通信电路原理2

15.2.2振荡的起振、平衡和稳定条件的分析1.环路的起振条件AF12.振荡的平衡条件•振幅平衡条件：1AF•相位平衡条件：nFA23.振荡的稳定条件•振幅稳定条件：•相位稳定条件：0PIdvdA00fff25.2.2振荡的起振、平衡和稳定条件的分析1.环路的起振条件2.振荡的平衡条件3.振荡的稳定条件5.2.3自给偏置对振荡状态的影响33.振荡的稳定条件自然界中处于平衡状态的物体都有稳定平衡和不稳定平衡之区分。振荡器进入平衡状态后，假设受到外界的扰动，那么将会破坏其原来的平衡状态。•干扰消失后，振荡器若能自动恢复到原来的平衡状态，则称之为是稳定的；•否则，称之为是不稳定。4（1）振幅稳定条件振幅稳定条件是指振荡器的工作状态在外界各种干扰的作用下（如在电压抖动、温度变化、噪声等作用下）偏离平衡状态时，系统自动恢复到原来的平衡状态所应具备的条件。P0AF1IvP点是一个稳定的平衡点。平衡点附近振荡特性斜率的变化小于反馈线斜率的变化。稳定点的条件为：0PIdvdA振荡的稳定条件包含振幅稳定条件和相位稳定条件；5•若要使该振荡器能进入稳定的平衡点，在起振时应给晶体管加一电冲击，并使冲激电压大于，这样自由振荡就可以产生。（1）振幅稳定条件（续1）另一振荡器的振荡特性讨论：P0AIvBIBvIPv'1FF1•与上图不同，该振荡器晶体静态工作点位于转移特性接近截止的非线性区。•这种起振时需要外加冲激的电振荡称为“硬激励”，那些不需冲击而能自由产生振荡的现象称为“软激励”。IBv（P265）6（2）相位稳定条件相位稳定条件是指：当处于平衡状态的系统受到某一外来因素的干扰，相位平衡状态受到破坏，总相移角大于或小于时，环路是否具有自动恢复平衡状态重新回到的条件。n2系统相位平衡时振荡频率为。01f当外来干扰使环路总相移增加即产生超前相位增量+时，这就意味着反馈电压超前于原有输入电压（前一次反馈电压）一个相角。fVbeV相位超前就意味着周期缩短，故环路的振荡频率也因而有所提高，从而使回路相移产生一滞后的增量。nh20n2f2202f01f0（P266）h7（2）相位稳定条件（续1）经过若干个周期后，该滞后增量逐渐增加，最终等于外界因素引起的超前增量+时，使环路总相移重新恢复：n2由以上分析可知，具有如上图所示相位关系的系统，其相位是稳定的。要使振荡系统满足相位稳定条件，系统内应含有某一相频特性具有负斜率的单元。在LC振荡器中这种负斜率变化的功能恰好可以由LC并联谐振回路来完成。但是为了抵消不稳定因素引入的相移增量，要求系统的振荡频率有相应的偏移，两者之间产生了频差Δf。显然，这是不希望的。为此必须加大LC回路的有载Q值，因为当Q值提高时，回路相频特性斜率也相应加大。这样，要产生同样的相位增量，只需较小的频率偏移，从而可以提高系统的频率稳定性。00fff相位稳定条件为：85.2.3自给偏置对振荡状态的影响（P268）自给偏置电路和振荡波形：BEvBEvci00mgBVthV'BVtQ1bR2bReReCCCVCiBiEiBEvbC95.2.3自给偏置对振荡状态的影响（续1）合理选择元件的参数值，使起振前电路的静态工作点Q位于伏安特性段的中点。在振荡最初阶段，由于振荡幅度较小，振荡器工作于甲类状态，偏置电压基本上为一与振荡幅度增长无关的恒定值。随着振荡幅度的增加，即动态特性区域扩大，振荡将部分进入非线性区，导致基极电流、集电极电流畸变，而形成直流电流增量，并导致工作点向负偏压方向移动，集电极电流由余弦形变为余弦脉冲。随着振荡幅度的增加，通角将减小，gm将减小，从而使得基波电流幅度和晶体管增益A减小，直至AF=1，电路进入平衡状态。上图示出振荡器的起振过程。105.2.3自给偏置对振荡状态的影响（续2）0IvF1AP'P1234bev（P268）增大考虑自给偏置影响后，振荡器由起振到平衡的状态变化过程。