负阻振荡器

3.7※负阻振荡器负阻振荡器：利用负阻器件抵消回路中的正阻损耗，产生自激振荡的振荡器。由于负阻器件与回路仅有两端连接，故负阻振荡器又称为“二端振荡器”。3.7.1负阻器件的基本特性一、负阻的概念常见的电阻，不论线性电阻还是非线性电阻，都属于正电阻。其特征是流过电阻电流越大，其电阻两端的电压降也越大，消耗功率也越大，如图3.7.1（a）所示。三者的关系为PIV这里VIR3.7.1图3.7.1电阻器件的伏安特性（a）正电阻器件（b）电压控制型负阻器件(c)电流控制型负阻器件负电阻是流过其间的电流越大，电阻两端电压越小，故电流、电压增量的方向相反，两者的乘积为负值，如图3.7.1（b）、(c)所示：VIR3.7.1正功率表示能量的消耗，负功率表示能量的产生，即负阻器件在一定条件下，不但不消耗交流能量，反而向外部电路提供交流能量，当然该交流能量并不存在于负阻器件内部，而是利用其能量变换特性，从保证电路工作的直流能量中取得。所以负阻振荡器同样是一个能量变换器。1、电压控制型器件（图3.7.1（b）），也称为N型负阻器件，其电流为电压的单值函数，具有这种特性的器件有隧道二极管、共发射极组态的某种点接触三极管和真空四极管等。3.7.1负阻器件有两种类型：图3.7.1（b）电压控制型器件2、电流控制型器件（图3.7.1(c)），也称为S型负阻器件，其电压为电流的单值函数，属于这一类的器件有单晶体管、硅可控整流器和弧光放电管等。从两种负阻器件的伏安特性可以看出，在它们各自的AB段，电流、电压均呈负斜率的关系。图3.7.1(c)电流控制型器件以隧道二极管为例:在图3.7.2所示的伏安特性曲线中，若将静态工作点设置在伏安特性的负斜率区，则直流电阻RooVRI微变（增量）电阻:2121VVVrIII可见，尽管器件的微变电阻是负值，但其直流电阻仍是正值，这说明负阻器件起着从直流电源中获取能量并将其转换成交变能量的作用。显然，负阻器件是指它的微变（增量）电阻为负值的器件。3.7.1图3.7.2隧道二极管特性二、负阻器件的特性Q当在点加上微弱的正弦电压（如图3.7.3所示）sinimVt时，则sinQiQmVVVt3.7.1图3.7.3隧道二极管特性在忽略失真的情况下，通过管子的电流为sinQiQmiIiIIt其中，ii是增量电流，其值为()()sinsiniininmmiggVtItr式中，mmnmVIgVr，1ngr是隧道二极管在静态工作点上的微变（增量）电导，其值为负（ng为正值）。因此，加到器件上的平均功率为0011(sin)(sin)TTQmQmPidtVVtIItdtTT222mmmnQQQQVIVgVIVI式中，QQVI表示直流电源供给器件的平均功率；22mnVg表示器件给出的交流功率。3.7.1由于mQVV，mQII，则0P因此，负阻器件本身总是消耗功率的，它所以能够通过负电导给出交流功率，是由于它具有将直流功率的一部分转换为交流功率的作用。由图3.7.3知，当器件在小信号工作时，ng为定值。当器件在大信号工作时，通过器件的电流波形是非正弦的，如图3.7.4（a）所示。图3.7.4隧道二极管工作在大信号时的特性（a）电流波形（b）平均电导特性3.7.1在这种情况下，为了表示器件的负阻特性，引入参数（)()navg称为平均负增量电导。()navg的定义：i中基波电流振幅与外加正弦电压振幅的比值。可见，当静态工作点一定时，随着输入电压的增大，电流正、负半周的顶部出现凹陷，并且不断加深，因此，基波电流分量的增长逐步趋缓，结果使()navg减小，如图3.7.4（b）所示。3.7.2负阻振荡器负阻（Negative－Resistance）振荡器是采用负阻器件与LC谐振回路共同构成的一种正弦波振荡器，主要工作在100MHZ以上的超高频段。一、负阻振荡原理1.组成条件：•（1）负阻器件和LC选频网络组成；•（2）建立合适静态工作点；•（3)负阻器件与LC回路正确连接；3.7.22、电压控制型负阻振荡器负阻器件与LC回路并联连接，如图3.7.5所示，图中1()eoeogR为谐振回路的固有谐振电导，()navg为负阻器件的平均增量负电导。该电路的齐次微分方程为：10edCdtgdtL图3.7.5负阻振荡原理图式中()eeonavggg当12eogC时，对上式求解得：()cos()totAetA和为由起始条件决定的常数。12egC其中，22oo1oLC可以证明该电路的振幅起振条件为：neogg平衡条件为()10eonavoscoscggjCjL()eonavgg1oscoLC振荡角频率振幅稳定条件为()0navmgV3.7.2或相位稳定条件则依靠并联谐振回路具有负斜率变化的相频特性予以保证。3、电流控制型负阻振荡器：单结晶体二极管的伏安特性如图3.7.6（a）所示。负阻器件串接在谐振回路中，以保证加到负阻器件的电流控制量是正弦的，如图3.7.6（b）所示，。此时，器件的负阻特性应由平均负电阻表示。()navr3.7.2图3.7.6电流控制型负阻振荡原理图（a）伏安特性（b）负阻振荡器原理电路振幅稳定条件为：()0navmrI相位稳定条件则依靠串联谐振回路具有负斜率变化的相频特性予以满足。3.7.2采用同样的分析方法可以得到它的起振条件：neorr平衡条件为：()10eonavoscoscrrjLjC或()eonavrr1oscoLC（振荡角频率）二、负阻振荡器电路为保证振荡器的正常工作，电流型负阻器件应与串联谐振回路相连接；电压型负阻器件则应与并联谐振回路相连接。图3.7.7（a）所示是电压控制型负阻振荡器的实用电路。图中，DDV、1R2R、组成隧道二极管的直流供电电路，提供合适的静态工作点Q；1C是高频旁路电容，用来避免直流供电电路对回路eQ的影响，L和C是谐振回路的电感和电容，LR为负载电阻。图3.7.7（b）是高频等效电路，nr和nC为隧道二极管的等效负电阻和电容，//LLeoRRR为等效负载，eoR为回路的固有谐振电阻；3.7.2在上述电路中，1R、2R取值应保证直流负载线与隧道二极管伏安特性的交点（静态工作点Q）处于负阻区，如图3.7.7（c）中的直线Ⅰ，图中212DDODDRVVRR12//RRR3.7.2图3.7.7所示是电压控制型负阻振荡器（a）实用电路（b）高频等效电路（c）伏安特性1R2R如果、取值过大，则直流负载线（图中所示直线Ⅱ）与伏安特性就有三个交点，就会引起静态工作点的不稳定，例如，若原先工作在Q点，由于偶然因素使QI有增大，工作点就会迅速地移到Q，反之QI稍有减小，工作点将迅速地移到Q，它们都处于伏安特性的正阻区，从而导致振荡器停振。该电路的起振条件是LnRr平衡条件()LnavRr振荡频率近似为1()oscnfLCC3.7.2