西南科大高頻電子線路課件第四章.ppt

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第四章正弦波振蕩器,高頻正弦波振蕩器在通信系統(tǒng)中起何作用？,反饋型正弦波振蕩器如何構(gòu)成？它的工作應(yīng)滿足什么條件？,如何識別常用正弦波振蕩器類型并判斷能否正常工作？,頻率穩(wěn)定度與哪些因素有關(guān)？如何提高頻率穩(wěn)定度？,為什么晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度很高？它如何構(gòu)成？,振蕩器,振蕩器沒有外加激勵信號，而自動地將直流電源產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流信號。振蕩器一般由晶體管等有源器件和具有選頻能力的無源網(wǎng)絡(luò)所組成。,放大器,輸入為外加激勵信號，直流能量轉(zhuǎn)換為按信號規(guī)律變化的交流能量的電路。,,,,,4.1反饋振蕩器的振蕩條件分析,4.1.1反饋振蕩器振蕩的基本原理,反饋振蕩器的原理框圖如圖4.1所示。反饋振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)所組成的一個閉環(huán)環(huán)路，其中反饋網(wǎng)絡(luò)由無源器件組成。,圖4.1反饋振蕩器的原理框圖,4.1.2振蕩器的起振條件和平衡條件,在圖4.1所示的電路中，在“”處斷開，定義環(huán)路的閉環(huán)增益為,1．起振條件,振幅起振條件,相位起振條件,在起振的開始階段，振蕩的幅度還很小，電路尚未進入非線性區(qū)，振蕩器可以作為線性電路來處理，即可用小信號電路等效模型分析起振條件。,2．平衡條件,振幅平衡條件,相位平衡條件,圖4.2滿足起振與平衡條件的環(huán)路增益特性,4.1.3振蕩平衡的穩(wěn)定條件,1．振幅穩(wěn)定條件,2．相位穩(wěn)定條件,圖4.3滿足相位穩(wěn)定條件的回路的相頻特性,,相位穩(wěn)定條件,4.1.4反饋振蕩器的判斷,1、振幅條件,放大器件一般都滿足圖4.2所示的平衡與穩(wěn)定的振幅條件，僅需對起振的振幅條件進行討論。,(1)在起振時，放大器應(yīng)具有正確的直流偏置，開始時應(yīng)工作在甲類狀態(tài)。,(2)開始起振時，環(huán)路增益T應(yīng)大于1；由于反饋網(wǎng)絡(luò)F是一個常數(shù)，且小于1，因此要求放大器的增益A大于1/F；對于共射或者共基組態(tài)的放大器，負(fù)載設(shè)計合理，可以滿足這一要求。,(1)對于放大器的起振與平衡的相位條件，都是要求環(huán)路是正反饋。,2．相位條件,(2)對于平衡的穩(wěn)定條件，要求環(huán)路應(yīng)具有負(fù)斜率的相頻特性曲線。,相位平衡的穩(wěn)定狀態(tài)負(fù)斜率的相頻特性取決于選頻網(wǎng)絡(luò)。對于LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性以及LC串聯(lián)諧振回路的導(dǎo)納特性都具有負(fù)斜率的相頻特性，而對于LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納特性以及LC串聯(lián)諧振回路的阻抗特性都具有正斜率的相頻特性。,相位條件的判別:,?起振和平衡時的相位條件是相同的。?相位條件是振蕩器正常工作的必要條件。?瞬時極性判定方法：(1)將環(huán)路斷開，引入Vi(2)觀察Vf的瞬時極性,當(dāng)Vf與Vi瞬時極性一致，即滿足相位條件，反之則不滿足。,【例4.1】圖4.4所示為一LC振蕩器的實際電路，圖中反饋網(wǎng)絡(luò)是由電感L和L1之間的互感M來實現(xiàn)，稱之為LC互感耦合振蕩器，其中電容Cb為耦合電容，電容Ce為高頻旁路電容，都為大電容。