高頻電子電路3.2

1、3.3 LC振蕩電路振蕩電路(LC Oscillator CirCuits)二二 構(gòu)成構(gòu)成LC振蕩器的基本原則振蕩器的基本原則三三電容反饋三點(diǎn)式振蕩器電容反饋三點(diǎn)式振蕩器四電感三點(diǎn)式振蕩器四電感三點(diǎn)式振蕩器五五 兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器返回休息1休息2一一 互感耦合互感耦合LCLC振蕩電路振蕩電路一一 互感耦合互感耦合LCLC振蕩電路振蕩電路例例3-23-23.3 LC振蕩電路振蕩電路(LC Oscillator CirCuits)一一 構(gòu)構(gòu)成成L LC C振振蕩蕩器器的的基基本本原原則則LC 振振蕩蕩器器又又稱稱為為三三點(diǎn)點(diǎn)式式振振蕩蕩器器, 其其基基本本電電路路

2、結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)如如右右圖圖所所示示,即即晶晶體體 三三極極管管的的三三個(gè)個(gè)電電極極分分別別于于三三個(gè)個(gè)電電抗抗元元 件件 X1 ,X2 ,X3相相連連接接.X1 ,X2 ,X3可可以以是是 電電感感也也可可以以是是電電容容, 但但電電路路在在構(gòu)構(gòu)造造上上 必必須須滿滿足足以以下下基基本本原原則則: 1 1為為了了滿滿足足正正反反饋饋的的相相位位條條件件, ,反反饋饋電電路路必必須須使使晶晶體體管管的的交交流流瞬瞬時(shí)時(shí)電電壓壓極極性性的的相相位位關(guān)關(guān)系系滿滿足足: : beu為為正正時(shí)時(shí), ,ceu為為負(fù)負(fù) beu為為負(fù)負(fù)時(shí)時(shí), ,ceu為為正正 即即: : beu與與ceu反反相相。 beu ceu

3、I證證明明：若若設(shè)設(shè)回回路路電電流流為為 I, , 則則有有: : beu=2jXI ； ceu=1jXI 要要求求電電抗抗 X1與與 X2具具有有相相同同的的電電抗抗特特性性。 即即 X1與與 X2或或者者 同同為為電電感感元元件件,或或同同為為電電容容元元件件 2 X1,X2,X3構(gòu)構(gòu)成成諧諧振振回回路路,當(dāng)當(dāng)回回路路諧諧振振時(shí)時(shí)應(yīng)應(yīng)滿滿足足諧諧振振條條件件: X1+X2+X3=0, |X1+X2|=|X3| 表明表明三個(gè)電抗元件不可能全為電感與電三個(gè)電抗元件不可能全為電感與電容容, ,而是由兩種性質(zhì)的電抗所組成而是由兩種性質(zhì)的電抗所組成 . .由由上上所所述述可可得得結(jié)結(jié)論論: : 晶晶

4、體體管管發(fā)發(fā)射射極極所所按按的的兩兩個(gè)個(gè)電電抗抗元元件件性性質(zhì)質(zhì)相相同同, ,而而不不與與發(fā)發(fā) 射射極極相相接接的的回回路路元元件件, ,其其電電抗抗性性質(zhì)質(zhì)與與前前者者相相反反. . 振振蕩蕩頻頻率率滿滿足足: : |X1+X2|=|X3| 返回I I I I休息1休息2C1C2LLECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc二二 電容反饋三點(diǎn)式振蕩器電容反饋三點(diǎn)式振蕩器(Colpitts Oscillators)(Colpitts Oscillators)1 1. . 電電路路結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)(1) 直直流流偏偏置置電電路路決決定定了了起起振振時(shí)時(shí)電電路路的的工工作作點(diǎn)點(diǎn),當(dāng)當(dāng)振振蕩蕩以以后后 Re,

