射频通信电路7_射频振荡器
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1.放大电路; 2.反馈网络; 3.选频回路;4.电源. 1.放大电路 2.反馈网络 3.选频回路 电源 放大电路; 反馈网络; 选频回路;4.电源.
Vi + 合成器 V4 V2 Ad 放大器 V3
V2 = Vi − V4 , V4 = β V3 , V3 = AdV2 Vout V3 Ad ∴V3 = Vi , = = = Al 1 + β Ad Vi Vi 1 + β Ad
第七章 射频振荡器 书中第七章) (书中第七章)
电子科技大学 蔡竟业
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
射频/微波/ 射频/微波/毫米波振荡器是电子系统中必不可 少的部件。 少的部件。 1. 提供通信/雷达等电子系统的载波或变频; 提供通信/雷达等电子系统的载波或变频; 2. 提供系统时钟; 提供系统时钟; 3. 系统同步。 系统同步。
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
i
负阻段
电压型 v Vcc L
i
负 阻 段
电流型 v
C Q2 Q1 Re
-Rs
Q等效
C
L
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
•负阻振荡条件
1.建立适当的静态工作点,使器件工作于负阻特 1.建立适当的静态工作点 建立适当的静态工作点, 性区间 2.满足振荡稳定条件(类似Barkhouse准则) 2.满足振荡稳定条件 类似Barkhouse准则 满足振荡稳定条件( 准则)
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
&7.4 射频振荡器设计
• 低相位噪声设计
振荡器的主要设计目标之一就是低相位噪声。 振荡器的主要设计目标之一就是低相位噪声。 对三端振荡器输出信号的相位噪声为
fo 1 + 2QL ∆f 欲降低相位噪声,则须提高QL。除要求振荡回 欲降低相位噪声,则须提高 提高Q 路元件空载品质因数尽可能高之外, 路元件空载品质因数尽可能高之外,电路设计的原 则是尽可能的减小放大器对振荡回路引入的损耗。 则是尽可能的减小放大器对振荡回路引入的损耗。 设计中应使放大器始终工作在线性放大区间 线性放大区间, 设计中应使放大器始终工作在线性放大区间, 不能出现饱和状态。当用单管放大器, 不能出现饱和状态。当用单管放大器,则应尽可 能减小bc结跨导的影响 结跨导的影响。 能减小bc结跨导的影响。 4kTRs F Sϕ (∆f ) = Vs 2
L X1 C1 C2 C3
2π LC 1 1 1 1 = + + C C1 C2 C3 C3 C1 , C2
f0 =
1
Clapp振荡器原理图 Clapp振荡器原理图
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
Clapp振荡器中 远小于C Clapp振荡器中C3远小于C1、C2,从而 振荡器中C 振荡频率主要取决于C 振荡频率主要取决于C3、L。而C1、C2决定 反馈系数,可以取值较大, 反馈系数,可以取值较大,电路振荡频率不 易受后级影响,振荡频率调整方便, 易受后级影响,振荡频率调整方便,因此为 实际电路较多采用。 实际电路较多采用。 • 负阻振荡器
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
•Hartley振荡器(电感三端振荡器) Hartley振荡器 电感三端振荡器) 振荡器(
C1
f0 = 1 2π LC
Vcc R1 L∞ C2 C3 R2 L2 L1 C1
L = L1 + L2
L2 L1 C = C1
Hartley振荡器原理 Hartley振荡器原理/电路图 振荡器原理/
一个电子系统中往往需要多个的频率信号
振荡? 两个状态或两个条件之间的周期变动。 振荡? 两个状态或两个条件之间的周期变动。 振荡器按工作原理可分为两大类: 振荡器按工作原理可分为两大类:
1. 反馈型振荡器 2. 负阻型振荡器
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
&7.1 反馈型振荡器 •基本组成
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
•三端振荡器
在三端有源晶体管的三个外接点 输入、输出、 (输入、输出、地)之间分别接以不同 电抗元件构成的振荡器. 电抗元件构成的振荡器.
