高频电子线路课件-第7讲

1振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一 波形的交变振信号能量的转换电路它与放大器的区别在于：无需外加激励信号,就能 根据所产生的波形不同可将振荡器分成正弦波振 前者能产生正弦波正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成,这就是反馈振荡器。按照选频网络所采用元件的不同,正弦波振荡器可ＬＣ振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波,正反馈放大器既可以由晶体管、场效应管等分立,也可以由集成电路组成,但前者的性能可以比后者做得好些,且工作频率也可以做得更高。反馈振 ＬＣ并联回路的自由振荡现象,是分析反馈振荡器 SS＋—＋—＋—图RLC并联谐振回路电路与直流电压源的Ｒe0是并联回路的谐振电阻。在ｔ＝０以前开关S接通１, 根据电路分析基础知识可以求出在Ｒ>

LC的情况下 ０以后,并联回路两端电压的表达式,即回路在阻尼情况输入响应uc(t)Use

其中振荡角频率ω0=1／

衰减系数α=1/(2Re0C并联谐振回路中自由振荡衰减的原因在于损耗电阻的存在。若回路无损耗,即Ｒe0→∞,则衰减系数α→０,由上式可知,回正弦波振荡器工作原理：采用正反馈的方法,不断地适时,使之刚好与Ｒe0上损耗的能量相等,那么就可以获得等t ＋＋—＋—＋—＋—4.1反馈振荡器的反馈振荡器的基本原理：利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡 振荡过程一个反馈振荡器必须满足三个条件 起振条件：保证接通电源后能逐步建立起振 平衡条件：保证进入维持等幅持续振荡的平衡状 稳定条件：保证平衡状态不因外界不稳定因素影１.起振过程与起振在图4.1所示闭合环路中在×处断开并定义环路&i其中&

,

&分别是反馈电压、输入电压、主网络i益和反馈系数i在刚接通电源时,电路中存在各种电扰动,电流突变电路中的热噪声等等,振角频率ω0的分量才能通过反馈产生较大的反馈电压&f 如果在谐振频率处,&f&i同相,并且具有更大的振幅,则经过线性放大和反馈的不断循环,因此，要使振幅不断增长的条件是&f(0)&i(0)U&i(0即)

T(0) φT(ω0)=2nπ(n=０,１,２, 式（4．2）和（4．3）分别称为振幅起振条件和相位起振条件 随着振幅的增大,放大器逐渐由放大区进入饱和区或截止区,工作于非线性的甲乙类状态,其增益逐渐下降。 过程将停止,振荡器达到平衡,进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态以后,直流电源补充的能量刚好抵消整反馈振荡器的平衡条件为)

T(0) φT(ω0)=2nπn=０,１,２, 式（4．4）和（4．5）分别称为振幅平衡条件和相位。T(T(1A0UiAUi根据振幅的起振条件和平衡条件,环路增益的模值应该具有随振幅Ui增大而的特性由于一般放大器的增益特性曲线均具有如图4.2所示的形状,所以这一条件很满足,只要保证起振时环路而环路增益的相位φT（ω0）则必须维持在２ｎπ上,保证为正反馈振荡器在工作过程中,不可避免地要受到各种外界因素变化这些不稳定因素将引起放大器和回路的参数发生变化,Ｔ（ω0）或φT（ω0）变化,破坏原来的平衡条件平衡状态是不稳定的：如果通过放大和反馈的不断循环,器越来越偏离原来的平衡状态,从而导致振荡器停振或突变到新原平衡状态是稳定的：如果通过放大和反馈的不断循环,器能够产生回到原平衡点的趋势,并且在原平衡点附近建立新的T(0U 要使振T(0U 增益幅值Ｔ(ω0)应该减小,使反馈电压振幅Uf减小,从 Ui增 Ui减小要求在平衡点附近,T(ω0)随Ui的变化率为负值,即式（4．6）就是振幅稳定条件 振荡器的相位平衡条件是φT（ω0）＝２ｎπ。在振荡器工,某些不稳定因素可能破坏这一平衡条件。如电源电压的波动或工作点的变化可能使晶体管内部电容 从而造成相位的变化,产生一个偏移量Δφ。由于瞬时角频率是瞬时相位的导数,所以瞬时角频率也将随着发生 为了保证相位稳定要求振荡器的相频特φ）在振荡频率点应具有 相位变的能。在平衡点ω=ω0附近,当不稳定因素使瞬时角频率ω增大时,相频特性φT（ω0）应产生一个-Δφ,从而产生一个-Δω,使瞬时角频率ω减小；当不稳定因素使ω减小时,相频特性φT（ω0）应产生一个Δφ,从而产生一个Δω,使ω增大TT

