第七章 振荡器52LC振荡
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⑤改进点——回路中串一小电容 C3 ,(C3 <<C1 、 C3 << C2 )
交流通路图 回路总电容 C C1 // C2 // C3 C3 振荡频率 osc
1 LC 1 LC3
改进型电容三点式振荡器的优点 ① 提高振荡频率
回路总电容为三电容串联,
振荡频率取决于小电容 C3 ② 减小极间电容影响,提高频率稳定性 用增大电容 C1、C2 来减小极间电容的影响, 但并不降低振荡频率
④ 计算环路增益 T
gm T ( osc ) AF Peb 2 g L P eb g i
满足起振条件
1
提高 增益A 增大 g m
L 减小 g
起振条件对电路参数的要求:
gi
矛盾:
增大反馈系数 F P eb
——合理选择工作点
2 g P 由于 i eb gi 使增益减小
A、B两点的电压幅度对称相等
AM间电导 g m vbe1 1 1 G1 gm vce1 rbe 2 rbe 2
Vce1 Vce 2
Rin
电流源增大时, v ce1 是减少的
g m rbe 2 1 G1 gm rbe 2
( gmrbe 1)
1 L 2 1 L 2
A
B
2C
2C
负阻LC振荡器结构特点:
LC并联回路(品质因数Q0 ) 交叉耦合的晶体管Q1 Q2 构成正反馈
电路分析 1. 分析单端口电路 Q1 Q2 的输入阻抗 ① 对称——点M是交流地 ② 代入晶体管交流小信号等效电路
Rin
Vce1 Vbe 2 、Vce2 Vbe1
减小 C3 减小——接入系数 Pcb 减小 —— 负载 RP
放大器的增益
A gm RP
减小 —— 环路增益 T 减小
最后 —— 停振
克拉泼电路改进——西勒电路 目的 : 有效的调整频率,而不影响环路增益,防止停振 电路特点: 在电感 L 的两端并联一个电容 C4 回路的总电容为 C C3 C4
电路优点:
电源电压低
VDD min VDSsat ,M 3 VGS ,M 1
功耗极小 振荡频率可调 —— 改变VC 改变了二极管 D1、D2的等效电容
(6)分析振幅起振条件——T = AF >1 ① 计算放大器负载
1 1 1 g gm i 输入电导 re RE re
回路接入系数
Peb
C1 C1 C2
C1 ) 2 gi C1 C2
(设部分接入支路为高Q)
其中 g L
1 1 RL RP
等效输入电导
放大器负载电导
Ri r
问题:降低了回路Q
解决方法: 阻抗变换后接入回路
阻抗变换方法
Ri r
① 变压器—— 互感耦合LC振荡器
② 部分接入—— 三点式LC振荡器
7.2.2 互感 LC 振荡器 电路构成特点: ① 用变压器进行阻抗变换,以保证高Q ② 注意变压器同名端,以保证正反馈
共基组态
共射组态
变压器同名端
Cb'e 0 rb'e 1200 30
线圈电感L=0.1H,空载品质因数 Q0 100 取回路电容 C1 C2 ,回路的固有谐振频率: 求:(1)振荡器的振荡频率 osc 。 (2)为保证顺利起振。回路的 解:(1)用公式 osc
gi g L 1 LC C1C2
④ 大电容实现交流短路和隔直流
7.2.3 三点式振荡器 电路构成特点: ① 用电抗部分接入进行阻抗变换,以保证高Q ② 注意电抗元件的放置,以保证正反馈
电抗元件部分接入进行阻抗变换形式:
电容部分接入 电感部分接入
