高频电子线路第4章

高频电子线路清华大学出版社2012.6高频正弦波振荡器在通信系统中起何作用？本章导读反馈型正弦波振荡器如何构成？它的工作应满足什么条件？如何识别常用正弦波振荡器类型并判断能否正常工作？频率稳定度与哪些因素有关？如何提高频率稳定度？为什么晶体振荡器的频率稳定度很高？它如何构成？第四章正弦波振荡器反馈振荡器必须满足的起振、平衡和稳定三个条件。三点式振荡器的组成原则。电容三点式改进型电路。晶体振荡器的构成和特性。正弦波振荡器振荡器没有外加激励信号，而自动地将直流电源产生的能量转化为具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号。振荡器一般由晶体管等有源器件和具有选频能力的无源网络所组成。放大器输入为外加激励信号，直流能量转换为按信号规律变化的交流能量的电路。4.1反馈振荡器的振荡条件分析4.1.1反馈振荡器振荡的基本原理反馈振荡器的原理框图如图4.1所示。反馈振荡器是由放大器和反馈网络所组成的一个闭环环路，其中反馈网络由无源器件组成。图4.1反馈振荡器的原理框图与放大器不一样，反馈振荡器没有外加激励信号，其最初的激励是在接通电源时，电路中存在各种电扰动和热噪声等，这些小扰动的幅度很小，具有很宽的频谱。为了使放大器的输出为一个固定频率的正弦波，则闭环环路必须含有选频网络，通过选频网络从很宽的频谱资源中选出需要的工作频率，而将其余的频率分量抑制掉，因此反馈振荡器还必须有选频网络。一个反馈振荡器要正常的工作，必须满足三个条件：起振条件、平衡条件以及稳定条件。4.1.2振荡器的起振条件和平衡条件在图4.1所示的电路中，在“×”处断开，定义环路的闭环增益为fiUTAFU1．起振条件为了使振荡器的输出振荡电压在接通直流电源后由小增大，则要求反馈电压幅度必须大于输入信号幅度，反馈电压相位必须与放大器输入相位相同，也就是要求是正反馈，即1T振幅起振条件T2n相位起振条件在起振的开始阶段，振荡的幅度还很小，电路尚未进入非线性区，振荡器可以作为线性电路来处理，即可用小信号电路等效模型分析起振条件。2．平衡条件振荡幅度的增长过程不会一直无止境地进行下去，当反馈信号正好等于输出电压所需的输入电压时，振荡幅度不再增大，电路进入平衡状态。则振荡的平衡条件为1T振幅平衡条件T2n相位平衡条件综上所述，反馈振荡器既要满足起振条件，又要满足平衡条件，其中起振与平衡的相位条件都是满足正反馈的要求。而对于振幅起振与平衡条件，则要求振荡电路的环路增益具有随振荡器的输入电压的增加而下降的特性，如图4.2所示。图4.2满足起振与平衡条件的环路增益特性起振时，T1，Ui迅速增大，随着振荡幅度的增大，T下降，Ui的增长速度变缓，直到T=1，Ui停止增长，振荡进入平衡状态，在相应的平衡振幅UiA上维持等幅振荡，因此将A点称为振幅平衡点。由于反馈网络为线性网络，反馈系数为常数，因此只要放大器的放大特性满足图4.2所示曲线关系就满足了起振与平衡条件了。由于放大器在小信号工作时是线性状态，增益大；而随着输入信号的增大，放大器工作在截止区与饱和区，进入非线性状态，此时的输出信号幅度增加有限，即增益将随输入信号的增加而下降。因此一般放大器的增益特性曲线均满足图4.2所示的形状。4.1.3振荡平衡的稳定条件振荡器在工作时，不可避免地要受到各种外界因素变化的影响，如温度改变、电源电压波动等，这些变化将使放大器的放大倍数和反馈系数改变，破坏了原来的平衡条件，对振荡器的正常工作将产生影响。如果通过放大与反馈的不断循环，振荡器能够在原平衡点附近建立起新的平衡状态，则原平衡点是稳定的，否则原平衡点是不稳定的。下面分别对振幅稳定条件与相位稳定条件进行讨论。1．振幅稳定条件振幅稳定条件是指振荡器的工作状态在外界各种干扰的作用下偏离平衡状态时，振荡器在平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体地讲，在振幅平衡点上，当不稳定因素使振荡幅度增大时，环路增益的模值应减小，使反馈电压振幅Uf减小，从而阻止Ui增大；当不稳定因素使振荡幅度减小时，环路增益的模值应增大，使反馈电压振幅Uf增大，从而阻止Ui减小。