uestc射频模拟电路与系统310反馈式、三端式LC振荡器

1、上节内容回顾与扩展1 上节内容回顾与扩展高频谐振功放的匹配网络工作在所需状态时的匹配网络匹配网络同时又是选频网络。匹配网络还可起到隔离作用。21输出匹配网络中介回路效率：10欠压末级射频谐功放应工作在略欠压状态末级功放匹配的概念？高频谐振功放的匹配网络上节内容回顾与扩展32级间匹配网络中间级输出级应保证负载变化，输出电压恒定欠压过压0临界Rp恒流源恒压源恒压源中间级工作于恒压源状态过压状态上节内容回顾与扩展高频谐振功放的匹配网络4上节内容回顾与扩展高频谐振功放的实际网络5第三章 波形发生与变换电路 （P218)3.1 LC反馈正弦波振荡器的工作原理3.2 反馈型晶体管LC振荡器电路3.3 频率

2、稳定度及改进型电容三端式振荡电路3.5 石英晶体振荡器6 概述高频电路1.定义高频功放不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能。7第三章 波形发生与变换电路1、自激振荡器2、振荡器与放大器的区别3、不同的振荡器 频谱纯度 稳定度4、应用广泛8 LCR回路中的瞬变现象由于大多数高频振荡器都是利用LC回路来产生振荡的，因此应首先研究LC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。LCR自由振荡电路 所谓“谐振”，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。9 LC振荡器的基本工作原理1）振

3、荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。2）一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。3）一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。10 由正反馈的观点来决定振荡的条件利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡, 这就是反馈振荡器的基本原理。 反馈振荡器是由主网络和反馈网络组成的一个闭合环路。 其主网络一般由放大器和选频网络组成, 反馈网络一般由无源器件组成。 ufu0ui11放大器晶

4、体三极管场效应管差分放大器运算放大器选频网络LC并联谐振回路RC选频网络晶体滤波器等反馈网络电容分压电感分压变压器耦合电阻分压振荡器组成123.1 LC 反馈正弦波振荡器的工作原理如何产生一个振荡？电容中存储的电能和电感中存储的磁能就会交替转换而形成振荡。回路电压方程回路的衰减系数 回路的无阻尼振荡角频率 +V-V+133.1 LC 反馈正弦波振荡器的工作原理回路的衰减系数 回路的无阻尼振荡角频率 初始条件 与 非振荡型与 衰减振荡型143.1 LC 反馈正弦波振荡器的工作原理回路的衰减系数 回路的无阻尼振荡角频率 增幅振荡 阻尼振荡等幅振荡在电路中引入正反馈就相当于引入了负电阻。振荡频率为：

5、 153.1 LC 反馈正弦波振荡器的工作原理在电路中引入正反馈就相当于引入了负电阻。负电阻提供能量，能量的提供需要合适的时间！163.1 LC 反馈正弦波振荡器的工作原理(1)具有放大能力的有源器件。它的作用是不断地向振荡系统补充能量，以维持等幅振荡并输出给负载。(2)由储能元件组成的选频网络。选频网络决定着振荡器的振荡频率。(3)控制能量补充的正反馈网络。该网络控制能量适时、适度地补充给振荡系统。振荡器的工作原理与LC谐振回路的自由振荡类似，它至少应由以下三部分组成。173.1.1 自激振荡的建立过程及起振条件放大器 振荡器1、决定振荡频率的储能回路2、控制合适补充能量的系统3、能源的提供

6、与合适的偏置电路+-+-+正反馈（由同名端保证的）也称为相位条件放大器（ ）也称为振幅条件183.1.1 自激振荡的建立过程及起振条件放大器 振荡器限幅放大器的放大倍数（开环增益） 反馈网络的反馈系数 正反馈：闭环增益：193.1.1 自激振荡的建立过程及起振条件放大器 振荡器闭环增益： 建立等幅振荡器的条件 （振荡平衡条件）203.1.1 自激振荡的建立过程及起振条件放大器 振荡器使振荡器输出的幅度越来越大 起振条件能否输出变得越来越大无限增长？希望最终可以输出等幅振荡。213.1.2振荡器的平衡条件如何让振荡器输出由起振时的振幅逐渐加大到最终输出的稳幅振荡？限幅放大器的放大倍数（开环增益）

