產(chǎn)生了。可見，振蕩器接通電源后能夠從小到大地建立振蕩的條件是：振幅起振條件

Uf＞Ui

或T(jω)＞1

(5-1)

相位起振條件

φT=2nπ

n=0,1,2,3，…

(5-2)式中，T(jω)表示環(huán)路增益,

φT表示環(huán)路相移。

應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，電路只有在滿足相位條件的前提下，又滿足幅度條件，才能產(chǎn)生振蕩。2.平衡條件振蕩器起振后，振蕩幅度不會(huì)無(wú)限增長(zhǎng)下去，而是在某一點(diǎn)處于平衡狀態(tài)。因此，反饋振蕩器既要滿足起振條件，又要滿足平衡條件。在接通電源后，依據(jù)放大器大振幅的非線性抑制作用，環(huán)路增益T(jω)必具有隨振蕩器電壓振幅Ui增大而下降的特性，如圖5.2所示。圖5.2滿足起振條件和平衡條件的環(huán)路增益特性環(huán)路增益的相角φT維持在2nπ上，這樣起振時(shí)，T(jω)＞１，Ui迅速增長(zhǎng)，而后T(jω)下降，Ui的增長(zhǎng)速度變慢，直到T(jω)＝１時(shí)，Ui

停止增長(zhǎng)，振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)，在相應(yīng)的平衡振幅UiA上維持等幅振蕩。振蕩器達(dá)到平衡時(shí)，其放大器件處于非線性狀態(tài)，所以此時(shí)的Ui

計(jì)算應(yīng)當(dāng)注意放大器件的狀態(tài)。

由上面分析可得平衡條件：

振幅平衡條件

Uf＝Ui

或T(jω)＝1

(5-3)

相位平衡條件φT=2nπn=0,1,2,3，…

(5-4)

由圖5.3可看出振蕩幅度的建立和平衡過程。圖5.3振蕩幅度的建立和平衡過程5.2.2穩(wěn)定條件

當(dāng)振蕩器滿足了平衡條件建立起等幅振蕩后,因多種因素的干擾會(huì)使電路偏離原平衡狀態(tài)。振蕩器的穩(wěn)定條件是指電路能自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)平衡狀態(tài)所應(yīng)具有的能力。穩(wěn)定條件

包括振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。

1.振幅穩(wěn)定條件

設(shè)振蕩器在Ui=UiA滿足振幅平衡條件，如圖5.4所示。在Ａ點(diǎn)為平衡點(diǎn)，T(jω)＝1。圖5.4振蕩幅度的確定若由于某種原因使振幅突然增大到UiA′＞UiA，則環(huán)路增益T(jω)＜1，使振蕩器減幅振蕩，從而破壞已維持的平衡條件。每經(jīng)過一次反饋循環(huán)，振幅衰減一些，當(dāng)幅度減小到A點(diǎn)以后，又重新達(dá)到平衡。若由于某種原因使振幅減小至UiA″＜UiA，則此點(diǎn)T(jω)＞1，作增幅振蕩，幅度不斷增長(zhǎng)，當(dāng)幅度增長(zhǎng)到Ａ點(diǎn)以后又重新達(dá)到平衡。因此A點(diǎn)為一穩(wěn)定平衡點(diǎn)。由以上分析可知，平衡點(diǎn)為一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)的條件是，在平衡點(diǎn)附近環(huán)路增益T(jω)應(yīng)具有隨Ui增大而減小的特性，即

(5-5)

式(5-5)便是振幅穩(wěn)定條件。該偏導(dǎo)數(shù)的絕對(duì)值愈大,曲線在平衡點(diǎn)的斜率愈大，其穩(wěn)幅性能也愈好。

2.相位穩(wěn)定條件

外界因素的變化同樣會(huì)破壞相位平衡條件，使環(huán)路相移偏離2nπ。相位穩(wěn)定條件是指相位條件一旦被破壞時(shí)環(huán)路能自動(dòng)恢復(fù)φT=2nπ所應(yīng)具有的條件。

相位φ與角頻率ω之間關(guān)系是ω=。因此，相位的變化會(huì)引起頻率的改變，而頻率的改變會(huì)引起相位的變化。設(shè)振蕩器在ω0滿足相位平衡條件φ(ω)=2nπ=ω0T。當(dāng)外界干擾引入相位增量Δφ＞０時(shí)，經(jīng)過時(shí)間Ｔ以后反饋信號(hào)Uf的相位將領(lǐng)先UiΔφ，等效角頻率ω01=ω0+Δω；當(dāng)Δφ＜０時(shí)，等效角頻率ω02=ω0-Δω，Uf的相位將滯后UiΔφ。當(dāng)Δφ＜0時(shí)，回路有相同的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

