通信电子线路--高频第四章(新教材)振荡器

2）.集电极电源Ec提供的直流功率cmcccdcIEIEP003）.集电极输出基波功率RURIUIPcccc21211102121214）.效率0101102121ccccdcIEUIPP5）.集电极耗损功率Pc：)21(21101100cmcccccdccIEIUIEPPP可见：Pc也同导通角有关2.功率和效率ibicUcCMLRLECEbuiuiic的直流分量。R为谐振时呈现的电阻=Uc1/Ec为集电极的电压利用系数（二）调谐功放的动态分析1.晶体管的集电极动态特性如图列写输出回路方程tUEUcccecosccecUUEtcos)cos(tUUEGGUiirbbec•显然此为直线方程。•调谐放大器的负载是并联谐振回路，其等效负载是谐振阻抗R；•在输入ui及偏置一定时，R不同，其它各参数会随之而变。ibicUcCMLRLECEbuiui)(ccecirbcUUEUUEGi•过A，B两点作动态负载线如图。)(rbcUEGicosccibrccceUEUEUUEUB点：t=/2时：A点:t=时：Ec22cosccUE)cos1(cU0cicos=(U-Eb)/UicccceEtUEUcosEc22cosccUE)cos1(cUAB为动态负载线其斜率为1/RcB为动态负载线上假想的点只有导通角内才有icUce为Ec时为起点Ec•所以动态电阻(动态负载）为负载线斜率的倒数(由图得)cmccIUR)cos1(注意cmcccccIURIURRR)cos1(1而RIRIIURcmccmcc)cos1()cos1()cos1(11若选频回路两端电压：Uc=Ic1R(谐振时)•另外：Rc取决于回路的谐振阻抗R，并为半导通角的函数。Rc为动态负载R为谐振时呈现的电阻2．谐振电阻R对集电极电流的影响•为讨论方便，假定Ec、Eb、Ui不变，以ib为参变量折线化后的输出特性曲线如下页图:•（作出不同R时三条负载线）•由以上动态分析可知：•R变化——（Rc变）负载线斜率变化——使激励达到峰值时进入不同区（放大、饱和）——ic波形的变化——对各参数产生不同影响。RIRIRcmcc)cos1()cos1(11•此时，Uc1较小，管子工作在放大区，ic受输入控制，对应的ic为余弦脉冲。•由于电压利用系数小，称为欠压状态。因此，Po较大，但η不高。（2）R适中（负载线2）：•动态负载线恰为经过临界饱和线的拐点,此时Uc2较大，Icm减小不多。•此时，有较大的输出功率和较高的效率，称此为临界状态。（3）R较大时（负载线3）：此时管子工作在饱和区,ic受Uce的控制，称此为过压状态(曲线凹陷）R越大，凹陷越深。（1）R较小时（负载线1）：•在临界状态下，电压利用系数：ccescccoptEUEEU•在临界状态下，回路谐振阻抗为：cmcoptccoptIEIUR11•称为最佳负载电阻。很高，近似为1放大器的负载特性•负载特性：是指Eb、Ui及Ec不变时，调谐功放的输出电流、输出电压、功率、效率随回路谐振电阻R而变化的关系。•调谐功率放大器的负载特性如图：3.负载特性（1）电流IcoIc1及电压Uc随R的变化：（a）电流Ic：•随R的增大，略减小(管子特性曲线上翘部分决定），到临界状态为止。•R再增大(过压),Ic出现凹陷Ic(Ico、Ic1)下降较快。（b）电压Uc=RIc1:•欠压时：Ic1变化小，Uc几乎随R正比增加。•过压时：Ic1随R的增加明显下降，但R增大的趋势略超过Ic1减小的趋势，Uc随R缓慢增加。（2）功率和效率随R的变化曲线：（a）Po=Ic12R/2=UcIc1/2：•欠压时：RIc1(得较少)UcPo•过压时：RIc1(得多)Po•临界时：Po最大，故把此时的负载电阻Ropt称为最佳负载电阻。