5、Ce構(gòu)構(gòu)成成自自給給偏偏壓壓電電路路，LC阻阻流流圈圈可可以以用用一一個(gè)個(gè)大大電電阻阻代代替替,防防止止電電源源對(duì)對(duì)回回路路旁旁路路. （2 2）交交流流等等效效電電路路典典型型的的電電容容三三點(diǎn)點(diǎn)式式振振蕩蕩電電路路.滿滿足足相相位位平平衡衡條條件件,只只要要適適當(dāng)當(dāng)選選取取 C1與與 C2的的比比值值,并并使使放放大大器器有有足足夠夠的的放放大大量量,電電路路就就能能產(chǎn)產(chǎn)生生振振蕩蕩. 返回休息1休息2+uce- -+ube - -LECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc仿真C1C2L（3 3） 起起振振條條件件分分析析分分析析起起振振條條件件時(shí)時(shí)可可以以利利用用高高頻頻小小信信號(hào)號(hào)放放

6、大大器器的的分分析析法法. . 如如右右圖圖為為小小信信號(hào)號(hào)微微變變等等效效電電路路, ,如如果果忽忽略略rey 且且由由于于mfeoeiegyCCCC ,12 ( (即即忽忽略略ci與與beu的的相相移移) )而而回回路路線線圈圈的的損損 耗耗及及負(fù)負(fù)載載用用Lg 等等效效 1 1, ,反反饋饋系系數(shù)數(shù) F | |F| |= =cebeuu = =1211CjiCji = =21CC 2 2, ,放放大大器器的的放放大大倍倍數(shù)數(shù)| |uoA| | 因因?yàn)闉閨 |uoA| |= =beceuu 而而 gugubemce ieFLoegkggg2 其其中中ieFgk2為為ieg折折合合到到放放大

7、大器器輸輸出出端端的的等等效效電電阻阻, ,而而21CCkF 為為折折合合系系數(shù)數(shù). . FCCuukgkugucebeFieFceiebe 21222ieFLoemmuogkgggggA2 代代入入起起振振條條件件: : 1 FAuo )(112212LoeiemFieFLoemggCCgCCgkgkggg 有有返回休息1休息2C2C1LgiegLgoegmube+uce- -+ube- -iC1LgiegLgmubegoe+ube- -i+uce- -C2+uce- -C2LC1gLgoegmubek2Fgie+ube- -iC1LgiegLgmubegoe+ube- -i+uce- -C

8、2( (4 4) ) 振振蕩蕩頻頻率率振振蕩蕩頻頻率率一一般般可可以以利利用用相相位位平平衡衡條條件件求求解解: :即即令令 bebeuuFA 的的相相位位差差為為 0 0 2221be11111CjgLjCjgCjgLjCjgguguieieieLoebem 222111111CjgLjCjgCjgLjCjggguuieieieLoembebe 令令上上式式虛虛部部為為零零, ,可可得得: :0)()(21321 CLCggLgCCLoeie 所所以以有有: : LCCCgggLCLoeie1)(121 其其中中2121CCCCC 返回休息1休息2ECL1L2CRb1Rb2CbCeReL1L

9、2C三三, ,電感三點(diǎn)式振蕩器電感三點(diǎn)式振蕩器(Hartly Oscillators)(Hartly Oscillators)( (1 1) ) 電電路路結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 其其交交流流等等效效電電路路及及起起振振時(shí)時(shí)的的小小信信號(hào)號(hào)高高頻頻電電路路如如右右下下圖圖所所示示注注意意其其中中高高頻頻小小信信號(hào)號(hào)等等效效電電路路忽忽略略了了rey和和ieC及及oeC對(duì)對(duì)電電路路的的影影響響, ,另另外外, ,mfegy （2 2） 起振條件分析起振條件分析: :忽忽略略ieg對(duì)對(duì)回回路路的的影影響響時(shí)時(shí), ,反反饋饋系系數(shù)數(shù)為為: : FcebekMLiMLiuuF )()(12即即: :MLMLkFF 1

