第5章正弦波振蕩器.ppt

5 5 3電感三點(diǎn)式振蕩器 哈特萊振蕩器5 5 4電容三點(diǎn)式與電感三點(diǎn)式振蕩器比較5 5 5改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器5 6振蕩器頻率穩(wěn)定度5 6 1頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度5 6 2頻率穩(wěn)定度分析5 6 3提高頻率穩(wěn)定度措施 5 7石英晶體振蕩器5 7 1并聯(lián)型石英晶體振蕩器5 7 2串聯(lián)型石英晶體振蕩器 振蕩器 就是自動(dòng)地將直流能量轉(zhuǎn)換為具有一定波形參數(shù)的交流振蕩信號(hào)的裝置 和放大器一樣也是能量轉(zhuǎn)換器 它與放大器的區(qū)別在于 不需要外加信號(hào)的激勵(lì) 其輸出信號(hào)的頻率 幅度和波形僅僅由電路本身的參數(shù)決定 振蕩器分類 正弦振蕩 低頻正弦振蕩器高頻正弦振蕩器微波振蕩器 非正弦波振蕩器 矩形波振蕩器三角波振蕩器鋸齒波振蕩器 5 1概述 應(yīng)用范圍 在發(fā)射機(jī) 接收機(jī) 測(cè)量?jī)x器 信號(hào)發(fā)生器 計(jì)算機(jī) 醫(yī)療 儀器乃至電子手表等許多方面振蕩器都有著廣泛的應(yīng)用 主要技術(shù)指標(biāo) 1 振蕩頻率f及頻率范圍 2 頻率穩(wěn)定度 調(diào)頻廣播和電視發(fā)射機(jī)要求 10 5 10 7左右標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源 10 6 10 12要實(shí)現(xiàn)與火星通訊 10 11要為金星定位 10 123 振蕩的幅度和穩(wěn)定度 4 頻譜 殘波輻射 討論內(nèi)容 從振蕩原理入手研究振蕩器判據(jù) 尋求振蕩條件的分析方法 討論各種振蕩電路 基本線索是振蕩器的頻率穩(wěn)定度 右圖是反饋放大器的方框圖 由該圖知 5 2 1 當(dāng)放大器接成負(fù)反饋時(shí) 5 2 1式中取正號(hào) 當(dāng) 負(fù)反饋?zhàn)兂勺约ふ袷幤?其 振幅條件為 5 2反饋振蕩器 反饋放大器方框圖 相位條件為 而振蕩器往往直接引入的正反饋 如上圖 號(hào)所示 此時(shí)式5 2 1式變?yōu)?5 2 2 當(dāng)其 時(shí) 就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩 其 振幅條件為 相位條件為 要使振蕩器能夠起振 在剛接通電源后 當(dāng)達(dá) 到平衡時(shí) 這就是振蕩器振幅平衡條件 5 3振蕩器的分析方法 分析振蕩器有兩種方法 即瞬態(tài)分析法和穩(wěn)態(tài)分析法 這里只介紹穩(wěn)態(tài)分析法 穩(wěn)態(tài)分析方法考慮問(wèn)題的基礎(chǔ)是 振蕩器在起振時(shí)是小信號(hào) 屬于線性電路 因此 可按線性電路的分析方法來(lái)處理 而振蕩器在平衡時(shí)雖屬大信號(hào)非線性電路 但是對(duì)基波而言則屬準(zhǔn)線性電路 當(dāng)引入平均參數(shù)后 即可按線性電路來(lái)近似處理 使問(wèn)題的分析得到簡(jiǎn)化 所以穩(wěn)態(tài)分析法是適應(yīng)在線性理論基礎(chǔ)之上的 由前面分析可知 正反饋是產(chǎn)生自激振蕩的必要條件 而正反饋只是反饋放大器的特殊形 式 我們?cè)噲D將振蕩器與反饋放大器聯(lián)系起來(lái) 如圖所示 根據(jù)反饋理論 整個(gè)反饋放大器的 閉環(huán)增益 Af s 為 5 3 1 其中 為放大器的電壓增益為反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù) 反饋放大器 