cmcoptccoptIEEUR1（b）Pdc=EcIco：•直流电源供给的功率Pdc欠压时：Ico变化小，Pdc基本不变。过压时：ic凹陷，Pdc下降得快。•集电极耗散功率Pc欠压时：RPoPc过压时：Pc下降减缓。（C）集电极效率c：欠压时：RPoPdcc过压时：RIco,Ic1c(略上升）与Uc相同.dcPP0第四章正弦振荡器第六节RC振荡器第一节反馈振荡器的基本原理第二节三点式LC振荡器第三节石英晶体振荡器第四节压控振荡器第五节集成电路振荡器概述•振荡器功能：无须外加信号控制，本身能将直流电能转换为指定频率和波形的电信号。（自激振荡）振荡器分类：分为正弦振荡器和非正弦振荡器一、按振荡波形分：分为高频振荡器和低频振荡器二、按频率分：三、按振荡原理分：分为反馈型振荡器和负阻型振器分为LC振荡器和RC振荡器四、按选频回路分：对振荡器性能的要求：1．振荡频率和频率稳定度2．振荡幅度和振荡稳定度3．波形纯度好振荡器的组成（三部分）：1．控制能量转换的有源器件2．具有正反馈的选频回路3．能稳幅的限幅电路（通常由有源器件本身完成）•下面首先分析振荡器的基本理论，然后据前述性能要求对各种振荡器进行讨论。第一节反馈振荡器的基本原理一、谐振回路的自由振荡：1）当K闭合时：i(t)向谐振回路充电。2）当K断开时：将发生瞬态过程。iSRCLu(t)tu(t)•零输入时：节点电流方程为0)(1)()(dttuLdttduCRtu衰减系数：谐振频率：LC10RC21当0，则回路将产生自由振荡。e-t振荡电压为：teCItutsin)(0•此为振幅衰减的正弦波。•衰减的原因：有损耗电阻的存在。RC21•当=0时，则回路产生等幅振荡。方法：（1）不断的补充能量。（正反馈）（2）加入负导或负阻，以抵消损耗。tu(t)第一节反馈振荡器的基本原理二、振荡的必要条件:由图，正反馈时有。isfsiABUUUUU反馈振荡器方框图ABAABUUUUUAiiosof1一、反馈振荡器的构成：1、控制能量转换的有源器件。2、具有正反馈的选频网络。3、稳幅电路。•因此正反馈是振荡的必要条件。01AB--------巴克豪森条件。•若AB=1，1-AB=0，Af;•即使Us=0，无外加信号，也有Uo，环路内部达到能量平衡，此时反馈放大器成为振荡器。ABAUUAsof1ABAAf1为什么？•下面以互感耦合LC振荡器为例来具体讨论：•如果不看反馈电路，它就是典型的调谐放大器;•输入信号Ui经过放大在LC两端输出Uo。•当谐振时Uo与Ui反相，经过互感耦合在次级得到反馈电压Uf。•按图Uf=Ui，形成了正反馈，环路构成了自激振荡器。图4-3互感耦合LC振荡器反馈振荡器的基本原理(续)•由上述分析可以提出如下问题：如果没有信号输入能否产生振荡？振荡信号是哪里来的？１．输入信号很小，则振荡幅度也小，能否满足振荡要求？２．系统振荡后能否稳定？问题振荡器的起振条件振荡器的稳定条件仿真二、振荡器的起振过程和起振条件•起振条件：iifUABUU•即AB1，分成幅频、相频后得：1ABnba2•表明补充能量消耗能量表明是正反聩。动画4-1起振条件：振幅条件相位条件平衡条件：振幅条件相位条件稳定条件：振幅条件相位条件|AB|=1φA+φB=2nπ(n=0,1,2…)|AB|1φA+φB=2nπ(n=0,1,2…)＜０BAiUA10dd•起振、平衡、稳定三个条件缺一不可。2．短期稳定度：主要取决于电源电压，环境温度及电路参数的不稳定。——用于评价通信测量设备（一天之内）（三）振荡器的频率稳定度：•频率稳定度是衡量振荡器的重要指标；•根据测试时间的长短分为：1．长期稳定度：主要取决于电路器件的老化。——用于天文台或计量部门（一天以上）3．瞬间稳定度：主要取决于有源器件和电路内部噪声。