高頻電子線路--(4)課件

1、第4章 正弦波振蕩器4.1 正弦波振蕩器概述4.2 反饋型正弦波振蕩器的基本原理4.3 LC正弦波振蕩器4.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定4.5 晶體振蕩器4.6 振蕩器仿真實(shí)驗(yàn)舉例本章小結(jié)思考與練習(xí)題振蕩器是指在沒有外加信號(hào)作用下的一種自動(dòng)將直流電源的能量變換為一定輸出波形的交變振蕩能量的裝置。輸出波形為正弦波的振蕩器稱為正弦波振蕩器。4.1 正弦波振蕩器概述正弦波振蕩器在信息傳輸系統(tǒng)及無線電測量儀器中有著廣泛的應(yīng)用。例如，在有線及無線電通信、廣播或電視發(fā)射機(jī)中，用它來產(chǎn)生各種所需的載波信號(hào)；在超外差式接收機(jī)中，它可被用來產(chǎn)生本地振蕩信號(hào)；在各種通信測量儀器中，還可用它作為各種波段的正弦波信號(hào)源，例如

2、高頻信號(hào)發(fā)生器、音頻信號(hào)發(fā)生器、Q表以及各種數(shù)字式測量儀表等。在這些應(yīng)用中，都要求振蕩器產(chǎn)生所需頻率和振幅的正弦波信號(hào)，其主要技術(shù)指標(biāo)為振蕩頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定度、振蕩振幅的大小及其穩(wěn)定性、振蕩波形的非線性失真等，而其中最主要的是振蕩頻率的穩(wěn)定度。正弦波振蕩器還有一種用途，就是可用做高頻的能源，如工業(yè)用的高頻加熱設(shè)備和醫(yī)用的電療儀器等，均屬此類。在這類應(yīng)用中，要求振蕩器能高效率地產(chǎn)生足夠大的高頻功率，其主要指標(biāo)應(yīng)為振蕩功率和效率，而其頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的高低則不被過多地注意。振蕩器的種類很多，總的來講，可分為反饋式振蕩器和負(fù)阻式振蕩器兩大類。將放大器的輸出信號(hào)經(jīng)過正反饋電路回授到輸入端，作為其輸

3、入信號(hào)來控制能量轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生等幅、持續(xù)的振蕩的振蕩器，稱為反饋振蕩器；將負(fù)阻器件接入諧振回路，用來抵消回路中的損耗電阻，從而產(chǎn)生等幅、持續(xù)的振蕩的振蕩器，稱為負(fù)阻振蕩器。根據(jù)振蕩器所產(chǎn)生的波形，又可以把振蕩器分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器，本書只介紹反饋式正弦波振蕩器。常用的正弦波振蕩器主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反饋放大器組成，這就是反饋振蕩器。按照選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的元件的不同，正弦波振蕩器可分為LC振蕩器、晶體振蕩器、RC振蕩器等類型。其中，LC振蕩器和晶體振蕩器用于產(chǎn)生高頻正弦波，RC振蕩器用于產(chǎn)生低頻正弦波。正反饋放大器既可以由晶體管、場效應(yīng)管等分立器件組成，也可以由集

4、成電路組成，但前者的性能可以比后者做得好些，且工作頻率也可以做得更高。就正弦波振蕩器所在各頻段來看，大致如圖4-1所示。圖4-1 各種振蕩器的頻率范圍本章重點(diǎn)討論反饋振蕩器的基本工作原理，以及各種反饋振蕩器電路。以下各節(jié)將詳細(xì)分析各種正弦波振蕩器的振蕩與穩(wěn)頻原理，并對(duì)幾種典型的振蕩電路進(jìn)行分析。反饋振蕩器是由反饋放大器演變而來的，討論反饋振蕩器的原理，也就是找出其由反饋放大器演變的條件，即從無到有地建立起振蕩的起振條件、產(chǎn)生持續(xù)振蕩的平衡條件和保證平衡狀態(tài)不被外界因素破壞的穩(wěn)定條件。4.2 反饋型正弦波振蕩器的基本原理4.2.1 從反饋放大器到反饋振蕩器的演變圖4-2為調(diào)諧放大器電路，輸入信號(hào)