為開環(huán)電壓增益為反饋放大器的特征多項(xiàng)式 由式5 3 1可知 若令UL s 0 則Af s 趨于無(wú)窮 就是說(shuō)在沒有輸入信號(hào)激勵(lì)的情況下 就能自動(dòng)地將直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量 因此 我們說(shuō)振蕩器是反饋放大器的特殊形式 這是穩(wěn)態(tài)分析方法的基本依據(jù) 5 3 2 這就是反饋放大器的特征方程 解此方程就可得振蕩頻率 振幅平衡條件和起振條件 所謂巴克好森準(zhǔn)則 矩陣法 欲滿足振蕩條件就必須 網(wǎng)孔電流法等都是以此為基礎(chǔ)的 其基本步驟是 1 畫出交流等效電路2 畫出Y參數(shù)等效電路 3 求出特征方程D s 0 4 由Re D s 0求振幅平衡條件 Im D s 0求振蕩頻率 5 微變參數(shù)代替平均參數(shù)求得起振條件 5 4互感耦合振蕩器 振蕩器分類 互感耦合振蕩器石英晶體振蕩器三點(diǎn)式振蕩器 電感反饋振蕩器電容反饋振蕩器 基本型克拉潑振蕩器西勒振蕩器 5 4 1單管互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器 或變壓器反饋振蕩器 又稱為調(diào)諧型振蕩器 根據(jù)回路 選頻網(wǎng)絡(luò) 的三極管不同電極的連接點(diǎn)又可分為集電極調(diào)諧型 發(fā)射極調(diào)諧型和基極調(diào)諧型 如圖5 4 1所示 這里我們只討論集電極調(diào)諧型 而集電極調(diào)諧型又可 分為共射和共基兩種類型 均得到廣泛應(yīng)用 兩者相比 共基電路的功率增益較小 輸入阻抗較低 所以難于起振 但截止頻率較高 此外 共基電路內(nèi)部反饋比較小 工作比較穩(wěn)定 三種互感耦合振蕩器 以上三種電路 變壓器的同名端如圖所示 它必須滿足振蕩的相位條件 在此基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)節(jié)反饋量M以滿足振蕩的振幅條件 下面利用 切環(huán)注入法 判斷電路是否滿足相位條件 1 在電路中某一個(gè)合適的位置 往往是放大器的輸入端 把電路斷開 用X號(hào)表示 2 在斷開出的一側(cè) 往往是放大器的輸入端 對(duì)地引入一個(gè)外加電壓源 該電壓源的頻率從低到高覆蓋回路的諧振頻率 3 看經(jīng)過(guò)放大器反饋網(wǎng)絡(luò)之后轉(zhuǎn)回到斷開處另一側(cè)對(duì) 地的電壓是否與同相 為同相則其中必有某一個(gè)頻率滿足自激振蕩的相位條件 注意這里是實(shí)際方向 電路有振蕩的可能 如果電路又同時(shí)滿足振幅條件就可以產(chǎn)生正弦振蕩了 下面用巴克好森準(zhǔn)則分析集電極調(diào)諧型反饋振蕩器的振蕩條件 設(shè)工作頻率遠(yuǎn)小于振蕩器的特征頻率 忽略其內(nèi)部反饋的影響 用平均參數(shù)畫出了圖 a 的大信號(hào)等效電路 如圖所示 它與變壓器耦合放大器區(qū)別在于次級(jí)負(fù)載就是放大器輸入端的Gie 其為 故 5 4 1 式中 其中 互感耦合振蕩器大信號(hào)等效電路 而 5 4 2 根據(jù)巴克好森準(zhǔn)則 即 5 4 3 可得 5 4 4 即 5 4 5 解上述方程組得 5 4 6 起振時(shí) 應(yīng)用微變參數(shù)代替平均參數(shù) 因此互感耦合振蕩器的起振條件是 5 4 7 上式說(shuō)明 r越大 M越小 電路起振所需要的跨導(dǎo)gm就越大 當(dāng)M 0時(shí) 起振需要的跨導(dǎo)gm為無(wú)窮大 這表明電路已不再是振蕩器了 由式5 4 6還可以看出 振蕩器的頻率和晶體管的參數(shù)有關(guān) G Goe 2Gie 實(shí)際上 管子的極間電容對(duì)高頻振蕩頻率影響較大 這一點(diǎn)是不希望的 