10、2 RguuAmbeceuo由由起起振振條條件件 1 FAuo 有有: :)(1LoeFieFmggkgkg ( (3 3) ) 振振蕩蕩頻頻率率令令bebeuujFjA )()( 的的虛虛部部為為零零 即即 可可 求求 出出 振振 蕩蕩 頻頻 率率 : :LC1)MLL(g)gg(LC1221ieLoe 而其中而其中: :MLLL221 一一般般LC10 而而當(dāng)當(dāng)1LLMK21 時(shí)時(shí). .有有0 仿真返回休息1休息2L2L1CgLgoegmubek2Fgie+ube- -+uce- -+uce- -+ ube - -iiieFLoegkggR21 電容三點(diǎn)式振蕩器和電感三點(diǎn)式振蕩器各有其電容

11、三點(diǎn)式振蕩器和電感三點(diǎn)式振蕩器各有其優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)缺點(diǎn)。 電容三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是： 反饋電壓取自2, 而電容對(duì)晶體管非線性特性產(chǎn)生的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗, 所以反饋電壓中高次諧波分量很小, 因而輸出波形好, 接近于正弦波。 缺點(diǎn)是：反饋系數(shù)因與回路電容有關(guān), 如果用改變回路電容的方法來(lái)調(diào)整振蕩頻率, 必將改變反饋系數(shù), 從而影響起振。 電感三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是便于用改變電容的方法來(lái)調(diào)整振蕩頻率, 而不會(huì)影響反饋系數(shù), 缺點(diǎn)是反饋電壓取自2, 而電感線圈對(duì)高次諧波呈現(xiàn)高阻抗, 所以反饋電壓中高次諧波分量較多, 輸出波形較差。 兩種振蕩器共同的缺點(diǎn)是：晶體管輸入輸出電容分別和兩個(gè)回路電抗元件并聯(lián), 影

12、響回路的等效電抗元件參數(shù), 從而影響振蕩頻率。 由于晶體管輸入輸出電容值隨環(huán)境溫度、電源電壓等因素而變化, 所以三點(diǎn)式電路的頻率穩(wěn)定度不高, 一般在-3量級(jí)。 LC1C2C3RLBA四四, ,兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器 電電感感反反饋饋振振蕩蕩器器:反反饋饋系系數(shù)數(shù) F=kF的的改改變變可可通通過(guò)過(guò)改改變變線線圈圈抽抽頭頭位位置置實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn),但但振振蕩蕩頻頻率率比比較較低低,產(chǎn)產(chǎn)生生振振蕩蕩波波形形不不如如電電容容三三點(diǎn)點(diǎn)式式振振蕩蕩器器。 電電 容容 反反 饋饋 振振 蕩蕩 器器 :反反 饋饋 系系 數(shù)數(shù) F=kF改改 變變 必必 須須 改改 變變 C1與與C2的的

13、比比 值值 ,振振 蕩蕩 頻頻 率率 較較 高高 ,電電 壓壓 波波 形形 較較 好好 . 1 1 Clapp Oscilltor 右右圖圖為為 Clapp 振振蕩蕩器器的的實(shí)實(shí)際際電電路路和和等等效效電電路路,它它是是在在原原電電容容三三點(diǎn)點(diǎn)式式振振蕩蕩器器中中,用用 L,C3的的串串聯(lián)聯(lián)電電路路代代替替原原來(lái)來(lái)的的 L 而而構(gòu)構(gòu)成成,C3和和 L 的的串串聯(lián)聯(lián)電電路路在在振振蕩蕩頻頻率率上上等等效效為為一一個(gè)個(gè)電電感感,仍仍屬屬于于電電容容反反饋饋型型電電路路,振振蕩蕩回回路路的的總總電電容容為為: 3211111CCCC 由于一般由于一般 C1,C2取值較大取值較大, 即即 C1,C2C

