西南科大 高频电子线路课件第四章.ppt
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1、第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器v高频正弦波振荡器在通信系统中起何作用?高频正弦波振荡器在通信系统中起何作用?v反馈型正弦波振荡器如何构成?它的工作应满足什反馈型正弦波振荡器如何构成?它的工作应满足什么条件?么条件?v如何识别常用正弦波振荡器类型并判断能否正常工如何识别常用正弦波振荡器类型并判断能否正常工作?作?v频率稳定度与哪些因素有关?如何提高频率稳定度?频率稳定度与哪些因素有关?如何提高频率稳定度?v为什么晶体振荡器的频率稳定度很高?它如何构成?为什么晶体振荡器的频率稳定度很高?它如何构成?u振荡器振荡器振振荡荡器器没没有有外外加加激激励励信信号号,而而自自动动地地将将直直流流电电
2、源源产产生生的的能能量量转转化化为为具具有有一一定定频频率率、一一定定幅幅度度和和一一定定波波形形的的交交流流信信号号。振振荡荡器器一一般般由由晶晶体体管管等等有有源源器器件件和和具具有有选选频频能能力力的的无无源源网网络络所所组成。组成。u放大器放大器输输入入为为外外加加激激励励信信号号,直直流流能能量量转转换换为为按按信信号号规规律律变变化化的的交流能量的电路。交流能量的电路。4.1 反馈振荡器的振荡条件分析反馈振荡器的振荡条件分析4.1.1 反馈振荡器振荡的基本原理反馈振荡器振荡的基本原理反反馈馈振振荡荡器器的的原原理理框框图图如如图图4.1所所示示。反反馈馈振振荡荡器器是是由由放放大大
3、器器和和反反馈馈网网络络所所组组成成的的一一个个闭闭环环环环路路,其其中中反反馈馈网网络络由由无无源源器器件组成。件组成。图图4.1 反馈振荡器的原理框图反馈振荡器的原理框图4.1.2 振荡器的起振条件和平衡条件振荡器的起振条件和平衡条件在在图图4.1所所示示的的电电路路中中,在在“”处处断断开开,定定义义环环路路的的闭闭环环增增益为益为1起振条件起振条件振幅起振振幅起振条件条件相位起振相位起振条件条件在在起起振振的的开开始始阶阶段段,振振荡荡的的幅幅度度还还很很小小,电电路路尚尚未未进进入入非非线线性性区区,振振荡荡器器可可以以作作为为线线性性电电路路来来处处理理,即即可可用用小小信信号号电
4、电路路等等效效模模型型分分析析起起振条件。振条件。2平衡条件平衡条件振幅平衡振幅平衡条件条件相位平衡相位平衡条件条件图图4.2 满足起振与平衡条件的环路增益特性满足起振与平衡条件的环路增益特性4.1.3 振荡平衡的稳定条件振荡平衡的稳定条件1振幅稳定条件振幅稳定条件2相位稳定条件相位稳定条件图图4.3 满足相位稳定条件的回路的相频特性满足相位稳定条件的回路的相频特性相位稳定相位稳定条件条件4.1.4 反馈振荡器的判断反馈振荡器的判断1、振幅条件、振幅条件放放大大器器件件一一般般都都满满足足图图4.2所所示示的的平平衡衡与与稳稳定定的的振振幅幅条条件件,仅仅需对起振的振幅条件进行讨论。需对起振的
5、振幅条件进行讨论。(1)在在起起振振时时,放放大大器器应应具具有有正正确确的的直直流流偏偏置置,开开始始时时应应工工作作在甲类状态。在甲类状态。(2)开开始始起起振振时时,环环路路增增益益T应应大大于于1;由由于于反反馈馈网网络络F是是一一个个常常数数,且且小小于于1,因因此此要要求求放放大大器器的的增增益益A大大于于1/F;对对于于共共射射或者共基组态的放大器,负载设计合理,可以满足这一要求。或者共基组态的放大器,负载设计合理,可以满足这一要求。(1)对于放大器的起振与平衡的相位条件,都是要求环路是对于放大器的起振与平衡的相位条件,都是要求环路是正反馈。正反馈。2相位条件相位条件(2)对于平
