高频电子线路(第二版)课件第四章
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变化的能力。具体来说，就是在平衡点附近，当不稳定因 素使振幅增大时，环路增益将减小，从而使振幅减小。
振幅稳定条件为：
T 0 Ui UiA
Ui
(4-17)
由于反馈网络为线性网络, 即反馈系数大小F不随输入信 号改变, 故振幅稳定条件又可写为
K Ui
0 Ui UiA
(4-18)
(2)、相位稳定条件
L1间的互感M担任, 因而称为互感耦合式的反馈振荡器, 或称为变压器耦合振荡器。
分析教材图4-4的正反馈过程。
4.2 LC 振 荡 器
一、振荡器的组成原则
1、振荡基本电路——三端式的概念
基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器,
即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电
.
路, 如图4-5所示。
极电流 İ c以及发射极电流 İe, 故由图4-5有
U b jX 2 I
(4-22a)
U c jX 1 I
(4-22b)
因此X1、 X2应为同性质的电抗元件。
综上所述，从相位平衡条件判断图4-5电路能否振荡的原 则为：
(1) X1、 X2应为同性质的电抗元件。 ——即与晶体管发射 极相连的两个电抗元件性质相同，要么均为感性元件，要么 均为容性元件。
这样, 振荡条件可写为
Uc
T ( j) Y f( j) Z L F ( j) Y f( j) Z L F ( j) 1(4-14)
振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为
YfRLF1
f LF 2n
值得说明的是：
n0,1,2
(4-15a) (4-15b)
（1）平衡时电源供给的能量等于环路消耗的能量；
第4章 正弦波振荡器
4.1 反馈振荡器的原理 4.2 LC 振 荡 器 4.3 振荡器的频率稳定度 4.4 LC振荡器的设计方法 4.5 石英晶体振荡器 4.6 振荡器中的几种现象
4.1 反馈振荡器的原理
一、反馈振荡器的原理分析 1、反馈振荡器的组成 反馈振荡器由放大器和反馈网络两大部分组成。 反 馈 型 振 荡 器 的 原 理 框 图 如 图 4-1 所 示 。 由 图 可 见 ,
Ui (s)
电压反馈系数为F(s)，则
F (s) Ui(s) U o (s)
(4-1) (4-2) (4-3)
由 U i(s)U s(s)U i(s)
得
Ku(s)1K K ((ss))F(s)1 KT (s()s)
(4-4) (4-5)
其中T(s)称为环路增益： T(s)K(s)F(s)Ui(s) (4-6) Ui(s)
Ui Ub Ub Ic
式中, ZL为放大器的负载阻抗 ZL Uc RLejL Ic
Yf(jω)为晶体管的正向转移导纳。
Yf ( j)
Ic
Yf ejf
Ub
(4-10) (4-11) (4-12)
现引入 与F(jω)反号的反馈系数F′(jω)
F'(j)F'ejF F(j)U i
(4-13)
我们知道，一个正弦信号的相位φ和它的频率ω之间
的关系：
d dt
(4-19a)
dt
(4-19b)
设振荡器原在ω1 时处于相位平衡，即有：
f L(1)F 0
相位稳定条件为：
L
1
0
(4-20)
L,
－
(
＋
f
F
′)
L
1 2 0
－
－
(
＋
f
F
′)
图 4-4 互感耦合振荡器
五、振荡线路举例——互感耦合振荡器 图4-4是一LC振荡器的实际电路, 图中反馈网络由L和
式(4-16a)和(4-16b)分别称为起振的振幅条件和相位条件, 其中起振的相位条件即为正反馈条件。
Uo 放大特性
A
Uo K
反馈特性
A1 F
0
0
Ub
Ub
(a)
(b)
图 4-2 振幅条件的图解表示
起振过程：开始增幅振荡 非线性 稳幅振荡
四、稳定条件 1、振荡器稳定概念的提出： 2、振荡器的稳定条件 振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。 (1) 振幅稳定条件 要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅
(2) X3与X1、 X2的电抗性质相反。——即与晶体管基极相 连的两个电抗元件性质相反。
可以简称为：“射同余异”或“射同基反”。
三端式振荡器有两种基本电路, 如图4-6所示。 图 4-6 (a)中X1和X2为容性, X3为感性, 满足三端式振荡器 的组成原则, 反馈网络是由电容元件完成的, 称为电容 反馈振荡器, 也称为考必兹(Colpitts)振荡器。
反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环 路, 放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载, 是 一调谐放大器, 反馈网络一般是由无源器件组成的线性网 络。
2、自激振荡的条件分析
根据图4.1.1，闭环电压放大倍数Ku(s)：
Ku
U o(s) U S (s)
开环电压放大倍数为K(s)： K (s) Uo (s)
自激振荡的条件：就是环路增益为1, 即
T (j ) K (j )F (j ) 1
(4-7)
通常又称为振荡器的平衡条件。
由式(4-5)还可知
T(j) 1 ,Ui(s) Ui(s) , T(j) 1 ,Ui(s) Ui(s) ,
形成增幅振荡 (4-8)
形成减幅振荡
二、平衡条件 根据前面分析，振荡器的平衡条件即为
Ic
.