由此可知，相位穩(wěn)定條件是(5-6)圖5.5滿足相位穩(wěn)定條件的φT(ω)特性曲線

滿足相位穩(wěn)定條件的φT(ω)特性曲線如圖5.5所示。式(5-6)表示φT(ω)在ω0附近具有負(fù)斜率變化，其絕對(duì)值愈大，相位愈穩(wěn)定。

在LC并聯(lián)諧振回路中，振蕩環(huán)路φT(ω)=φA(ω)+φF(ω)，即φT(ω)由兩部分組成。其中,φF(ω)是反饋網(wǎng)絡(luò)相移，與頻率近似無(wú)關(guān)；

φA(ω)是放大器相移，主要取決于并聯(lián)諧振回路的相頻特性φZ(yǔ)(ω)，見圖5.6，可見，振蕩電路中，是依靠具有負(fù)斜率相頻特性的諧振回路來(lái)滿足相位穩(wěn)定條件的，且Ｑe越大，φZ(yǔ)(ω)隨ω增加而下降的斜率就越大，振蕩器的頻率穩(wěn)定度也就越高。圖5.6諧振回路的相頻特性曲線(a)并聯(lián)諧振回路；(b)相頻特性曲線5.2.3正弦振蕩電路的基本組成

為了產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦振蕩，振蕩器應(yīng)該滿足起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件。這就要求振蕩器必須具有四個(gè)基本組成部分：

(1)放大電路。它是能量轉(zhuǎn)換裝置。從能量觀點(diǎn)看，振蕩的本質(zhì)是直流能量向交流能量轉(zhuǎn)換的過程。

(2)正反饋網(wǎng)絡(luò)。它保證了放大器的能量轉(zhuǎn)換與回路損耗的同步進(jìn)行。因此，正反饋網(wǎng)絡(luò)與放大器一起構(gòu)成了自激振蕩的必要條件。

(3)選頻網(wǎng)絡(luò)。它是獲得單一正弦波的必要條件。它應(yīng)具有負(fù)斜率的相頻特性，以滿足相位穩(wěn)定條件。

(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。它是振蕩器能夠進(jìn)入振幅平衡狀態(tài)并維持幅度穩(wěn)定的條件。

盡管正弦振蕩器電路的結(jié)構(gòu)不同，種類各異，但它們都應(yīng)具備以上四種功能。這是定性判別電路能否產(chǎn)生正弦振蕩的依據(jù)。各種反饋型振蕩器電路的差別在于放大電路的形式、穩(wěn)幅的方法以及選頻網(wǎng)絡(luò)的不同。常用的放大器有晶體三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、差分對(duì)管、集成運(yùn)放等。穩(wěn)幅的方法可以利用晶體管的非線性，也可以外接非線性器件，前者稱為內(nèi)穩(wěn)幅，后者稱為外穩(wěn)幅。常用的選頻網(wǎng)絡(luò)有RC、LC及石英晶體諧振器。5.3LC正弦振蕩電路采用LC諧振回路作選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器統(tǒng)稱為L(zhǎng)C正弦振蕩器，其中，三點(diǎn)式振蕩電路(電容耦合、電感耦合)應(yīng)用最廣。5.3.1三點(diǎn)式振蕩電路1.三點(diǎn)式振蕩器的原理電路圖5.7(a)所示為電容三點(diǎn)式電路，又稱為考畢茲電路，它的反饋電壓取自C1和Ｃ2組成的分壓器；圖5.7(b)所示為電感三點(diǎn)式電路，又稱為哈脫萊電路，它的反饋電壓取自L1和Ｌ2組成的分壓器。從結(jié)構(gòu)上可以看出,三極管的發(fā)射極相接兩個(gè)相同性質(zhì)的電抗元件，而集電極與基極則接不同性質(zhì)的電抗元件。圖5.7三點(diǎn)式振蕩器的原理電路

2.三點(diǎn)式振蕩電路

1)電容耦合振蕩電路

圖5.8給出兩種電容三點(diǎn)式振蕩器電路。圖(a)、(b)中，L、C1和C2為并聯(lián)諧振回路，作為集電極交流負(fù)載；R1、R2和R3為分壓式偏置電阻；C3、C4和C5為旁路和隔直流電容；RL為輸出負(fù)載電阻。