振荡器动态工作点的轨迹不是沿图中的实线由起振到达平衡点P而是沿虚线到达P`点。由图还可看出，由于在平衡点虚线的负斜率比任何恒定偏置的实曲线的负斜率都大。因此也有利于改善振荡器的稳定性。自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。1/F11思考题：振荡器偏置电路的分析：起振前电路的静态工作点位于伏安特性段的中点，振荡器工作于甲类状态，便于起振。自给偏置导致工作点向负偏压方向移动，集电极电流由余弦形变为余弦脉冲形。自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。125.3LC振荡器的电路分析5.3.1LC振荡器的基本构成互感耦合LC振荡器三点式LC振荡电路三点式LC振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管或场效应管三个电极直接连接的一种振荡器。互感耦合振荡器的工作频率不易很高，频率稳定度的提高受到一定的限制，而且调测中改动反馈强度不方便，所以，在无线电设备中更为广泛采用的是三点式LC振荡器。•电容耦合（电容反馈型）振荡器。•自耦变压器耦合（电感反馈型）振荡器。beXkIceXcbXceVebV13三点式LC振荡电路相位平衡条件的判断准则（P271）cbVcbcbbebececejXZjXZjXZ,,0cbcebeXXXX可得出三点式振荡器中三个电抗元件应该满足的要求：满足上述二个要求时，才能满足相位平衡条件。（1）与应为同一性质的电抗；ceXbeX（2）应与，的电抗性质相反。cbXbeXceX假定各极间的电路阻抗为纯电抗，即：由于不考虑其它因素产生的相移，故在回路谐振时，回路相移应为零。beXkIceXcbXceVebV1.电容反馈型振荡器电路：考毕茨（Colpitts）振荡器（1）分析电路的相位条件：回路是谐振状态，与倒相。ceVbeV0i设：0反馈电压：。正反馈。ceCCfVV21IfVceVbeVL1bRbCCCV2bReRCC2C1CeCRFC2C1CbeVceVcIbIfVL耦合电容？旁路电容？振荡电容？1.电容反馈型振荡器电路（续1）（2）分析电路的起振条件：LiRPRCIOROC1C2CiCceVbeVLCIOR'1C'2C'iR'PR.OCCC1'1iCCC2'2'2'121CCCCCCFiO2'FRRiiPPPRnRCCCR22'2'1'2')(根据起振条件，可得出：AF1FRnRFRPOi)11(2返回上图iPORFRnRR22111折合到c-e端iRRA16反馈系数越大，保证起振的A越小、越小，容易起振。1.电容反馈型振荡器电路（续2）讨论：FRnRFRPOi)11(2当回路损耗可忽略时，，可得：OPRRn2FFRROi1当一定时，的选取有两方面考虑：OiRRFF反馈系数越大，晶体管的输入电阻反映到回路两端的越小，减小，放大倍数下降，不容易起振。FiR2'FRRiiR反馈系数F只在一段范围适合振荡器工作，必须合理选择171.电容反馈型振荡器电路（续3）（3）电路的振荡频率：考毕茨振荡器的振荡频率稍高于回路的振荡频率。上图iORRCCLCf'2'11121进一步考虑晶体管的等效电阻的影响：器件参数对振荡频率的影响有两个途径：通过等效电抗的影响通过等效电阻的影响'2'1'2'1CCCCCLCf21OCCC1'1iCCC2'2182.电感反馈型振荡器电路：哈脱莱（Hartley）振荡器IfVceVbeV（1）分析电路的相位条件：1bRbC2bReReC2L1LCCVCCC2L1LCbeVceVfVcIIbI12LLF反馈系数：反馈电压：正反馈。ceLLfVV1219（3）电路的振荡频率：CLLf)(2121（2）电路的起振条件：FRnRFRPOi)11(212LLF211LLLn进一步考虑晶体管的等效电阻的影响：iORRLLLCf21121哈脱莱电路的振荡频率稍低于回路的振荡频率。