7、 反馈网络的反馈系数 一般不变如何让A由大变小？223.1.2振荡器的平衡条件振荡器的偏置电路VBVEV b (t)VQ工作状态发生改变，由甲类到丙类！让A由大变小。233.1.2振荡器的平衡条件工作状态发生改变，由甲类到丙类！243.1.2振荡器的平衡条件振幅平衡振幅平衡A253.1.3 振荡器的振幅平衡的稳定条件N点 稳定平衡点26 在实际设计中，如果静态工作点设计不当，振荡特性可能不是单调下降的。 这种振荡器电路一般不能自行起振，而必须给以一个较大幅度的初始激励，使动态点越过不稳定平衡点M才能起振，这叫硬激励起振，设计电路要力加避免。3.1.3 振荡器的振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条

8、件是平衡点的位置必须满足：273.1.4 振荡器的相位平衡的稳定条件振荡器平衡的相位条件实际上是正反馈条件放大器的相移 放大器本身的相移 (可认为是 引起的相移) 谐振回路的相移 或相位平衡若遭到破坏，产生一个正的相位增量反馈电压 超前原来输入电压 (前一次反馈电压)一个相角283.1.4 振荡器的相位平衡的稳定条件相位平衡若遭到破坏，产生一个正的相位增量反馈电压 超前原来输入电压 (前一次反馈电压)一个相角相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，振荡器本身的某一机构应有恢复相位平衡的能力什么电路结构具有此种相位特性？293.1.4 振荡器的相位平衡的稳定条件谐振回路的相频特性曲线在工作频

9、率附近具有负的斜率，能保证相位平衡的稳定性。30第三章 波形发生与变换电路 （P218)3.1 LC反馈正弦波振荡器的工作原理3.2 反馈型晶体管LC振荡器电路3.3 频率稳定度及改进型电容三端式振荡电路3.5 石英晶体振荡器313.2 反馈型晶体管LC振荡器电路换能器件： 晶体管 电子管 场效应管 集成电路反馈耦合元件类型： 变压器耦合型 电感反馈式 电容反馈式三端式振荡器323.2.1 变压器耦合LC反馈振荡器333.2.1 变压器耦合LC反馈振荡器组合式偏置电路集电极调谐型思考：1、电路的直流馈电？2、交流接地端位置？3、此电路是否为正反馈？共基电路，初次级绕组对地应有相同的同名端才是正

10、反馈！+-+vf-vivo343.2.1 变压器耦合LC反馈振荡器发射极调谐型，部分耦合！共基电路，初次级绕组对地应有相同的同名端才是正反馈！思考：1、电路的直流馈电？2、交流接地端位置？3、此电路是否为正反馈？+-+-+-vf+353.2.1 变压器耦合LC反馈振荡器基极调谐型，部分耦合！共射电路，初次级绕组对地应有相反的同名端才是正反馈！思考：1、电路的直流馈电？2、交流接地端位置？3、此电路是否为正反馈？+-+-+-vivovf+36互感线圈的极性判别1234磁棒初级线圈次级线圈同极性端1234+CLRuiLici反馈信号通过互感线圈引出373.2.1 变压器耦合LC反馈振荡器1、电路的

11、组合式偏置2、如何减小B? 热敏二极管、热敏电阻 采用限幅器3、用小信号网络参数分析起振条件383.2.1 变压器耦合LC反馈振荡器用小信号网络参数分析起振条件振荡器的振荡频率不仅决定于谐振回路的LC，还与损耗电阻r及晶体管的 h 参有关。2. LC回路的损耗电阻r=0，则振荡器的振荡频率与晶体管参数无关，r越小，回路品质因数越高，晶体管参数的影响越小。393.2.1 变压器耦合LC反馈振荡器用小信号网络参数分析起振条件起振条件 3. 起振条件与电流放大倍数 hfb 及互感M有关，hfb 越大， M越大，越易起振。403.2.1 变压器耦合LC反馈振荡器起振条件 优点：改变f时，B不变。缺点：