因此要求在平衡点附近，环路增益的模值随Ui的变化率为负值，即振幅稳定条件为iiAi0UUTU2．相位稳定条件相位平衡的稳定条件是指相位平衡遭到破坏时，电路本身能够建立起相位平衡的条件。由于正弦信号的角频率ω与相位φ的关系为ddtdt此相位的变化会引起角频率的变化，角频率的变化也会引起相位的变化。图4.3所示是满足相位稳定条件的回路的相频特性。图4.3满足相位稳定条件的回路的相频特性相位稳定条件4.1.4反馈振荡器的判断反馈振荡器是由放大器与反馈网络所构成的闭环系统，其必须满足起振、平衡和稳定三个条件，判断一个电路能否正常工作，应分别从振幅与相位两个方面予以讨论。1、振幅条件由于放大器件一般都是满足图4.2所示的振幅特性，故平衡与稳定的振幅条件都是满足的，仅需对起振的振幅条件进行讨论。(1)在起振时，放大器应具有正确的直流偏置，开始时应工作在甲类状态。(2)开始起振时，环路增益T应大于1；由于反馈网络F是一个常数，且小于1，因此要求放大器的增益A大于1；对于共射或者共基组态的放大器，负载设计合理，可以满足这一要求。(1)对于放大器的起振与平衡的相位条件，都是要求环路是正反馈。2．相位条件(2)对于平衡的稳定条件，要求环路应具有负斜率的相频特性曲线。由于工作频率范围仅在振荡频率点附近，故可认为放大器本身的相频特性为常数，且反馈网络一般由电感分压器、电容分压器组成，其相频特性也可视为常数，因此相位平衡的稳定状态负斜率的相频特性就由选频网络实现。由第1章的知识可知，对于LC并联谐振网络的阻抗特性以及LC串联谐振回路的导纳特性都具有负斜率的相频特性，而对于LC并联谐振网络的导纳特性以及LC串联谐振回路的阻抗特性都具有正斜率的相频特性。【例4.1】图4.4所示为一LC振荡器的实际电路，图中反馈网络是由电感L和L1之间的互感M来实现，称之为LC互感耦合振荡器，其中电容Cb为耦合电容，电容Ce为高频旁路电容，都为大电容。画出交流等效电路，分析该电路满足正反馈时其同名端的位置。图4.4例4.1图CUCCMRb1Rb2CbCeReLL1解：耦合电容和高频旁路电容在高频时作为短路处理；LC并联回路其接电源的一端作为接地处理；基极偏置电阻交流等效为，但该电阻与晶体管be结电阻相比很大，此处作为断路处理。ML1CL+—++(b)该LC互感耦合振荡器的交流等效电路如图4.4(b)所示，根据瞬时极性法，当电路满足正反馈时，其同名端如图4.4(b)所示。4.1.5频率稳定度1、频率稳定度的定义尽管振荡器在满足平衡状态的稳定条件下，当受到外界不稳定因素的影响时能够自动回到平衡状态，但振荡频率在平衡点附近随机变化却是不可避免的。频率稳定度就是衡量实际振荡频率偏离于标称振荡频率的一个程度，是振荡器的一个很重要的性能指标。01fff相对频率偏差为：0010fffff频率稳定度在数量上通常用频率偏差来表示。频率偏差是指振荡器的实际频率和标称频率之间的偏差。它可分为绝对偏差和相对偏差。设是标称频率，是实际工作频率，则定义绝对频率偏差为：根据测试时间的的长短，将频率稳定度分为长期频率稳定度、短期频率稳定度以及瞬时频率稳定度。一般所说的频率稳定度主要是指短期频率稳定度，而且由于引起频率不稳的因素很多，一般所指的频率稳定度的大小是指在各种外界条件下频率变化的最大值。长期频率稳定度：一般指一天以上以致几个月的时间间隔内的相对变化，其主要取决于元器件的老化特性。短期频率稳定度：一般指一天以内，以小时、分钟或秒计的时间间隔内频率的相对变化。其主要取决于电源电压、环境温度的变化等。瞬时频率稳定度：一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变化，这种频率变化一般都具有随机性质。其主要取决于元器件的内部噪声，衡量时常用统计规律表示。2.