高频电路基础第4章-高频振荡电路

解：前面已经介绍了电容三点式振荡器的电路，对于本设计来说， 首先需要确定输出形式，即负载在哪里接入。
从原理上说，振荡电路的负载可以接在LC回路的任何一点。但 在实际电路中，需要考虑负载对于振荡电路的影响。在满足输出电 压幅度要求的前提下，采用部分接入可以减轻负载的影响，所以常 常采用在电感上抽头输出（包括耦合输出）或在晶体管发射极输出 （仅对于基极接地接法有效）的方式。
y fe
n1 n2
1 (Q2r
'
yoe )
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互感耦合型LC振荡器的平衡状态分析
从理论上说，振荡器平衡的振幅条件是 T Gv F 1，但是实
际上上述公式很难应用。
对于振荡器来说，由于起振时信号幅度很小，所以尚可以用晶体 管小信号模型讨论。但是到了稳幅阶段，信号幅度已经大到可以使 晶体管进入强烈的非线性区，增益开始急剧下降，导致振荡幅度增 加趋势减小，最终达到动态平衡。
1 0
起振条件： | T ( j ) | 1 ( j ) 2n
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稳定条件
振幅稳定条件： T
0
vo vo vB
当反馈网络线性（即F为线性函数）时，上述条件等效于
Gv
0
vo vo vB
|T|
上电后，由于T >1，系统将 1 自动起振。
当由于某种原因使得 vo脱离 平衡点时，稳定条件使得系
由于严格讨论晶体管进入非线性区后的增益是困难的，所以实用
上一般都采用实验、图解等方法。这里我们从振荡器的工作状态入
手，给出一些一般性的定性讨论结果：
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在右图电路中，基极的静态 （直流）电位基本上是固定 的，反馈电压在静态电位上 下波动。
Vb
VbQ
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t
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VCC
C
L1
L2
+
附加偏置电压 —
10
由于晶体管的非线性，随着反
Ic
馈电压幅度增加集电极电流开始
不对称。
反馈电压幅度继续增加，则
Vbe的负半周进入截止区，集电 极电流出现截止，晶体管进入C
类放大状态。
振荡器进入C类放大状态后，
导通角变得极小，激励电流中的
Vbe
基频分量急剧下降，导致增益急
剧下降，最后达到动态平衡，振
1 RE
)
起振条件为
y fb
[ gob
g0
p2 (gib
1 RE
)]
1 p
1
1
或 y fb p (gob g0 ) p(gib RE )
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相位平衡条件为 T () 0，即
Im(
p y fb
1 )0
gob
g0
p2 (gib
1 RE
)
1 j
若忽略晶体管的相移，此式等效于
高频电路基础第4章-高频振荡电路
反馈振荡器原理
A(s)
vs
vi 放大器
vf F(s)
反馈网络
vo
Af
(s)
1
A(s) A(s)F
(s)
A(s) 1T (s)
当 T (s) 1时 形 成 自 激 振 荡 。
平衡条件： | T ( j ) | 1
T
(
)
2 n
即
Re[T ( Im[T (
j )] j )]
本设计拟采用晶体管发射极输出的方式，电路如后。
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R1
C4
R2
9V L
Q
C1 C3
负载
R3
C2
RL
CL
其中C1、C2和L为谐振回路，C3是输出耦合电容，R1、R2、R3、 C4为偏置电路。
b
gob Cob
G0 L
C2
1 RE
vf
晶体管
LC谐振回路
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在LC回路谐振点附近有
Gv ( j
vc ve
gob
g0
y fb p2 (gib
1
1 ) 1 j
RE
F( j)
C1
p
C1 (C2 Cbe )
T ( j)
Gv ( j)F ( j)
gob
g0
p y fb p2 (gib
荡器就进入稳定状态。
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另外，在这个电路中，由于不对称的集电极电流同时流过发射 极，在发射极电容上造成一个附加偏置电压（上正下负）。这 个附加的偏置电压是抵消静态偏置电压的，当电路起振后，晶 体管的直流电流会减小，所以会加快晶体管的工作状态由A类 向C类转变的过程。 需要说明的是，即使没有发射极电容，晶体管也会进入C类放 大状态。振荡器的平衡主要是由于晶体管进入C类放大状态后 的增益变化造成的。
统可以恢复。
vB
vo