因?yàn)檫@些參數(shù)與溫度有關(guān) 5 4 2差分對(duì)管互感耦合振蕩器如圖所示 兩差分對(duì)管的集電極分別接有由L1 C1 R1和L2 C2 R2組成并聯(lián)諧振回路 反饋電壓和輸出電壓分別由兩管的集電極取出 振蕩器的閉環(huán)回路由BG1 差分振蕩器 的集電極經(jīng)互感線圈耦合到BG2的基極 然后通過(guò)共發(fā)耦合電路回到BG1的集電極 圖A與D同相 環(huán)路滿足正反饋特性 再調(diào)節(jié)互感M使之滿足振幅平衡條件 電路便可進(jìn)入振蕩狀態(tài) 與單管振蕩器比較 差分對(duì)管振蕩器更為優(yōu)越 1 輸出回路不在反饋環(huán)路內(nèi) 只要BG2不工作在飽和區(qū)內(nèi) 負(fù)載與環(huán)路就處于隔離狀態(tài) 振蕩器的頻率穩(wěn)定度和幅度穩(wěn)定度都會(huì)有所提高 2 輸出不含有偶次諧波 且奇次諧波成分比較小 故失真大為減小 5 5三點(diǎn)式振蕩器 什么叫三點(diǎn)式振蕩器 所謂三點(diǎn)式振蕩器就是對(duì)于交流等效電路而言 由LC回路引出三個(gè)端點(diǎn)分別與晶體管三個(gè)電極相連的振蕩器 依靠電容產(chǎn)生反饋電壓構(gòu)成的振蕩器則稱為電容三點(diǎn)式振蕩器 又稱考畢茲振蕩器 依靠電感產(chǎn)生反饋電壓構(gòu)成的振蕩器則稱為電感三點(diǎn)式振蕩器 又稱哈特萊振蕩器 構(gòu)成三點(diǎn)式的基點(diǎn)是如何取出滿足相位條件的正反饋電壓 5 5 1構(gòu)成三點(diǎn)式振蕩器的原則 相位判據(jù) 假設(shè) 1 不計(jì)晶體管的電抗效應(yīng) 2 LC回路由純電阻元件組成 即為滿足相位條件 回路引出的三個(gè)端點(diǎn)應(yīng)如何與晶體管的三個(gè)電極相連接 如圖所示 振蕩器的振蕩頻率十分接近回路的諧振頻率 于是有 即 5 5 2 5 5 3 5 5 1 三點(diǎn)式振蕩器的相位判據(jù) 放大器已經(jīng)倒相 即與差180 所以要求反饋電壓必須與反相才能滿足相位條件 如圖5 5 1所示 5 5 4 因此 Xbe必須與Xce同性質(zhì) 才能保證與反相 由5 5 3和5 5 4式 歸結(jié)起來(lái) Xbe和Xce性質(zhì)相同 Xcb和Xce Xbe性質(zhì)相反 這就是三點(diǎn)式振蕩器的相位判據(jù) 也可以這樣來(lái)記憶 與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗性質(zhì)相同 另一個(gè)電抗則性質(zhì)相反 三點(diǎn)式振蕩器的相位判據(jù) 射同它反 5 5 2電容三點(diǎn)式振蕩器 考畢茲振蕩器圖所示電路是電容三點(diǎn)式的典型電路 LC回路的三個(gè)端點(diǎn)分別與三個(gè)電極相連 且Xce和Xbe為容抗 Xcb為感抗 故屬電容反饋三點(diǎn)式振蕩器 又稱考畢茲振蕩器 電容三點(diǎn)式振蕩器 其中ZL為高頻扼流圈 防止高頻交流接地 Rb1 Rb2 Re為偏置電阻 下面分析該電路的振蕩條件 圖 a 畫了交流等效電路 b 為Y參數(shù)等效電路 電容三點(diǎn)式振蕩器的等效電路 容易判斷振蕩器屬并 并聯(lián)接 電壓取樣電流求和的反饋放大器 設(shè)其信號(hào)源電流為 負(fù)載電流為 顯然 5 5 5 式中 Yi 網(wǎng)絡(luò)aa bb 的大信號(hào)輸入導(dǎo)納 Yr 網(wǎng)絡(luò)aa bb 的大信號(hào)反向傳輸導(dǎo)納 Yf 網(wǎng)絡(luò)aa bb 的大信號(hào)正向傳輸導(dǎo)納 Yo 網(wǎng)絡(luò)aa bb 的大信號(hào)輸出導(dǎo)納 實(shí)際上 這只不過(guò)是虛構(gòu)的 而意味著式5 5 5是線性齊次方程 