高频电子线路第三章课件.

hib hbr
hib LC
1 谐振频率 LC
hfb
hibrC M
hb L M
起振要求
讨论：①由0
hib hbr 可知 hib LC
谐振频率与晶体管和回路参数都有关系！
当 r 0 也就是 Q0 时，频率越稳定！
②由起振要求
hfb
hibrC M
hb L M
可知
晶体管电流放大倍数 h fb 越高，互感量 M 越大
第三章 正弦振荡器
一、概述
振荡器是一种直接把直流电能转换 成交流电能的装置。
负阻振荡器 工作原理
反馈振荡器
RC反馈 LC反馈
正弦型 输出波形
非正弦型
本章主要讨论负反馈型正弦振荡器。
振荡器最重要的指标是频率稳定度。
二、反馈型振荡器的工作原理
1、调谐放大器自激振荡 人为控制调谐放大器的自激振荡，
就形成了反馈型振荡器。
矢量图
F
Vo Vi
R R
1
Fe j1
jC
F
RC
1 RC 2
1
arctg 1
RC
滞后移相网络，Vo 滞后 Vi
1
F
Vo Vi
R
jC
1
Fe j2
jC
矢量图
F
1
1 RC 2
1 arctgRC
特点：①
1
2
,
2
2
②F均随频率的变化而变化，输出总小于输入，且 相移愈大，电压输出愈小
③为了到相1800，至少要用三节RC相移网络；
F
平衡条件： AF 1
A F 2k
Vo VoQ
反馈系数F取决于无源网络（电阻网络或R、L、C网络）
决定的比例系数，与振荡幅度的大小无关。
3）稳定平衡条件
外界条件作用下，能在新位置建立平衡状态 稳定平衡条件：
外界条件消除后，能恢复原来的平衡状态
A
非稳定平衡
A0
1
F
稳定平衡
Vo
①幅度稳定平衡条件
VoQ
右图B点为非稳定平衡点。 只有外加激励超过 VoB 后 才能到达Q点，建立稳定平衡。
这种需要预先加上一定幅度的信号才能起振的现象， 称为硬激励。
②相位稳定平衡条件
相位变化时，频率也必然发生变化。因此，相位稳 定条件和频率稳定条件实质上是一回事。
（外温界度因、素电影压响等） (超前 ）Vf 提前反馈到输入
回路品质因数 Q0 越高，电路越容易起振！
LC回路的品质因数越高越好！
LC回路也可以位于基极和集电极回路
优点 缺点
调基电路
调发电路
在较宽的频率范围内，输出幅度 1）高频输出稳定；
比较平稳
2）幅度较大，谐波成份少
调整反馈时不影响工作频率。 由于分布电容的存在，在较高频率时，制作稳定性高的变压器很困难，
Co 静态电容 （10pF）
串联谐振频率：q
1
LqCq 并联谐振频率： P
Cq Co LqCqCo
由于 Co Cq 因此 P q 但 p q
r L 由等效电路，可知：Ze
q
q
q , Ze呈容性
rq
j
Lq
1
Cq
rq j
1 j
Co
Lq
1
C
1 1
q2
2 P2 2
q
1
jCo
Z ce 、Zeb 和 Zcb 只能是电感或电容！
四、石英晶体振荡器
LC谐振回路的空载品质因数只能达300左右，其频率稳 定度一般而言，最高不超过10-4。为了提高频率稳定度，需 采用石英晶体振荡器。
1、石英谐振器的特性及其等效电路
L 动态电感 q
（102H）
Cq 动态电容 （10-2pF）
rq 动态电阻 （102Ω）
f (增加）周期变短
（外温界度因、素电影压响等） (滞后）Vf 延迟反馈到输入
f (减小）周期变长
外界因素导致相位变化，引起频率变化的关系为：f（（结原果因）） 0
因此需要电路具有 f（（原结因果）） 0 特性，以抵消外界因素影响。
即要求电路的相频特性为：
0
0
这里 Y F z
Y：放大器相位
方向相同就是正反馈！
Vi Vf
I Vo
②等效计算
Fra Baidu bibliotek
与上节一样，利用晶体管h参数，列出节点电压、电 流方程，分别对虚部和实部项求解。
1
可得振荡频率为： f0 2
CL1
L2
2M
hoe hie
L1L2 M 2
hie 晶体管输入阻抗 hoe hoe g
hoe晶体管输出导纳
g 回路总电导
M k L1L2 互感
1 j
Co
Lq
1
Cq
1
Co
jLq
1
Cq
1
Co
q
P , Ze呈感性
P , Ze呈容性
2、并联谐振型晶体振荡器
o
1
Lq
Cq Co CL Cq Co CL
q
1 Cq Co CL
CL
C1C2 C1 C2
可以对振荡频率有微调的作用
3、串联谐振型晶体振荡器
这是一个电容三点式振荡器。
1
在克拉拨电路的 基础上增加C4