Pc
C1 C1 C2
R R 2 Pc
PL
L2 L1 L2
R R 2 PL
① 由于 gi gm ,g m 不能太大
② 反馈系数 F 太大
增大接入系数,使回路Q降低
合理选择反馈系数
3. 实际考虑 考虑晶体管各参数及回路损耗的影响 并按照相位平衡条件计算振荡频率
(证明见课本)
回路中心频率 C1C2 回路总电容 C 0 C1 C2
振荡频率
2 0
1 LC
同理,BM间电导 G2 gm 端口AB 的输入电导:
Rin
G1 串连 G2
负电导 —— 提供能量
2 Rin gm
振荡条件:
1 L 2
A
B
1 L 2
负阻 Rin 相等 回路谐振电阻 R P 原因:负阻提供的能量补充了 并联谐振回路的损耗 2C 振荡频率——回路谐振频率
2C
集成场效应管负阻型 LC 振荡器电路
RP min 5.1 0 L
4. 改进型电容三点式振荡器 考虑极间电容后
Cce Cbe
C1 C1 Cce
C2 Cbe C2
振荡频率为:
osc 1 LC 1 osc C1C2 L C1 C2
1 LC
1 C1C2 L C1 C2
2 g i Peb gi (
2 g g g g P L L i L eb gi
Vo gmVeb 1 gm ② 计算放大器增益 A 2 Veb g L Peb Veb gL gi VF C1 F Peb ③ 计算反馈系数 Vo C1 C2
1 Ri RE // gm
共射组态三点式分析 从相同电抗元件抽头反馈 反相——负反馈
VF Vo
IF
Vi
L1
L2
从不同电抗元件抽头反馈
同相——正反馈
Vo
IF
Vi VF
问题:应如何放置电抗元件?
1. 推导构成三点式振荡器的一般规则
晶体管和三个纯电抗元件 X 1 X 2 X 3 构成振荡器 忽略晶体管极间电容、跨导的相移 以及晶体管输入阻抗对回路的影响 推导:满足正反馈条件时,三个电抗元件 如何放置? 解:代入晶体管等效电路,在 X 断开, 由于振荡频率为回路中心频率,所以
osc 1.001 0 0
(2)由振幅起振条件分析回路 Q0 振荡器起振的振幅条件应满足:
gm T ( osc ) Peb 1 2 g ' L Peb g i
已知 C1 C2 ,所以 Peb
2 Peb g m Peb gi g ' L
1 2
代入数据
Vo g m RPVi
RP 是回路谐振阻抗,且
则:VF
X1 X 2 X 3 0
Vo X X 2 g m RP 2 Vi X2 X3 X1
结论:为保证 VF 与 V i 同相,电抗 X 2 与 X 1 必须同性质
构成三点式振荡器的一般规则 与发射极相联的两个电抗元件必须同性质, 而另一个电抗元件为异性。
M 1 、M 2 为振荡管,镜象电流源 M 3 、M 4 提供直流偏置
回路电感:L L1 L2 6.4nH
回路电容(漏极极间电容等) C 1.2 pF
谐振频率 f o
1 1.8GHZ 2 LC
LC回路的串联损耗电阻 r 15 并联回路的谐振电导 1 GP r ( 0 C ) 2 3m S Q gm GP 因此,M 1 M 2 需提供的总负电导应为: Gm 2 起振 gm 6ms 每只管子的跨导 gm 2 3 6ms
负反馈
b
Cgs
c
g m vbe
r
_ +
g m 实数
LC回路谐振 纯电阻
共射放大器
e 共射——反相放大器
必须注意反馈电压提取,以保证正反馈 思考题: 该闭合环路是正反馈 还是负反馈?