即 其系數(shù)行列式為0 即 5 5 6 5 5 7 因網(wǎng)絡(luò)aa bb 是兩個(gè)網(wǎng)絡(luò) 有源和無(wú)源 并 并聯(lián)接 所以 式中 T表示晶體管 n表示無(wú)源網(wǎng)絡(luò) 即 5 5 8 這就是反映振蕩器滿足平衡條件 使用上述方法時(shí) 應(yīng)使兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電壓 電流方向符合電壓取樣 電流求和的條件 5 5 9式中 yT 是晶體管參數(shù) 可以測(cè)得和計(jì)算出 yn 則可以由具體網(wǎng)絡(luò)根據(jù)y參數(shù)的定義求得 假設(shè) 振蕩器的工作頻率遠(yuǎn)低于fT 且忽略內(nèi)部反饋的影響和不計(jì)晶體管的電抗效應(yīng) 有 5 5 9 5 5 10 由下圖 根據(jù)y參數(shù)的定義 可求得無(wú)源網(wǎng)絡(luò) yn 為 將式5 5 10和5 5 11代入式5 5 9得 整理得 無(wú)源網(wǎng)絡(luò) 5 5 12 令其虛部等于0 可求得振蕩頻率為 5 5 13 式中 可見 電容三點(diǎn)式振蕩器的振蕩頻率略高于回路的諧振頻率 且與晶體管的參數(shù)有關(guān) 令其實(shí)部等于0 并近似認(rèn)為 可求得其振蕩平衡條件為 5 5 14 用微變參數(shù)代替平均參數(shù) 可求得起振時(shí)所要求的最小跨導(dǎo) gm min 其起振條件為 5 5 15 因 5 5 16 代入上式得 從圖 a 可以看出 反饋電壓不僅取決于電容C2 還與晶體管的輸入導(dǎo)納gie有關(guān) 當(dāng)gie較小時(shí) gie的分路作用可以忽略 此時(shí)第一項(xiàng)起主要作用 5 5 17 當(dāng) 利于起振 當(dāng)gie較大時(shí) gie的分流作用不能忽略 此時(shí)第二項(xiàng)起主 要作用 則 難于起振 所以不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為反饋系數(shù)越大 就越易起振 而應(yīng) 該有一定范圍 另外反饋系數(shù)的大小還會(huì)影響振蕩波形的好壞 反饋系數(shù)過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較大的波形失真 通常F 0 01 1且一般取得較小 以上的討論 沒有考慮線圈的損耗 如考慮到r的影響 則起振條件應(yīng)該修正 如圖 b 所示 將r經(jīng)過(guò)兩次折算 折算到ce兩端和goe并聯(lián) 所以起振條件應(yīng)修正為 5 5 18 圖 a 影響起振因素 圖 b 起振條件修正 5 5 3電感三點(diǎn)式振蕩器 哈特萊振蕩器電感三點(diǎn)式振蕩器電路如圖所示 是從L2取得的 故稱為電感反饋三點(diǎn)式振蕩器 通常L1 L2同繞在一個(gè)骨架上 它們之間存在著互感 且耦合系數(shù)M 1 電感三點(diǎn)式等效電路 下面利用基爾霍夫定律列出網(wǎng)孔方程來(lái)分析其振蕩條件 由圖 c 列出回路方程 5 5 19 令上面方程組系數(shù)行列式D的虛部等于零 得 得 5 5 20 可見 g略低于回路諧振角頻率 0 且振蕩頻率與晶體管參數(shù)有關(guān) 通常 故 5 5 21 式中L L1 L2 2M為求起振條件 設(shè)式5 5 20第三個(gè)方程中的系數(shù)為0 此時(shí)令5 5 20式的系數(shù)行列式的實(shí)部等于0 即 可得振蕩平衡條件 5 5 22 因此振蕩條件是 5 5 23 故起振條件可寫成 5 5 24 5 5 25 至于反饋系數(shù)的選取 為兼顧振蕩的振蕩波形 通常取F 0 1 0 5 5 5 4電容三點(diǎn)式與電感三點(diǎn)式振蕩器比較電容三點(diǎn)式 