圖(ａ)中，三極管發(fā)射極通過C4交流接地，因此C2兩端所建立的反饋電壓被加到三極管基極上。圖(ｂ)中，三極管基極通過C3交流接地，因此C2兩端所建立的反饋電壓被加到三極管發(fā)射極上。兩種電路的交流通路如圖5.8(c)、(d)所示，這兩個(gè)電路實(shí)質(zhì)上由放大器及反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。設(shè)置偏置電路的目的是保證三極管工作在放大區(qū)，以提供足夠的放大增益，并滿足振幅起振條件。

對(duì)電容三點(diǎn)式振蕩電路的分析可利用Π型等效電路來(lái)討論，圖5.9(a)是圖5.8(b)的等效電路。其中,為簡(jiǎn)化起見，圖(a)中晶體管微變參數(shù)只用了跨導(dǎo)gm(gi≈0,go≈0)，但是結(jié)電容不被忽略，見圖5.9(b)。圖5.8三點(diǎn)式振蕩電路圖5.9簡(jiǎn)化等效電路由圖(ａ)可求得小信號(hào)工作時(shí)的電壓增益為

式中，gp＝g0+gL

，g0為振蕩輸出回路的固有電導(dǎo)，gL為負(fù)載電導(dǎo)。(5-7)當(dāng)考慮晶體管結(jié)電容Ｃce和Ｃbe對(duì)電路的影響時(shí)，反饋系數(shù)由下式求得:

式中，C1′=C1+Cce，C2′=C2+Cbe。

根據(jù)Ｔ(jω)＞１，由式(5-7)、(5-8)可求得起振條件:

gm＞gp

(5-9)(5-8)電容三點(diǎn)式振蕩器的振蕩頻率由下式求得:

或

這里要指出的是，在分析和計(jì)算電路時(shí)應(yīng)分清電路的接地形式。(5-10)

2)電感耦合振蕩電路

圖5.10給出電感三點(diǎn)式振蕩電路。圖(a)中，Ｌ1、Ｌ2和Ｃ組成并聯(lián)諧振回路，作為集電極交流負(fù)載；R1、R2和R3為分壓式偏置電阻；C1和C2為隔直流電容和旁路電容。圖(b)是圖(ａ)的交流等效電路。圖5.10電感三點(diǎn)式振蕩器下面我們利用Π型等效電路來(lái)討論電感三點(diǎn)式振蕩電路，這里只給出結(jié)果。

反饋系數(shù)由下式求得：

(5-11)

式中，Ｎ1、Ｎ2分別為線圈Ｌ1、Ｌ2的匝數(shù)；M為L(zhǎng)1、L2間的互感。

根據(jù)Ｔ(jω)＞１，可求得起振條件:

gm＞gp

(5-12)

電感三點(diǎn)式振蕩器的振蕩頻率由下式求得

(5-13)

式中

L=L1+L2+2M5.3.2改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路

為了提高頻率的穩(wěn)定性，目前較普遍地應(yīng)用改進(jìn)型電容振蕩電路。

1.串聯(lián)改進(jìn)型振蕩電路

如圖5.11(a)所示,該電路的特點(diǎn)是在電感支路中串接一個(gè)容量較小的電容Ｃ3。此電路又稱為克拉潑電路。其交流通路見圖5.11(b)。在滿足Ｃ3<<Ｃ1、Ｃ3<<Ｃ2時(shí)，回路總電容CΣ主要取決于Ｃ3。在圖中，不穩(wěn)定電容主要是晶體管極間電容Ｃce、

Ｃbe、Ｃcb，在接入Ｃ3后不穩(wěn)定電容對(duì)振蕩頻率的影響將減小，而且Ｃ3越小，極間電容影響就越小，頻率的穩(wěn)定性就越高。圖5.11克拉潑電路及交流通路回路總電容CΣ為

該振蕩電路的振蕩頻率為(5-14)

要注意的是，減?。?來(lái)提高回路的穩(wěn)定性是以犧牲環(huán)路增益為代價(jià)的。如果Ｃ3取值過小，振蕩器就會(huì)不滿足振幅起振條件而停振。