6、衡的稳定条件,要求环路应具有负斜率的相频特对于平衡的稳定条件,要求环路应具有负斜率的相频特性曲线。性曲线。相相位位平平衡衡的的稳稳定定状状态态负负斜斜率率的的相相频频特特性性取取决决于于选选频频网网络络。对对于于LC并并联联谐谐振振网网络络的的阻阻抗抗特特性性以以及及LC串串联联谐谐振振回回路路的的导导纳纳特特性性都都具具有有负负斜斜率率的的相相频频特特性性,而而对对于于LC并并联联谐谐振振网网络络的的导导纳纳特特性性以以及及LC串联谐振回路的阻抗特性都具有正斜率的相频特性。串联谐振回路的阻抗特性都具有正斜率的相频特性。相位条件的判别相位条件的判别:起振和平衡时的相位条件是相同的。起振和平衡时
7、的相位条件是相同的。相位条件是振荡器正常工作的必要条件相位条件是振荡器正常工作的必要条件。瞬时极性判定方法:瞬时极性判定方法:(1)将环路断开,引入将环路断开,引入Vi(2)观观察察Vf 的的瞬瞬时时极极性性,当当Vf 与与Vi 瞬瞬时时极极性性一一致,即满足相位条件,反之则不满足。致,即满足相位条件,反之则不满足。【例例4.1】图图4.4所所示示为为一一LC振振荡荡器器的的实实际际电电路路,图图中中反反馈馈网网络络是是由由电电感感L和和L1之之间间的的互互感感M来来实实现现,称称之之为为LC互互感感耦耦合合振振荡荡器器,其其中中电电容容Cb为为耦耦合合电电容容,电电容容Ce为为高高频频旁旁路
8、路电电容容,都都为为大大电电容容。画画出出交交流流等等效效电电路路,分析该电路满足正反馈时其同名端的位置。分析该电路满足正反馈时其同名端的位置。图图4.4 例例4.1图图根根据据瞬瞬时时极极性性法法,当当电电路路满满足足正正 反反 馈馈 时时,其其 同同 名名 端端 如如 图图4.4(b)所示。所示。频频率率稳稳定定度度在在数数量量上上通通常常用用频频率率偏偏差差来来表表示示。频频率率偏偏差差是是指指振振荡荡器器的的实实际际频频率率和和标标称称频频率率之之间间的的偏偏差差。它它可可分分为为绝绝对对偏偏差差和和相相对对偏偏差差。设设f0是是标标称称频频率率,f是是实实际际工工作作频频率率,则则定
9、定义义绝对频率偏差为:绝对频率偏差为:4.1.5 频率稳定度频率稳定度1、频率稳定度的定义、频率稳定度的定义相对频率偏差为:相对频率偏差为:测量时,要取多次测量结果的统计值。测量时,要取多次测量结果的统计值。长长期期频频率率稳稳定定度度:一一般般指指一一天天以以上上以以致致几几个个月月的的时时间间间间隔隔内内的相对变化,其主要取决于元器件的老化特性。的相对变化,其主要取决于元器件的老化特性。短短期期频频率率稳稳定定度度:一一般般指指一一天天以以内内,以以小小时时、分分钟钟或或秒秒计计的的时时间间间间隔隔内内频频率率的的相相对对变变化化。其其主主要要取取决决于于电电源源电电压压、环环境境温度的变
