通信电子线路(邱健)第三章正弦波振荡器

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1、第 三 章 正 弦 波 振 荡 器3.1 反 馈 振 荡 器 的 工 作 原 理3.2 LC正 弦 波 振 荡 器3.3 LC振 荡 器 的 频 率 稳 定 度3.4 晶 体 振 荡 器3.5 RC正 弦 波 振 荡 器3.6 负 阻 正 弦 波 振 荡 器3.7 寄 生 振 荡 与 间 歇 振 荡 第 一 节 反 馈 振 荡 器 的 工 作 原 理一 、 变 压 器 反 馈 式 LC振 荡 电 路在 调 谐 放 大 电 路 的 基 础 上 加 入 正 反 馈 电 路 。 +Ec其 振 荡 原 理 ：通 电 瞬 间 -Ib- Ic-经 选 频 网 络-某 一 频 率 正 弦 波 -经 正 反

2、馈 作 用 后 ，正 弦 波 的 信 号 越 来 越 大 -最 后 达 到 稳 定的 幅 度 输 出 。这 种 通 电 后 自 动 进 入 稳 幅 状 态 的 为 软 激 励 。若 靠 手 碰 基 极 后 自 动 进 入 稳 幅 状 态 的 为 硬 激 励 。 第 一 节 反 馈 振 荡 器 的 工 作 原 理二 、 平 衡 和 起 振 条 件环 路 增 益 为 ： （ 在 X处 拆 开 ） )()()()()( 00 jkjAVVVVVVjT ffiif 若 某 一 频 率 满 足 Vf Vi ， 其 中 包括 了 幅 度 和 相 位 都 相 等 ， 此 时 电路 将 输 出 osc的 正

3、弦 波 。定 义 得 到 ： 平 衡 条 件 起 振 条 件幅 度 条 件 ： T(josc)=1 (Vf Vi) T(josc)1 (VfVi)相 位 条 件 ： T(osc)=2n (n=0,1,2) 第 一 节 反 馈 振 荡 器 的 工 作 原 理三 、 稳 定 条 件1、 振 幅 稳 定 条 件如 图 为 环 路 增 益 特 性 曲 线 ， 上 升 沿反 应 出 Vi T(osc) ； 下 降 沿 反应 出 Vi T(osc) 。当 T(osc) 1时 ， 对 应 的 A、 B点 均 称 为 平 衡 点 。 但 意 义 不 同 。B点 为 不 稳 定 点 ： V i T(osc) ；

4、A点 为 稳 定 点 ：此 时 ， VoX2时 ， 可 以 得 到 近 似 。而 且 在 谐 振 时 ， 代 入 关 系 式 ： 1 2 3 0X X X 为 了 要 形 成 正 反 馈 (为 了 满 足 相 位平 衡 的 条 件 ） ， Vf就 必 须 与 Vo反 相 ，所 以 可 以 得 到 X1和 X2就 必 须 为 同 性 质的 电 抗 。 第 二 节 LC正 弦 波 振 荡 器一 、 三 点 式 振 荡 电 路 在 这 里 必 须 注 意 的 是 忽 略 管 子 的 输 入 和 输 出 阻 抗 的 存在 。 它 们 的 存 在 还 会 产 生 附 加 的 相 移 。 第 二 节 LC

5、正 弦 波 振 荡 器电 感 三 点 式 电 容 三 点 式 第 二 节 LC正 弦 波 振 荡 器二 、 电 容 三 点 式 电 路 （ 考 毕 兹 电 路 ）1、 电 路 形 式RB1、 RB2和 RE为分 压 式 偏 置 电 路 ；保 证 起 振 的 工 作在 放 大 区 。2、 电 路 工 作 特 点 接 通 电 源 后 ， 振 幅 不 断 在 增 大 ； 随 后 进 入 非 线 性 放 大 区 ， 增 益随 着 反 馈 幅 度 增 大 而 下 降 ， 而 且 自 偏 压 作 用 加 速 了 增 益 的 下 降 。 第 二 节 LC正 弦 波 振 荡 器二 、 电 容 三 点 式 电