V.
＋ Ub － － Uc ＋
X2
. I
X1
X3
图 4-5三端式振荡器的组成
2、三端式振荡电路的构成原则 根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性, 因而
有：
X1X2X30
(4-21)
因此三个电抗元件不能是同性质元件。一般情况下, 回路Q
值很高, 因此回路电流远大于晶体管的基极电流 İb 、集电
（2）通常环路只在某一特定才满足相位条件。
三、起振条件
为了使振荡过程中输出幅度不断增加, 应使反馈回来 的信号比输入到放大器的信号大, 即振荡开始时应为增幅 振荡, 因而由式(4-8)可知
T(j)1
称为自激振荡的起振条件, 也可写为
T(j)YfRLF1 Tf LF 2n n0,1,2,
ຫໍສະໝຸດ Baidu
(4-16a) (4-16b)
T( j) K( j)F( j) 1 也可以表示为： T(j) KF1
(4-9a)
T K F 2n n0,1,2 (4-9b)
式(4-9a)和(4-9b)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。
现以单调谐谐振放大器为例来看K(jω)与F(jω)的意义。
若
Uo
U c,U i 由U 式 b(4-2)可得
K(j )U oU cIcU cYf(j)ZL
振幅稳定条件为：
T 0 Ui UiA
Ui
(4-17)
由于反馈网络为线性网络, 即反馈系数大小F不随输入信 号改变, 故振幅稳定条件又可写为
K Ui
0 Ui UiA
(4-18)
(2)、相位稳定条件
L1间的互感M担任, 因而称为互感耦合式的反馈振荡器, 或称为变压器耦合振荡器。
分析教材图4-4的正反馈过程。
4.2 LC 振 荡 器
一、振荡器的组成原则
1、振荡基本电路——三端式的概念
基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器,
即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电
.
路, 如图4-5所示。
极电流 İ c以及发射极电流 İe, 故由图4-5有
U b jX 2 I
(4-22a)
U c jX 1 I
(4-22b)
因此X1、 X2应为同性质的电抗元件。
综上所述，从相位平衡条件判断图4-5电路能否振荡的原 则为：
(1) X1、 X2应为同性质的电抗元件。 ——即与晶体管发射 极相连的两个电抗元件性质相同，要么均为感性元件，要么 均为容性元件。
这样, 振荡条件可写为
Uc
T ( j) Y f( j) Z L F ( j) Y f( j) Z L F ( j) 1(4-14)
振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为
YfRLF1
f LF 2n
值得说明的是：
n0,1,2
(4-15a) (4-15b)
（1）平衡时电源供给的能量等于环路消耗的能量；
第4章 正弦波振荡器
4.1 反馈振荡器的原理 4.2 LC 振 荡 器 4.3 振荡器的频率稳定度 4.4 LC振荡器的设计方法 4.5 石英晶体振荡器 4.6 振荡器中的几种现象
4.1 反馈振荡器的原理
一、反馈振荡器的原理分析 1、反馈振荡器的组成 反馈振荡器由放大器和反馈网络两大部分组成。 反 馈 型 振 荡 器 的 原 理 框 图 如 图 4-1 所 示 。 由 图 可 见 ,
Ui (s)
电压反馈系数为F(s)，则
F (s) Ui(s) U o (s)
(4-1) (4-2) (4-3)
由 U i(s)U s(s)U i(s)
得
Ku(s)1K K ((ss))F(s)1 KT (s()s)
(4-4) (4-5)
其中T(s)称为环路增益： T(s)K(s)F(s)Ui(s) (4-6) Ui(s)
Ui Ub Ub Ic
式中, ZL为放大器的负载阻抗 ZL Uc RLejL Ic
Yf(jω)为晶体管的正向转移导纳。
Yf ( j)
Ic