畫出交流等效電路，分析該電路滿足正反饋時其同名端的位置。,圖4.4例4.1圖,根據(jù)瞬時極性法，當(dāng)電路滿足正反饋時，其同名端如圖4.4(b)所示。,頻率穩(wěn)定度在數(shù)量上通常用頻率偏差來表示。頻率偏差是指振蕩器的實際頻率和標(biāo)稱頻率之間的偏差。它可分為絕對偏差和相對偏差。設(shè)f0是標(biāo)稱頻率，f是實際工作頻率，則定義絕對頻率偏差為：,4.1.5頻率穩(wěn)定度,1、頻率穩(wěn)定度的定義,,相對頻率偏差為：,測量時，要取多次測量結(jié)果的統(tǒng)計值。,長期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以上以致幾個月的時間間隔內(nèi)的相對變化，其主要取決于元器件的老化特性。,短期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以內(nèi)，以小時、分鐘或秒計的時間間隔內(nèi)頻率的相對變化。其主要取決于電源電壓、環(huán)境溫度的變化等。,瞬時頻率穩(wěn)定度：一般指秒或毫秒時間間隔內(nèi)的頻率相對變化，這種頻率變化一般都具有隨機性質(zhì)。其主要取決于元器件的內(nèi)部噪聲。,中波廣播電臺發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度為,電視發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度為,普通信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度為~,標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度為~,2.提高頻率穩(wěn)定度的措施,1)減小外界因素變化的影響,采用高穩(wěn)定度直流穩(wěn)壓電源以減少電源電壓的變化；采用恒溫或者溫度補償?shù)姆椒ㄒ缘窒麥囟鹊淖兓?；采用金屬罩屏蔽的的方式減小外界電磁場的影響；采用密封、抽空等方式以削弱大氣壓力和濕度變化的影響等。,2)提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性,諧振回路在外界因素變化時保持其諧振頻率不變的能力稱為諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性，回路的標(biāo)準(zhǔn)性越高，頻率穩(wěn)定度越好。回路的品質(zhì)因數(shù)Q值越大，則回路的相頻特性曲線在諧振點的變化率越大，其相位越穩(wěn)定，從相位與頻率的關(guān)系可得，此時的穩(wěn)頻效果越好，因此需選擇高Q值的回路元件。,4.2LC三點式正弦波振蕩器,以LC諧振回路為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器稱為LC正弦波振蕩器，常用的電路有互感耦合振蕩器和三點式振蕩器?；ジ旭詈险袷幤魇且曰ジ旭詈戏绞綄崿F(xiàn)正反饋，其振蕩頻率穩(wěn)定度不高，且由于互感耦合元件分布電容的存在，限制了其振蕩頻率的提高，只適合于較低頻段。三點式振蕩器是指LC回路的三個電抗元件與晶體管的三個電極組成的一種振蕩器，使諧振回路既是晶體管的集電極負(fù)載，又是正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，其工作頻率可達(dá)到幾百兆赫茲，在實際中得到了廣泛的應(yīng)用。,4.2.1三點式振蕩器的電路組成法則,,三個電抗元件不能同時為感抗或容抗，必須由兩種不同性質(zhì)的電抗元件組成。,圖4.5三點式電路結(jié)構(gòu),要產(chǎn)生振蕩，電路應(yīng)滿足相位平衡條件，即電路構(gòu)成正反饋，此時LC回路中三個電抗元件的性質(zhì)應(yīng)滿足一定的條件。