2.电感反馈型振荡器电路（续1）203.两种振荡器电路比较：（1）电容反馈型电路的优缺点：优点：由于输出端和反馈电路是电容，对高次谐波电抗小，振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高。缺点：用两个电容调节频率不方便。（又要不变）振荡器的振幅不稳定。'2'1CCF（2）电感反馈型电路的优缺点：优点：用一个电容可方便调节频率。缺点：由于反馈电路是电感，振荡波形含有高次谐波多。振荡频率不易很高。215.3.2三点式振荡器的改进型电容反馈型三点式振荡电路的振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高，因此应用更加广泛。调节频率不方便且会影响反馈系数F，而F只在一段范围内较合适。晶体管的输出、输入电容影响振荡频率。影响反馈系数F与振荡频率的主要因素都是和。'1C'2C改进思路：把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系数F的主要元件分开。使振荡频率尽量不受晶体管的输出、输入电容影响。225.3.2三点式振荡器的改进型（续1）（1）串联改进型电容反馈三点式振荡器（克拉泼clapp电路）返回2C1C3COCiCLPR什么是耦合电容？什么是旁路电容？什么是振荡电容等？1bRbCCCV2bReRCC2C1CeCCR3CL5.3.2三点式振荡器的改进型（续2）LCf21iOCCCCCC2131111013CCCiCCC23321LCfiOCCCCF21显然当：反馈系数F与振荡频率的调节互不影响。振荡频率与晶体管的输出、输入电容无关。优点：振荡器的振幅不稳定。（调节改变振荡频率时）这是因为并联谐振回路的谐振电阻等效到晶体管的C-E两端，是：3CPPPRCCRCCCR2'1323'13')(PR缺点：（1）串联改进型电容反馈三点式振荡器（克拉泼clapp电路）245.3.2三点式振荡器的改进型（续3）显然当013CCCiCCC23)(2143CCLf（2）并联改进型电容反馈三点式振荡器（西勒（shelle）电路）返回1bRbCCCV2bReRCC2C1CCR3C4C2C1C3COCiC4C255.3.2三点式振荡器的改进型（续4）)(2143CCLf与L并联，调节可调节振荡频率，但对并联谐振回路的谐振电阻RP等效到晶体管的C-E两端的等效电阻影响较小，因此对振荡幅度影响较小。4C4C'PR对的选择：不能太大（振荡频率由调节）。也不能太小，太小则接入系数小，振荡幅度就小。一般取：20PF~200PF。3C3C4C例题（2）并联改进型电容反馈三点式振荡器（西勒（shelle）电路）26三点式振荡器小结三点式LC振荡器定义三点式LC振荡器相位平衡条件的判断准则三点式LC振荡器典型电路：电容耦合（电容反馈型）：考毕茨（Colpitts）振荡器自耦变压器耦合(电感反馈型)：哈脱莱(Hartley)振荡器电路参数对起振条件的影响（F）器件参数对振荡频率的影响（）两种改进型的电容反馈型三点式振荡器：串联改进型电容反馈三点式振荡器（克拉泼clapp电路）并联改进型电容反馈三点式振荡器（西勒（shelle）电路）oioiRRCC、、、例题27例一：下面哪些情况下振荡器可以振荡？属于什么类型的振荡器T1L1C3L2L3C2C113322332211332211332211332211332211654321CLCLCLCLCLCLCLCLCLCLCLCLCLCLCLCLCLCL28T1L1C3L2L3C2C考毕兹32OSC哈特莱23OSC考毕兹32OSC113322332211332211332211332211332211654321CLCLCLCLCLCLCLCLCLCLCLCLC