6、路 （ 考 毕 兹 电 路 ）2、 电 路 工 作 特 点 自 给 偏 压 EEE BBBBB EBBE RIV RIVV VVV 00 00 000 随 着 振 幅 的 不 断 增 大 ，最 终 使 波 形 失 真 ， 且 波谷 被 削 平 ， 而 造 成 了 IC和IB的 平 均 值 增 大 ，可 以 推 出 相 应 的 VB减 小 ， VE增 大 ， 从而 造 成 了 VBE减 少 ，即 趋 向 于 截 止 。 导致 了 放 大 器 的 增 益进 一 步 下 降 。 第 二 节 LC正 弦 波 振 荡 器二 、 电 容 三 点 式 电 路 （ 考 毕 兹 电 路 ）3、 电 路 分 析I

7、 电 路 画 出 交 流等 效 电 路 形 式 。 在 断 开 点 把 原电 路 的 参 数 均 表 示出 来 。 第 二 节 LC正 弦 波 振 荡 器二 、 电 容 三 点 式 电 路 （ 考 毕 兹 电 路 ）Z3 Z1 Z2 第 二 节 LC正 弦 波 振 荡 器二 、 电 容 三 点 式 电 路 （ 考 毕 兹 电 路 ）II 起 振 条 件 ：A 相 位 条 件 ：T(osc)= B = 0满 足 ： 0 21212 Liosc gLgCCCLCB 幅 度 条 件 （ gmA） )11()1( 1212 LCgCCgg osciLm 工 程 估 算 时 ： iLm nggng 1

8、fvkCC Cn 21 1其 中 ，0osc 第 二 节 LC正 弦 波 振 荡 器二 、 电 容 三 点 式 电 路 （ 考 毕 兹 电 路 ）由 起 振 条 件 中 可 知 ： Av(osc)kfv1反 馈 系 数 kfv (=n)大 ， 应 有 利 于 满 足 上 述 条 件 。 但 是 也 必 须 注 意到 n的 增 大 ， gi折 算 到 谐 振 回 路 两 端 为 n2gi， 则 变 得 更 大 ， 回 路的 增 益 表 示 为 ： )()( 20 iLmv gnggA 明 显 可 以 看 到 Av(osc)会 下 降 ， 也 不 利 于 起 振 。所 以 ， n的 取 值 应 该

9、 适 中 。III 谐 振 角 频 率 LC CCgg Liosc 1 1 0 21200 21 21 CC CCC 2120 0 Liosc ggCC 第 三 节 LC振 荡 器 的 频 率 稳 定 度一 、 影 响 频 率 稳 定 度 的 因 素 02)( 0)()( eoscZ foscZoscT arctgQ所 以 ， 0、 Qe和 f 均 会 影 响 频 率 的 稳 定 度 。1、 0的 不 稳 定 的 原 因 与 温 度 等 外 界 因素 有 关 。 如 温 度 变 化 、 三 极 管 的 结 电 容变 化 ， 引 起 0的 变 化 。 且 osc 0另 外 在 此 可 以 看 出

10、 ， 为 了 满 足 相 位 平 衡 的 关 系 ， 所 以 并 联 谐 振网 络 的 振 荡 频 率 osc 0osc为 并 联 谐 振 网 络 的 真 正 振 荡 角 频 率 。 第 三 节 LC振 荡 器 的 频 率 稳 定 度一 、 影 响 频 率 稳 定 度 的 因 素2、 外 界 因 素 变 化 引 起 负 载 和 管 子 参 数 变 化 ，则 引 起 有 载 Qe变 化 ， 相 频 曲 线 特 性 曲 线 也 变化 ， f 曲 线 也 发 生 上 下 平 移 。 a、 增 加 Qe， 相 频 曲 线 变 陡 峭 ；b、 如 果 f 越 大 osc osc3、 同 样 外 界 因

11、素 引 起 产 生 f 的 变 化 ， 那么 此 时 f 的 变 化 所 引 起 频 率 的 变 化 与 Qe和f 的 大 小 有 关 。a、 f 越 大 ， 引 起 频 率 的 变 化 量 也 越 大 。b、 Qe越 大 ， 频 率 变 化 越 小 。 Qef 第 三 节 LC振 荡 器 的 频 率 稳 定 度一 、 影 响 频 率 稳 定 度 的 因 素换 句 话 说 ，1、 当 Qe相 同 ， 而 f 不 同 时即 f2 f1 , osc2 osc12、 f 相 同 时 ， Qe不 同 osc1 osc1 osc2 osc2 f 第 三 节 LC振 荡 器 的 频 率 稳 定 度二 、