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相位稳定条件： T () 0
T
dT
dt
对于LC谐振回路，有
T()
H ( j) 1 1 j
H ( j) tg 1
Q高 Q低
tg 1( 2 Q)
0
所以，LC 回路的Q值越高
0
振荡器的频率稳定度越高
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互感耦合型LC振荡器电路
F ( j) p vL1 n1
vL n1 n2
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振幅起振条件
y fb
1 p
( gob
g0 )
p(gib
1 RE
)
近似振荡频率
0
1
L
C
Cbc
Cbe p2
实际振荡频率略低于上述计算值
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三点式LC振荡器的平衡状态分析
我们还是从振荡器的工作状态入手，给出一些一般性的定性讨论结果。
VbeQ
Vbe
晶体管的集电极电流波形近似 尖顶余弦脉冲，进入C类放大。
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晶体管三点式振荡器进入C类放大状态后，导通角变得极小，激励电 流中的基频分量急剧下降，导致增益急剧下降，最后达到动态平衡， 振荡器就进入稳定状态。显然，晶体管静态工作点可以影响进入C类 放大状态的时机，从而影响最终输出幅度。
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三点式振荡器的特点
电路简单。通过改变电容的比值或电感的抽头位置可以方便地改变 反馈系数kf，起振容易。
电容三点式能够振荡的最高频率通常比电感式的高。原因是：电感 式振荡器中晶体管极间电容与电感并联，频率升高可能引起支路的 电抗性质改变，从而不满足相位平衡条件。电容式振荡器的晶体管 极间电容与电容并联，频率升高时支路电抗性质不变，相位平衡条 件不会被破坏。
利用电感耦合构成反 馈，反馈极性与两 个电感的同名端接 法有关
根据谐振回路位于晶 体管的哪个电极， 有调集、调发、调 基等不同接法
VCC
C
L1
L2
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起振条件分析
起振阶段信号很小，可以用小信号等效模型分析。
vb
yie
yfevb
vc yoe
M vf r
C
L
L2
Gv ( j)
为了说明方便，我们以下图的电容三点式电路为例进行分析：
在这个三点式电路中，由于流过
VCC
基极的电流很小，即使晶体管工
作状态发生改变，基极电流的改
L RB1
变也很小，所以可以认为基极电
Vb
位基本保持不变。
Ve
C1
RB2
RE
C2
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Ve
Ic
VbQ
VbeQ
Ve
VeQ
t
由于基极电位基本不变，发射极波 形的最低电位被钳位在比基极电位 低一个pn结的导通阈值左右，发射 极的平均电位将随着振荡电压的幅 度增加而升高，晶体管的导通角随 着振荡电压的幅度增加而变小。
电容三点式振荡器的另一种接法
与前面接法的区别在于：晶体 管射极交流接地。由于此接法需 要高频扼流圈，在实际使用中较 少采用此电路。
由于电路交流结构与基极接地 电路一致，所以有关起振条件和 振荡频率等分析过程以及分析结 果与基极接地电路一致。
VCC
RFC RB1
C1
CB
RB2 RE
L CE
C2
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Q( 0 ) L 1 0
0
C
所以振荡频率为
0
1 LC
1
L Cbc
C1(C2 Cbe ) C1 C2 Cbe
实际振荡频率略高于上述计算值
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例
电容三点式振荡器，已知 RE =1kW, C1 =110pF, C2 =130pF, L = 440nH, Q0=220。晶体管参数： Cb’c =2pF, Cb’e=97pF, rc ≈20MW。 试求振荡频率以及起振时的集电极电流。
另外，由于发射极的平均电位 Ve 将随着振荡电压的幅度增加而增加，
而发射极直流电流等于发射极的平均电位除以发射极电阻，所以本电 路在起振后晶体管的工作电流会加大。
由于起振后晶体管的工作电流会加大，所以有可能在起振的初始阶段， 晶体管增益随着幅度加大而加大，到达某个顶点后再下降。若静态时 的增益不满足起振条件，而幅度加大后又满足了起振条件，就会发生 只有通过所谓的 “硬激励”才会振荡的现象。改变晶体管静态工作点 可以消除此非正常现象。
VCC
L RB1
C1
RB2
RE
C2