14、3 所以有所以有: :3CC 振振蕩蕩頻頻率率：311LCLC 而而電電壓壓反反饋饋系系數(shù)數(shù): :21CCuuFcebe 另外另外,由于由于 C1,C2只是整個(gè)振蕩回路的一部分只是整個(gè)振蕩回路的一部分,晶體管是以部晶體管是以部 分接入方式與回路聯(lián)接分接入方式與回路聯(lián)接,減弱了晶體管與回路之間的藕合。減弱了晶體管與回路之間的藕合。 如如果果設(shè)設(shè)回回路路 L 兩兩端端的的等等效效負(fù)負(fù)載載為為RL,則則折折合合到到集集電電極極回回路路做做為為集集電電極極負(fù)負(fù)載載電電阻阻 RL: LLLRpRCCR221)( 可可見(jiàn)見(jiàn)接接入入系系數(shù)數(shù)為為131CCCCp 很很小小, , CLAPP 電電路路的的一一個(gè)

15、個(gè)主主要要缺缺點(diǎn)點(diǎn)是是波波段段范范 圍圍不不寬寬,波波段段覆覆蓋蓋倍倍數(shù)數(shù)小小,一一般般約約為為1.21.3, 另另外外波波段段內(nèi)內(nèi)輸輸出出幅幅度度不不均均勻勻,不不易易起起振振. 返回RL仿真休息1休息2ECRLLC2C3C1Rb1Rb2CbReRcAB所以, 克拉潑電路是用犧牲環(huán)路增益的方法來(lái)?yè)Q取回路標(biāo)準(zhǔn)性的提高。 克拉潑電路的缺陷是不適合于作波段振蕩器。波段振蕩器要求在一段區(qū)間內(nèi)振蕩頻率可變, 且振蕩幅值保持不變。 由于克拉潑電路在改變振蕩頻率時(shí)需調(diào)節(jié)3, 根據(jù)式（4-37）,當(dāng)3改變以后, RL將發(fā)生變化, 使環(huán)路增益發(fā)生變化, 從而使振蕩幅值也發(fā)生變化。所以克拉潑電路只適宜于作固定頻

16、率振蕩器或波段復(fù)蓋系數(shù)較小的可變頻率振蕩器。所謂波段復(fù)蓋系數(shù)是指可以在一定波段范圍內(nèi)連續(xù)正常工作的振蕩器的最高工作頻率與最低工作頻率之比。一般克拉潑電路的波段復(fù)蓋系數(shù)為.-.。 LC1C2C3C4ABC4LC2C3C1Rb1Rb2CbReRcAB四四, ,兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器2 2. .S Se ei il lo or r O Os sc ci il ll la at to or r 與與 Clapp 電路不同點(diǎn)僅在于電路不同點(diǎn)僅在于 回路電感回路電感 L 兩端并聯(lián)一個(gè)可變電兩端并聯(lián)一個(gè)可變電 容容 C4 ,而而 C3 為固定值電容為固定值電容 ,且且 有有 C

17、3C1,C2 其其振振蕩蕩頻頻率率為為: :)(1)(1434CCLCCL 其其中中33211111CCCCC 而而電電壓壓反反饋饋系系數(shù)數(shù): :21CCuuFcebe 保保持持不不變變, ,又又因因 RL的的接接入入系系數(shù)數(shù)為為: 321111111CCCCCCp 13CC 由由于于 C3為為固固定定值值,所所以以p值值 不不變變（即即與與調(diào)調(diào)諧諧電電容容 C4無(wú)無(wú) 關(guān)關(guān)）,所所以以在在波波段段內(nèi)內(nèi)振振幅幅比比 較較穩(wěn)穩(wěn)定定,且且調(diào)調(diào)諧諧范范圍圍比比較較寬寬, 實(shí)實(shí)際際中中常常用用于于寬寬波波段段工工作作系系 統(tǒng)統(tǒng)中中. 返回仿真仿真休息1休息2EC3.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定性振蕩器的頻率穩(wěn)定