5、ui經(jīng)輸入變壓器耦合加到晶體管基極和發(fā)射極之間，以u(píng)be表示。電源電壓EC經(jīng)R1、R2分壓，在R2上分得一個(gè)直流電壓，給晶體管提供一個(gè)偏置電壓EBR2/(R1R2)EC，使uBEEBube。諧振回路兩端得到被放大的信號(hào)uf，再經(jīng)過互感耦合從次級(jí)線圈得到輸出信號(hào)uo。如果把uo再送回到輸入端，若uo的相位與輸入信號(hào)ui的相位相同(正反饋相位條件)，振幅也與輸入信號(hào)ui的振幅一樣，則原來的放大器就成為自激振蕩器了，如圖4-3所示，它是變壓器耦合LC振蕩器。請注意同名端的接法，保證反饋到輸入端的信號(hào)相位的正確性，使其為正反饋。圖4-2 調(diào)諧放大器電路圖4-3 反饋振蕩器電路 圖4-4中，圖(a)為反

6、饋放大器的原理方框圖，圖(b)為變壓器耦合反饋放大器的交流等效電路，圖(c)為變壓器耦合反饋振蕩器的交流等效電路。由圖可見，作為反饋放大器的主網(wǎng)絡(luò)是諧振放大器，作為反饋放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)是與諧振回路相耦合的反饋線圈L2。由于放大器凈輸入電壓，反饋信號(hào)使放大器凈輸入電壓增加，故這種反饋屬于正反饋。當(dāng)反饋信號(hào)電壓與輸入信號(hào)電壓大小相等、極性相同時(shí)，放大器便產(chǎn)生自激，將信號(hào)源去掉，仍然有輸出，這便演變成了如圖4-4(c)所示的反饋振蕩器。圖4-4 反饋放大器與變壓器耦合反饋振蕩器(a)反饋放大器的原理方框圖；圖4-4 反饋放大器與變壓器耦合反饋振蕩器(b)變壓器耦合反饋放大器的交流等效電路(c)變壓器

7、耦合反饋振蕩器的交流等效電路4.2.2 振蕩器的平衡條件設(shè)主網(wǎng)絡(luò)(諧振放大器)的電壓放大倍數(shù)為，反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為，則反饋放大器的電壓放大倍數(shù)為(4-1) 當(dāng)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，若在某一頻率上(設(shè)為wg)，與同相，且兩者振幅相等，即或(4-2)則由式(4-1)可見，當(dāng)時(shí)，則。反饋放大器的放大倍數(shù)趨于無限大的物理意義是：為了使主網(wǎng)絡(luò)輸出一個(gè)角頻率為wg的正弦電壓，所需的輸入電壓將直接由反饋電壓 提供，而無需外加激勵(lì)信號(hào)了。若令，則式(4-2)可寫成(4-3)或?qū)懗闪硗庖环N表示形式：(4-4) jKjb2np (n0，1，2，)(4-5) 式(4-4)和式(4-5)就是反饋式放大器實(shí)現(xiàn)自激振蕩的條件之一

8、，稱為振蕩的平衡條件，其中式(4-4)為振幅平衡條件，式(4-5)為相位平衡條件。求解這兩個(gè)條件，即可確定平衡條件下的振蕩電壓振幅和振蕩頻率。關(guān)于平衡條件可做如下解釋：首先解釋相位平衡條件，jKjb2np，它表明與相位相同。圖4-3中，標(biāo)明了變壓器的同名端，在諧振頻率點(diǎn)wwg，回路呈純阻性，放大器倒相180，即輸入電壓經(jīng)放大器相移jK180。按照圖中所標(biāo)注的極性，經(jīng)互感耦合送回到放大器輸入端的信號(hào)相移jb180，總的相移為360，從而保證了反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的相位一致，形成正反饋。但對(duì)于其它頻率，回路將失諧，產(chǎn)生附加相移，總的相移不是360了，所以不能振蕩。其次解釋振幅平衡條件，如果從輸出端送