①适用于频率稳定 度高，输出幅度较 均匀，且调谐范围 较宽的场合
②可以分别调整反 馈系数和工作频率
③晶体管输入输出 电容的影响小
④高频易起振！
5、三点式振荡器相位平衡条件判断准则
判断准则：Z ce 、Zeb 电抗性质相同 它们与 Zcb 电抗性质相反
即：与发射极相连接的两个回路元件 性质相同，不与发射极相连的回路元 件电抗性质与前者相反。
令 C C1C2
C1 C2
则
f0
2
1 LC
②由起振要求： hfe 1 1
hie g F h fe
反馈系数不能任意选取。反馈系数一般取
F
1 2
~
1 8
③改变C调频率时，影响反馈系数；
④工作频率高时，L1和L2的分布电容与晶体管的极 间电容均并联于L1、L2两端，频率会受影响；
⑤振荡波形好。由于反馈支路呈容性，对高次谐 波反馈小。
振荡器上电后，由于选频回路的作用，只有特定频率的 信号被选出来放大、反馈，形成振荡。
放大器最初是小信号放大，逐渐变成大信号放大。
放大器的工作状态从甲类 甲乙类 乙类 丙类
定义平均电压放大倍数：A
Vc Vb
IC1Rp Vb
根据功率放大器的结论，有： IC1 icm1(c )
icm gmVb (1 cosc )
ZP
ZP
1 hob
hfbIe 1
ZP hobZ P
A0
Vc Vi
hfbZP hib hbZ P
Vi
Iehib
hrbVc
Iehib
hrb h fb I e
1
ZP hob Z P
其中 hb hibhob hrbhfb
由于 Ie 与实际方向相反，因此
A0
hib
hfbZP hbZP
由于 Vc jLI rI Vf jMI
①反馈性质： 通过射极反馈，e与c同
号，反馈信号与输入同极 性。这是一个正反馈。故电 路可能振荡。
②等效计算 交流等效
共基混合参数模型
r jL
ZP
1 2 LC
jrC
（混合参数：hib输入阻抗，hob输 出导纳，hfb（正向）电流传输系 数，hrb（反向）电压传输系数）
Vc
h
fb
Ie
1 hob
起振要求： h fe L1 M 1
hiehoe L2 M h fe
h fe 晶体管电流放大系数
反馈系数 F L2 M
L1 M
讨论： ①一般而言
CL1
L2
2M
hoe hie
L1L2 M 2
令
L L1 L2 2M
则
f0
2
1 LC
②由起振要求： hfe 1 1
hiehoe F h fe
3、电容三点式振荡电路（电容反馈振荡器）
考毕兹（Colpitts）振荡器
①反馈性质
矢量图
Vf Vi
I
正反馈
Vo
②等效计算
振荡频率：
f0
1
2
C1 C2 hoe LC1C2 hieC1C2
起振要求： h fe C2 1
hie g
C1
h fe
反馈系数 F C1
C2
讨论：①由于 C1 C2 hoe LC1C2 hieC1C2
1）平衡条件
A0 F 1
幅度平衡条件： A0F 1
相位平衡条件：A0 F 2k
k 0,1,2,
放大器即使在无输入信号时，也会有信号输出！
平衡条件只是产生自激振荡的必要条件而不是充分条件。
反馈型振荡器只有既满足平衡条件， 同时又满足起振条件和稳定平衡条件， 才能维持稳定而持续的振荡。
2）起振条件
④当RC参数一定时，只能在某一频率上产生1800 相移（即只有某一频率满足相位平衡条件）
最后一节RC由C3和晶 体管的输入电阻Ri组成。
Ri Rb1 // Rb2 // hie
当
C1 C2 C3 C RC R1 R2 R
超前相移RC振荡器
若 Ri R 则：
1
谐振频率： f0
2RC
A gmRp1(c )(1 cosc ) A01(c )
A0 gm Rp
小信号增益
1(c ) 1(c )(1 cosc )
也称为余弦脉冲分解系数
1(c )
c 1(c ) A
当 A 1 时 平衡状态
F
因此，放大器的增益从 A0 A
c
起振条件： A0F 1
A A0
A0 F 2k 1
反馈系数不能任意选取。反馈系数一般取 F
1 3
~
1 8
③改变C调频率时，不影响反馈系数；
④工作频率高时，L1和L2的分布电容与晶体管的极 间电容均并联于L1、L2两端，频率会受影响，且使 F随频率变化而变化，可能使F减小到不能起振；
⑤振荡波形不够好。由于反馈支路呈感性，对高 次谐波反馈强，这使波形失真较大。
：反馈网络相位
F
由于
：选频网络相位
Z
Z
Y
Z
F
Z
2
相位稳定平衡条件： Z
0
0
2
LC并联谐振回路正好具有这样的相频特性。
越大，稳频能力越强!