X1 A X2 X3
理论分析表明要满足相位稳定条件, 理论分析表明要满足相位稳定条件,X1 必须异性( )。振荡频率由 与X2、X3必须异性(感、容)。振荡频率由 X1与X2、X3构成的回路谐振频率决定。 构成的回路谐振频率决定。 特点:工作频率高,稳定度更好。 特点:工作频率高,稳定度更好。
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
振荡器的频率调整主要靠改变L 振荡器的频率调整主要靠改变L1、L2的 电感量。 电感量。由于后接放大器通常输入端为容 性负载,因此振荡频率易受负载的影响。 性负载,因此振荡频率易受负载的影响。 •Copitts振荡器(电容三端) Copitts振荡器 电容三端) 振荡器(
− Rs
除了信号源之外, 除了信号源之外,某些器件的等效特 性也如负阻。就器件的伏安特性来看, 性也如负阻。就器件的伏安特性来看,负阻 特性即是特性出现负斜率段。常见的二极管、 特性即是特性出现负斜率段。常见的二极管、 三极管、场效应管等均无此特性( 三极管、场效应管等均无此特性(单调上 升)。 呈现负阻特性的器件有隧道二极管 隧道二极管和 呈现负阻特性的器件有隧道二极管和 双基极二极管。 双基极二极管。
+ vs i + R vR -
电阻R上的电流I 电阻R上的电流I的流 向与电压降v 一致, 向与电压降vR一致,因 此其消耗功率, 此其消耗功率,呈现正 电阻特性。 电阻特性。
vR 2 P = i2 R = R
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
对于信号源, 对于信号源,其上的压降与电流方向 相反,输出功率, 相反,输出功率,在上图中其消耗的是负 功率 vs 2 P = −vs i = 等效于一负电阻
Hartley振荡器工作特性主要由电感抽头 Hartley振荡器工作特性主要由电感抽头 的比值)决定。反馈能量太小, (L1 L2的比值)决定。反馈能量太小,不易 振荡,反馈能量太大,晶体管要饱和, 振荡,反馈能量太大,晶体管要饱和,回路 品质因数下降,影响频率稳定度。 品质因数下降,影响频率稳定度
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• 互感LC振荡器 互感LC振荡器 V
cc
Rb1
C C∞
C∞
等效 振荡回路
Rb2
Re
C∞
蔡竟业 jycBaidu Nhomakorabeai@uestc.edu.cn
利用互感提供反馈,应注意互感的同 利用互感提供反馈, 名端。共发电路为反相放大, 名端。共发电路为反相放大,则反馈应倒 相才能构成正反馈。共基电路为同相放大, 相才能构成正反馈。共基电路为同相放大, 则反馈应同相才能构成正反馈。 则反馈应同相才能构成正反馈。 多用于收音机作外差本振,工作频率 多用于收音机作外差本振, 也不高,信号稳定度也较差。 也不高,信号稳定度也较差。 实际制作调谐放大器时, 特别小心, 实际制作调谐放大器时,应特别小心, 避免信号因电路排版或空间辐射引起回授, 避免信号因电路排版或空间辐射引起回授, 从而导致寄生振荡产生。 从而导致寄生振荡产生。
∂ϕT (ω o ) <0 ∂ω ω =ωo
Barkhause幅度和相位稳定条件确立, Barkhause幅度和相位稳定条件确立, 幅度和相位稳定条件确立 对幅度而言,低于稳定点为正反馈, 对幅度而言,低于稳定点为正反馈,超过稳 定点为负反馈。 定点为负反馈。 • 反馈型振荡器设计要点: 反馈型振荡器设计要点: 1. 合适的放大器(可变增益) 合适的放大器(可变增益) 2.正反馈支路(等效) 2.正反馈支路 等效) 正反馈支路( 3.选频网络 3.选频网络 4.负斜率相频特性. 4.负斜率相频特性 负斜率相频特性.