12、提 高 频 率 稳 定 度 的 基 本 措 施1、 减 小 外 界 因 素 的 影 响 恒 温 、 恒 压 、 采 取 密 封 工 艺 、 屏 蔽 及 加 入 隔 离 电 路 等 。2、 提 高 振 荡 回 路 标 准 性 振 荡 回 路 标 准 性 的 定 义 （ P140） )(21 00 CCLL （ 1） 减 小 L和 C及 分 布 参 数 和 管 子 极 间 电 容 。（ 2） 温 度 补 偿（ 3） 在 高 频 电 路 ， 注 意 缩 短 引 线 ， 采 用 贴 片 工 艺 。（ 4） 改 进 电 路 和 采 用 部 分 接 入 法 ， 提 高 Qe的 值 。 第 三 节 LC振

13、荡 器 的 频 率 稳 定 度三 、 克 拉 拨 振 荡 电 路1、 电 路 结 构 特 点 属 于 电 容 三 点 式 电路 的 改 进 型 。在 电 感 支 路 串 入 一 个 容 量 比 较 小的 电 容 C3 (C1和 C2)2、 电 路 分 析根 据 P135例 2对 克 拉 拨 电 路 的 起振 条 件 进 行 分 析 ， 把 R L(RL/Re0)折 算 到 管 的 集 电 极 之 间的 等 效 电 阻 。 2222,13 3 )( LLL RnRCC CR 第 三 节 LC振 荡 器 的 频 率 稳 定 度三 、 克 拉 拨 振 荡 电 路注 意 ：1、 此 时 RL比 RL要

14、 小 ，环 路 增 益 下 降 。 在 设计 电 路 时 要 考 虑 此 影响 。2、 因 为 C3 1， 得 到 幅度 起 振 条 件 ： 29RRf 第 五 节 RC正 弦 振 荡 器三 、 文 氏 电 桥 振 荡 器电 路 具 有 正 、 负 反 馈 网 络 ， 其 中 正 反 馈网 络 具 有 选 频 作 用 。 21 1)( ZZ Zjkf Z 1Z2代 入 整 理 后 得 到 ： )1(3 1)( RCRCjjkf 选 取 时 ，RC10 )(3 1)( 00 jjkf 第 五 节 RC正 弦 振 荡 器三 、 文 氏 电 桥 振 荡 器因 此 ， 当 0时 ， 正 反 馈 达 到

15、 最 大 ， 即 kf 1/3。 此 时 满 足 正 反 馈的 相 位 条 件 。 而 电 路 的 环 增 益 为 ： )31()( )()()( 1 1 tV ffVfV RR RAjT KKAjKAjT 满 足 起 振 条 件 得 到 ： 231 1311)( 11 1 1 RRRR ARR RjT tt Vt若 Rt/R12时 ， 会 出 现 严 重 非 线 性 失 真 。Rt为 具 有 负 温 度 系 数 的 热 敏 电 阻 。 使 电 路 进 入 平 衡 状 态 。 在 实际 电 路 中 也 可 采 用 限 幅 电 路 ， 保 证 振 荡 输 出 减 小 非 线 性 失 真 。 第

16、六 节 负 阻 正 弦 波 振 荡一 、 负 阻 器 件 的 简 介负 阻 器 件 与 LC谐 振 回 路 共 同 组 成 正 弦 波 振 荡 器 。工 作 频 率 在 100MHz以 上 ， 一 般 采 用 隧 道 二 极 管 。工 作 频 率 在 几 十 GHz时 ， 采 用 微 波 半 导 体 负 阻 器 件 。二 、 负 阻 器 件 的 分 类1、 电 压 控 制 型 （ 隧 道 二 极 管 ）一 个 电 压 值 只 对 应 一 个 电 流 值 ， 且 一 个 电 流 值 对 应 一 个 以 上 的 电 压 值 。2、 电 流 控 制 型 （ 单 结 晶 体 ） 一 个 电 流 值 只

17、 对 应 一 个 电 压 值 ， 且 一 个 电 压 值 对 应 一 个 以 上 的 电 流 值 。VDID 电 压 型 VDID 电 流 型 第 六 节 负 阻 正 弦 波 振 荡三 、 负 阻 器 件 构 成 的 振 荡 电 路1、 负 阻 器 件 性 能特 点 分 析（ 1） 负 阻 器 件 时 指 它的 增 量 电 阻 为 负 值 的 器件 。其 伏 安 特 性 曲 线 中 的AB段 ， 呈 现 为 负 斜 率变 化 的 负 阻 区 。（ 2） 在 工 作 点 附 近 ， 其 增 量 电 导 g n为 常 数 ， 在 大 范 围 内 gn则 不 是 常 数 。 当 Vi较 小 时 ，

