91振荡电路

例4.5图例4.５（ａ）是一个数字频率计晶振电路,试分析其工作情况。解:先画出V1管高频交流等效电路,如图例4.５（ｂ）所示,０.０１μF电容较大,作为高频旁路电路,V2管作射随器。由高频交流等效电路可以看到,V1管的c、e极之间有一个ＬＣ回路,其谐振频率为:MHzf0.410330107.4211260所以在晶振工作频率５MHz处,此ＬＣ回路等效为一个电容。可见,这是一个皮尔斯振荡电路,晶振等效为电感,容量为３pF～１０pF的可变电容起微调作用,使振荡器工作在晶振的标称频率５MHz上。图例4.520kC5MHz5.6k20p5～35p200p330p0.014.72.7kV11.5kV2UCC20p5～35p200pV1330p4.7(a)(b)２.密勒（Ｍｉｌｌｅｒ）振荡电路图4.4.4是场效应管密勒振荡电路。石英晶体作为电感元件连接在栅极和源极之间,ＬＣ并联回路在振荡频率点等效为电感,作为另一电感元件连接在漏极和源极之间,极间电容Ｃgd作为构成电感三点式电路中的电容元件。由于Ｃgd又称为密勒电容,故此电路有密勒振荡电路之称。密勒振荡电路通常不采用晶体管,原因是正向偏置时高频晶体管发射结电阻太小,虽然晶振与发射结的耦合很弱,但也会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性,所以采用输入阻抗高的场效应管。图4.4.4密勒振荡电路300pUCC61～122Cgd1MHz10M2.2k0.02３.泛音晶振电路从图4.4.1(c)中可以看到,在石英晶振的完整等效电路中,不仅包含了基频串联谐振支路,还包括了其它奇次谐波的串联谐振支路,这就是前面所说的石英晶振的多谐性。但泛音晶体所工作的奇次谐波频率越高,可能获得的机械振荡和相应的电振荡越弱。在工作频率较高的晶体振荡器中,多采用泛音晶体振荡电路。泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电路中,为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上,不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡,而且必须正确地调节电路的环路增益,使其在工作泛音频率上略大于1,满足起振条件,而在更高的泛音频率上都小于1,不满足起振条件。在实际应用时,可在三点式振荡电路中,用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件,使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则,不能起振；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则,达到起振。图4.4.5（ａ）给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。假设泛音晶振为五次泛音,标称频率为５MHz,基频为１MHz,则ＬＣ1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样,在５MHz频率上,ＬＣ1回路呈容性,振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说,ＬＣ1回路呈感性,电路不符合组成法则,不能起振。图4.4.5并联型泛音晶体振荡电路及LC1(a)并联型泛音晶体振荡电路；(b)LC1回路的电抗特性C2C1LC3X01234567f/MHz(a)(b)４．串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中,利用其串联谐振时等效为短路元件,电路反馈作用最强,满足振幅起振条件,使振荡器在晶振串联谐振频率ｆs上起振。图4.4.6（ａ）给出了一种串联型单管晶体振荡器电路,（ｂ）是其高频等效电路。这种振荡器与三点式振荡器基本类似,只不过在正反馈支路上增加了一个晶振。Ｌ,Ｃ1,Ｃ2和Ｃ3组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。