式（4.9）就是相位的稳定条件T0图4.3满足相位稳定条件的相频直流偏置,开始时应工作在甲类状态,便于起振。起振条②开始起,环路增益幅值AF(ω0)应大于1——起振条③——起振条件、平衡条④选频网——稳定第①点可根据直流等效电路进行判断；另3点可根例判断图例所示各反馈振荡电路能否正常工作。其中（ａ）、（ｂ）是交流等效电路,（ｃ）是实用电RRLCLCV1RCLR

图示三个电路均为两级反馈 所以只要其电压增益足够大,振荡的振幅条件容易满 相位条件：一是要求正反馈二是选频网络应具有负斜率特VVVVRCLR(a（a）图由两级共射反馈电路组成,其瞬时极性如图中所标注,所以是正反馈ＬＣ并联回路同时担负选频和反馈作用,且在谐振频率点反馈电压最论选频网络的相频特性时,一定要注意应采用其阻抗特性还是导纳特性。对于（a）图,ＬＣ并联回路输入是V2管集电极电流ic2,输出是反馈到V1管b、两端的电压ube1,所以应采用其阻抗特根据图１．２．４（b）,可知并联回路的阻抗相频特性是负斜率综上所述,(a)图电路能够正常工LC（ｂ）图由共基—共集两级反馈组成。根据瞬时极性判断法 如把ＬＣ并联路作为一个电阻看待,则为正反馈但ＬＣ并联回路在谐振频率点阻抗趋于无穷大,正反馈最,,,并联回路的导纳相频特性是正斜率,所以不满足相位稳定条件综上所述,（ｂ）图电路不能正RRLC（ｃ）图与（ｂ）图不同之处在于用串联回路置换了并联回（ｃ）图电路能正常工作(c)图中在V2的发射极与V1的基极之间增加了一条负反馈支路,振荡器的频率稳频率稳定度定义（反馈振荡器若满足振、平衡、稳定三个条件,就能够产生等当受到外界不稳定因素影响时,振荡器的相位或振荡频率可,虽然能自动回到平衡状态,但振荡频率在平衡点附近随机为了衡量实际振荡频率f相对于标称振荡频率f0 频率稳定度是将振荡器的实测数据代入规定的公式中计算后 根据测试时间的长短,,测试时间分别为一天以上、一天以内和一秒以内。 通常所讲的频率稳定度一般指短期频稳度f0

nn1nn1(fi1 f0nn

1|f

f0|是绝对频率偏差的平均值,inni提高LC振荡器频率稳定度的 ,频率不稳定的原因：各种环境因素如温度、湿度、大气压力,从而对回路 主要可采取两类措施来提高ＬＣ振荡器的频,,还可以预先将元器件进行老化处理,提高电路抗外界因素变化影响的能力。这类措施包括提高回路的标准性,二是选取合理的电路形式。回路的标准性是指外界因素变化时,振荡回路保持其谐振频率不变的能力。回路标准性越高,则频率稳定度越高。采用温度系数小或温度系数相反的电抗元件组成回路,注意选择回路与器件、负载之间的接入系数,实现元器件合理排队以尽可能减小不稳定的分布电容和引线电感的影响,这些措施都有助于提高回路的标准性。如果采用回路Q值很高的石英晶体谐振器,则可组成频率稳定度很高的晶体振荡器。选取合理的电路形式或采用自动调整电路来提高频率稳度是改进型电容三点式自动频率控制和锁相环LC振荡器互感耦合振荡器（例图4．4是常用的一种集电极调谐型互感耦合振荡器电路。此电路采用共发射极组态,ＬＣ回路接在集电极上。注意耦合电容Cb的作用。如果将Cb短路,则基极将通过变压器次级直流接地,振荡电路不能起振。根据瞬时极性判断法，此电路可以看成是一个共射电路与起倒相作用的互感耦合线圈级联而成，是正RRb1CLRb24.4互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈,所以,应注意耦合线圈同名端的正确位置。同时,耦合系数Ｍ要选择合适,使之满足振幅起振条件。互感耦合振荡器的频率稳定度不高,且由于互感耦合元件分 另外，因高次谐波的感抗大，故取自变压器次级的反馈电压中高次谐波振幅较大，所以导致输出振荡信号中高次谐波分量较解:在V1的发射极与V2的发射极之间断开。从断开处向左看,将V1的eb结作为输入端,V2的ec结作为输出端,可知这是一个共基—共集反馈电路,振幅条件是可以满足的,所以只要相位条件满足,就可起振。,,ue1↑→uc1↑→ub2↓→ue2（ue1）↓,可见是负反馈,如果把变压器次级同名端位置换一下,变压器初级回路是并联ＬＣ回路,作为V1的负载,此处应考虑其,因此可以正常工作。三点式振荡 三点式振荡器是指回路的三个端点与晶体管的三。 三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替合 ,。 X＋—XceX＋—Xce＋ —＋假定ＬＣ回路由纯电抗元件组成,其电抗值分别为Ｘce,Ｘbe和Ｘbc,同时不考虑晶体管的电抗效应,则当回路谐振（ω＝ω0）时,回路呈纯阻性,有：Ｘce+Ｘbe＋Ｘbc=0,因此—图4.5