為了便于分析，這里略去晶體管的電抗效應(yīng)。設(shè)LC回路由三個純電抗元件構(gòu)成，其電抗值分別為Xbe、Xce和Xbc，當(dāng)回路諧振時，回路等效阻抗為純電阻，則,為便于說明，忽略電抗元件的損耗及管子輸入、輸出阻抗的影響。,通常Q值很高，故回路諧振電流遠(yuǎn)大于b、c、e極電流,為了便于記憶，可將上述規(guī)則簡單的記為“射同它異”。,三點式振蕩器有兩種基本的電路形式：與發(fā)射極相連同為電容的，稱為電容三點式振蕩器，也稱考必茲(Colpitts)振蕩器，如圖4.6(a)所示；與發(fā)射極相連同為電感的，稱為電感三點式振蕩器，也稱哈特萊(Hartley)振蕩器，如圖4.6(b)所示。,(a),(b),圖4.6三點式振蕩器的兩種基本形式,【例4.2】在圖4.7所示電路中，兩個LC并聯(lián)回路的諧振頻率分別是和，求振蕩頻率f0與f1、f2的關(guān)系。,,圖4.7例4.2圖,解：要使電路能夠正常振蕩，需滿足三點式電路的組成原則。而根據(jù)圖4.7，由于連接基極與集電極的為電容，故電路只能組成電感三點式振蕩器，即L1C1、L2C2回路應(yīng)呈感性。由于LC并聯(lián)回路諧振頻率f1、f2大于工作頻率f0時，回路呈感性，即應(yīng)滿足：,,4.2.2電容三點式振蕩器,圖4.8電容三點式振蕩器,圖4.8(b),一般來講，高頻旁路電容與耦合電容都比回路電容大一個數(shù)量級以上，對于高頻電路來講，可視為短路；高頻扼流圈LC比回路電感大一個數(shù)量級以上，對于高頻電路來講，可視為斷路。由于Rb1//Rb2比晶體管的輸入電阻大很多，這里作為斷路處理。4.8(b)是其交流等效電路。,下面分析該電路的起振條件。由于起振時晶體管工作在小信號線性放大區(qū)，因此可用Y參數(shù)等效電路，下圖是高頻小信號等效電路。,在圖中，忽略Yre、Cie、Coe，忽略晶體管正向傳輸導(dǎo)納的相移，用跨導(dǎo)gm表示。gp表示除晶體管外的電路中所有電導(dǎo)折算到ce兩端的總電導(dǎo)。,反饋系數(shù)：,將gie折算到ce端，有,因此放大器總的負(fù)載電導(dǎo)為,環(huán)路諧振時的增益為,振蕩器的振幅起振條件為,為了使電容三點式振蕩器易于起振，應(yīng)選擇跨導(dǎo)gm大、輸入輸出電阻大的晶體管；反饋系數(shù)要合理選擇，其一般選擇為0.1～0.5；實踐表明，如果選用特征頻率fT大于振蕩頻率5倍以上的晶體管作為放大器，負(fù)載電阻不要太小，反饋系數(shù)選擇合理，其一般都是滿足起振條件的。為保證放大器有一定大小的幅度且波形失真小，起振時環(huán)路增益一般取3～5倍。,該振蕩器的振蕩頻率為,4.2.3電感三點式振蕩器,圖4.10(a)是電感三點式振蕩器原理圖，4.10(b)是其交流等效電路。通常電感繞在同一磁芯的骨架上，它們之間存在互感M。,(a)實用電路,(b)交流等效電路,,圖4.10電感三點式振蕩器,類似于電容三點式振蕩器的分析方法，可求得電感三點式振蕩器起振時的條件電容三點式的一致，其：反饋系數(shù)為,,振蕩頻率為,,電容三點式振蕩器與電感三點式振蕩器的特點比較如下：,1．電容三點式振蕩器,優(yōu)點：其反饋電壓取自反饋電容，而電容對高頻電流呈現(xiàn)低阻抗，可以濾除反饋電壓中由于晶體管的非線性所產(chǎn)生的高次諧波，輸出波形好；晶體管的輸入、輸出電容同回路電容并聯(lián)，不會改變回路的電抗性質(zhì)，工作頻率可以較高。缺點：調(diào)整頻率較困難，因為當(dāng)改變回路電容時，勢必改變反饋系數(shù)，影響起振和波形質(zhì)量。,2．電感三點式振蕩器,優(yōu)點：L1和L2間存在互感M，比較容易起振，調(diào)節(jié)回路電容，可以方便地改變振蕩頻率。