东华大学高频电子电路通信电子电路课件5-4

1、5克拉泼（Clapp）振荡电路考比兹(Colpitts)振荡器虽然有电路简单，波形好的优点，在许多场合得到应用，但从提高振荡器频率稳定性的角度考虑，电容三点式振荡器存在许多需要完善的不足之处。原因：晶体管的极间电容直接和谐振回路电抗元件并联，极间电容（即结电容）是随环境温度、电源电压和电流变化的不稳定参数，它的变化会导致谐振回路谐振频率的变化，因为振荡器的振荡频率基本上由谐振回路的谐振频率决定。极间电容的数量级一定要知道，这样才能了解哪些电容在特定情况下是必须考虑的。参看课本P32谐振回路L、C元件参数不稳定将直接影响振荡器频率的稳定性。结果：三点式振荡电路的频率稳定性不高。一般在量级，为提高

2、频率稳定度，必须设法减小晶体管极间电容的不稳定性对振荡器频率稳定度的影响。因为考比兹(Colpitts)振荡器存在不足，有必要对其进行改进，所以产生了克拉泼（Clapp）振荡电路改进的方法：串联改进型电容三点式振荡器克拉泼（Clapp）振荡电路。图（a）克拉泼振荡器的实用电路，与普通电容三点式(Colpitts)电路相比，其区别仅在于b-c间的电感支路串入一个小电容，满足，这就是串联改进型电路命名的来由。图（b）是其高频等效电路。克拉泼振荡电路的组态：图中输入端（反馈接入端）与发射极相连，输出回路与集电极相连，基极通过旁路电容接地，所以电路为共基组态。用于分析振荡频率的简化等效电路图5 30

3、(忽略直流偏置电路)该电路满足“射同（、）基反（串联呈现感抗）。振荡频率的分析振荡频率由选频回路决定，选频回路由和串联，再与并联构成。谐振回路的总电容满足 所以有 注意：串联电容的总电容取决于小电容，而并联电容的总电容取决于大电容。 振荡器的振荡频率 （5.3.8）结论：由式（5.3.8）可知：当满足时，几乎不受晶体管极间电容（即输入输出电容）的影响，越小，晶体管极间电容对振荡频率的影响就越小。电路的频率稳定性就越好。实际电路设计中谐振回路中元件的取值规则根据需要的振荡频率确定的值，的取值应远大于。仅从振荡频率的稳定度考虑，越小越好，但过小会影响振荡器的起振。（下面分析）了解 “晶体管对输出回

4、路的接入系数”计算接入系数的目的是计算晶体管输出的等效电阻，以便计算放大器的增益。下面给出接入系数与等效负载计算的方法。图5 30 接入系数与等效负载计算示意图晶体管输出回路的两个端点c、b对谐振回路A、B两端的接入系数（5.3.9）（注：对谐振回路的接入系数以电感为基准。）谐振回路A、B两端的等效电阻，将折算到输出回路c、b两端，得到晶体管的等效阻抗 （5.3.10）由式（5.3.10）可得如下结论： Clapp振荡电路是以牺牲环路增益的方法来换取回路振荡频率稳定性能的改善。综上分析，Clapp振荡电路有以下几点不足：）在减小以提高振荡频率的同时，使环路增益减小，减小到一定程度会导致电路无法

5、起振，这就限制了振荡频率的提高；）Clapp振荡电路不适合作波段振荡器。波段振荡器要求振荡频率在一定区间内可调，且输出信号的振荡幅值基本保持不变。由于Clapp电路是通过改变来调节振荡频率的，根据式（5.3.10）可知，的改变，导致变化，致使共基电路的增益变化，最终导致输出信号的幅值发生变化，使所调波段频率范围内输出信号的幅度不平稳。所以Clapp电路可以调节的频率范围不够宽，只能用作固定振荡器或波段覆盖系数（）较小的可变频率振荡器。一般Clapp电路的波段覆盖系数为1.21.3。6西勒（Seiler）振荡电路在对Clapp振荡电路的不足之处进行改进的基础，产生了西勒电路。图（a）给出Seil

6、er振荡电路的实用电路，Seiler电路是在克拉泼电路中的电感两端并联了一个可变小电容,且满足、 ，这就是并联改进型电路命名的来由。图（b）是其高频等效电路。Seiler振荡电路的回路总电容由串联，再与并联构成。 （5.3.11）串联电容并联电阻取决于小电阻，小电容；并联电容串联电阻取决于大电阻，大电容振荡器的振荡频率 （5.3.12）图5 32 给出计算接入系数与晶体管等效负载的结构示意图下面讨论晶体管c、b两端对谐振回路A、B两端的接入系数问题：为什么要计算c、b两端对谐振回路两端A、B的接入系数？Seiler电路的组态共基；射极e输入，集电极c输出输出回路在c、b之间计算c、b两端对谐振