1 輸出波形好 接近于正弦波 2 因晶體管的輸入輸出電容與回路電容并聯(lián) 可適當(dāng)增加回路電容提高穩(wěn)定性 3 工作頻率可以做得較高 利用極間電容 缺點(diǎn) 調(diào)整頻率困難 起振困難 電感三點(diǎn)式 優(yōu)點(diǎn)是起振容易 調(diào)整方便 缺點(diǎn)是輸出波形不好 在頻率較高時(shí) 不易起振 優(yōu)點(diǎn) 5 5 5改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器前面研究的三種振蕩器 其振蕩頻率 不僅取決于LC回路參數(shù) 還與晶體管的內(nèi)部參數(shù) Goe Gie Coe Cie 有關(guān) 而晶體管的參數(shù)又隨環(huán)流溫度 電源電壓的變化而變化 因此其頻率穩(wěn)定度不高 以電容三點(diǎn)式為例 如圖所示 Cie和Coe分別與回路電容并聯(lián) 其振蕩頻率可近似寫成 如何減小晶體管電容Coe Cie對(duì)頻率的影響呢 1 加大回路電容C1和C2的值 但它限制了振蕩頻率的提高 同時(shí)為確保 的不變 減小了L的值 隨之帶來(lái)Q值下降 5 5 26 使振蕩幅度下降甚至停振 這種方法只適用于頻率不高的場(chǎng)合 2 同時(shí)減小接入系數(shù)pce和pbe 而又不改變反饋系數(shù) 這就是圖所示的克拉潑 Clapp 振蕩器 這種電路就是在L支路中串接一個(gè)可變的小電容器C3 所以又叫做串聯(lián)型電容三點(diǎn)式反饋振蕩器 它是在電容三點(diǎn)式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn) 晶體管電容Coe Cie對(duì)振蕩頻率的影響 克拉潑振蕩器 所以可采用電容三點(diǎn)式的分析方法 故 5 5 27 式中 5 5 28 5 5 29 可見 g只取決于L C3 而與C1 C2基本無(wú)關(guān) 于是可以增加C1 C2 不必減小電感L 以減小晶體管極間電容對(duì)頻率的影響 提高了頻率穩(wěn)定度 改變C3即可改變振蕩頻率而 不影響反饋系數(shù) 改變C1 C2可調(diào)節(jié)反饋系數(shù)而不會(huì)影響振蕩頻率 起振條件可以用式5 5 18來(lái)得出 問(wèn)題是如何求得gL 由下圖所示 克拉潑振蕩器的起振條件 故 5 5 30 因而起振條件為 5 5 31 而基本放大器諧振時(shí)增益為 5 5 32 1 若C1 gL 分路作用增強(qiáng) gm min 難于起振 Auo 振蕩幅度減小 2 若C3 0 gL gm min 難于起振 Auo 振蕩幅度減小 3 若Q0 gL gm min 易于起振 Auo 振蕩幅度增大頻率穩(wěn)定性提高克拉潑振蕩器存在的問(wèn)題是當(dāng)增大C1和減小C3時(shí)引起振蕩幅度下降 難于起振 原因在于pce下降 使得gL增大 因?yàn)間L和 03成正比 解決這一矛盾 可以保持C3不變 而 由5 5 31和5 5 32式可見 在電感L兩端并聯(lián)一個(gè)小的可變電容 用以改變振蕩頻率 這就是西勒 Seiler 振蕩器 因?yàn)镃4與L并聯(lián) 所以又成為并聯(lián)型電容三點(diǎn)式振蕩器 如下圖所示 西勒振蕩器的原理圖 由于C1 C2遠(yuǎn)小于C4 所以回路電容 5 5 33 再看起振條件 利用式5 5 18 將圖 a 再變換一下 如下圖所示 求出gL 5 5 34 5 5 35 西勒振蕩器的起振條件 pce與C4無(wú)關(guān) 改變C4不會(huì)影響pce 也不會(huì)影響gL C4 0 gL gm min 利于起振 Auo 振蕩幅度增加這樣 可以補(bǔ)償由于頻率增加引起的Gm下降 使振蕩幅度下降 使振蕩幅度變化不大 因此 作為波段振蕩器的波段覆蓋可以較寬 ka 1 6 1 8 且在波段內(nèi)幅度較均勻 