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解：根据题中参数，
振荡频率0
L[Cb ' c
1
C1(C2 Cb'e ) C1 C2 Cb'e
]
173106，f0
27.5MHz
G0
1
Q00 L
5.8105，gob
1 rcb
510（8 可忽略）
起振条件
y fb
(C1 C2 ')2 C1C2 '
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电容三点式振荡器（Colpitts 电路）
VCC
L RB1
C1
RB2
RE
C2
原理电路
实际电路
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求T(j)的等效电路
小信号等效模型分析。
下图的模型中忽略晶体管的基极电阻rbb′,也忽略晶体管反向 传输系数。
e
yfbvi
c
C1
vi
Cib gib
(r ' jL)( yoe jC) 1 jM y fe 0
(r ' yoe 2LC 1) j(L yoe C r ' M y fe ) 0
其中 r ' r Z21
假设Z21为纯电阻，令实部令 为0，有
谐振频率： 0
1 LC (1 r ' yoe )
令虚部为0，有
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电感三点式振荡电路（Hartley电路）
VCC
VCC
n2 CL
n1
n2 CL
n1
接法1
接法2
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高频等效电路
e
vi
Cbe gib
b
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c
L2
gmvi gob
Cbc C
g0
L1
RE vf
电感三点式电路的分析方法与电容三点式电路的分析基本一 致，只要注意反馈系数与n1、n2的相应关系即可。
G0
C1 C2 '
1 RE
7.48104S
所以起振电流为
IC y fb VT 20μA 经实际测量，此振荡器的起振电流大约为60μA。这是由于上述估算 忽略了许多实际因素的缘故。而要振荡器正常工作，还必须考虑工 作的可靠性，所以实际的工作电流还要大于60μA。
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高频电路基础
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三点式振荡器
一般构成法则：
X1
X2
1、在谐振频率上，
i X3
必有 X1+X2+X3=0
2、由于晶体管的 vb 与 vc 反相，而根据振荡器的振荡条件
|T|=1，要求vbe ＝－k vce ，即 i X1 = i X2，所以要求 X1 与 X2
为同性质的电抗。
综合上述两个条件，可以得到晶体管 LC 振荡器的一般构成法 则如下：在发射极上连接的两个电抗为同性质电抗，另一 个为异性质电抗。
电容三点式振荡器电路的局限：两个电容的取值不能太小，否则受 晶体管极间电容的影响太大，频率精度将大大下降 。
电感三点式振荡器可以通过改变电容值比较方便地调节频率，而电 容三点式则难以通过改变电容来改变频率。
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三点式振荡器的设计考虑
电路选择
频率范围：适用于几百kHz～几百MHz 波段宽度：电感型宽，稳定性稍差。电容型窄，但稳定性好
晶体管选择
fT > (3~5) fmax
起始工作点选择
小功率晶体管大致为亚毫安到毫安数量级
LC回路设计
通常选择 |F(j)| = 0.1~0.5，起振时 |T(j)| = 3~5
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设计三点式振荡器的例
试设计一个电容三点式振荡器，要求：f0=27MHz，电源电压9V， 负载阻抗为2kW // 30pF。
L1
起振条件：
y fe
( M Q2r '
yoe )
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谐振频率：0
1令 LC (1 r ' yoe )
r ' yoe 很小时，0
1 LC
（无耗近似）
起振条件：
y fe
L M
1 (Q2r
'
yoe )
其中 Q L / C 为有载品质因数
r' r' 当互感为紧耦合（变压器）时，起振条件演变为
vc vb
yoe
jC
y fe
jL
1 r
Z21
F ( j) vf
jM i1
vc i1( jL r Z21)
T ( j)
jM y fe
( jL r Z21)( yoe jC) 1
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T ( j)
jM y fe
1
( jL r Z21)( yoe jC) 1