2.并聯(lián)改進(jìn)型振蕩電路

這種電路又稱西勒電路，如圖5.12(ａ)所示。其交流通路如圖(ｂ)所示。其與克拉潑電路的差別僅在于電感Ｌ又并聯(lián)了一個(gè)調(diào)節(jié)振蕩頻率的可變電容Ｃ4。Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3均為固定電容，且滿足Ｃ3<<Ｃ1，Ｃ3<<Ｃ2。通常,Ｃ3、Ｃ4為同一數(shù)量級(jí)的電容，故回路總電容ＣΣ≈Ｃ3+Ｃ4。西勒電路的振蕩頻率為(5-15)圖5.12西勒振蕩電路及交流通路與克拉潑電路相比，西勒電路不僅頻率穩(wěn)定性高，輸出幅度穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)方便，而且振蕩頻率范圍寬，振蕩頻率高，因此，是目前應(yīng)用較廣泛的一種三點(diǎn)式振蕩電路。如果要求頻穩(wěn)度超過10-5數(shù)量級(jí)，就必須采用石英晶體振蕩器，這是因?yàn)槭⒕w振蕩電路的頻穩(wěn)度可達(dá)10-9～10-11數(shù)量級(jí)。5.4晶體振蕩器5.4.1石英諧振器的特性

石英諧振器(簡(jiǎn)稱晶體)是利用石英晶體(二氧化硅)的壓電效應(yīng)而制成的一種諧振元件。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5.13所示，在一塊石英晶片的兩面涂上銀層作為電極,并從電極上焊出引線固定于管腳上，通常做成金屬封裝的小型化元件。圖5.13石英諧振器石英晶片是按一定方位切割而成的，它具有一固有振動(dòng)頻率，其值與切片形狀、尺寸和切型有關(guān)，而且十分穩(wěn)定；它的溫度系數(shù)(溫度變化1℃引起的固有振動(dòng)頻率相對(duì)變化量)均在10-6或更高的數(shù)量級(jí)上。某些切型的石英晶片(AT和GT)，其溫度系數(shù)在很寬的溫度范圍內(nèi)均趨于零；而其它切型的石英片，只在某一特定溫度附近的小范圍內(nèi)才趨于零。石英晶片的振動(dòng)模式存在多諧性，除有基音振動(dòng)外，還有奇次諧波的泛音振動(dòng)。一般在晶體外殼上均注有振蕩頻率的標(biāo)稱值，通常，基音晶體以kHz為單位，泛音晶體以MHz為單位。

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，將石英晶體接入具有正反饋特性的放大電路時(shí)，由于石英晶體發(fā)生壓電效應(yīng)，兩電極上就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)振動(dòng)，同時(shí)引起相應(yīng)交變電荷，這樣電路的工作頻率就被控制和穩(wěn)定在石英晶體的機(jī)械振動(dòng)頻率上。圖5.14石英晶體振蕩器的等效電路當(dāng)外加電壓頻率等于晶體固有振動(dòng)頻率時(shí)，就會(huì)發(fā)生類似串聯(lián)LCr電路中的共振現(xiàn)象，石英晶體電極上的交變電荷量達(dá)最大，也就是通過石英晶體的電流幅度最大。若石英晶體的質(zhì)量相當(dāng)于電感Ｌq、晶體的彈性相當(dāng)于電容Ｃq、晶體振動(dòng)的摩擦損耗相當(dāng)于電阻rq，并考慮到晶體兩極存在的靜態(tài)電容以及支架引線的分布電容，用Ｃ0表示，則可用圖5.14所示等效電路來(lái)表示石英晶體。圖中，串聯(lián)諧振支路的Ｌq、Ｃq、rq都是動(dòng)態(tài)參數(shù)，由于Ｌq極大，Ｃq及rq極小，其等效品質(zhì)因數(shù)Ｑq極高，往往高達(dá)幾十萬(wàn)至幾百萬(wàn)。表5-1中列出幾種型號(hào)的石英晶體參數(shù)。除石英晶體外，實(shí)際中還有壓電陶瓷晶體可供使用。表5-1由圖5.14可求得石英晶體的等效阻抗為(忽略rq)