其工作頻率也較高 可達(dá)到數(shù)百兆赫 這是一種性能較好的振蕩器 C3的選取應(yīng)綜合考慮波段覆蓋系數(shù) 頻率穩(wěn)定度和起振 在保證起振的條件下 C3應(yīng)選得小一點(diǎn)好 可見 5 6振蕩器的頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度是振蕩器非常重要的電氣指標(biāo)之一 例如電子鐘時(shí)鐘頻率不穩(wěn) 直接影響計(jì)時(shí)的精度 FM廣播如FM發(fā)射頻率非常穩(wěn)定 就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)播音 取代有線廣播 5 6 1頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度評(píng)價(jià)振蕩頻率的主要指標(biāo)是頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度 頻率準(zhǔn)確度表明實(shí)際工作頻率偏離標(biāo)稱頻率的程度 它可以分為絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度和相對(duì)頻率準(zhǔn)確度 定義 絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度 相對(duì)頻率準(zhǔn)確度 5 6 1 5 6 2 式中 f為實(shí)際工作頻率 fo為標(biāo)稱頻率 頻率穩(wěn)定度 是在指定時(shí)間間隔內(nèi)頻率準(zhǔn)確度變化的最大值 也分為絕對(duì)頻率穩(wěn)定度和相對(duì)頻率穩(wěn)定度 常用相對(duì)頻率穩(wěn)定度表示 5 6 3 頻率穩(wěn)定度按時(shí)間間隔分為 長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度 數(shù)月或一年內(nèi)的相對(duì)頻率準(zhǔn)確度 短期頻率穩(wěn)定度 一天內(nèi)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度 瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度 秒或毫秒內(nèi)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度數(shù)據(jù)處理方法有 1 均方根值表示法 它是用在指定的時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)得的各頻率準(zhǔn)確度與其平均值的偏差的均方根值來(lái)表征的 即 5 6 4 式中 n為測(cè)量次數(shù) 為n個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值 2 阿倫 Allon 方差表示法 5 6 5 式中 每次測(cè)量的取樣時(shí)間 n為測(cè)量組數(shù) fo為標(biāo)稱頻率 j為正整數(shù) j 1 2 3 n f2j f2j 1分別為2j次和2j 1次所測(cè)得的頻率值 5 6 2頻率穩(wěn)定度分析為尋求提高頻率穩(wěn)定度的途徑 就必須找出引起頻率不穩(wěn)的因素 一 相位平衡條件由物理知識(shí)可知 任何平衡都要相應(yīng)地考慮是否穩(wěn)定平衡 所謂穩(wěn)定平衡是當(dāng)外因使系統(tǒng)偏離原來(lái)的平衡狀態(tài) 一旦外因消除后 系統(tǒng)能自動(dòng)地恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài) 否則就是不穩(wěn)定平衡 