12、1、通过电感反馈，电感上的分布电容，影响最终的输出频率，太大的分布电容会产生自谐振。2、感性元件反馈，高次谐波产生的压降大，波形差。41第三章 波形发生与变换电路 （P218)3.1 LC反馈正弦波振荡器的工作原理3.2 反馈型晶体管LC振荡器电路3.3 频率稳定度及改进型电容三端式振荡电路3.5 石英晶体振荡器42 三端式LC振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几MHz到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，约为103104量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。三端式LC振荡器有多种形式，主要有：电感三端式，又称哈特莱振荡器(Hartley)；电容三端式，又称考毕

13、兹振荡器(Coplitts)；串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器(Clapp)；并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器(Selier)。LC三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则)3.2.2 三端式振荡器433.2.2 三端式振荡器回路谐振时，电抗之和为零。+-vi-+vo-+Vf 在三端式电路中, 回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质, 另外一个电抗元件必须为异性质。这就是三端式电路组成的相位判据, 或称为三端式电路的相位平衡判别准则。以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡现象。 与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三端式电路,

14、 称为电容三端式电路, 也称为考毕兹(Colpitts)电路。 与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三端式电路, 称为电感三端式电路, 也称为哈特莱(Hartley)电路。44相位平衡判别准则应用举例ecbL3L1L2C振荡能产生的条件？L3与C组成的串联谐振回路呈现何种电抗特性？若振荡频率为f，则L3与C组成的串联谐振回路的谢振频率f3与f的关系为？L3与C组成的串联谐振回路呈现电容特性453.2.2 电感三端式振荡电路共射电路交流等效电路矢量图哈特莱(Hartley)电路463.2.2 电感三端式振荡电路此电路的实际电路如何画？哈特莱(Hartley)电路共基电路473.2.2 电感三

15、端式振荡电路起振条件振荡频率起振条件回路折合到ce端的谐振电阻 p=L1/(L1+L2)在压控振荡器中，哈特莱(Hartley)电路出现较多！483.2.3 电容三端式振荡电路考毕兹(Colpitts)电路高频振荡时使用较多振荡频率 起振条件 优点：振荡频率高，输出波形好！ 结电容的影响及作用！C1可由结电容Coe代替， 结电容受偏压控制，则可变为可调电容。缺点：C改变时，B也变化，不易起振。493.2.3 电容三端式振荡电路考毕兹(Colpitts)电路高频振荡时使用较多共射电路共基电路振荡频率 503.2.3 电容三端式振荡电路51LC振荡电路举例振荡频率=？此电路是电容三端振荡器52第三

16、章 波形发生与变换电路 （P218)3.1 LC反馈正弦波振荡器的工作原理3.2 反馈型晶体管LC振荡器电路3.3 频率稳定度及改进型电容三端式振荡电路3.5 石英晶体振荡器533-3 振荡器的频率稳定度与 改进型电容三端振荡器准确度与稳定度是振荡器频率的主要指标。 振荡器实际工作频率f与标称频率 f 0之间的偏差，称为振荡频率准确度，又称为频率精度。频率稳定度分为时间频率稳定度和温度频率稳定度频率稳定度：是表明在一定时间内或一定温度、电源电压等变化范围内的相对频率变化量3.3.1 频率稳定度的定义54振荡器的频率稳定度是振荡器的一个重要性能指标。1、各种无线电设备的性能稳定与振荡器的频率稳定

17、度有着极为 密切的关系。（发射： 载波；接收端：本地振荡信号）2、多路通信中发射频率的稳定度决定着所占频带的宽窄，从而 决定了通信的路数和抗干扰能力的强弱。 (稳定度达不到要求可能会使通信中断）3、通信系统中的频率稳定度是能否正常通信的关键。 （稳定度达不到要求可能会使通信中断）4、各种测量仪器的频率稳定度决定了测量的误差大小。 （例如数字式时钟）5、数字频率计中，振荡频率的稳定度决定了时间标准的精确度。3.3.1 频率稳定度的定义55温度频率稳定度：温度频率稳定度是指当温度每变化l，频率的相对准确度的变化情况。频率准确度的单位一般是“ppm”(一百万分之一)，温度频率稳定度的单位是ppm。