(2)对 LC 回路 Q 值的影响 保证选频回路Q值高的必要性——提高频率稳定度
反馈支路将晶体管 放大器的输入阻抗 直接并联在回路两端
共射组态
共基组态
电容三点式 LC振荡器
电感三点式 LC振荡器
2. 三点式振荡器性能分析 计算环路增益、分析为满足起振条件对电路参数的要求 (1)分析直流偏置 NPN管,电源 VCC 为正, Rb 2 、 偏置电阻 Rb1、 RE , 负载 RL
C B 交流旁路、CC 隔直流。
(2)画交流通路图
原则:直流电源交流地 大电容交流短路
1 1 1 g m 0.025S re RE re
LC回路的谐振阻抗为
RP Q0 0 L Q0 2 50 106 0.1106 100 3.14 103
由于
RL
1 1 1 g'L 3.18 104 RL RP RP
gm
和
gi
,可求得:
满足振幅起振条件的最大的 g ' L
由于 g 'L
g ' L max 0.00625S
1 1 1 RL RP RP
,对应并联谐振回路的最低谐振阻抗为
RP min
1 g ' L max
160
因此,为保证振幅起振条件,LC 回路的最小空载 Q为:
Q0 min
振荡频率:
osc
1 LC
1 L(C3 C4 )
调整频率方法:调整
C4
优点:调整
C4 时,不改变共基放大器输出端的接入系数
7.2.4 负阻 LC 振荡器 思路:采用有源阻抗变换电路构成振荡器 (1)交流通路图 (2)添加直流电源
Q1 共基放大器,
Q2射极跟随器
阻抗变换 正反馈
电路变形
+ -
+ห้องสมุดไป่ตู้+
+ -
+ + -
-
-
-
共基组态——同相放大器
振荡频率
osc
回路谐振——纯电阻
电容
1 C ( L1 L2 )
C1 C2 相同性质电抗
1 CC L 1 2 C1 C2
共基组态三点式特征: ① 反馈电压取自相同电抗元件
反馈电压与输入同相 振荡频率 osc
② 阻抗变换:
Ri R 2 P
f 0 50MHz , RE 1 k,RL
Q0 不能低于多少?
gm
求振荡频率。
rb'e 30 0.025 S 1200
首先计算共基等效电路参数:
共基输入电阻 re
由 g m rb'e
1 1 40 g m 0.025
因为 re RE ,所以放大器输入电导 g i
(3)代入晶体管交流小信号等效电路
其中RP 是回路空载Q0 引入的等效电阻
(4)将环路在 X 断开 并考虑输入阻抗的影响 (5)计算振荡频率 ① 振荡频率根据相位平衡 条件得出(略) ② 振荡频率近似等于 回路中心频率
o
1 C1C2 L C1 C2
C2 Cbe C2
为提高振荡频率,必须减小 问题: 减小 C
C1 C2
——使频率稳定性变差
,必然扩大了极间电容对振荡频率的影响 C 1 2
改进型电容三点式典型电路——克拉泼振荡器 电路分析: NPN管,电源 VCC 为正, Rb 2 、 RE , RL 负载 ①直流偏置 Rb1 、 ②旁路电容 C B ③高频扼流圈 RFC ④ 选频回路 C1、C2、C3、L
1
2 0 L
负载电导为
由已知条件求得回路总电容 C
由于 C1 C2,所以 振荡频率为 代入数据
1 100PF 6 2 6 (2 50 10 ) 0.1 10
C1 C2 200PF ( 因为 Cbe 0 )
g'L gi 1 2 0 C1C 2
o sc 0
为提高频率而一味减小
C3
,会出现什么问题?
回路的总的谐振阻抗(在电感两端)
RP // RL RP
晶体管 cb 对回路的接入系数是
C3 Pcb C12 C3
(其中 C12
C1C2 ) C1 C2
( 共基放大器 cb 端的负载为: RP
C3 ) 2 RP C12 C3
o sc
gi g gi g 1 L 0 1 2 L LC C1C 2 0 C1C 2
由于
gi g C1C2 L
osc 0
1 LC
振荡频率近似等于回路中心频率
例7.2.1:设计图示的考毕兹振荡器。
已知:晶体管在共射状态时的参数为
阻抗变换
变压器同名端
Ri (
N1 2 ) Ri N2
1 LC
( N1 N2 )
振荡频率 osc 0
添加直流偏置
思路:
① NPN管,为保证工作于放大区,集电极直流电位最高, 基极次之,发射极最低。 ② 采用基极电阻 Rb1 、Rb 2 分压偏置, RE 直流负反馈。 ③ 线圈直流短路,电容直流开路,电源是交流地。