7、回路两端A、B的接入系数就是为了计算真实负载对晶体管呈现的等效负载。也就是上图中的。求得之后，就可求出基本放大器的增益A。真实负载通常并在谐振回路两端，而谐振回路是以电感为参照的，因此实际负载是并接在电感两端的结论：晶体管c、b两端对谐振回路A、B两端的接入系数与Clap电路的完全相同。Seiler电路晶体管c、b两端对谐振回路A、B两端的接入系数当通过调节来改变振荡频率时，不会影响回路的接入系数，结论：通过调节来改变振荡频率时，输出回路cb端的等效负载不会随之变化，共基电路增益也保持不变，在波段范围内输出信号的幅值基本保持不变，振幅的稳定性较好。且调谐电容直接与电感并联，所以对回路的谐振频率

8、影响较大，使西勒电路的调谐带宽较Clap电路大。Seiler电路可用作波段振荡器，其波段覆盖系数可达1.61.8左右。另外，通过减小来提高振荡频率时，不会影响环路增益和振荡器的起振，因此，Seiler电路适合于更高频段的振荡器。5.4 振荡器的频率稳定度（自行学习了解）满足起振、平衡和稳定三个条件 产生等幅持续的振荡波形。当受到外界或振荡器内部不稳定因素干扰振荡器的瞬时相位（或频率）会在平衡点附近随机变化。频率稳定度是振荡器最为重要的性能指标之一。现代电子技术的飞速发展对振荡器的频率稳定度提出了越来越高的要求。振荡器的频率不稳定可能造成下述不良影响：通信系统的频率不稳定，就会因漏失信号而无法通

9、信，如调频广播发射机的频率不稳，调频接收机就不能准确接收，如调频广播发射机的频率准确、稳定，则接收机在不需要调谐的情况下能够实现自动收听和转播；在数字电路中，时钟不稳会引起时序关系的混乱；测量仪器的频率不稳定会引起较大的测量误差；军事保密通信及空间技术对频率稳定度提出了更为严格的要求。例如，要实现与火星通信，频率的相对误差不能大于数量级。倘若给距离地球5600万千米卫星定位，要求频率的相对误差不能大于数量级。1 频率准确度和频率稳定度评价振荡频率的主要指标是频率准确度和频率稳定度。频率准确度：用于衡量实际振荡频率与标称频率偏离的程度。分为绝对频率准确度和相对频率准确度。绝对频率准确度是实际工作

10、频率与标称频率的偏差 （5.4.1）相对频率准确度是频率偏差与标称频率之比 （5.4.2）频率稳定度是在指定时间间隔内频率准确度变化的最大值。也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度。最常用的是相对频率稳定度，简称频率稳定度，以表示（5.4.3）其中是某一间隔内的最大频率偏移。如某振荡器标称频率为5，在一天所测的频率中，与标称值偏离最大的一个频率点为4.99995，则该振荡器的频率稳定度为在频率准确度与频率稳定度两个指标中，频率稳定度更为重要。因为只有频率稳定，才有频率准确。频率不稳，准确度也就失去了意义。下面主要讨论频率稳定度。频率稳定度按时间间隔分为长期频率稳定度：以月甚至年为观测时间长度，观

11、测的是长时间的频率漂移。主要取决于构成振荡器的有源、无源器件和石英晶体的老化特性。它主要用于评价天文台或国家计量单位高精度频率标准和计时设备；短期频率稳定度：以一天，小时、分钟为测量时间间隔。短稳主要取决于振荡器的电源电压、电路参数或环境温度的稳定性。用于评价通信电子设备和仪器中振荡器频率稳定度。瞬时频率稳定度：在秒级时间内，主要是振荡器内部干扰和噪声作用引起的频率起伏，是频率的瞬间无规则变化。瞬时频率稳定度在频域上又称为相位抖动或相位噪声。通常用得较多的是短期频稳度。由于频率的变化是随机的，不同的观测时段，测出的频率稳定度往往是不同的，而且有时还出现某个局部时段内频率的漂移远远超过其它时间在

12、相同间隔内的漂移值，因此用式（5.4.3）来表征频率稳定度不是十分合理，频率稳定度应建立在大量观测基础上的统计值来表征较为合理，常用的方法之一是均方根值将指定的时间划分为 n 个等间隔，测得的各频率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。即 （5.4.4）式中，为第个间隔内实测的频率， 为第个间隔内实测的绝对误差。 （5.4.5）为绝对频差的平均值。越小，频率准确度就越高。频率稳定度当然越高越好，但这样的振荡器造价高，使用者必须在性能和成本间折中考虑。不同场合，对振荡器频率稳定度的要求不同。例如用于中波广播电台发射机的为数量级，普通信号发生器的为数量级，电视发射机的为数量级，高精度信号发生器

