3.7负阻振荡器

i 中基波电流振幅与外加正弦电压振幅的比值。
可见，当静态工作点一定时，随着输入电压的增大， 电流正、负半周的顶部出现凹陷，并且不断加深， 因此，基波电流分量的增长逐步趋缓，结果使 gn ( av ) 减小，如图3.7.4（b）所示。
3.7.1
3.7.2
负阻振荡器
负阻（Negative－Resistance）振荡器是采用负 阻器件与 LC谐振回路共同构成的一种正弦波振荡器， 主要工作在 100 MHZ以上的超高频段。 一、负阻振荡原理 1. 组成条件：
发射极组态的某种点接触三
极管和真空四极管等。
图3.7.1 （b）电压 控制型器件
3.7.1
2、电流控制型器件 （图3.7.1 (c)），也称 为S型负阻器件，其电压 为电流的单值函数，属于
这一类的器件有单晶体管、
硅可控整流器和弧光放电 管等。
图3.7.1 (c) 电流控制型器件
从两种负阻器件的伏安特性可以看出，在它们各 自的 AB段，电流、电压均呈负斜率的关系。
3.7※
负阻振荡器
负阻振荡器：利用负阻器件抵消回路中的正阻损耗， 产生自激振荡的振荡器。由于负阻器件与回路仅有两端 连接，故负阻振荡器又称为“二端振荡器”。
3.7.1
负阻器件的基本特性
一、负阻的概念 常见的电阻，不论线性电阻还是非线性电阻，都属 于正电阻。其特征是流过电阻电流越大，其电阻两端的 电压降也越大，消耗功率也越大，如图3.7.1（a）所示。 三者的关系为
二、负阻器件的特性 以隧道二极管为例: 在图3.7.2所示的伏安特 性曲线中，若将静态工作点设 置在伏安特性的负斜率区，则 直流电阻 R
V V V 2 1 I I 2 I1 可见，尽管器件的微变电阻是负值，但其直流电阻 仍是正值，这说明负阻器件起着从直流电源中获取能量 并将其转换成交变能量的作用。显然，负阻器件是指它 的微变（增量）电阻为负值的器件。
R2 取值过大，则直流负载线（图中所示直线 如果 R1、 Ⅱ）与伏安特性就有三个交点，就会引起静态工作点的 不稳定，例如，若原先工作在Q 点，由于偶然因素使 IQ 有增大，工作点就会迅速地移到Q ，反之 IQ 稍有减小，工 作点将迅速地移到Q，它们都处于伏安特性的正阻区，从
而导致振荡器停振。
1 josc L 0
geo
1 ge 2C
或
geo gn( av )
振荡角频率 osc o 振幅稳定条件为
1 LC
0
g n ( av )
Vm 相位稳定条件则依靠并联谐振回路具有负斜率变化 的相频特性予以保证。
3.7.2
3、电流控制型负阻振荡器： 单结晶体二极管的伏安
特性如图3.7.6（a）所示。负
•（1）负阻器件和 LC选频网络组成 ；
•（2）建立合适静态工作点； •（3) 负阻器件与 LC回路正确连接；
3.7.2
2、电压控制型负阻振荡器 负阻器件与 LC回路并联连接，如图3.7.5所示，图中
geo ( 1 ) gn( av ) 为负阻器 Reo 为谐振回路的固有谐振电导，
件的平均增量负电导。该电路的齐次微分方程为： d 1 C dt g e 0 dt L 式中 ge geo gn(av) 当
ii
i
r
( g n )i ( g n )Vm sin t I m sin t
3.7.1
Im 式中，
Vm 1 g nVm ， g n 是隧道二极管在静态工作点 r r
上的微变（增量）电导，其值为负（ gn为正值）。因此，
加到器件上的平均功率为
1 T 1 T P i dt (VQ Vm sin t ) ( I Q I m sin t )dt T 0 T 0
gn 为定值。 由图3.7.3知，当器件在小信号工作时，
当器件在大信号工作时，通过器件的电流波形是非
正弦的，如图3.7.4（a）所示。
在这种情况下， 为了表示器件的负 阻特性，引入参数 （
g )n ( av )
图3.7.4 隧道二极管工作在大信号时的特性 （a） 电流波形 （b） 平均电导特性