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
&7.2 振荡器主要性能指标
1.工作频率 ωo 1.工作频率 2.输出电平(功率) 2.输出电平 功率) 输出电平( 3.频率准确度 3.频率准确度 ω 常用相对频偏来衡量 ω 1PPm (e-6)
0
1MHz = f 0 → f = 1Hz 100 MHz = f 0 → f = 100 Hz
Vout R f = +1 = 3 v1 Ri Vout R f = +1 = 3 v2 Ri
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
Rf、Ri提供负反馈, 超前/滞后网络提供正反馈 提供负反馈, 超前/
开环增益
1 T ( jω ) = × 3 = 1 3
应用在5K~1MHz工作频率 应用在5K~1MHz工作频率,常用作低频 工作频率, 信号发生器,信号稳定度极差 极差! 信号发生器,信号稳定度极差!
超 前 滞 后 网 络
R1
Rf=2Ri
+
v1
C1 C2
R2
v2
vi - A
Ri
Vout
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
F(jω) 1/3
R1 = R2 , C1 = C2
1 f0 = 2π RC
f0 f
反馈网络的转移特性曲线 平衡时 vi = 0 对v1同相放大,对v2反相放大 同相放大, 同相增益 反相增益
一 、振幅稳定条件 稳定时 |T(jω)|=1 且为了确保v 且为了确保vo幅值不变还应有
∂T ( jω o ) <0 ∂vi 稳定点
|T(jω)|
1
稳定点 i 蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
v
二、 相位稳定条件
ϕT (ω0 ) = ϕ A (ω0 ) + ϕ F (ω0 ) = 2nπ
4.频率稳定度 4.频率稳定度 时域: 时域:主要用于阿伦方差表征 频域: 频域:相位噪声 5.失真度 5.失真度 谐波、杂散大小. 谐波、杂散大小.
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
&7.3 基本振荡器电路
•文氏电桥振荡器
利用超前滞后网络作反馈支路的振荡器。 利用超前滞后网络作反馈支路的振荡器。
• Barkhause准则 Barkhause准则
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
起振条件 |T(jω)|>1 开环增益越大越易起振. 开环增益越大越易起振.
• 振荡器的稳定条件 振荡器的稳定条件
由于振荡器是正反馈,因此起振之初, 由于振荡器是正反馈,因此起振之初, 输出信号势必越来越大, 输出信号势必越来越大,信号最终稳定必 须满足幅度和相位两个方面的稳定条件。 须满足幅度和相位两个方面的稳定条件。
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
反馈网络 β
Ad
Al:闭环电路增益 T:开环电路增益 若对某个频率: 若对某个频率: βAd=-1,
Vout V3 Ad Al = = = Vi Vi 1 + β Ad
Vout V3 Ad = = = Al Vi Vi 1 + β Ad
β Ad = T
→∞
L R1
2π LC 1 1 1 = + C2 C C C 1 2 f0 = 1
Vcc L∞
C1
C3
R2
C2 C1
L
Copitts 振荡器原理/电路图 振荡器原理/
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
Copitts振荡器反馈系数取决于 Copitts振荡器反馈系数取决于C1、C2 振荡器反馈系数取决于C 的比值。当振荡频率较高时, 的比值。当振荡频率较高时,改变频率要变 C1、C2,会影响反馈比。 会影响反馈比。 •Clapp振荡器(改进的Copitts振荡器) Clapp振荡器 改进的Copitts振荡器 振荡器( 振荡器)
•负阻振荡器特点 a.工作频率较高(可达100GHz以上); a.工作频率较高 可达100GHz以上 工作频率较高( 以上); b.电路形式简单; b.电路形式简单 电路形式简单; c.设计难度较高. c.设计难度较高 设计难度较高. 常见负阻振荡器: 常见负阻振荡器: 微带振荡器,介质腔体振荡器,YIG振 微带振荡器,介质腔体振荡器,YIG振 荡器, 荡器,耿氏二极管振荡器等