10、化等。温度的变化等。瞬瞬时时频频率率稳稳定定度度:一一般般指指秒秒或或毫毫秒秒时时间间间间隔隔内内的的频频率率相相对对变变化化,这这种种频频率率变变化化一一般般都都具具有有随随机机性性质质。其其主主要要取取决决于于元元器器件的内部噪声。件的内部噪声。中波广播电台发射机的频率稳定度为中波广播电台发射机的频率稳定度为电视发射机的频率稳定度为电视发射机的频率稳定度为普通信号发生器的频率稳定度为普通信号发生器的频率稳定度为 标准信号发生器的频率稳定度为标准信号发生器的频率稳定度为 2.提高频率稳定度的措施提高频率稳定度的措施1)减小外界因素变化的影响减小外界因素变化的影响采采用用高高稳稳定定度度直直流
11、流稳稳压压电电源源以以减减少少电电源源电电压压的的变变化化;采采用用恒恒温温或或者者温温度度补补偿偿的的方方法法以以抵抵消消温温度度的的变变化化;采采用用金金属属罩罩屏屏蔽蔽的的的的方方式式减减小小外外界界电电磁磁场的影响;采用密封、抽空等方式以削弱大气压力和湿度变化的影响等。场的影响;采用密封、抽空等方式以削弱大气压力和湿度变化的影响等。2)提高回路的标准性提高回路的标准性谐谐振振回回路路在在外外界界因因素素变变化化时时保保持持其其谐谐振振频频率率不不变变的的能能力力称称为为谐谐振振回回路路的标准性,回路的标准性越高,频率稳定度越好。的标准性,回路的标准性越高,频率稳定度越好。回回路路的的品
12、品质质因因数数Q值值越越大大,则则回回路路的的相相频频特特性性曲曲线线在在谐谐振振点点的的变变化化率率越越大大,其其相相位位越越稳稳定定,从从相相位位与与频频率率的的关关系系可可得得,此此时时的的稳稳频频效效果果越越好,因此需选择高好,因此需选择高Q值的回路元件。值的回路元件。4.2 LC三点式正弦波振荡器三点式正弦波振荡器以以LC谐谐振振回回路路为为选选频频网网络络的的反反馈馈振振荡荡器器称称为为LC正正弦弦波波振振荡荡器器,常常用用的的电电路路有有互互感感耦耦合合振振荡荡器器和和三三点点式式振振荡荡器器。互互感感耦耦合合振振荡荡器器是是以以互互感感耦耦合合方方式式实实现现正正反反馈馈,其其
13、振振荡荡频频率率稳稳定定度度不不高高,且且由由于于互互感感耦耦合合元元件件分分布布电电容容的的存存在在,限限制制了了其其振振荡荡频频率率的的提提高高,只只适适合合于于较较低低频频段段。三三点点式式振振荡荡器器是是指指LC回回路路的的三三个个电电抗抗元元件件与与晶晶体体管管的的三三个个电电极极组组成成的的一一种种振振荡荡器器,使使谐谐振振回回路路既既是是晶晶体体管管的的集集电电极极负负载载,又又是是正正反反馈馈选选频频网网络络,其其工工作作频率可达到几百兆赫兹,在实际中得到了广泛的应用。频率可达到几百兆赫兹,在实际中得到了广泛的应用。4.2.1 三点式振荡器的电路组成法则三点式振荡器的电路组成法
14、则三三个个电电抗抗元元件件不不能能同同时时为为感感抗抗或或容容抗抗,必必须须由由两两种种不不同同性性质质的的电电抗抗元元件件组成。组成。图图4.5 三点式电路结构三点式电路结构要要产产生生振振荡荡,电电路路应应满满足足相相位位平平衡衡条条件件,即即电电路路构构成成正正反反馈馈,此此时时LC回回路路中中三三个个电电抗抗元元件件的的性性质质应应满满足足一一定定的的条条件件。为为了了便便于于分分析析,这这里里略略去去晶晶体体管管的的电电抗抗效效应应。设设LC回回路路由由三三个个纯纯电电抗抗元元件件构构成成,其其电电抗抗值值分分别别为为Xbe、Xce和和Xbc,当当回回路路谐谐振振时,回路等效阻抗为纯
