国脉高频第4章.ppt

第4章 正弦波振荡器,4.1 反馈振荡器的原理 4.2 LC振荡器 4.3 频率稳定度 4.4 LC振荡器的设计考虑 4.5 石英晶体振荡器 4.6 振荡器中的几种现象 4.7 RC振荡器 4.8 负阻振荡器 思考题与习题,4.1 反馈振荡器的原理 4.1.1 反馈振荡器的原理分析 反馈型振荡器的原理框图如图4-1所示由图可见，反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路，放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载，是一调谐放大器，反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络为了能产生自激振荡，必须有正反馈，即反馈到输入端的信号和放大器输入端的信号相位相同图 4-1 反馈型振荡器原理框图,对于图4-1，设放大器的电压放大倍数为K(s)，反馈网络的电压反馈系数为F(s)，闭环电压放大倍数为Ku(s)，则 (4-1) 由 (4-2) (4-3) (4-4),得 (4-5) 其中 (4-6) 称为反馈系统的环路增益用s=jω代入，就得到稳态下的传输系数和环路增益由式(4-5)可知，若在某一频率ω=ω1上T(jω1)等于1，Ku(jω)将趋于无穷大，这表明即使没有外加信号，也可以维持振荡输出。

因此自激振荡的条件就是环路增益为1，即 T(jω)=K(jω)F(jω)=1 (4-7) 通常又称为振荡器的平衡条件由式(4-6)还可知 (4-8) ,4.1.2 平衡条件 振荡器的平衡条件即为 T(jω)=K(jω)F(jω)=1 也可以表示为 T(jω)|=KF=1 (4-9a) (4-9b) 式(4-9a)和(4-9b)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件 现以单调谐谐振放大器为例来看K(jω)与F(jω)的意义若 ， ，则由式(4-2)可得 (4-10),式中，ZL为放大器的负载阻抗 (4-11) Yf(jω)为晶体管的正向转移导纳 (4-12) ZL应该考虑反馈网络对回路的负载作用，它基本上是一线性元件 是电流的基波频率分量，当晶体管在大信号工作时，它可对ic的谐波分析得到 与 成非线性关系因而一般来说Yf和K都是随信号大小而变化的由式(4-3)可知，F(jω)一般情况下是线性电路的电压比值，但若考虑晶体管的输入电阻影响，它也会随信号大小稍有变化(主要考虑对 的影响)为分析方便，引入一个与F(jω)反号的反馈系数 (4-13) 这样，振荡条件可写为 (4-14) 即振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为 (4-15a) (4-15b),在平衡状态中，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时输出幅度将不再变化，因此振幅平衡条件决定了振荡器输出振幅的大小。

必须指出，环路只有在某一特定的频率上才能满足相位平衡条件，也就是说相位平衡条件决定了振荡器输出信号的频率大小，解 得到的根即为振荡器的振荡频率，一般在回路的谐振频率附近4.1.3 起振条件 振荡器在实际应用时，不应有图 4-1所示的外加信号Us(s)，应当是振荡器一加上电后即产生输出，那么初始的激励是从哪里来的呢？ 振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等，例如: 在加电时晶体管电流由零突然增加，突变的电流包含有很宽的频谱分量，在它们通过负载回路时，由谐振回路的性质即只有频率等于回路谐振频率的分量可以产生较大的输出电压，而其它频率成分不会产生压降，因此负载回路上只有频率为回路谐振频率的成分产生压降，该压降通过反馈网络产生出较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入端，进行放大、 反馈，不断地循环下去，谐振负载上将得到频率等于回路谐振频率的输出信号在振荡开始时由于激励信号较弱，输出电压的振幅Uo较小，经过不断放大、反馈循环，输出幅度Uo逐渐增大，否则输出信号幅度过小，没有任何价值为了使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡，因而由式(4-8)可知 T(jω)1 称为自激振荡的起振条件，也可写为 (4-16a) (4-16b) 式(4-16a)和(4-16b)分别称为起振的振幅条件和相位条件，其中起振的相位条件即为正反馈条件。