jX&c

Xbe j( XbeXbe因为这是一个正反馈反相放大器,Ui 与Uf同相,Uc与Ui Χbe与Χce必须是同性质电抗,因而Xbc必须是异性质电三点式电路的组成法则（三点式电路组成的相位）：在三点式电路中,ＬＣ回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质,另外一个电抗元异性质 ２．电容三点式 ,, 0.033C

Rb1

CC1

n

RReLC2 图（类习题

电容三点式电路性能分 所以只要能起振,e＋

gi mgi

—b

R

—c＋＋c＋＋ g&iLre——bc＋＋g &GjB——be路1U1路1U1fnfT&&'f GiggLe在图４.３.４（ａ）中的双电容耦合电路里,可把次级电路,

nC1/(C1C CC br1(r//R)1

(因为

<<R U1 图4.3.４（ｂ）又可以进一步等效为图4.３.４（ｃ）其中等效电导

e′,式中g'1/R',g'1/r B=ωC- 2C 2C1C C &'f

gmUiGf& &f&& f &iGggjC 1Le

gL.1gL.11gmgm1(gg)1gnLenLeg

, 1 R// FnFnCC'12

Ｆ的取值一般为１／８～１／２电容三点式电路的设

R//gm1(gm1(gg)1gnLenLege

1 为了使电容三点式电路易于起振,应选择跨导ｇm较大、rb′e大的晶体管,其负载ＲL和回路谐振电阻Ｒe0也要大,而接入系数n实践表明,如果选用截止频率ｆT大于振荡频率五倍以上的晶体管作放大器,负载ＲL不要太小（１kΩ以上）,接入系数ｎ取值合适,一般都能满足起振条件。３.电感三点式图4.10（ａ）为电感三点式振荡器电路。其中Ｌ1, Ｌ3和Ｌ4是高频扼流圈。（ｂ）图为其共基组态交流等效电利用类似于电容三点式振荡器的分析方法,也可以求得电感三点式振荡器振幅起振条件和振荡频率,区别在于这里以CC2332RLL42C1C 1 4.10 率

g1Le其中L=L1+L2+2MMg1Le 件

gm

'

L L

reere

n

L2L Fn L1L2Ｆ的取值一般为１／１０～电容三点式振荡优点Ｃ2,而电容对晶体管非线性,所以反馈电压中高次谐波分量很小,因而输出波形好,接近于正弦波。缺点：反馈系数因与回路电容有关,如果用改变,必将改变反馈系数,从而影响起振。电感三点式振荡器的优优点：便于用改变电容的方法来调整振荡频率,缺点：反馈电压取自Ｌ2,而电感线圈对高次谐波,所以反馈电压中高次谐波分量较多,较两种振荡器共同 ,, ,所以三点式电路的频率稳定度不高,一般在10-3[例]（类例4.2）在图例所示振荡器交流等效电路中,并联回路的谐振频率分别是1

L1C1),f2 f3

,试问f1、f2、f3X0(ff2(Xf1(0ff2(

振荡器频

CCCCCX电感f01 0ff1电容f2(或f1)(b)LL感性区频率高容性区频率低 只要满足三点式组成法则,该振荡器就能正