15、电阻,则时,回路等效阻抗为纯电阻,则为便于说明,忽略电抗元件的损为便于说明,忽略电抗元件的损耗及管子输入、输出阻抗的影响。耗及管子输入、输出阻抗的影响。时,时,当当Xbe+Xce+Xbc=0回路谐振,回路等效为纯电阻,回路谐振,回路等效为纯电阻,得到得到 与与 反相。因此反相。因此必须与必须与 反相,才能构成正反馈。反相,才能构成正反馈。通常通常Q值很高,故回路谐振电流远大于值很高,故回路谐振电流远大于b、c、e极电流极电流故故,为使,为使 和和 反相,反相,要求要求Xbe和和Xce 必须同性质。而必须同性质。而Xbc必须与必须与Xbe、Xce异性质异性质。为了便于记忆,可将上述规则简单的记为
16、为了便于记忆,可将上述规则简单的记为“射同它异射同它异”。三三点点式式振振荡荡器器有有两两种种基基本本的的电电路路形形式式:与与发发射射极极相相连连同同为为电电容容的的,称称为为电电容容三三点点式式振振荡荡器器,也也称称考考必必兹兹(Colpitts)振振荡荡器器,如如图图4.6(a)所所示示;与与发发射射极极相相连连同同为为电电感感的的,称称为为电电感感三三点点式式振振荡荡器器,也也称称哈哈特特莱莱(Hartley)振振荡荡器器,如如图图4.6(b)所示。所示。(a)(b)图图4.6 三点式振荡器的两种基本形式三点式振荡器的两种基本形式【例例4.2】在在图图4.7所所示示电电路路中中,两两个
17、个LC并并联联回回路路的的谐谐振振频频率率分分别别是是 和和 ,求振荡频率,求振荡频率f0与与f1、f2的关系。的关系。图图4.7 例例4.2图图解解:要要使使电电路路能能够够正正常常振振荡荡,需需满满足足三三点点式式电电路路的的组组成成原原则则。而而根根据据图图4.7,由由于于连连接接基基极极与与集集电电极极的的为为电电容容,故故电电路路只只能能组组成成电电感感三三点点式式振振荡荡器器,即即L1C1、L2C2回回路路应应呈呈感感性性。由由于于LC并并联联回回路路谐谐振振频频率率f1、f2大大于于工工作作频频率率f0时时,回回路路呈呈感感性性,即应满足:即应满足:4.2.2 电容三点式振荡器电
18、容三点式振荡器图图4.8 电电容容三三点点式式振振荡荡器器图图4.8(b)一一般般来来讲讲,高高频频旁旁路路电电容容与与耦耦合合电电容容都都比比回回路路电电容容大大一一个个数数量量级级以以上上,对对于于高高频频电电路路来来讲讲,可可视视为为短短路路;高高频频扼扼流流圈圈LC比比回回路路电电感感大大一一个个数数量量级级以以上上,对对于于高高频频电电路路来来讲讲,可可视视为为断断路路。由由于于Rb1/Rb2比比晶晶体体管管的的输输入入电电阻阻大大很很多多,这这里里作作为为断断路路处处理理。4.8(b)是其交流等效电路。是其交流等效电路。下下面面分分析析该该电电路路的的起起振振条条件件。由由于于起起
19、振振时时晶晶体体管管工工作作在在小小信信号号线线性性放放大大区区,因因此此可可用用Y参参数数等等效效电电路路,下下图图是是高高频频小小信信号等效电路。号等效电路。在在图图中中,忽忽略略Yre、Cie、Coe,忽忽略略晶晶体体管管正正向向传传输输导导纳纳的的相相移移,用用跨跨导导gm表表示示。gp表表示示除除晶晶体体管管外外的的电电路路中中所所有有电电导导折折算算到到ce两两端的总电导。端的总电导。反馈系数:反馈系数:将将gie折算到折算到ce端,有端,有因此放大器总的负载电导为因此放大器总的负载电导为环路谐振时的增益为环路谐振时的增益为振荡器的振幅起振条件为振荡器的振幅起振条件为为为了了使使电
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