缺點：反饋電壓取自電感L2，而電感對高頻電流呈高阻抗，不易濾去高次諧波，輸出波形不夠好；晶體管的輸入、輸出電容并聯(lián)在Ll與L2兩端，在頻率較高時其影響很大，可能使電抗性質(zhì)發(fā)生變化而不滿足三點式振蕩器的相位條件，所以這種振蕩器適用在工作頻率不太高的場合，一般為數(shù)十兆赫。,4.2.4改進型電容三點式振蕩器,由于晶體管的輸入、輸出電容與電容三點式振蕩器和電感三點式振蕩器的回路并聯(lián)，影響回路的等效電抗元件參數(shù)。而晶體管的輸入、輸出電容受環(huán)境溫度、電源電壓等因素的影響較大，所以上述兩種振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高，一般在10-3數(shù)量級。為了提高頻率穩(wěn)定度，需要對電路作改進以減少晶體管輸入、輸出電容對回路的影響，可以采用削弱晶體管與回路之間耦合的方法，在電容三點式振蕩器的基礎(chǔ)上，得到兩種改進型電容反饋式振蕩器——克拉潑(Clapp)振蕩器和西勒(Siler)振蕩器。,1．克拉潑振蕩器,電容值取值規(guī)定如下：C3<Cq，石英諧振器的串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振頻率間隔很小。石英諧振器的標(biāo)稱頻率fN位于串聯(lián)諧振頻率fq與并聯(lián)諧振頻率fp之間，是指晶體諧振器兩端并接某一規(guī)定的負(fù)載電容CL時石英諧振器的振蕩頻率。負(fù)載電容CL值標(biāo)于廠家的產(chǎn)品說明書，通常為30pF或標(biāo)為“∞”(指無須外接負(fù)載電容，常用于串聯(lián)型晶體振蕩器)。,在高Q值條件下忽略rq，石英諧振器的等效電抗為,石英諧振器呈容性；,石英諧振器的電抗特性曲線如圖4.19所示。,圖4.19石英諧振器的電抗特性曲線,當(dāng)石英諧振器呈感性時，其等效電感為,,石英諧振器呈感性。,,這里需要注意的是，石英諧振器的等效電感L與石英諧振器的動態(tài)電感Lq的概念完全不同，前者是頻率的函數(shù)，后者是與工作頻率無關(guān)。當(dāng)ω=ωq時，L=0；當(dāng)ω=ωp時，L→∞。由于ωq與ωp區(qū)間很窄，而諧振器的等效電感又從0變化到無窮大，說明在此區(qū)間內(nèi)等效電感的電抗曲線非常陡峭，這對于穩(wěn)頻是非常有利的。若外部因素使諧振頻率增大，則根據(jù)石英諧振器的電抗特性，必然會使等效電感L增大，但由于振蕩頻率與L的平方根成反比，因而又促使諧振頻率下降，趨近于原來的頻率。,石英諧振器比一般LC振蕩器頻率穩(wěn)定度高，具體表現(xiàn)如下：,(1)石英諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。,(2)外接元件對石英諧振器的接入系數(shù)為,故接入系數(shù)很小，一般為10-4～10-3，因此大大削弱了外電路不穩(wěn)定因素對石英諧振器的影響。,(3)石英諧振器的品質(zhì)因數(shù)為,品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)104～106。而一般LC振蕩器的品質(zhì)因數(shù)只有幾百，因此石英諧振器具有很強的穩(wěn)頻作用。,4.3.2串聯(lián)型石英晶體振蕩器,串聯(lián)型晶體振蕩器一般是將石英諧振器用于正反饋中，利用其串聯(lián)諧振時等效為短路元件，電路反饋最強，滿足振幅起振條件，使振蕩器在石英諧振器串聯(lián)諧振頻率fq上起振。,(a)原理電路,(b)交流等效電路,圖4.20串聯(lián)型晶體振蕩器,4.3.3并聯(lián)型石英晶體振蕩器,并聯(lián)型晶體振蕩器的工作原理和三點式振蕩器相同，只是將其中一個電感元件換成石英晶振。石英諧振器接在晶體管的c、b極之間，則稱為皮爾斯振蕩器；石英諧振器接在晶體管的b、e極之間，則稱為密勒振蕩器。目前應(yīng)用得最廣的是皮爾斯晶體振蕩器。