18、举例：3.3.1 频率稳定度的定义56时间频率稳定度：时间频率稳定度是指在室温下，观察时间内 的变化情况。 观察时间间隔内的最大频率偏移。 时间频率稳定度长期频率稳定度短期频率稳定度3.3.1 频率稳定度的定义573.3.1 频率稳定度的定义长期频率稳定度是指较长时间间隔内相对频率准确度的变化，这个时间间隔指几个月，几天，几小时，分秒以上。 长期频率不稳定的原因主要是电压、电流变化，电路参数的不稳定，老化等。测量次数 n 第i所测的相对频率准确度 n个测量数据的相对平均值 统计值表征583.3.1 频率稳定度的定义短期频率稳定度电路内部噪声主要来源于电阻的热噪声及有源器件内部的哄声。例如，晶体

19、管的内部噪声除了热噪声之外，还有散粒噪声以及闪烁噪声。 指秒或毫秒内的随机频率变化，是频率瞬间的无规则变化。短稳在频域上又称为相位抖动或相位噪声。引起短稳不稳的原因：频率源内部噪声593.3.1 频率稳定度的定义短期频率稳定度理想的输出信号是纯净的正弦信号 均为常数实际上不是理想的，有寄生调幅与调相。相位噪声可以用相位噪声测试仪，例如HP3047测得。603.3.1 频率稳定度的定义寄生调幅 寄生调相 一般较小，可以采用限幅的办法消除。 引起短稳指标恶化的主要根源 随机相位噪声 613.3.1 频率稳定度的定义时域瞬时相位瞬时频率 瞬时频偏 定义短期频率稳定度无法直接测量，测到的只是某一段时间

20、内的平均值。短期频率稳定度的指标在频域用“相位噪声功率谱密度” 表示在处的噪声功率谱密度，单位：rad2/Hz62振荡频率 3.3.2 改进型电容三端振荡电路63振荡频率 3.3.2 改进型电容三端振荡电路如何减少Ci和Co的影响？增大减弱由于 ， 的变化对振荡频率的影响。但Q下降，A减少，频稳度下降。如何保证Q提高,又使Ci和Co的影响下降？643.3.2 改进型电容三端振荡电路如何保证Q提高,又使Ci和Co的影响下降？减弱有源器件与LC谐振回路之间的耦合有利于提高谐振回路的有载品质因数减小Pce？Pce=C2/(C1+C2)Pbe=C1/(C1+C2)上升！若C1减小，C2增加！，PCE下

21、降！如何同时减小Pce和Pbe?653.3.2 改进型电容三端振荡电路如何同时减小Pce和Pbe?改进型电容三端振荡电路, clapp振荡电路。 663.3.2 改进型电容三端振荡电路 clapp振荡电路振荡频率 起振条件 高频端不宜起振！673.3.2 改进型电容三端振荡电路 波段覆盖系数clapp振荡电路的缺点：在波段内输出幅度不均匀 波段覆盖系数小不易起振进一步改进：西勒振荡电路683.3.2 改进型电容三端振荡电路 西勒振荡电路其一， 改变成固定的小电容其二，L上并联可变电容 振荡频率 起振条件 693.3.2 改进型电容三端振荡电路 西勒振荡电路seiler电路改变振荡频率时， 是固定值。从频率稳定的角度看， 愈小愈好， 的选择原则就是保证起振条件的情况下，尽可能减小 的值。seiler电路在频率高端更易起振太小，起振条件难满足不能选得太小振荡频率 起振条件 703.3.2 改进型电容三端振荡电路 实例交流等效电路？713.3.2 改进型电容三端振荡电路 振荡器设计实例1、L、C的数值与频率的关系？电容量高于数百PF后，在10MHz F以后，会呈现电感特性。电感线圈上的杂散电容将使电感成为电容。改进方法？选用高Q电感在旁路电容和耦合电容上并100-300PF的低值电容。2、元件的选取？BJT,fT大于5f0。LC振荡器中，C选高Q值及稳定的温度特性Npo电容。L