9、回到輸入端的信號(hào)太弱，也不會(huì)產(chǎn)生振蕩。在圖4-3中，可以調(diào)整M、L的數(shù)值以及放大量來實(shí)現(xiàn)這一要求。一般情況下，放大器的電壓放大倍數(shù)K1，反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)b1。當(dāng)電源接通時(shí)，電擾動(dòng)電壓Ub1 mV，經(jīng)放大后，Uf100 mV，反饋電壓Ub100 mV(可見)，再對(duì)它進(jìn)行放大，就得到Uf1000 mV，如此循環(huán)，振蕩電壓就會(huì)增長起來。振蕩建立過程的波形大致如圖4-5所示。所以，起振條件為(4-6)jKjb2np (n0，1，2，)(4-7)或(4-8) 振蕩開始時(shí)，由于電擾動(dòng)產(chǎn)生的的幅度很小，這時(shí)放大器工作在甲類狀態(tài)，其放大倍數(shù)最大，故式(4-8)中以表示。起振條件中，式稱為振幅起振條件，式j(luò)K

10、jb2np稱為相位起振條件。那么，振蕩會(huì)不會(huì)無止境地增長下去呢？不會(huì)的。因?yàn)殡S著振蕩幅度的增加，晶體管將出現(xiàn)飽和、截止現(xiàn)象，放大倍數(shù)會(huì)下降，這是放大管的非線性特性所致。由于反饋系數(shù)由反饋網(wǎng)絡(luò)決定，一般不隨振蕩振幅Ub而變，因此放大倍數(shù)必須具有隨振蕩振幅Ub的增大而下降的特性。這樣，放大倍數(shù)與反饋系數(shù)b的乘積Kb將會(huì)減小，直到Kb1時(shí)，達(dá)到平衡值，振蕩振幅將不再增加。圖4-5 振蕩的建立過程在圖4-2所示的電路中，因?yàn)槠秒妷篍BEB，使靜態(tài)工作點(diǎn)處于特性曲線的放大區(qū)，所以剛起振時(shí)因振蕩器振蕩電壓幅度較小而處于q180的甲類狀態(tài)，其振蕩特性如圖4-6(a)所示，輸出電壓幅度Uf隨輸入電壓幅度Ub

11、線性增加；當(dāng)振蕩器振蕩電壓幅度較大后，由于管子的非線性，輸出電壓幅度Uf隨輸入電壓幅度Ub的增加基本不變。從而可得到放大器的電壓放大倍數(shù)K，如圖4-6(b)所示。圖4-6 UfUb與KUb曲線當(dāng)振蕩電壓幅度Ub較小時(shí)，放大器的電壓放大倍數(shù)K較大；當(dāng)振蕩電壓幅度Ub大到一定數(shù)值后，電壓放大倍數(shù)K隨振蕩電壓幅度Ub的進(jìn)一步增加而下降。這種EBEB，q90的振蕩特性(如圖4-6所示)稱為軟自激特性。這樣的特性就可以既滿足起振條件，又滿足平衡條件。振蕩器應(yīng)工作于軟自激狀態(tài)。由此可見，一個(gè)反饋振蕩器要產(chǎn)生振蕩，必須既滿足起振條件又滿足平衡條件。若只滿足平衡條件，振蕩就不會(huì)由小到大地建立到平衡值；反之，如

12、果只滿足起振條件，振蕩振幅就會(huì)無限制地增長下去。圖4-7 振蕩器的平衡點(diǎn)圖4-7可以很好地說明振蕩器的起振條件和平衡條件(假定相位條件已經(jīng)滿足)。反饋系數(shù)b不隨Ub變化，1/b為一條平行于橫軸的直線。起振時(shí)K01/b，即K0b1，滿足振幅起振條件，振蕩器產(chǎn)生增幅振蕩。隨著振蕩電壓幅度的增加，放大倍數(shù)將下降，Kb也隨之下降，當(dāng)Kb1時(shí)(A點(diǎn))，振蕩達(dá)到平衡，UbUbA，振蕩器振蕩電壓不再增加，在這個(gè)平衡振幅值上維持等幅振蕩。4.2.4 振蕩器的穩(wěn)定條件前面已指出，在實(shí)際振蕩電路中，不可避免地存在著各種電擾動(dòng)，這些擾動(dòng)雖然是振蕩器起振的原始輸入信號(hào)，但是達(dá)到平衡狀態(tài)后，它將疊加在平衡值上，引起振蕩