图4.4.6串联型晶体振荡电路Rb1CbReC1C2UCCR(a)Cc20kRb22.2kC3300pL3.81600p680C1C2C3L(b)ReC4.5.1变容二极管变容二极管是利用ＰＮ结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种压控电抗元件。变容二极管的符号和结电容变化曲线如图4.5.1所示。变容二极管结电容可表示为:nBjjUuCC1)0(4.5压控振荡器(4.5.1)其中ｎ为变容指数,其值随半导体掺杂浓度和ＰＮ结的结构不同而变化,Ｃj（0）为外加电压u＝０时的结电容值,UB为ＰＮ结的内建电位差。变容二极管必须工作在反向偏压状态,所以工作时需加负的静态直流偏压－UQ。若交流控制电压uΩ为正弦信号,变容管上的电压为:u=-(UQ+uΩ)=-(UQ+UΩmcosΩt)图4.5.1变容二极管(a)符号；(b)结电容-电压曲线t0u－u00CjCj(t)Cj(0)CjQUQUmt(a)(b)代入式(4.5.1),则有:njQnQBjQjtmCUUuCC)cos1(1其中静态结构电容nBQjjQUUCC1`)0(结电容调制度1QBmUUUm4.5.2变容二极管压控振荡器将变容二极管作为压控电容接入ＬＣ振荡器中,就组成了ＬＣ压控振荡器。一般可采用各种形式的三点式电路。需要注意的是,为了使变容二极管能正常工作,必须正确地给其提供静态负偏压和交流控制电压,而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰,所以,在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容、隔直流电容等。无论是分析振荡器还是压控振荡器都必须正确画出振荡器的直流通路和高频振荡回路。对于后者,还须画出变容二极管的直流偏置电路与低频控制回路。例4.6说明了具体方法与步骤。例4.6画出图例4.6(a)所示中心频率为360MHz的变容二极管压控振荡器中晶体管的直流通路和高频振荡回路,变容二极管的直流偏置电路和低频控制回路。解:画晶体管直流通路,只需将所有电容开路、电感短路即可,变容二极管也应开路,因为它工作在反偏状态,如图(b)所示。画变容二极管直流偏置电路,需将与变容二极管有关的电容开路,电感短路,晶体管的作用可用一个等效电阻表示。由于变容二极管的反向电阻很大,可以将其它和它相连的电阻作近似处理。如本例中变容二极管的负端可直接与15V电源相接,见图(c)。1000pC41pC1R41000pC3R3470－15V0.5pC2Cj1000pC5R2R110Vu15V(a)＋15VR4R3－15V(b)15V10VR1R2LCjC2C1(c)(d)Cju(e)LCjR4图例4.6画高频振荡回路与低频控制回路前,应仔细分析每个电容与电感的作用。对于高频振荡回路,小电容是工作电容,大电容是耦合电容或旁路电容,小电感是工作电感,大电感是高扼圈。当然,变容二极管也是工作电容。保留工作电容与工作电感,将耦合电容与旁路电容短路,高扼圈开路,直流电源与地短路,即可得到高频振荡回路,如图(d)所示。正常情况下,不需画出电阻。判断工作电容和工作电感,一是根据参数值大小,二是根据所处的位置。电路中数值最小的电容(电感)和与其处于同一数量级的电容(电感)均被视为工作电容(电感),耦合电容与旁路电容的值往往要大于工作电容几十倍以上,高扼圈的值也远远大于工作电感。另外,工作电容与工作电感是按照振荡器组成法则设置的,耦合电容起隔直流和交流耦合作用,旁路电容对电阻起旁路作用,高扼圈对直流和低频信号提供通路,对高频信号起阻挡作用,因此它们在电路中所处位置不同。据此也可以进行正确判断。对于低频控制通路,只需将与变容二极管有关的电感短路(由于其感抗相对较小),除了低频耦合或旁路电容短路外,其它电容开路,直流电源与地短路即可。由于此时变容二极管的等效容抗和反向电阻均很大,所以对于其它电阻可作近似处理。本例中1000pF电容是高频旁路电容,但对于低频信号却是开路的。图(e)即为低频控制通路。压控振荡器的主要性能指标是压控灵敏度和线性度。