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第5章高频振荡器5.1概述5.2反馈振荡器5.3三点式振荡器5.4振荡器频率稳定度5.5石英晶体振荡器5.6振荡器中的几种现象5.7RC振荡器5.8负阻振荡器振荡器——就是自动地将直流能量转换为具有一定波形参数的交流振荡信号的装置。和放大器一样也是能量转换器。它与放大器的区别在于,不需要外加信号的激励,其输出信号的频率,幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。振荡器分类正弦振荡低频正弦振荡器高频正弦振荡器微波振荡器非正弦波振荡器矩形波振荡器三角波振荡器锯齿波振荡器5.1概述应用范围:在发射机、接收机、测量仪器(信号发生器)、计算机、医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用。主要技术指标:1.振荡频率f及频率范围:2.频率稳定度:调频广播和电视发射机要求:10-5~10-7左右标准信号源:10-6~10-12要实现与火星通讯:10-11要为金星定位:10-123.振荡的幅度和稳定度:4.频谱:讨论内容:从振荡原理入手研究振荡器判据、寻求振荡条件的分析方法,讨论各种振荡电路,基本线索是振荡器的频率稳定度。5.2反馈振荡器正反馈是产生自激振荡的必要条件。而正反馈只是反馈放大器的特殊形式,我们试图将振荡器与反馈放大器联系起来,如图所示。)(sVo)(sVs)(sF)(sA)(sUf)(sUi根据反馈理论,整个反馈放大器的“闭环增益”Af(s)为)()()(1)()()(1)()()()(sDsAsTsAsFsAsAsVsVsAsof(5.2.1)其中)()()()()()(sVsUsFsUsVsAofio为放大器的电压增益为反馈网络的反馈系数)(1)()()()()()(sTsDsUsUsFsAsTif为环路电压增益为反馈放大器的特征多项式由(5.3.1)式可知,若令Vs(s)=0,则Af(s)趋于无穷,就是说在没有输入信号激励的情况下,就能自动地将直流能量转换为交流能量。因此,我们说振荡器是反馈放大器的特殊形式。0)()(1)()(1sDsTsFsA(5.2.2)这就是反馈放大器的特征方程。解此方程就可得振荡频率、振幅平衡条件和起振条件。欲满足振荡条件就必须FAAAf1(5.2.3)当其1FA时,就会产生自激振荡。其振幅条件为:相位条件为:...2102arg1||,,,nnFAFAFA要使振荡器能够起振,在刚接通电源后,1||FA,当达到平衡时,1||FA。这就是振荡器振幅平衡条件。即例:单管互感耦合振荡器互感耦合振荡器(或变压器反馈振荡器)又称为调谐型振荡器,根据回路(选频网络)的三极管不同电极的连接点又可分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。这里我们只讨论集电极调谐型,而集电极调谐型又可分为共射和共基两种类型,均得到广泛应用。两者相比,共基电路的功率增益较小,输入阻抗较低,所以难于起振,但截止频率较高。此外,共基电路内部反馈比较小,工作比较稳定。三种互感耦合振荡器以上三种电路,变压器的同名端如图所示。它必须满足振荡的相位条件,在此基础上适当调节反馈量M以满足振荡的振幅条件。下面利用“切环注入法”判断电路是否满足相位条件。(1)在电路中某一个合适的位置(往往是放大器的输入端)把电路断开,(用X号表示);(2)在断开出的一侧(往往是放大器的输入端)对地引入一个外加电压源,该电压源的频率从低到高覆盖回路的谐振频率;(3)看经过放大器反馈网络之后转回到断开处另一侧对iU地的电压是否与同相,为同相则其中必有某一个频率满足自激振荡的相位条件(注意这里是实际方向),电路有振荡的可能。如果电路又同时满足振幅条件就可以产生正弦振荡了。fUiU5.3三点式振荡器什么叫三点式振荡器?所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言,由LC回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器。依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式振荡器,又称考毕兹振荡器。依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式振荡器,又称哈特莱振荡器。构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电压。5.3.1构成三点式振荡器的原则(相位判据)假设:(1)不计晶体管的电抗效应;(2)LC回路由纯电抗元件组成,即为了满足相位条件,回路引出的三个端点应如何与晶体管的三个电极相连接?如图所示,振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振频率,(谐振回路谐振时呈现纯电阻性),于是有cbcbbebececejXZjXZjXZcbbececbbeceXXXXXX0即(5.3.2)(5.3.3)(5.3.1)三点式振荡器的相位判据∵放大器已经倒相,即与差180°,所以要求反馈电压必须与反相才能满足相位条件。oUiUfUoUcebecebeofXXjXIjXIUUF5.3.4因此,Xbe必须与Xce同性质,才能保证与反相。由5.3.3和5.3.4式,归结起来,Xbe和Xce性质相同;Xcb和Xce、Xbe性质相反。这就是三点式振荡器的相位判据。也可以这样来记忆,与发射极相连接的两个电抗性质相同,另一个电抗则性质相反。fUoU5.3.2电容三点式振荡器——考毕兹振荡器图所示电路是电容三点式的典型电路。LC回路的三个端点分别与三个电极相连,且Xce和Xbe为容抗,Xcb为感抗。