例如一個(gè)小球放置在拋物面形的鍋底就屬于穩(wěn)定平衡 雜技表演者用頭頂籃球就是不穩(wěn)定平衡 作為正弦振蕩器 通常情況下 人們希望它是穩(wěn)定振蕩 其振蕩的幅度 頻率 相角 不隨時(shí)間而變化 即使有變化 希望它盡快地恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài) 不穩(wěn)定因素也會(huì)破壞相位平衡條件 如電流電壓的波動(dòng)或者工作點(diǎn)的變化會(huì)使晶體管Yfe的相角 fe發(fā)生變化 相角的變化必然會(huì)引起頻率的變化 因?yàn)?設(shè)外因引起的相角變化 即反饋電壓比原來(lái)的輸入電壓的相位超前了 相當(dāng)于提高給回路的補(bǔ)充能量 振蕩頻率就提高了 反之 相位滯后于 頻率就下降 因此外因引起的相角的變化 相位變化又引起頻率變 化的趨勢(shì)是 為了使振蕩器的相位平衡條件穩(wěn)定 必須使得頻率變化時(shí)產(chǎn)生相反方向的相位變化 以補(bǔ)償外因引起的相位變化 因此 相位平衡的穩(wěn)定條件是 5 6 6 而振蕩器的相移 5 6 7 式中 為晶體管正向傳輸導(dǎo)納相移 為回路相移 為反饋網(wǎng)絡(luò)相移 5 6 8 當(dāng) 時(shí) 因此 相位的穩(wěn)定條件為 由此可見 振蕩器的相位平衡條件是靠并聯(lián)回路的相頻特性來(lái)保證的 回路的品質(zhì)因數(shù)Q值越高 這種穩(wěn)頻能力越強(qiáng) 二 頻率穩(wěn)定度分析根據(jù)式5 4 6 振蕩器的 主要取決于 回路的L C 當(dāng)然也與晶體管的參數(shù) G 有關(guān) 從相位平衡條件可知 電路中任何一個(gè)相角發(fā)生變化都會(huì)使振蕩頻率產(chǎn)生變化 而使振蕩器重新平衡在某一新的頻率上 例如溫度 濕度 電源電壓 負(fù)載等的變化以及機(jī)械振動(dòng)的影響都有可能引起回路元件參數(shù) L C Q等 有源器件參量和相角 發(fā)生變化 而使 發(fā)生變化 令 代表外界不穩(wěn)定因素 由于振蕩器各相角都是外界不穩(wěn)定因素 和頻率的函數(shù) 所以相位平衡條件可以寫成 當(dāng) 變化時(shí) 也相應(yīng)變化 只要相位平衡條件重新得 5 6 9 到滿足 則 對(duì)式5 6 9全微分 因而 由于 對(duì)頻率變化的敏感性遠(yuǎn)小于對(duì)頻率變化的 敏感性 即 又 0則上式可近似寫成 5 6 10 從式5 6 10可知提高振蕩器頻率穩(wěn)定度的一般規(guī)律 要小 要盡量減小外界不穩(wěn)定因素 的變化 最主要 的是減小振蕩回路固有頻率 的變化量 2 分子 越小越好 在外界因素 變化時(shí) 不完全同號(hào) 相互抵消 的變化量盡量小 或者設(shè)法使 三個(gè)量 3 分母 越大越好 即要求并聯(lián)諧振回路相頻特性的斜 率要大 在較小斜率增量作用下 能產(chǎn)生足夠的相位來(lái)補(bǔ)償外因所引起的的相移 由并聯(lián)振蕩回路的相頻特性可知 Q越高 越接近 0相頻特性就越大 因此應(yīng)盡量提高Q值 減小相角 以上研究了提高頻率穩(wěn)定度的原則性措施 為了將上述措施具體化 下面討論振蕩頻率與電路參量之間的關(guān)系 由相位平衡條件 5 6 11 得 則振蕩頻率 為 即 5 6 12 對(duì)式5 6 12全微分得 并聯(lián)諧振回路的相頻特性為 當(dāng) 時(shí) 5 6 13 該式表明了 對(duì)頻率穩(wěn)定度影響的定量 關(guān)系 可以看出 1 均影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度 2 對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響最嚴(yán)重 3 