Yf ejf
Ub
(4-10) (4-11) (4-12)
现引入 与F(jω)反号的反馈系数F′(jω)
F'(j)F'ejF F(j)U i
(4-13)
我们知道，一个正弦信号的相位φ和它的频率ω之间
的关系：
d dt
(4-19a)
dt
(4-19b)
设振荡器原在ω1 时处于相位平衡，即有：
f L(1)F 0
相位稳定条件为：
L
1
0
(4-20)
L,
－
(
＋
f
F
′)
L
1 2 0
－
－
(
＋
f
F
′)
图 4-4 互感耦合振荡器
五、振荡线路举例——互感耦合振荡器 图4-4是一LC振荡器的实际电路, 图中反馈网络由L和
式(4-16a)和(4-16b)分别称为起振的振幅条件和相位条件, 其中起振的相位条件即为正反馈条件。
Uo 放大特性
A
Uo K
反馈特性
A1 F
0
0
Ub
Ub
(a)
(b)
图 4-2 振幅条件的图解表示
起振过程：开始增幅振荡 非线性 稳幅振荡
四、稳定条件 1、振荡器稳定概念的提出： 2、振荡器的稳定条件 振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。 (1) 振幅稳定条件 要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅
(2) X3与X1、 X2的电抗性质相反。——即与晶体管基极相 连的两个电抗元件性质相反。
可以简称为：“射同余异”或“射同基反”。
三端式振荡器有两种基本电路, 如图4-6所示。 图 4-6 (a)中X1和X2为容性, X3为感性, 满足三端式振荡器 的组成原则, 反馈网络是由电容元件完成的, 称为电容 反馈振荡器, 也称为考必兹(Colpitts)振荡器。
反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环 路, 放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载, 是 一调谐放大器, 反馈网络一般是由无源器件组成的线性网 络。
2、自激振荡的条件分析
根据图4.1.1，闭环电压放大倍数Ku(s)：
Ku
U o(s) U S (s)
开环电压放大倍数为K(s)： K (s) Uo (s)
自激振荡的条件：就是环路增益为1, 即
T (j ) K (j )F (j ) 1
(4-7)
通常又称为振荡器的平衡条件。
由式(4-5)还可知
T(j) 1 ,Ui(s) Ui(s) , T(j) 1 ,Ui(s) Ui(s) ,
形成增幅振荡 (4-8)
形成减幅振荡
二、平衡条件 根据前面分析，振荡器的平衡条件即为
Ic
.
V.
＋ Ub － － Uc ＋
X2
. I
X1
X3
图 4-5三端式振荡器的组成
2、三端式振荡电路的构成原则 根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性, 因而
有：
X1X2X30
(4-21)
因此三个电抗元件不能是同性质元件。一般情况下, 回路Q
值很高, 因此回路电流远大于晶体管的基极电流 İb 、集电
（2）通常环路只在某一特定才满足相位条件。
三、起振条件
为了使振荡过程中输出幅度不断增加, 应使反馈回来 的信号比输入到放大器的信号大, 即振荡开始时应为增幅 振荡, 因而由式(4-8)可知
T(j)1
称为自激振荡的起振条件, 也可写为
T(j)YfRLF1 Tf LF 2n n0,1,2,
ຫໍສະໝຸດ Baidu
(4-16a) (4-16b)
T( j) K( j)F( j) 1 也可以表示为： T(j) KF1
(4-9a)
T K F 2n n0,1,2 (4-9b)
式(4-9a)和(4-9b)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。
现以单调谐谐振放大器为例来看K(jω)与F(jω)的意义。
若
Uo
U c,U i 由U 式 b(4-2)可得
K(j )U oU cIcU cYf(j)ZL