13、振幅和相位的波動(dòng)。此外，電源電壓、溫度等外界因素的變化會(huì)引起管子和回路參數(shù)的變化，從而也會(huì)引起振蕩振幅和相位的變化。因此當(dāng)振蕩器達(dá)到平衡狀態(tài)后，上述原因均可能破壞平衡條件，從而使振蕩器離開原來的平衡狀態(tài)。振蕩器的穩(wěn)定條件包括兩方面內(nèi)容：振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。一方面，電路中的擾動(dòng)暫時(shí)破壞了振幅平衡條件，振幅穩(wěn)定條件研究的就是當(dāng)擾動(dòng)離去后，振幅能否穩(wěn)定在原來的平衡點(diǎn)；另一方面，電路中的擾動(dòng)也暫時(shí)破壞了相位平衡條件，使振蕩頻率發(fā)生變化，相位穩(wěn)定條件研究的就是當(dāng)擾動(dòng)離去后，振蕩頻率能否穩(wěn)定在原有頻率上。1.振幅穩(wěn)定條件1)軟自激的振幅穩(wěn)定問題圖4-8中，A點(diǎn)是的平衡點(diǎn)，但A點(diǎn)是否是穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，

14、就要看在A點(diǎn)附近振幅發(fā)生變化時(shí)，是否能恢復(fù)原狀。假定某種原因使振幅增大，超過了UbA，由圖可見，這時(shí)，于是振蕩振幅衰減而回到UbA；反之，由于某種原因而使振幅小于UbA，這時(shí)，于是振蕩振幅就自動(dòng)增強(qiáng)，從而又回到UbA。因此，A點(diǎn)是穩(wěn)定平衡點(diǎn)。由上述分析可知，形成穩(wěn)定平衡點(diǎn)的原因在于在平衡點(diǎn)附近，放大倍數(shù)隨Ub的增加而減小，即放大倍數(shù)對(duì)振幅Ub的變化率為負(fù)值，故有(4-9)式(4-9)就是振蕩器的振幅穩(wěn)定條件。顯然，上述穩(wěn)幅條件是由主網(wǎng)絡(luò)固有的非線性放大特性來實(shí)現(xiàn)的，故稱為內(nèi)穩(wěn)幅。若在振蕩器中另外插入非線性網(wǎng)絡(luò)，也同樣可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅的功能，這種穩(wěn)幅稱為外穩(wěn)幅。2)硬自激的振幅穩(wěn)定問題當(dāng)三極管的發(fā)射結(jié)

15、加反向偏置(EBEB，q90)時(shí)，UfUb有如圖4-9(a)所示的關(guān)系，可畫出相應(yīng)的曲線如圖4-9(b)所示。由圖4-9(b)可見，當(dāng)UbUb0且Ub不斷增大時(shí)，隨Ub的增大而增大，但當(dāng)UbUb1時(shí)，因Uf增大緩慢而下降，通常將圖4-9所示的振蕩特性稱為硬自激。圖4-9 硬自激曲線由圖4-9(b)可見，對(duì)于硬自激來說，有兩個(gè)平衡點(diǎn)。顯然，在A點(diǎn)有，故稱A點(diǎn)為穩(wěn)定平衡點(diǎn)。而在B點(diǎn)，故稱B點(diǎn)為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。由圖4-9還可以看出，只有當(dāng)基極上有大于Ub0的起始擾動(dòng)電壓時(shí)，才能自激，這是硬自激具有的特點(diǎn)。應(yīng)該指出，振蕩電路中的起始擾動(dòng)電壓總是很微弱的，所以，這種起振的方式是不可靠的，故振蕩器應(yīng)避免出現(xiàn)