振荡器工作时怎样由|T(jω)|1 过渡到|T(jω)|=1 的呢？ 我们知道放大器进行小信号放大时必须工作在晶体管的线性放大区，即起振时放大器工作性区，此时放大器的输出随输入信号的增加而线性增加；随着输入信号振幅的增加，放大器逐渐由放大区进入截止区或饱和区，进入非线性状态，此时的输出信号幅度增加有限，即增益将随输入信号的增加而下降，如图4-2所示所以，振荡器工作到一定阶段，环路增益将下降当|T(jω)|=1 即工作到图4-2(b)中A点时，振幅的增长过程将停止，振荡器到达平衡状态，进行等幅振荡因此，振荡器由增幅振荡过渡到稳幅振荡,是由放大器的非线性完成的需要说明的是，电路的起振过程是非常短暂的，可以认为只要电路设计合理，满足起振条件，振荡器一通上电，输出端就有稳定幅度的输出信号4.1.4 稳定条件 处于平衡状态的振荡器应考虑其工作的稳定性，这是因为振荡器在工作的过程中不可避免地要受到外界各种因素的影响，如温度改变、电源电压的波动等等，这些变化将使放大器放大倍数和反馈系数改变，破坏了原来的平衡状态，对振荡器的正常工作将会产生影响如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能在原平衡点附近建立起新的平衡状态，而且当外界因素消失后，振荡器能自动回到原平衡状态，则原平衡点是稳定的；否则，原平衡点为不稳定的。

振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件图 4-2 振幅条件的图解表示,要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力具体来说即是，在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益的模值T应减小，形成减幅振荡，从而阻止振幅的增大，达到新的平衡，并保证新平衡点在原平衡点附近，否则，若振幅增大，T也增大，则振幅将持续增大，远离原平衡点，不能形成新的平衡，振荡器不稳定；而当不稳定因素使振幅减小时， T应增大，形成增幅振荡，阻止振幅的减小，在原平衡点附近建立起新的平衡，否则振荡器将是不稳定的因此，振幅稳定条件为 (4-17),由于反馈网络为线性网络，即反馈系数大小F不随输入信号改变，故振幅稳定条件又可写为 (4-18) 式中K为放大器增益大小由于放大器的非线性，只要电路设计合理，振幅稳定一般很容易满足若振荡器采用自偏压电路，并工作到截止状态，其 大，振幅稳定性就好在解释振荡器的相位稳定性前，我们必须清楚，一个正弦信号的相位 和它的频率ω之间的关系 (4-19a) (4-19b) 可见，相位的变化必然要引起频率的变化，频率的变化也必然要引起相位的变化设振荡器原在ω=ω1时处于相位平衡状态，即有 ，现因外界原因使振荡器的反馈电压的相位超前原输入信号 。

由于反馈相位提前(即每一周期中 的相位均超前 )，振荡周期要缩短，振荡频率要提高，比如提高到ω2，ω2ω1当外界因素消失后，显然ω2处不满足相位平衡条件，这时， 不变，但由于ω2ω1(如图4-3所示)， 要下降，即这时 相对于 的幅角,图4-3 振荡器稳定工作时回路的,这表示 落后于 ，导致振荡周期增长，振荡频率降低，即又恢复到原来的振荡频率ω1上述相位稳定是靠ω增加、 降低来实现的，即并联振荡回路的相位特性保证了相位稳定因此相位稳定条件为 (4-20) 回路的Q值越高， 值越大，其相位稳定性越好4.1.5 振荡线路举例——互感耦合振荡器 图4-4是一LC振荡器的实际电路，图中反馈网络由L和L1间的互感M担任，因而称为互感耦合式的反馈振荡器，或称为变压器耦合振荡器设振荡器的工作频率等于回路谐振频率，当基极加有信号 时，由三极管中的电流流向关系可知集电极输出电压 与输入电压 反相，根据图中两线圈上所标的同名端，可以判断出反馈线圈L1两端的电压 与 反相，故 与 同相，该反馈为正反馈因此只要电路设计合理，在工作时满足 条件，在输出端就会有正弦波输出 互感耦合反馈振荡器的正反馈是由互感耦合回路中的同名端来保证的。

