《高频与射频电路》第4章 - LC振荡电路

例1
Vcc C R B1
1 3
直流通路：
2 4
交流通路：
L
R B1
Vcc
+
1
4
+
C
L
2 3
-
CB R R
R
B2
R
E
共E，正反馈，可以振荡
B2
E
CE
例2
Vcc C R B1 L
2
直流通路：
交流通路：
Vcc
1
1
+
3
+
+
R B1
C
L
4 2
C CB R R
B2
E
3
E
共B，正反馈，可以振荡
R
4
B2
R
E
二、三点式振荡器
幅度稳定条件：，
T (Vi ) Vi
•
Vi ViA
0
环路增益大小T与输入信号幅度Vi的关系 特性曲线在平衡点处是负斜率。
T A
1
Vi V iA
相位稳定条件：
T ( )
osc
0
• 环路增益相位φ T与频率ω 的关系特性曲线 在振荡频率ω osc点处是负斜率
T
osc
X1 X3 X2
C1 L
L1
C
L2
C2
三个电抗元件头 尾相连。三个接 点分别与三极管 的三个极相连
电容三点式
电感三点式
三个电抗元件如果都是电容 或都是电感则不振
（一）电容三点式振荡器（考毕兹 Colpitts 电路）
1、电路（共B）
直流通路： 交流通路(共B)：
2+
Vcc RB1 L
R B1 Vcc
+
L
R
B2
R
E
（二）电感三点式振荡器（哈脱莱 Hartley 电路）
• 1、电路（共B）
Vcc
Vcc
直流通路：
交流通路(共B)：
+
L1 C RB1 L2 CE CB R B2 RE
振荡频率：
R B1
+ 1 -
2
L2 C 3 L1 +
-
R
B2
R
E
osc
1 LC
其中L L1 L2 2M，M 表示互感
A
+
+
vo
-
vf
反馈网 络
Kf
-
T f i
• 为环路增益相位，即反馈 信号与输入信号相位差
A o i
• 为开环增益相位，即输出 信号与输入信号相位差；
+
vi
-
主网络 （放大器 ）
A
+
+
vo
-
vf
反馈网 络
Kf
kf f o
• 为反馈系数相位，即反馈 信号与输出信号相位差。
4、自偏压效应
• • RB1、RB2、RE；直流偏置 （甲类）。 小信号时，在交流反馈信 号的整个周期内，发射结 始终是导通的，交流反馈 信号对C1的充、放电电荷 相等，C1上不产生额外的 直流电压。
Vcc R B1
C1 R R
E
B2
• 大信号时，在负半周的某段 时间内发射结可能截止，这 样对C1的充、放电电荷不相 等，C1上就会产生额外的直 流负电压（左正右负），该 负电压使三极管由甲类进入 甲乙类甚至乙类、丙类，使 A ↓ ，T ↓ ，振荡器就由起振 (T>1)到平衡(T=1)。这时如 果用直流电压表测量三极管 基极电压一般是负的，这是 用直流电压表判断是否起振 的简便方法。
C1 L 1+ 3+ C2
C1 CB R B2 RE C2
R
B2
R
E
振荡频率：
osc
1 LC
其中C
C1 C2 C1 C2
另一种电容三点式电路（共E）
Vcc
R
B1
直流通路：
交流通路(共E)：
Rc Cc
Vcc Rc R B1
+
2
+
C1 L C2
1 3 -
CB R B2 RE C2 C1 CE
osc
1 1 0 LC LC 3
C
容性
例2：电路如图
• 写出ω 01 、ω 02 、 ω 03 之间满足相位平衡 条件的两种关系式。并指出两种情况下振 荡频率处在什么范围？
01
1 L1C1
C3
L3
C1
1 02 L2C2
L1 C2 L2
1 03 L3C3
-
二、振荡器的起振
1、振荡器的起振条件 实际的振荡器中是没有vi的，只要 一通电，马上就有输出信号vo 。 起振过程是这样的，当通电时，在 放大器的输入端就会有电扰动，称 为起始信号，其特点为（1）十分 微弱，（2）频率成分非常丰富。 在这些众多的频率中，如果有某个 频率ω osc满足vf > vi ，且同相。则 每经过一次放大、反馈的循环， vi 、vo都增大一点，即vo的幅度在 逐渐地变大。这就是“起振”。
A ( f )
Q小 Q大
0
fo
f
正弦波振荡器
• • • • 概述 一、电子线路分两大类： 1、信号处理电路（如放大器），特点： 有输入才有输出。 2、振荡电路，特点：不要输入信号也有 输出信号，是信号发生器。 两种电路本质上都是能量转换装置，把 直流电源提供的功率部分转换为交流输 出功率。
•
二、振荡器分类
+
vi
-
主网络 （放大器 ）
A
+
+
vo
-
vf
反馈网 络
Kf
-
vo ( josc ) v f ( josc ) T ( josc ) vi ( josc ) vi ( josc ) vo ( josc )
v f ( josc )
A( josc ) k f ( josc ) 1
3.1反馈振荡器的工作原理
一个典型的正弦波振荡器 的基本原理 • “K”打到“1”，由vi产生 vo和vf。如果vf = vi ，则 将“K”打到“2”，就可 以由vf来代替vi ，这时即 使没有vi也有vo 。就由放 大器和反馈网络组成了振 荡器。
Vcc
+
vf
-
2 K 1 vi v
+ o -
一、振荡器的平衡条件
z
Q小
fo
0
f
谐振放大器的幅频特性
• 当输入信号的频率为谐振频率时，增益最 大。当输入信号的频率偏离谐振频率时时， 增益变小，Q值越大，这种变化越剧烈。
A( f )
Q大
Q小
f
fo
谐振放大器的相频特性
• 当输入信号的频率为谐振频率时，Vo和Vi 没有附加相移。当输入信号的频率偏离谐 振频率时时，出现附加相移，Q值越大，由 于频率偏离引起的附加相移越大。