13、的为数量级，在标准计时，天文测量和太空通信中，要求有很高的长稳和短稳，相对频率变化不大于。频率稳定度一般由实测确定。普通的LC电路的日频率稳定度可达；采用改进型的西勒振荡电路，也只能达到数量级，要求更高的话，采用石英谐振器。2 造成频率不稳定的因素(这部分内容虽然不考，但对于设计性能良好的振荡器非常重要，请同学自己学习了解一下)1）回路参数的不稳定性温度变化是使回路参数不稳定的主要因素。温度改变会使电感线圈和回路电容几何尺寸变形，因而改变电感和电容的数值。一般具有正温度系数，即随温度的升高而增大。而电容由于介电材料和结构的不同，电容器的温度系数可正可负。另外，机械振动可使电感和电容产生变形，和

14、的数值变化，因而引起振荡频率的改变。晶体管参数的不稳定性当温度变化或电源电压变化时，必定引起静态工作点和晶体管结电容的改变，从而导致振荡频率不稳定。3 稳频措施1）减小温度的影响为了减少温度变化对振荡频率的影响，最根本的办法是将整个振荡器或振荡回路置于恒温槽内，以保持温度的恒定。这种方法适用于技术指标要求较高的设备中。在要求不是特别高的情况下，为了减少温度系数的影响，应该采取温度系数较小的电感、电容。例如，铁氧体的温度系数很大，当对谐振回路的电感量提出高稳定度要求的时候，应该避免采用铁氧体心。此时，电感线圈可用高频磁鼓架，它的温度系数和损耗都较小。固定电容器比较好的是云母电容，它的温度系数比其

15、它类型电容的小。可变电容易采用极片和转轴线膨胀系数小的金属材料（如铁镍合金）制作。它们的温度系数小，性能稳定可靠。还可采用正、负温度系数的元件相互补偿。如瓷介电容具有正温度系数，有的电容具有负温度系数，而很多电感都具有正温度系数。 2）稳定电源电压电源电压的波动，会使晶体管静态工作点发生变化，从而改变晶体管的参数，降低频率稳定度。为了减小这个影响，采用性能良好的电压源供电，并采取退耦措施避免高频信号对电压源稳定性产生不良影响。如果是制作高性能指标的振荡器，应当采用稳压电源。当振荡器与整机其它部分公用一个电源时，往往从公用电源取出电压，再经一次单独稳压，以避免整机其它部分耗电的变化影响电源电压的

16、稳定。另外，应采用具有稳定静态工作点的偏置电路。3）减少负载的影响振荡器输出信号需要加在负载上，负载的变动必然会引起振荡频率变化。为了减小这一影响，可在主振级及其负载之间加一缓冲级。为使缓冲级最大限度的起到缓冲作用，缓冲级从主振级所获取的功率应尽可能的小。当负载所要求的功率一定时，缓冲级的功率增益越高，则要求主振级提供的功率越小。因此缓冲级的电路形式及工作状态的选择，应该从功率增益最大来考虑。即： a)缓冲放大级应工作于甲类，因甲类工作状态的功率增益最高； b)射级跟随器也是最常用的缓冲级。4）晶体管与谐振回路之间采用松耦合减小晶体管和谐振回路之间的耦合，可以减小晶体管输出、输入电容的变化对谐

17、振回路等效电容值的影响，从而使频率稳定度提高。减小晶体管和谐振回路之间耦合的常用方法是将晶体管以部分接入的方式接入谐振回路。前面介绍的克拉泼电路和西勒电路就是采用了这种方法。另外，应选择较高的晶体管。越高，高频性能就越好，可以保证在工作频率范围内均有较高的跨导，电路容易起振；一般选择，是最高振荡频率。 5）提高回路的品质因数谐振回路的相频特性表达式 （5.4.6）根据式（5.4.6）可画出不同值对应的相频特性曲线，如图5 33所示。由图可见，相频曲线的变化规律有如下特点。）越接近，即越小，相频特性曲线的斜率就越大，则稳频能力越强；反之，失谐越严重就越小，频率稳定度越低。）值越大，在附近的值越大，稳频能力越强。所以提高回路的值，减小，有利于改善振荡器的频率稳定性。图5 33 并联谐振回路相频特性曲线如何提高谐振回路的值？在绕制电感时应注意，平行密绕线圈的线间分布电容较大，影响值。对于匝数较多的线圈，如振荡频率在2以下，宜采用“蜂房式”绕法，并且最好用多股线，以减小趋附效应的影响，以便提高值。