Q 越大，稳频能力越强!
3、反馈型振荡器的基本组成及分析方法
有源器件：晶体三极管、场效应管、集成电路 振荡器选频网络：LC谐振回路、RC移相电路、晶体谐振器
因此这种电路工作频率不宜过高。一般应用于中短波波段。
2、电感三点式振荡电路（电感反馈振荡器）
哈特莱（Hartley）振荡器
①反馈性质 利用矢量图来判断电路
的相位平衡条件。
画矢量图步骤： 先画出输入电压矢量 再画出输出电压矢量 然后画出反馈电流矢量 最后画出反馈电压矢量 比较输入电压与反馈电压矢量方向
6 4Ri
R
起振要求：h fe
29 23
Ri R
4
Ri R
2
f0
2
1 6RC
hfe 29
若
CR11
C2 R2
C3 R3
C R
Rc R
则：
滞后相移RC振荡器
特点：
利用晶体在 q时呈现纯阻抗，其阻抗极低，电
路在此时正反馈最强。 因此，该电路的振荡频率及频率稳定度均取决于晶
体的串联谐振频率。
五、RC振荡器
当要求频率较低时，电感和电容的数值需增大。大电感与 大电容成本高，体积大，损耗大，回路Q值低。故几十kHz以 下电路一般采用RC振荡器。
1、RC移相振荡器
超前移相网络，Vo 超前 Vi
3C1C2Lhie
Q
3
C2 C3
C1 C3
C
C1C2C3
C1C2 C2C3 C1C3
C C3
①反馈系数与振荡频 率的调整互不相关
②晶体管输入输出电 容的影响可以减小
③高频不易起振！
2）西勒（Seiler）电路
振荡频率：
f0
1
2
1
LC3 C4
起振要求： hfb
hibC1C2
C32QL
将L3上的输出引回到 输入端，令 Vf Vi 就 构成了反馈型振荡器。
振荡器实质上就是正 反馈放大器，只要有 足够强的反馈信号， 就能产生自激振荡。
反馈振荡器的原理框图
令：A0 为放大器的增益，F 反馈系数，则
V0 Vi A0 Vf V0F
Vi Vf
V0 V0FA0
2、反馈型振荡器的工作条件
4、电容三点式振荡电路的改进
目的：①为了克服调整频率 时，影响反馈系数， 从而影响起振；
②减小晶体管参数和 负载谐振阻抗对工作 频率的影响，从而提 高振荡器的频率稳定 度。
如何尽量减小这些因素对振荡器的影响？
1）克拉拨（Clapp）电路
振荡频率： f0
1
2
1 1
LC 2
1 LC3
起振要求： hfe
反馈网络：变压器耦合电路、电感分压电路、电容分压电路
分析方法：
①判断反馈性质（正、负反馈），即相位条件 （平衡条件）；
②利用等效电路，求开环增益、反馈系数；
③利用起振、平衡、稳定条件计算具体起振条 件、振荡频率。
三、LC反馈型振荡器
利用L、C构成三极管的负载回路和反馈回路。
1、变压器反馈振荡电路（互感耦合振荡器）
平衡点：Vo VoQ
当受到外界干扰，VoQ A AF 1 (Vo VoQ )
当受到外界干扰，VoQ A AF 1 (Vo VoQ )
即： A
0
Vo Vo VoQ
这就是幅度稳定平衡条件
晶体管工作于丙类状态自然具有稳定振幅的功能！
A 越大，稳幅能力越强!
Vo
一上电就能满足起振条件，无需外加激励，就能形 成自激，称为软激励。
则： F
Vf Vc
r
jM jL
ZP
r jL 1 2 LC jrC
利用平衡条件：A0F 1
h fbZ P
hib hb Z P
jM 1 r jL
hib hib 2 LC jhibrC hbr jLhb jMh fb
hhiibbrChibL2 LhCb
hb r Mh fb
0
0