故属电容反馈三点式振荡器,又称考毕兹振荡器。电容三点式振荡器其中ZL为高频扼流圈,防止高频交流接地。Rb1、Rb2、Re为偏置电阻。下面分析该电路的振荡条件,图(a)画了交流等效电路。(b)为Y参数等效电路。电容三点式振荡器的等效电路容易判断振荡器属并-并联接,电压取样电流求和的反馈放大器。设其信号源电流为,负载电流为,显然sILIooifLoriisUyUyIUyUyI5.3.5式中,yi——网络aa′-bb′的大信号输入导纳;yr——网络aa′-bb′的大信号反向传输导纳;yf——网络aa′-bb′的大信号正向传输导纳;yo——网络aa′-bb′的大信号输出导纳。实际上,只不过是虚构的。因为振荡器工作时无须外加信号激励电流,即由于未接负载,故,而。意味着式5.3.5是线性齐次方程。即00oiUU,LsII,,0sI0LI其系数行列式为0,即00ooiforiiUyUyUyUy0yyorfiyy5.3.65.3.7因网络aa′-bb′是两个网络(有源和无源)并-并联接,所以0yyyyyyyyoereonrnoereoronfnferniniefninfeiefiyyyyyyyyyyyy式中,e表示晶体管,n表示无源网络。即5.3.8这就是反映振荡器满足平衡条件。使用上述方法时,应使两个网络的电压、电流方向符合电压取样、电流求和的条件。5.3.9式中[ye]是晶体管参数,可以测得和计算出;[yn]则可以由具体网络根据y参数的定义求得。假设,振荡器的工作频率远低于fT,且忽略内部反馈的影响和不计晶体管的电抗效应,有0fnfernreonoeinieyyyyyyyy(5.3.9)oerngg0ieegy(5.3.10)由下图,根据y参数的定义,可求得无源网络|yn|为LjCjUIyLjUIyLjUIyLjCjUIyioioUooonUiofnUoirnUiiin1111100020(5.3.11)将式5.3.10和5.3.11代入式5.3.9得0111112LjgLjLjCjgLjCjgrnoeie整理得无源网络5.3.12021212221LCCCCggjLggggCgCoeieoeiernoeie令其虚部等于0,可求得振荡频率为211CgCgLCoeieg5.3.13式中2121CCCCC可见,电容三点式振荡器的振荡频率略高于回路的谐振频率,且与晶体管的参数有关。令其实部等于0,并近似认为,可求得其振幅平衡条件为LC1ieoemgCCgCCg2112(5.3.14)用微变参数代替平均参数,可求得起振时所要求的最小跨导(gm)min,其起振条件为ieoemmgCCgCCgg2112min(5.3.15)因2112CCCjICjIUUFof(5.3.16)代入上式得从图(a)可以看出,反馈电压不仅取决于电容C2,还与晶体管的输入导纳gie有关。ieoemmFggFgg1min(5.3.17)fU不能简单地认为反馈系数越大,就越易起振,而应该有一定范围。另外反馈系数的大小还会影响振荡波形的好坏,反馈系数过大会产生较大的波形失真。通常F≈0.01~1且一般取得较小。5.3.3电感三点式振荡器——哈特莱振荡器电感三点式振荡器电路如图所示。通常L1、L2同绕在一个骨架上,它们之间存在着互感,且耦合系数M≈1。电感三点式等效电路电感三点式振荡器的等效电路如下,是从L2取得的,故称为电感反馈三点式振荡器。fU电感三点式等效电路下面利用基尔霍夫定律列出网孔方程来分析其振荡条件.由图(c)列出回路方程:012010121121122ICjMjLjLjILjMjILjMjIMjLjILjGIGGGMjIMjLjIMjILjGcbcoeboeiemcbie5.3.19令上面方程组系数行列式D的虚部等于零,得012122121MLLCCMLLGGoeie得22121221MLLGGCMLLoeieg5.3.20可见,ωg略低于回路谐振角频率ω0,且振荡频率与晶体管参数有关。通常2212122MLLGGMLLCoeie故LCg15.3.21式中L=L1+L2+2M为求起振条件,令5.3.19式的系数行列式的实部等于0,即022221222oeoeiemieGLMMLMLGGGGML可得振荡平衡条件MLMLGMLMLGGieoem12215.3.22因此振荡条件是MLMLGMLMLGggieoemm1221min5.3.23故起振条件可写成:1212FNNMLMLUUofieoemmgFgFgg1min5.3.245.3.25至于反馈系数的选取,为兼顾振荡的振荡波形,通常取F=0.1~0.5。5.3.4电容三点式与电感三点式振荡器比较1。电路结构与调试。两者电路都简单。起振调试时,电感反馈振荡器只要改变线圈抽头的位置就可以改变反馈系数F,电容反馈振荡器需要改变C1、C2的比值。5.3.4电容三点式与电感三点式振荡器比较2。输出波形质量。振荡器在稳定振荡时,晶体管工作在非线性状态,在回路上会有高次谐波存在。对于电容三点式振荡器,由于反馈是由电容产生的,高次谐波在电容上产生的反馈压降较小;而对于电感三点式振荡器,反馈是由电感产生的,所以,高次谐波在电感上产生的反馈压降较大。即电感三点式振荡器输出的谐波较电容三点式振荡器的大,因而电容三点式振荡器的输出波形比电感三点式振荡器的输出波形要好。5.3.4电容三点式与电感三点式振荡器比较3。频率调整。通过改变电容能够调整振荡频率。电容三点式振荡器在改变频率时,反馈系数也将改变,影响了振荡器的振幅起振条件,故一般工作在固定频率;电感三点式振荡器改变频率时,不影响反馈系数,因而工作频带较电容三点式振荡器要宽。但工作频带不会很宽,因为改变频率,将改变回路的谐振阻抗,可能是振荡器停振。5.3.4电容三点式与电感三点式振荡器比较4。振荡频
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