式中，ωs為晶體串聯(lián)諧振角頻率，；

ωp為晶體并聯(lián)諧振角頻率，(5-16)圖5.15晶體的阻抗頻率特性根據(jù)上式畫出晶體的電抗曲線如圖5.15所示。由圖可見，在ωs～ωp的頻率范圍內(nèi)，Ｘe為正值，呈感性；其它范圍內(nèi)，Ｘe為負(fù)值，呈容性。正確使用的晶體，其頻率應(yīng)在ωs～ωp范圍內(nèi)。在這樣小的范圍內(nèi)，晶體具有陡峭的電抗頻率特性，呈現(xiàn)很大的正電抗或接近于零的電阻，晶體可等效成高Ｑ大電感元件或高Ｑ短路線元件來(lái)使用。5.4.2晶體振蕩電路1.并聯(lián)型晶體振蕩電路并聯(lián)型晶振電路的工作原理和一般三點(diǎn)式LC振蕩器相同，只是把其中的一個(gè)電感元件用晶體置換，目的是保證反饋電壓中僅包含所需要的基音頻率或泛音頻率，而濾除其它的奇次諧波分量。目前應(yīng)用最廣的是類似電容三點(diǎn)式的皮爾斯晶體振蕩電路，如圖5.16(a)所示。相應(yīng)的交流通路如圖5.16(b)所示,其中晶體用等效電路表示?？梢钥闯觯c克拉潑電路十分類似(Cq類似于C3)，利用晶體的高Qq和極小Cq，便可獲得很高的頻穩(wěn)度。圖5.16皮爾斯晶體振蕩電路實(shí)際上，由于生產(chǎn)工藝的不一致性以及老化等原因，振蕩器的振蕩頻率往往與晶體標(biāo)稱頻率稍有偏差。因而，在振蕩頻率準(zhǔn)確度要求很高的場(chǎng)合，振蕩電路中必須設(shè)置頻率微調(diào)元件。圖5.17(a)給出了一個(gè)實(shí)用電路。圖(b)為其等效電路，圖中，晶體在電路中作為電感元件Ｌ；Ｃ4為微調(diào)電容，用來(lái)改變并接在晶體上的負(fù)載電容，從而改變振蕩器的振蕩頻率，不過，頻率調(diào)節(jié)范圍是很小的。在實(shí)際電路中，除采用微調(diào)電容外，還可采用微調(diào)電感或同時(shí)采用微調(diào)電感和微調(diào)電容。圖5.17晶體振蕩實(shí)例上面討論了基頻晶體振蕩電路。如果采用泛音晶體組成振蕩電路，則需考慮抑制基波和低次泛音振蕩的問題。為此，可將皮爾斯電路中的C1用L1C1

諧振電路取代，如圖5.18所示。假設(shè)晶體為五次泛音晶體，標(biāo)稱頻率為5MHz，為了抑制基波和三次泛音的寄生振蕩，L1C1回路應(yīng)調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間，如3.5ＭＨz。這樣，在5MHz頻率上，L1C1回路呈容性，振蕩電路符合組成法則。而對(duì)于基頻和三次泛音頻率來(lái)說，L1C1回路呈感性，電路不符合組成法則，因而不能在這些頻率上振蕩。至于七次及其以上的泛音頻率，L1C1回路雖呈容性，但其等效電容量過大，致使電容分壓比ｎ過小，不滿足振幅起振條件，因而也不能在這些頻率上振蕩。圖5.18泛音晶體振蕩電路及LC回路的電抗頻率特性

2.串聯(lián)型晶體振蕩電路

串聯(lián)型晶體振蕩電路如圖5.19所示。在頻率更高場(chǎng)合，應(yīng)使用串聯(lián)諧振電阻很小的優(yōu)質(zhì)晶體。由圖(ｂ)等效電路可知，串聯(lián)型晶振就是在三點(diǎn)式振蕩器基礎(chǔ)上，晶體作為具有高選擇性的短路元件接入到振蕩電路的適當(dāng)?shù)胤?，只有?dāng)振蕩在回路的諧振頻率等于接入的晶體的串聯(lián)諧振頻率時(shí)，晶體才呈現(xiàn)很小的純電阻性，電路的正反饋?zhàn)顝?qiáng)。因此，頻率穩(wěn)定度完全取決于晶體的穩(wěn)定度。諧振回路的頻率為

圖5.19串聯(lián)型晶體振蕩電路本節(jié)利用PSpice仿真技術(shù)來(lái)完成對(duì)正弦波振蕩器的測(cè)試、性能分析，使讀者熟悉蒙托卡諾(MonteCarlo)分析方法。