电路将自激振荡,不需要外部输入信号。 电路将自激振荡,不需要外部输入信号。 电路要想维持振荡,反馈环路的净增 电路要想维持振荡, 益必须大于或等于1 益必须大于或等于1,环路中信号的净相 移必须是360°的正整数倍(正反馈)。 移必须是360°的正整数倍(正反馈)。 T(jω)=T(jω)=-1→Al (jω) =∞
Vi + 合成器 V4 V2 Ad 放大器 V3
V2 = Vi − V4 , V4 = β V3 , V3 = AdV2 Vout V3 Ad ∴V3 = Vi , = = = Al 1 + β Ad Vi Vi 1 + β Ad
第七章 射频振荡器 书中第七章) (书中第七章)
电子科技大学 蔡竟业
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
射频/微波/ 射频/微波/毫米波振荡器是电子系统中必不可 少的部件。 少的部件。 1. 提供通信/雷达等电子系统的载波或变频; 提供通信/雷达等电子系统的载波或变频; 2. 提供系统时钟; 提供系统时钟; 3. 系统同步。 系统同步。
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
i
负阻段
电压型 v Vcc L
i
负 阻 段
电流型 v
C Q2 Q1 Re
-Rs
Q等效
C
L
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•负阻振荡条件
1.建立适当的静态工作点,使器件工作于负阻特 1.建立适当的静态工作点 建立适当的静态工作点, 性区间 2.满足振荡稳定条件(类似Barkhouse准则) 2.满足振荡稳定条件 类似Barkhouse准则 满足振荡稳定条件( 准则)
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
&7.4 射频振荡器设计
• 低相位噪声设计
振荡器的主要设计目标之一就是低相位噪声。 振荡器的主要设计目标之一就是低相位噪声。 对三端振荡器输出信号的相位噪声为
fo 1 + 2QL ∆f 欲降低相位噪声,则须提高QL。除要求振荡回 欲降低相位噪声,则须提高 提高Q 路元件空载品质因数尽可能高之外, 路元件空载品质因数尽可能高之外,电路设计的原 则是尽可能的减小放大器对振荡回路引入的损耗。 则是尽可能的减小放大器对振荡回路引入的损耗。 设计中应使放大器始终工作在线性放大区间 线性放大区间, 设计中应使放大器始终工作在线性放大区间, 不能出现饱和状态。当用单管放大器, 不能出现饱和状态。当用单管放大器,则应尽可 能减小bc结跨导的影响 结跨导的影响。 能减小bc结跨导的影响。 4kTRs F Sϕ (∆f ) = Vs 2
L X1 C1 C2 C3
2π LC 1 1 1 1 = + + C C1 C2 C3 C3 C1 , C2
f0 =
1
Clapp振荡器原理图 Clapp振荡器原理图
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
Clapp振荡器中 远小于C Clapp振荡器中C3远小于C1、C2,从而 振荡器中C 振荡频率主要取决于C 振荡频率主要取决于C3、L。而C1、C2决定 反馈系数,可以取值较大, 反馈系数,可以取值较大,电路振荡频率不 易受后级影响,振荡频率调整方便, 易受后级影响,振荡频率调整方便,因此为 实际电路较多采用。 实际电路较多采用。 • 负阻振荡器
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•Hartley振荡器(电感三端振荡器) Hartley振荡器 电感三端振荡器) 振荡器(
C1
f0 = 1 2π LC
Vcc R1 L∞ C2 C3 R2 L2 L1 C1
L = L1 + L2
L2 L1 C = C1
Hartley振荡器原理 Hartley振荡器原理/电路图 振荡器原理/
一个电子系统中往往需要多个的频率信号
振荡? 两个状态或两个条件之间的周期变动。 振荡? 两个状态或两个条件之间的周期变动。 振荡器按工作原理可分为两大类: 振荡器按工作原理可分为两大类:
1. 反馈型振荡器 2. 负阻型振荡器
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&7.1 反馈型振荡器 •基本组成
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
•三端振荡器
在三端有源晶体管的三个外接点 输入、输出、 (输入、输出、地)之间分别接以不同 电抗元件构成的振荡器. 电抗元件构成的振荡器.