Q對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響要考慮到系數(shù) Q越高 越小 Q的影響越弱 4 對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響要考慮到系數(shù) Q 越高 越小 則 的影響越弱 結(jié)論 要提高頻率穩(wěn)定度 首先要提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性 所謂回路的標(biāo)準(zhǔn)性就是指回路在外界因素變化時(shí)保持其固有 諧振頻率不變的能力 越小標(biāo)準(zhǔn)性越高 此外 要求Q 值要高 要小 5 6 3提高頻率穩(wěn)定度的措施要提高頻率穩(wěn)定度可采取如下兩方面的措施 1 減小 2 減小外界因素對(duì) 0 Q 的影響 即為外界因素變化時(shí) 設(shè)法使 0 Q 盡可能小 減小外界因素變化 的措施影響振蕩頻率的外界因素主要有 機(jī)械振動(dòng) 環(huán)境溫度的變化 濕度及大氣壓力的變化 電源電壓的變化 周圍電磁場(chǎng)的影響 負(fù)載不穩(wěn)定等 1 機(jī)械振動(dòng) 回路線圈 電容應(yīng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度 底板和屏蔽罩必須結(jié)實(shí) 元器件焊接牢固 加防震措施和調(diào) 諧回路鎖定裝置 2 溫度 將主要元器件放在恒溫槽中 合理選擇回路元件的材料 如選用膨脹系數(shù)小的金屬材料和介質(zhì)材料 采用正負(fù)溫度補(bǔ)償 也可用熱敏電阻穩(wěn)定偏置 3 濕度和大氣壓力 將振蕩器和主要元件密封 還可選用吸潮性較小的介質(zhì)和絕緣材料 4 電源電壓 采用性能好的穩(wěn)壓電源 振蕩器單獨(dú)供電 5 周圍電磁場(chǎng)的影響 采用電磁屏蔽措施 6 負(fù)載變化 加緩沖級(jí) 跟隨器 7 老化 預(yù)先對(duì)元器件進(jìn)行老化處理 2 提高電路抗外界因素影響的能力 1 提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性所謂振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性就是指振蕩回路在外界因素變化時(shí) 保持諧振頻率不變的能力 因此 回路的標(biāo)準(zhǔn)性越高 0隨外界因素的變化越小 在高Q時(shí) 回路的諧振頻率為 對(duì)上式進(jìn)行全微分得 即 5 6 14 式中負(fù)號(hào)表示L或C增加時(shí) 0降低 可見諧振頻率相對(duì)變化量的L和C的相對(duì)變化量之和成正比 因此 提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性 也就是當(dāng)外界因素變化時(shí) 減小L和C的相對(duì)變化量 采用高質(zhì)量的回路元件目前使用較廣的是在高頻陶瓷上用燒滲銀的方法制成的電感線圈 其特點(diǎn)是損耗小且溫度膨脹系數(shù)小 吸水性小 高質(zhì)量的電容則采用膨脹系數(shù)小的金屬 如殷鋼 作極片的 空氣電容或云母電容器 還可以采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?減小分布電容和引線電感 引線盡可能短 且應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度 各引線和元器件的連接和安裝盡可能牢靠 減小不穩(wěn)定電容對(duì)回路標(biāo)準(zhǔn)性的影響 即減小不穩(wěn)定電容在回路中所占的比重 可以有兩種方法 一是降低振蕩頻率 可選的集中參數(shù)電容容量大 降低不穩(wěn)定電容占回路總電容量的比重 所以 為了提高頻率穩(wěn)定度 在無(wú)線