18、性一一, ,頻頻率率穩(wěn)穩(wěn)定定的的意意義義和和表表征征頻頻率率穩(wěn)穩(wěn)定定: :在在各各種種外外界界條條件件發(fā)發(fā)生生變變化化的的情情況況下下, ,要要求求實(shí)實(shí)際際工工作作頻頻率率與與指指定定頻頻率率的的偏偏差差最最小小. .頻頻率率穩(wěn)穩(wěn)定定在在數(shù)數(shù)量量上上常常用用頻頻率率偏偏差差來(lái)來(lái)表表示示: :絕絕對(duì)對(duì)偏偏差差: :01fff , , 相相對(duì)對(duì)偏偏差差: : 0011011ffffffff 其其中中: :1f為為實(shí)實(shí)際際工工作作頻頻率率, ,0f為為指指定定頻頻率率定定義義: : 頻頻率率穩(wěn)穩(wěn)定定度度= =tff 1即即在在一一定定時(shí)時(shí)間間間間隔隔t 內(nèi)內(nèi), ,頻頻率率的的相相對(duì)對(duì)偏偏差差. .一

19、一般般按按時(shí)時(shí)間間的的長(zhǎng)長(zhǎng)短短不不同同, ,通通常?？煽煞址譃闉槿N種頻頻率率穩(wěn)穩(wěn)定定度度: : 長(zhǎng)長(zhǎng)期期穩(wěn)穩(wěn)定定度度: :一一般般指指幾幾天天或或幾幾個(gè)個(gè)月月 短短期期穩(wěn)穩(wěn)定定度度: : 指指一一天天內(nèi)內(nèi), ,以以小小時(shí)時(shí), ,分分, ,秒秒計(jì)計(jì). . 瞬瞬時(shí)時(shí)穩(wěn)穩(wěn)定定度度: : 一一般般以以秒秒或或毫毫秒秒計(jì)計(jì). .休息2休息13.5 振蕩器的頻率穩(wěn)定性振蕩器的頻率穩(wěn)定性二二, ,振振蕩蕩器器的的穩(wěn)穩(wěn)頻頻原原理理 放大器放大器LC選頻選頻 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)A Z F 1 1, ,頻頻率率不不穩(wěn)穩(wěn)定定的的原原 因因由由于于振振蕩蕩器器的的頻頻率率是是由由相相位位平平衡衡條條件件決決定定的的

20、, ,即即0 FZA 其其中中 :A 為為正正向向轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移導(dǎo)導(dǎo)納納ic1ui的的相相角角 :Z 為為L(zhǎng) LC C回回路路阻阻抗抗ZL的的相相角角 F : : 為為反反饋饋系系數(shù)數(shù)oiuu 的的相相角角 uiic1ZLuouf)(FAZ Z )(FA 0 1 由由右右圖圖可可以以看看出出, ,由由Z 和和- -( (FA ) )兩兩條條曲曲線線的的交交點(diǎn)點(diǎn)便便決決定定了了振振蕩蕩器器的的振振蕩蕩頻頻率率1 因因而而凡凡是是能能引引起起交交點(diǎn)點(diǎn)變變化化的的因因素素都都會(huì)會(huì)引引起起振振蕩蕩頻頻率率的的變變化化。休息2休息13.5 振蕩器的頻率穩(wěn)定性振蕩器的頻率穩(wěn)定性Z )(FA 0 1 定定 性性

21、分分 析析1 1, ,外外界界因因素素僅僅使使諧諧振振回回路路固固 有有頻頻率率0 變變化化, ,即即Z ) (000曲曲 線線 平平 移移) (111 在在這這種種情情況況下下有有: : 10 0 1 2 2 諧諧振振回回路路的的品品質(zhì)質(zhì)因因數(shù)數(shù) Q 變變化化 )()(111 曲曲線線斜斜率率變變化化ZQQQ 1 1 QQ 3 3 - -( (FA ) )的的變變化化當(dāng)當(dāng)- -( (FA ) )變變化化 1)( 曲曲線線上上下下平平穩(wěn)穩(wěn)FA 1 1 故故可可看看出出提提高高頻頻率率穩(wěn)穩(wěn)定定度度的的方方法法: : 值值增增大大減減少少減減少少Q(mào)FA)(0 o 1 1 休息2休息1三三, ,振振蕩蕩器器的的穩(wěn)穩(wěn)頻頻措措施施1 1, ,提提高高振振蕩蕩器器回回路路的的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)性性提提高