X1 A X2 X3
理论分析表明要满足相位稳定条件, 理论分析表明要满足相位稳定条件,X1 必须异性( )。振荡频率由 与X2、X3必须异性(感、容)。振荡频率由 X1与X2、X3构成的回路谐振频率决定。 构成的回路谐振频率决定。 特点:工作频率高,稳定度更好。 特点:工作频率高,稳定度更好。
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
振荡器的频率调整主要靠改变L 振荡器的频率调整主要靠改变L1、L2的 电感量。 电感量。由于后接放大器通常输入端为容 性负载,因此振荡频率易受负载的影响。 性负载,因此振荡频率易受负载的影响。 •Copitts振荡器(电容三端) Copitts振荡器 电容三端) 振荡器(
− Rs
除了信号源之外, 除了信号源之外,某些器件的等效特 性也如负阻。就器件的伏安特性来看, 性也如负阻。就器件的伏安特性来看,负阻 特性即是特性出现负斜率段。常见的二极管、 特性即是特性出现负斜率段。常见的二极管、 三极管、场效应管等均无此特性( 三极管、场效应管等均无此特性(单调上 升)。 呈现负阻特性的器件有隧道二极管 隧道二极管和 呈现负阻特性的器件有隧道二极管和 双基极二极管。 双基极二极管。
+ vs i + R vR -
电阻R上的电流I 电阻R上的电流I的流 向与电压降v 一致, 向与电压降vR一致,因 此其消耗功率, 此其消耗功率,呈现正 电阻特性。 电阻特性。
vR 2 P = i2 R = R
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
对于信号源, 对于信号源,其上的压降与电流方向 相反,输出功率, 相反,输出功率,在上图中其消耗的是负 功率 vs 2 P = −vs i = 等效于一负电阻
Hartley振荡器工作特性主要由电感抽头 Hartley振荡器工作特性主要由电感抽头 的比值)决定。反馈能量太小, (L1 L2的比值)决定。反馈能量太小,不易 振荡,反馈能量太大,晶体管要饱和, 振荡,反馈能量太大,晶体管要饱和,回路 品质因数下降,影响频率稳定度。 品质因数下降,影响频率稳定度
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• 互感LC振荡器 互感LC振荡器 V
cc
Rb1
C C∞
C∞
等效 振荡回路
Rb2
Re
C∞
蔡竟业 jycBaidu Nhomakorabeai@uestc.edu.cn
利用互感提供反馈,应注意互感的同 利用互感提供反馈, 名端。共发电路为反相放大, 名端。共发电路为反相放大,则反馈应倒 相才能构成正反馈。共基电路为同相放大, 相才能构成正反馈。共基电路为同相放大, 则反馈应同相才能构成正反馈。 则反馈应同相才能构成正反馈。 多用于收音机作外差本振,工作频率 多用于收音机作外差本振, 也不高,信号稳定度也较差。 也不高,信号稳定度也较差。 实际制作调谐放大器时, 特别小心, 实际制作调谐放大器时,应特别小心, 避免信号因电路排版或空间辐射引起回授, 避免信号因电路排版或空间辐射引起回授, 从而导致寄生振荡产生。 从而导致寄生振荡产生。
∂ϕT (ω o ) <0 ∂ω ω =ωo
Barkhause幅度和相位稳定条件确立, Barkhause幅度和相位稳定条件确立, 幅度和相位稳定条件确立 对幅度而言,低于稳定点为正反馈, 对幅度而言,低于稳定点为正反馈,超过稳 定点为负反馈。 定点为负反馈。 • 反馈型振荡器设计要点: 反馈型振荡器设计要点: 1. 合适的放大器(可变增益) 合适的放大器(可变增益) 2.正反馈支路(等效) 2.正反馈支路 等效) 正反馈支路( 3.选频网络 3.选频网络 4.负斜率相频特性. 4.负斜率相频特性 负斜率相频特性.