称为平均负增量电导。 gn ( av ) 的定义：
平衡条件为：reo rn ( av ) josc L
1 joscC
LC
0
1 r r osc o 或 eo n ( av ) （振荡角频率）
振幅稳定条件为： rn ( av ) 0 I m 相位稳定条件则依靠串联谐振回路具有负斜率变 化的相频特性予以满足。
3.7.2
3.7.1
正功率表示能量的消耗，负功率表示能量的产
生，即负阻器件在一定条件下，不但不消耗交流能
量，反而向外部电路提供交流能量，当然该交流能
量并不存在于负阻器件内部，而是利用其能量变换
特性，从保证电路工作的直流能量中取得。所以负 阻振荡器同样是一个能量变换器。
负阻器件有两种类型： 1、电压控制型器件 （图3.7.1（b）），也称为 N型负阻器件，其电流为电 压的单值函数，具有这种特 性的器件有隧道二极管、共
ge 1 时，对上式求解得： 图3.7.5 负阻振荡原理图 2oC
A 和 为由起始条件决定的常数。
t ) (t ) Aet cos(o
其中，o
2 o
2
o
1 LC

可以证明该电路的振幅起振条件为：gn
平衡条件为 geo gn ( av ) joscC
二、负阻振荡器电路 为保证振荡器的正常工作，电流型负阻器件应与 串联谐振回路相连接；电压型负阻器件则应与并联谐 振回路相连接。 图3.7.7（a）所示是电压控制型负阻振荡器的实用电路。 R2 组成隧道二极管的直流供电电路，提供 VDD 、 图中， R1 、 C1是高频旁路电容，用来避免直流 合适的静态工作点 Q ； 供电电路对回路Qe的影响，L和C是谐振回路的电感和电 rn 和 容，RL为负载电阻。图3.7.7（b）是高频等效电路， Cn为隧道二极管的等效负电阻和电容， RL // Reo为等效 RL 负载，Reo为回路的固有谐振电阻；
2 Vm I m Vm gn VQ I Q 给器件的平均功率； 式中，
2 Vm gn 表示器件给出的交流功率 。 2
3.7.1
I m IQ ，则 P 0 由于Vm VQ ，
因此，负阻器件本身总是消耗功率的，它所以能够 通过负电导给出交流功率，是由于它具有将直流功率的 一部分转换为交流功率的作用。
阻器件串接在谐振回路中，以 保证加到负阻器件的电流控制 量是正弦的，如图3.7.6（b） 所示，。此时，器件的负阻特
性应由平均负电阻 rn( av) 表示。
图3.7.6 电流控制型负阻振荡原理图 （a） 伏安特性 （b） 负阻振荡器原理电路
3.7.2
采用同样的分析方法可以得到它的起振条件：
rn reo
3.7.2
图3.7.7所示是电压控制型负阻振荡器 （a）实用电路 （b）高频等效电路 （c）伏安特性
R2 取值应保证直流负载线与隧道二极 R1、 在上述电路中， 管伏安特性的交点（静态工作点Q ）处于负阻区，如图 3.7.7（c）中的直线Ⅰ，图中 R2 VDDO VDD R R1 // R2 R1 R2 3.7.2
Vo R Io
图3.7.2
隧道二极管特性
微变（增量）电阻: r
3.7.1
当在 Q 点加上 微弱的正弦电压 （如图3.7.3所示）
i Vm sin t
时，则
VQ i VQ Vm sin t
在忽略失真的情况下， 通过管子的电流为
图3.7.3 隧道二极管特性
i IQ ii IQ I m sin t ii 是增量电流，其值为 其中，
rn 该电路的起振条件是 RL
rn ( av ) 平衡条件 RL
振荡频率近似为 fosc
1 L(C Cn )
3.7.2
P I V 这里
V I R
3.7.1
图3.7.1 电阻器件的伏安特性 （a）正电阻器件 （b）电压控制型负阻器件 (c) 电流控制型负阻器件
负电阻是流过其间的电流越大，电阻两端电压越小， 故电流、电压增量的方向相反，两者的乘积为负值，如图 3.7.1（b）、(c)所示：
V I R