18、iD电 流 失 真 较 小 。 当 Vi较 小 ， iD电流 失 真 较 大 ， 出 现 凹 陷 。 引 入 平 均 负 增 量 电 导 ： gn(av) 基 波 电 流 幅 值 /Vm 第 六 节 负 阻 正 弦 波 振 荡三 、 负 阻 器 件 构 成 的 振 荡 电 路（ 3） 器 件 上 平 均 功 率 计 算 ， （ 小 信 号 电 压 ， 而 且 不 考 虑 失 真 ）22 )sin)(sin(1 sin sin 20 nmQQmmQQ T mQmQmQD mQQD gVIVIVIVP dttIItVVTP tIIi tVVvVv 可 以 看 出 ， 负 阻 器 件 总 消 耗 直

19、 流 功 率 ， 且 具 有 把 部 分 功 率 转换 为 交 流 功 率 的 作 用 。 第 六 节 负 阻 正 弦 波 振 荡三 、 负 阻 器 件 构 成 的 振 荡 电 路2、 负 阻 振 荡 原 理电 路 中 ， 只 要 回 路 中 的 Qe 0C/ge 1/2 一 旦 受 到 冲 击 ， 并 联 谐 振 回 路 中 的 电 磁 能 交 替 转 换 ， 构 成振 荡 。 而 且 满 足 g e ge0 gn(av)为 负 值 时 ， 则 振 幅 按 照 指 数 增 长 ，与 此 同 时 ， gn(av)减 小 ， 最 后 维 持 平 衡 ， 达 到 稳 幅 。0( ) cos( )t

20、v t Ae t 12 egC 其 中 ， 2 20 0 0 1LC 1 0edvC vdt g vdt L 回 路 方 程 ：可 求 得 ： 第 六 节 负 阻 正 弦 波 振 荡LCfLC osc 2 11 00 三 、 负 阻 器 件 构 成 的 振 荡 电 路3、 起 振 条 件P152推 导 起 振 过 程 ： 得 到 起 振 条 件 ： ge0 gn(av) 平 衡 条 件 ： ge0 gn(av) 4、 谐 振 频 率 第 六 节 负 阻 正 弦 波 振 荡三 、 负 阻 器 件 构 成 的 振 荡 电 路3、 由 隧 道 二 极 管 组 成 的 振 荡 电 路VDD、 R1和

21、R2为 TD提 供 直 流电 源 和 合 适 的 工 作 点 。 C1为高 频 旁 路 电 容 。工 作 点 定 在 Q点 ， 若 直 流 负载 线 取 得 不 合 理 ， 则 可 能 出现 Q和 Q”。 该 两 点 会 导 致 振荡 器 停 振 。 第 七 节 寄 生 振 荡 和 间 歇 振 荡1、 寄 生 振 荡 ： 由 电 路 某 些 集 总 参 数 和 分 布 参 数 构 成 的 闭 合 环 路 ， 在 满 足 振荡 条 件 下 自 引 产 生 的 振 荡 现 象 。防 止 和 消 除 寄 生 振 荡 ： 首 先 在 安 装 时 必 须 考 虑 合 理 的 工 艺 结 构 ， 尽 量

22、减 少 寄 生 参量 ， 保 持 参 量 的 稳 定 ； 其 次 应 采 用 退 耦 电 路 ， 在 较 大 电 容 处 并 上 一 个 较 小 的 电 容 ； 有 时 在 振 荡 管 的 基 极 或 发 射 极 串 入 个 小 电 阻 或 在 发 射 结 之 间 接 一 个 小 电 容 就 可 能 消 除 超 高 频 寄生 振 荡 。 寄 生 振 荡 波 形 第 七 节 寄 生 振 荡 和 间 歇 振 荡2、 间 歇 振 荡 ： 振 荡 器 起 振 后 ， 振 荡 振 幅 迅 速 增 长 ， 单 偏 置 电 压 的 变 化 还来 不 及 跟 着 振 荡 变 化 ， 由 于 惰 性 的 作 用 ， 偏 置 电 压 继 续 向 负方 向 增 长 ， 使 振 幅 减 小 ， 直 到 停 振 。 RBB REVBB CECB