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
&7.2 振荡器主要性能指标
1.工作频率 ωo 1.工作频率 2.输出电平(功率) 2.输出电平 功率) 输出电平( 3.频率准确度 3.频率准确度 ω 常用相对频偏来衡量 ω 1PPm (e-6)
0
1MHz = f 0 → f = 1Hz 100 MHz = f 0 → f = 100 Hz
Vout R f = +1 = 3 v1 Ri Vout R f = +1 = 3 v2 Ri
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Rf、Ri提供负反馈, 超前/滞后网络提供正反馈 提供负反馈, 超前/
开环增益
1 T ( jω ) = × 3 = 1 3
应用在5K~1MHz工作频率 应用在5K~1MHz工作频率,常用作低频 工作频率, 信号发生器,信号稳定度极差 极差! 信号发生器,信号稳定度极差!
超 前 滞 后 网 络
R1
Rf=2Ri
+
v1
C1 C2
R2
v2
vi - A
Ri
Vout
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
F(jω) 1/3
R1 = R2 , C1 = C2
1 f0 = 2π RC
f0 f
反馈网络的转移特性曲线 平衡时 vi = 0 对v1同相放大,对v2反相放大 同相放大, 同相增益 反相增益
一 、振幅稳定条件 稳定时 |T(jω)|=1 且为了确保v 且为了确保vo幅值不变还应有
∂T ( jω o ) <0 ∂vi 稳定点
|T(jω)|
1
稳定点 i 蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
v
二、 相位稳定条件
ϕT (ω0 ) = ϕ A (ω0 ) + ϕ F (ω0 ) = 2nπ
4.频率稳定度 4.频率稳定度 时域: 时域:主要用于阿伦方差表征 频域: 频域:相位噪声 5.失真度 5.失真度 谐波、杂散大小. 谐波、杂散大小.
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
&7.3 基本振荡器电路
•文氏电桥振荡器
利用超前滞后网络作反馈支路的振荡器。 利用超前滞后网络作反馈支路的振荡器。
• Barkhause准则 Barkhause准则
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起振条件 |T(jω)|>1 开环增益越大越易起振. 开环增益越大越易起振.
• 振荡器的稳定条件 振荡器的稳定条件
由于振荡器是正反馈,因此起振之初, 由于振荡器是正反馈,因此起振之初, 输出信号势必越来越大, 输出信号势必越来越大,信号最终稳定必 须满足幅度和相位两个方面的稳定条件。 须满足幅度和相位两个方面的稳定条件。
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
反馈网络 β
Ad
Al:闭环电路增益 T:开环电路增益 若对某个频率: 若对某个频率: βAd=-1,
Vout V3 Ad Al = = = Vi Vi 1 + β Ad
Vout V3 Ad = = = Al Vi Vi 1 + β Ad
β Ad = T
→∞
L R1
2π LC 1 1 1 = + C2 C C C 1 2 f0 = 1
Vcc L∞
C1
C3
R2
C2 C1
L
Copitts 振荡器原理/电路图 振荡器原理/
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
Copitts振荡器反馈系数取决于 Copitts振荡器反馈系数取决于C1、C2 振荡器反馈系数取决于C 的比值。当振荡频率较高时, 的比值。当振荡频率较高时,改变频率要变 C1、C2,会影响反馈比。 会影响反馈比。 •Clapp振荡器(改进的Copitts振荡器) Clapp振荡器 改进的Copitts振荡器 振荡器( 振荡器)
•负阻振荡器特点 a.工作频率较高(可达100GHz以上); a.工作频率较高 可达100GHz以上 工作频率较高( 以上); b.电路形式简单; b.电路形式简单 电路形式简单; c.设计难度较高. c.设计难度较高 设计难度较高. 常见负阻振荡器: 常见负阻振荡器: 微带振荡器,介质腔体振荡器,YIG振 微带振荡器,介质腔体振荡器,YIG振 荡器, 荡器,耿氏二极管振荡器等
电路将自激振荡,不需要外部输入信号。 电路将自激振荡,不需要外部输入信号。 电路要想维持振荡,反馈环路的净增 电路要想维持振荡, 益必须大于或等于1 益必须大于或等于1,环路中信号的净相 移必须是360°的正整数倍(正反馈)。 移必须是360°的正整数倍(正反馈)。 T(jω)=T(jω)=-1→Al (jω) =∞