3．2 LC正弦波振荡器
一、变压器耦合式LC振荡器
• 能否振荡的判断 • 直流偏置：保证三极管工作在放大状态， VCQ VBQ VEQ （NPN）； • 相位起振条件：由变压器的同名端来保证 是正反馈; • 幅度起振条件(略)，稳定条件(略)
几个注意事项
• （1） CB、CE、CC、CL 等都是大电容，交 流短路; • （2）画交流通路时一般略去偏置电阻； • （3）反馈到哪里就以哪里作输入端。
• 三点式振荡器是否满足相位条件的 判断依据是:
“射同基反”
C1 L C2
与射极相连的两个电抗元件相 同，与基极相连的两个电抗元 件不同。
L1
C
L2
• 电容三点式
电感三点式
（三） LC串联或并联电路在LC三 点式振荡器中的等效
1、LC串联电路
X L
0
0
容性
感性

C
2、LC并联电路
X
感性
L C
0

容性
例1 判断下图是否满足相位起振条 件 C3
C1 L C2
当C3、L等效为电感时满足“射 同基反”，为电容三点式振荡器。 设： 1
0
LC 3
当工作频率（振荡频率） 时，C3、 L就等效为电感，可以产生振荡。
X L
0
感性Leabharlann Baidu
验证：因为和L并联的总电容为三 个电容并联，所以 C C3， 振荡频率
1、非正弦波振荡器，如多谐振荡器、三角波振荡 器（数字电路中学） 2、正弦波振荡器 （1）反馈型 （A）LC振荡器： （a）变压器耦合式 （b）电感三点式 （c）电容三点式 （B）RC振荡器： （a） 桥式 ： （i） 文氏桥、 （ii）双T桥 （b）移相式 （2） 负阻型
三、主要技术指标
1、振荡频率的准确性和稳定性； 2、振荡幅度大小及稳定性； 3、振荡波形的非线性失真程度。
Vcc
+
vf
-
2 K 1 vi vo
+ -
（1）幅度起振条件：
T (osc ) A(osc ) k f (osc ) 1
反馈信号幅度大于输入信号幅度；
（2）相位起振条件： T (osc ) A (osc ) kf (osc )
2n (n 0,1, 2 )
LC并联谐振电路阻抗的幅频特性
• 当电流的频率为谐振频率时，LC谐振电路 两端的电压最大。当电流的频率偏离谐振 频率时，电压变小。Q值越大，这种变化越 剧烈。
z(f)
Q大
Q小
f
fo
LC并联谐振电路阻抗的相频特性
• 当电流的频率为谐振频率时，电压和电流同相。 当电流的频率偏离谐振频率时，电压和电流出 现相移。Q值越大，由于频率偏离引起的相移 (f) 就越大。 Q大
反馈信号与输入信号同相。
2、振荡器必须具有选频特性
• 只有某个频率ω osc满足起振 条件，其他频率都不满足。 这样振出来才是单一频率的 正弦波。如果有多个频率满 足起振条件，则振出来的就 不是完好的正弦波。
Vcc
R B1
C1 R R
E
B2
3、振荡器必须包含非线性环节
• 这里的非线性不是指伏安特性非线性，而 是指当输入信号幅度Vi变化时，环路增益T 会跟着变化。一般是当输入信号幅度Vi ↑ 时，环路增益T ↓，这样才能使振荡器由起 振到平衡。 • 起振时是小信号，A较大，T=A•kf>1， Vi 、 Vo都在增大，三极管可能进入饱和或截止 区，使A ↓ ，进而使T ↓ ，一直到T=A•kf=1 时，进入平衡状态，这时Vo保持不变，输 出等幅波。
即为振荡器的平衡条件
1、幅度平衡条件：
T ( josc ) A( josc ) k f ( josc ) 1
T (osc ) T ( josc ) A(osc ) k f (osc ) 1
• 即反馈信号与输入信号幅度相同。
+
vi
-
主网络 （放大器 ）
A
+
+
vo
-
vf
反馈网 络
Kf
-
2、相位平衡条件
T ( josc ) A( josc ) k f ( josc ) 1
T (osc ) A (osc ) kf (osc ) 2n (n 0,1, 2 )
即反馈信号与输入信号相位相同。
+
vi
-
主网络 （放大器 ）
当振荡器有等幅的正弦 波输出时，对振荡频率 ω osc来说，有
+
vi
-
主网络 （放大器 ）
A
+
+
vo
-
v f ( josc ) vi ( josc )
即反馈信号与输入信号 幅度相等，相位相同。
vf
反馈网 络
Kf
-
即环路增益：
T ( josc ) v f ( josc ) vi ( josc ) 1
Vcc
R B1
C1 R R
E
B2
5、振荡的建立过程
Vcc R B1
•
通电→输入端电冲击 （微弱、多频率）→选 频放大→某一频率的Vf > Vi且同相→ Vo ↑, Vi ↑ →进入非线性区 → T ↓→ Vf = Vi → Vo保 持不变，输出等幅波。
C1 R R
E
B2
三、振荡的稳定条件
• 稳定平衡和不稳定平衡 • 外界干扰会使系统离开原来的平衡状态， 如果系统自己会产生一个恢复到原来平衡 状态的趋势，则原来的平衡为稳定平衡。 如果系统反而会产生一个进一步离开原来 平衡状态的趋势，则原来的平衡为不稳定 平衡。