下面介紹蒙托卡諾分析的概念與作用。

在前面幾章PSpice電路分析中有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是電路中每一個(gè)元器件都有確定的值，稱為標(biāo)稱值。因此這些電路分析又稱為標(biāo)稱值分析。但如果按設(shè)計(jì)好的電路圖進(jìn)行生產(chǎn)，組裝成若干塊電路時(shí)，對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)圖上的同一個(gè)元器件，在實(shí)際電路中采用的元器件值不可能完全相同，存在一定的分散性。5.5實(shí)訓(xùn):正弦波振蕩器的仿真與蒙托卡諾(MonteCarlo)分析這樣，實(shí)際組裝電路的電特性就不可能與標(biāo)稱值模擬的結(jié)果完全相同，也呈現(xiàn)出一定的分散性。為了模擬實(shí)際生產(chǎn)中因元器件值的分散性所引起的電路電特性的分散性，PSpice提供了蒙托卡諾分析功能,簡(jiǎn)稱為MC分析。所謂蒙托卡諾分析，就是采取隨機(jī)抽樣、統(tǒng)計(jì)分析的方法，來(lái)完成對(duì)電路的分析。范例：觀察輸出波形及蒙托卡諾分析

步驟一繪出電路圖(1)請(qǐng)建立一個(gè)項(xiàng)目CH4,然后繪出如圖5.20所示的電路圖。其中,V1為脈沖信號(hào)源(VPULSE),它提供正弦波振蕩器的激勵(lì)信號(hào)。(2)在進(jìn)行蒙托卡諾分析時(shí),設(shè)定L1的容差(Tolerance)為15%,設(shè)定L2的容差為15%。(3)將圖5.20中的其它元件編號(hào)和參數(shù)按圖中設(shè)置。注意:圖中A是測(cè)試點(diǎn)的編號(hào)。

圖5.20正弦波振蕩器電路圖

步驟二瞬態(tài)分析(1)創(chuàng)建瞬態(tài)分析仿真配置文件,設(shè)定瞬態(tài)分析參數(shù):Runtotime(仿真運(yùn)行時(shí)間)設(shè)置為120μs,Startsavingdataafter(開始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)間)設(shè)置為0μs,Maximumstepsize(最大時(shí)間增量)設(shè)置為100ns。(2)啟動(dòng)仿真,觀察瞬態(tài)分析輸出波形。在波形窗口中選擇Trace→AddTrace打開AddTrace對(duì)話框。請(qǐng)?jiān)诖翱谙路降腡raceExpression欄處用鼠標(biāo)選擇或直接由鍵盤輸入字符串“V(A)”。再用鼠標(biāo)選“OK”按鈕退出AddTrace窗口。這時(shí)的波形窗口出現(xiàn)正弦波振蕩器輸出波形,如圖5.21所示。

圖5.21正弦波振蕩器輸出波形

步驟三交流分析(1)創(chuàng)建交流分析仿真配置文件,設(shè)置交流分析參數(shù):選擇Logarithmic→Decade,設(shè)置StartFrequency(仿真起始頻率)為20kHz,EndFrequency(仿真終止頻率)為150kHz,設(shè)置Points→Decade(十倍頻程掃描記錄)1000點(diǎn)。

(2)啟動(dòng)仿真觀察瞬態(tài)分析輸出波形。①設(shè)定輸入信號(hào)V1的AC源為100mV,啟動(dòng)仿真。②在波形窗口中選擇Trace→AddTrace打開AddTrace對(duì)話框。請(qǐng)?jiān)诖翱谙路降腡raceExpression欄處用鼠標(biāo)選擇或直接由鍵盤輸入字符串“V(A)”。再用鼠標(biāo)選“OK”按鈕退出AddTrace窗口。這時(shí)的波形窗口出現(xiàn)高頻諧振功率放大器的幅頻特性曲線,如圖5.22所示。

圖5.22正弦波振蕩器幅頻特性曲線

步驟四設(shè)置蒙托卡諾MonteCarlo分析(1)創(chuàng)建蒙托卡諾分析仿真配置文件,設(shè)置蒙托卡諾分析參數(shù):①在SimulationSettings窗口選擇Analysis標(biāo)簽,在AnalysisType下拉列表里面選擇ACSweep(交流分析),勾選MonteCarlo→WorseCase,選擇MonteCarlo。②設(shè)置Outputvariable(輸出變量)為V(A)。③在MonteCarloOptions中,Numberofruns(運(yùn)行次數(shù))設(shè)置為50,Usedistribution設(shè)置為Uniform(均勻分布),Savedatafrom選擇前3次運(yùn)行結(jié)果(First→3)。

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