其中压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的增量,用Ｓ表示,即ufS(4.5.3)图4.5.2时变容二极管压控制震荡器的频率一电压特性。一般情况下，之一特性是非线性的，其非线性程度与变容制数和电路结构有关。在中心频率附近较小区域内线性较好，灵敏度也较高.图4.5.2变容二极压控振荡器的频率—电压特性ff00U【例4．7】在图例4.6(ａ)所示电路中,若调整Ｒ2使变容二极管静态偏置电压为－６Ｖ,对应的变容二极管静态电容ＣjQ＝２０ｐF,内建电位差UB＝０.６Ｖ,变容指数ｎ＝３。求振荡回路的电感Ｌ和交流控制信号uΩ为振幅UΩm=1V的正弦波时对应的压控灵敏度。解:由图例4.6（ｄ）可知,谐振回路总等效电容由三个电容串联而成,所以静态时总电容为jQQCCCC111121pF3279.02015.0111中心震荡频率MHzLCfQ360210所以HCfLQ596.0103279.0)103602(1)2(1122620312)cos6.611(1020)cos1(ttUUUCCnQBmjQjpFCj74.32)6.611(1020312maxpFCj10.13)6.611(1020312minpFCCCCj330.0/1/1/11max21max又所以MHzLCf87.35821maxmin0MHzLCf62.36121minmax0由MHzfff62.10max01MHzfff13.1min002pFCCCCj325.0/1/1/11min21min可求得压空灵敏度VMHzUfSm/62.111VMHzUfSm/13.122可见,正向和负向压控灵敏度略有差别,说明压控特性是非线性的。4.5.3晶体压控振荡器为了提高压控振荡器中心频率稳定度,可采用晶体压控振荡器。在晶体压控振荡器中,晶振或者等效为一个短路元件,起选频作用；或者等效为一个高Ｑ值的电感元件,作为振荡回路元件之一。通常仍采用变容二极管作压控元件。在图4.5.3所示晶体压控振荡器高频等效电路中,晶振作为一个电感元件。控制电压调节变容二极管的电容值,使其与晶振串联后的总等效电感发生变化,从而改变振荡器的振荡频率。图4.5.3晶体压控振荡高频等效电路CjC1300pC2470p晶体压控振荡器的缺点是频率控制范围很窄。图4．5．3所示电路的频率控制范围仅在晶振的串联谐振频率ｆs与并联谐振频率ｆp之间。为了增大频率控制范围,可在晶振支路中增加一个电感Ｌ。Ｌ越大,频率控制范围越大,但频率稳定度相应下降。因为增加一个电感Ｌ与晶振串联或并联,分别相当于使晶振本身的串联谐振频率ｆs左移或使并联谐振频率ｆp右移,所以可控频率范围ｆs～ｆp增大,但电抗曲线斜率下降。从图4.5.4中可以很清楚地说明这一点。图4.5.4串联或并联电感扩展晶振频率控制范围的原理C0CqLqLX0XLfpfssff(a)BB10BLfsfppfB2f(c)LqCqC0LX0fsfppff(b)在图4.5.4中,(a)图是串联电感扩展法原理。其中左图为等效电路,右图中两条虚曲线是晶振的电抗频率曲线,一条斜直虚线XL=ωL表示加入的电感L的电抗特性。由于晶振与L串联,所以两者的电抗频率曲线相加,就是扩展后的总电抗频率曲线,如两条实线所示。fs′是扩展后的串联谐振频率。(b)图是并联电感扩展法原理。左图为等效电路,右图中两条虚曲线是晶振的电抗频率曲线,三条实线是扩展后的电抗频率曲线,f′p是扩展后的并联谐振频率。由于分析并联关系采用电纳特性更加方便和清楚,故(c)图给出了(b)图对应的电纳频率曲线。图中两条虚线B1和B2是晶振的电纳频率曲线,另一条虚线BL=表示加入的电感L的电纳特性。L1由于晶振与L并联,所以两者的电纳频率曲线相加,就是扩展后的总电纳频率曲线,如两条实线所示。这两条实线变换到(b)图,即为扩展后的总电抗频率曲线。图4.5.5是应用串联电感扩展法原理的晶体压控振荡器实用电路。该电路中心频率约20MHz,频偏约为10kHz。图4.5.5晶体压控振荡器LC10k6800p5u4.7k47k2.4k3.9k24k62k510p51p6800p1k输出UEE4.6.1差分对管振荡电路在集成电路振荡器里,广泛采用如图4.6.1（ａ）所示的差分对管振荡电路,其中V2管集电极外接的ＬＣ回路调谐在振荡频率上。（