——用于衡量设备的瞬时稳定度（一秒以内）提高稳定度的措施，主要从两方面着手：•减小外界因素的变化；•提高电路本身抵抗外界因素影响的能力。1．减小外界因素变化的影响：可采用稳压、温补、恒温、屏蔽等方法。2．提高电路抵抗外界因素变化影响的能力：（1）提高电路的标准性。（2）选取合理的电路形式。第二节三点式LC振荡器前述的LC互感耦合振荡器特点:•优点：电路简单，易起振等；•缺点：频稳度较低（和晶体管参数有关），振荡频率不高。•为解决上述问题：•目前分立电路中采用较多的是三点式LC振荡器。•本节就典型的三点式振荡器进行分析和讨论。三点式LC振荡器IIbIC•设LC回路由纯电抗元件组成：•回路谐振时呈纯阻性，电抗为零.即:Xbc+Xce+Xbe=0即:-Xbc=Xce+XbeocebebcbeobefUXXXXjUjXU)(•回路纯阻时（如图），Uf与Uo反相（晶体管的输入、输出）•Xbe与Xce必须为同等性质电抗，而Xbc为异性电抗。一、三点式电路的组成法则所谓三点式振荡器：指LC回路的三个端点分别接在晶体管三个极而组成的振荡器。•在三点式电路中，LC回路中与发射极相连的两个电抗元件(Xbe、Xce)必须为同性质；另一个电抗元件必须为异性质。即(1)Xbe和Xce性质相同。(2)Xbc性质与Xbe和Xce相反。•此为三点式电路的组成法则(三点式振荡器的相位平衡法则)•当Xbe、Xce为电容时，称电容三点式振荡器，也称科皮兹（Colpits）振荡器；•当Xbe、Xce为电感时，称电感三点式振荡器，也称哈特莱（Hartley）振荡器。结论：二、电容三点式振荡器•电路组成：•Lc高频扼流圈，通直隔交提供直流通路；•CB隔直通交。使交、直流不致相互短路。•C1、C2、L为LC回路，满足三点式电路的组成法则。1．交流通路（如图）•满足相位平衡准则，即满足了相位条件；•只要再满足振幅条件，即可正常工作。2．振荡频率和振荡条件：•振荡器平衡状态下，可采用大信号等效电路，晶体管用平均参数表示。LC1C2C2C1LGieG0eGmIb/GieGoeIIbICEcRb1Rb2ReCBC2C1CeLLc•其中将流源转换成压源iebmimGIGUGoeiebmGGIG由图列出回路方程：0)11(1101)11(01)11(21121122ICjCjLjICjICjICjICjGIGGGICjICjGcbcoebieoembie•上式为线性齐次方程组：•Ib、Ic、I不为0的充要条件是系数行列式D=0；•即：待求的特征方程D=0；它的实部和虚部均为0。C2C1LGieG0eGmIb/GieGoeIIbIC+-•令D的虚部等于0，可求出振荡频率：212102111CCCCCLCCCGGLCoeie其中•显然，振荡器工作时，LC回路处于失谐状态，但通常211CCGGLCoeieLC10•令D的实部等于0，可得振荡平衡条件：2112CCGCCGGieoem•由此可求出起振条件：min2112mieoemgCCGCCGg(gm)min~起振所需的最小跨导。C1与、C2的串联•根据等效电路,可求得：211201)(1)(CCCjIICjIIUUBcbf•起振条件可改写为BgBggieoem1•一般说来：有利起振，但这是有条件的，其条件是gie对LC回路的作用小到可忽略的程度，同时电感电阻r极小，此时；如果gie较大，则起振条件中的第二项不可忽略，此时，反而不易起振。B12CCggoemB结论：C2C1LGieG0eGmIb/GieGoeIIbICUfU0++--令求得最佳反馈系数0)(minBdgdm)31~~71(ieoeoptggB•在以上推导中，认为r=0,若考虑r0（有损耗时），则起振条件应为：2121')(CCgCCGg