提高频率稳定度的措施振荡器的频率稳定度是极重要的技术指标。因为通信、电子测量仪器等的频率是否稳定，取决于这些设备中的振荡器的频率稳定度。比如通信系统的频率不稳，就可能使所接收的信号部分甚至完全收不到，另外还有可能干扰原来正常工作的邻近频道的信号。1)减小外界因素变化的影响采用高稳定度直流稳压电源以减少电源电压的变化；采用恒温或者温度补偿的方法以抵消温度的变化；采用金属罩屏蔽的的方式减小外界电磁场的影响；采用密封、抽空等方式以削弱大气压力和湿度变化的影响等。由前述可知，引起频率不稳定的原因是外界各种环境因素如温度、湿度、大气压力等的变化会引起回路元件、晶体管输入输出阻抗以及负载的变化，从而对谐振回路的参数以及品质因数Q值产生影响，因此欲提高振荡频率的稳定度，可以从两方面入手：2)提高回路的标准性谐振回路在外界因素变化时保持其谐振频率不变的能力称为谐振回路的标准性，回路的标准性越高，频率稳定度越好。由于振荡器中谐振回路的总电感、总电容包括回路电感、回路电容、晶体管的输入输出电感、电容以及负载电容等，因此，欲提高谐振回路的标准性可采取以下措施：(1)用温度系数小或者选用合适的具有不同温度系数的电感器和电容器；(2)注意选择回路与器件、负载的接入系数以削弱器件、负载不稳定因素对回路的影响；(3)实现元器件合理排列，改善安装工艺、缩短引线，加强引线的机械强度；元件与引线安装牢固，可减小分布电容和分布电感及其变化量。(4)回路的品质因数Q值越大，则回路的相频特性曲线在谐振点的变化率越大，其相位越稳定，从相位与频率的关系可得，此时的稳频效果越好，因此需选择高Q值的回路元件。4.2LC三点式正弦波振荡器以LC谐振回路为选频网络的反馈振荡器称为LC正弦波振荡器，常用的电路有互感耦合振荡器和三点式振荡器。互感耦合振荡器是以互感耦合方式实现正反馈，其振荡频率稳定度不高，且由于互感耦合元件分布电容的存在，限制了其振荡频率的提高，只适合于较低频段。三点式振荡器是指LC回路的三个电抗元件与晶体管的三个电极组成的一种振荡器，使谐振回路既是晶体管的集电极负载，又是正反馈选频网络，其工作频率可达到几百兆赫兹，在实际中得到了广泛的应用。4.2.1三点式振荡器的电路组成法则三点式电路的基本结构如图4.5所示。0cbecebXXX＋jXbejXcejXbc＋——iUcUFU——＋——I则电路中三个电抗元件不能同时为感抗或容抗，必须由两种不同性质的电抗元件组成。图4.5三点式电路结构要产生振荡，电路应首先满足相位平衡条件，即电路构成正反馈，此时LC回路中三个电抗元件的性质应满足一定的条件。为了便于分析，这里略去晶体管的电抗效应。设LC回路由三个纯电抗元件构成，其电抗值分别为Xbe、Xce和Xbc，当回路谐振时，回路等效阻抗为纯电阻，则当回路谐振时，放大器的输出电压与输入电压反相，为了满足正反馈的条件，则反馈电压需要与输出电压反相，这样与的相位才能相同，使电路满足正反馈条件。一般情况下，回路的Q值很高，因此回路的谐振电流远大于晶体管的基极、集电极、发射极电流，这里忽略晶体管基极、集电极与发射极电流，则由图4.5有CUIUFUCUIUCUIbeFIXIjUUceCXIjU要满足放大器的输出电压与输入电压反相，要求Xbe、Xce为同性质电抗元件，即同为电感或同为电容，而Xbc则须为异性质电抗元件。CUIU综上所述，从相位平衡条件判断三点式振荡器能否振荡的原则是：与发射极相连的为同性质电抗元件，不与发射极相连的为异性质电抗元件。为了便于记忆，可将上述规则简单的记为“射同它异”。三点式振荡器有两种基本的电路形式：与发射极相连同为电容的，称为电容三点式振荡器，也称考必兹(Colpitts)振荡器，如图4.6(a)所示；与发射极相连同为电感的，称为电感三点式振荡器，也称哈特莱(Hartley)振荡器，如图4.6(b)所示。(a)(b)图4.6三点式振荡器的两种基本形式【例4.2】在图4.7所示电路中，两个LC并联回路的谐振频率分别是和，求振荡频率f0与f1、f2的关系。11