,圖4.21(a)是皮爾斯振蕩器的原理圖，圖4.21(b)為其交流等效電路，其中虛線框中為石英晶體振蕩器的等效電路。,(a)原理電路,(b)交流等效電路,圖4.21皮爾斯振蕩電路,C1、C2、C3串聯(lián)組成石英晶體諧振器的負(fù)載電容CL，其值為,電路的諧振頻率為,,由于石英諧振器的標(biāo)準(zhǔn)性很高，故串聯(lián)諧振頻率非常穩(wěn)定，且由于C0>>Cq，CL>>Cq，故皮爾斯振蕩器的振蕩頻率非常接近串聯(lián)諧振頻率。,仿真,4.3.4泛音晶體振蕩器,在工作頻率較高的晶體振蕩器中，多采用泛音晶體振蕩電路。為了保證振蕩器能準(zhǔn)確地振蕩在所需要的奇次泛音上,必須使其在工作泛音頻率上：滿足三點式振蕩器的組成法則并滿足環(huán)路增益起振條件。而在基頻、低次泛音和高次泛音上，不滿足三點式振蕩器的組成法則或不滿足環(huán)路增益起振條件，不能起振。,下圖（ａ）給出了一種并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路。假設(shè)泛音晶振為五次泛音,標(biāo)稱頻率為５MHz,基頻為１MHz,則LC1回路必須調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間，例如3.5MHz。這樣,在５MHz頻率上，LC1回路呈容性,振蕩電路滿足三點式組成法則。對于基頻和三次泛音頻率來說,LC1回路呈感性,電路不符合組成法則,不能起振。而對七次及以上高次泛音上，LC1回路雖呈容性，等效電抗減小，電路電壓放大倍數(shù)減小，環(huán)路增益小于1，不能起振。,LC1回路電抗,【例4.4】對圖4.23所示的晶體振蕩器。(1)畫出交流等效電路，說明晶體在電路中的作用。(2)若將標(biāo)稱頻率為5MHz的晶體換成標(biāo)稱頻率為3MHz的晶體，該電路能否正常工作，為什么？,圖4.23例4.4圖,解：該電路的交流等效電路如圖4.23(b)所示，屬于并聯(lián)型晶體振蕩器，晶體相當(dāng)于電感的作用。,圖4.23(b),由330pF電容與4.7μH電感構(gòu)成的并聯(lián)回路，其諧振頻率為,,則當(dāng)晶體的標(biāo)稱頻率為5MHz時，330pF電容與4.7μH電感構(gòu)成的并聯(lián)回路呈現(xiàn)容性，其滿足三點式振蕩電路的組成法則，是電容三點式振蕩電路。而當(dāng)晶體的標(biāo)稱頻率為3MHz時，330pF電容與4.7μH電感構(gòu)成的并聯(lián)回路呈現(xiàn)感性，不滿足三點式振蕩電路的組成法則，該電路不能正常工作。,本章小結(jié),1反饋振蕩器的構(gòu)成由放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的具有選頻能力的正反饋系統(tǒng)。2反饋振蕩器必須滿足三個條件反饋振蕩器必須滿足起振、平衡和穩(wěn)定三個條件，每個條件包括振幅和相位兩個方面的要求。在振蕩頻率點，振幅要求環(huán)路增益的幅值在起振時必須大于1，且具有負(fù)斜率的增益振幅特性；在振蕩頻率點，相位要求環(huán)路增益的相位應(yīng)為2π的整數(shù)倍，且具有負(fù)斜率的相頻特性。3三點式振蕩電路組成原則—“射同余異”，可分成電容三點式（Colpitts）和電感三點式（Hartley）兩種基本類型。Clapp電路和Siler電路是兩種較實用的電容三點式改進型電路,前者適合于作固定頻率振蕩器，后者可作波段振蕩器。,4晶體振蕩器(1)串聯(lián)型晶體振蕩器作為一個短路元件串接于正反饋支路上，工作在它的串聯(lián)諧振頻率fq上。(2)并聯(lián)型晶體振蕩器晶體作為等效電感元件用在三點式電路中，工作在fq～fp感性區(qū)。(3)泛音晶體振蕩器泛音晶振可用于產(chǎn)生較高頻率振蕩，但需采取措施抑制低次和高次諧波振蕩，保證其只諧振在所需要的工作頻率上。,作業(yè)2，3，9,