图 4-4 互感耦合振荡器,,4.2 LC 振 荡 器 4.2.1 振荡器的组成原则 LC振荡器除上节介绍的互感耦合反馈型振荡器外，还有很多其它类型的振荡器，它们大多是由基本电路引出的基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器，即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路，如图4-5所示由图可见，除晶体管外还有三个电抗元件X1、X2、X3，它们构成了决定振荡频率的并联谐振回路，同时也构成了正反馈所需的反馈网络，为此，三者必须满足一定的关系 根据谐振回路的性质，谐振时回路应呈纯电阻性，因而有 X1+X2+X3=0 (4-21) 所以电路中三个电抗元件不能同时为感抗或容抗，必须由两种不同性质的电抗元件组成图 4-5 三端式振荡器的组成,在不考虑晶体管参数(如输入电阻、极间电容等)的影响并假设回路谐振时，有 ， 为了满足相位平衡条件，即正反馈条件，应要求 根据式(4-11)， 应与 同相，一般情况下，回路Q值很高，因此回路电流 远大于晶体管的基极电流 、集电极电流 以及发射极电流 ，故由图4-5有 (4-22a) (4-22b) 因此X1、X2应为同性质的电抗元件。

综上所述，从相位平衡条件判断图4-5所示的三端式振荡器能否振荡的原则为 (1) X1和Ｘ2的电抗性质相同; (2) X3与X1、X2的电抗性质相反 为便于记忆，可以将此原则具体化: 与晶体管发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，而不与发射极相连的另一电抗与它们的性质相反，简单可记为“射同余异”考虑到场效应管与晶体管电极对应关系，只要将上述原则中的发射极改为源极即可适用于场效应管振荡器，即“源同余异”三端式振荡器有两种基本电路，如图4-6所示图4-6 (a)中X1和X2为容性，X3为感性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电容元件完成的，称为电容反馈振荡器，也称为考必兹(Colpitts)振荡器；图4-6(b)中X1和X2为感性，X3为容性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电感元件完成的，称为电感反馈振荡器，也称为哈特莱(Hartley)振荡器图 4-6 两种基本的三端式振荡器 (a) 电容反馈振荡器；(b) 电感反馈振荡器,图 4-7是一些常见振荡器的高频电路，读者不妨自行判断它们是由哪种基本线路演变而来的图 4-7 几种常见振荡器的高频电路,4.2.2 电容反馈振荡器 图 4-8(a)是一电容反馈振荡器的实际电路，图(b)是其交流等效电路。

由图(b)可看出该电路满足振荡器的相位条件，且反馈是由电容产生的，因此称为电容反馈振荡器图(a)中，电阻R1、R2、Re起直流偏置作用，在开始振荡前这些电阻决定了静态工作点，当振荡产生以后，由于晶体管的非线性及工作在截止状态，基极、发射极电流将发生变化，这些电阻又起自偏压作用，从而限制和稳定了振荡的幅度大小；Ce为旁路电容，Cb为隔直电容，保证起振时具有合适的静态工作点及交流通路图中的扼流圈Lc可以防止集电极交流电流从电源入地，Lc的交流电阻很大，可以视为开路，但直流电阻很小，可为集电极提供直流通路图 4-8 电容反馈振荡器电路 (a) 实际电路；(b) 交流等效电路；(c) 高频等效电路,下面分析一下该电路的振荡频率及起振条件图4-8(c)示出了图4-8(a)的高频小信号等效电路，由于起振时晶体管工作在小信号线性放大区，因此可以用小信号Y参数等效电路为分析方便起见，在等效时作了以下简化: (1) 忽略晶体管内部反馈Yre=0 的影响; (2) 晶体管的输入电容、输出电容很小，可以忽略它们的影响，也可以将它们包含在回路电容C1、C2中，所以不单独考虑; (3) 忽略晶体管集电极电流ic对输入信号ub的相移，将Yfe。