16、硬自激狀態(tài)，而采用組合偏置能使振蕩器在起振時(shí)處于軟自激狀態(tài)。2.相位穩(wěn)定條件頻率穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件實(shí)質(zhì)上是一樣的，因?yàn)橄辔蛔兓瘯r(shí)，頻率必然隨之變化，反之亦然。相位的超前意味著頻率的提高，而相位的滯后則意味著頻率的降低。在反饋振蕩器中有(4-10) 若jKb0，滿足了相位平衡條件，則反饋電壓與產(chǎn)生它的基極電壓同相；若jKb0，超前于，則經(jīng)放大后所引起的集電極電流，將比原來的集電極電流超前一個(gè)相位，供給振蕩回路的能量也超前一個(gè)相位，即提前給振蕩回路輸送能量，這就促使振蕩周期縮短，于是振蕩頻率提高；反之，若jKb0，即頻率為wgDw的振蕩使反饋電壓超前于，則頻率必然離開原來的頻率wg而逐步變大。

17、在此種情況下，可認(rèn)為原來的平衡點(diǎn)是不穩(wěn)定的。(2)DjKbCq，因此fq與fp相隔很近。由式(4-29)有當(dāng)(Cq/C0) 1時(shí)，利用近似式，有(4-30) 石英晶體諧振器的等效電抗曲線如圖4-26所示。可見：當(dāng)wwq時(shí)，Lq、Cq支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振；當(dāng)wwp時(shí)，產(chǎn)生并聯(lián)諧振。當(dāng)wwp時(shí)，電抗呈容性；當(dāng)wqwwp時(shí)，電抗呈感性。由于兩個(gè)諧振頻率之差很小，因此呈感性的阻抗曲線非常陡峭。實(shí)用中，石英諧振器工作在頻率范圍很窄的感性區(qū)(可以把它看成一個(gè)電感)，只有在電感區(qū)電抗曲線才有非常大的斜率(對(duì)穩(wěn)定頻率有利)，而在電容區(qū)石英諧振器是不宜使用的。圖4-26 石英晶體諧振器的電抗特性3.石英諧振器的頻率

18、-溫度特性雖然石英諧振器的等效回路具有高Q的優(yōu)點(diǎn)，但如果它的電參數(shù)不穩(wěn)定，仍然不能保證頻率穩(wěn)定度的提高。頻率穩(wěn)定度還受溫度變化的影響。在一定的溫度范圍內(nèi)，石英晶體的各電參量具有較小的溫度系數(shù)，具體情況與晶片的切割類型有關(guān)。在室溫附近，它們的穩(wěn)定度是比較令人滿意的，其中以AT切型最好。但是當(dāng)溫度變化較大時(shí)，頻率穩(wěn)定度就顯著變壞。因此，要得到更高的頻率穩(wěn)定度，應(yīng)對(duì)石英晶體采用恒溫設(shè)備。4.石英諧振器頻率穩(wěn)定度高的原因石英諧振器的頻率穩(wěn)定度之所以高，主要有以下幾方面的原因：(1)它的頻率溫度系數(shù)小，用恒溫設(shè)備后，更可保證頻率的穩(wěn)定度。(2)它的Q值非常高。(3)石英諧振器的CqC0，振蕩頻率基本上由

19、Lq、Cq決定，外電路對(duì)振蕩頻率的影響很小。只要它本身的參數(shù)Lq、Cq穩(wěn)定，就可以有很高的頻率穩(wěn)定度。4.5.2 石英晶體振蕩器電路由石英諧振器構(gòu)成的振蕩電路通常稱為石英晶體振蕩器電路。從晶體在電路中的作用來看，晶體振蕩器可分為并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器兩種類型的電路：一種是將晶體作為三端式電路中的回路電感使用，而整個(gè)振蕩回路處于并聯(lián)諧振狀態(tài)，故稱其為并聯(lián)型電路；另一種是工作在晶體的串聯(lián)諧振頻率上，將晶體作為一個(gè)高選擇性的短路元件，串聯(lián)在反饋支路中，用以控制反饋系數(shù)，故稱為串聯(lián)型電路。在電子設(shè)備中，廣泛采用并聯(lián)型振蕩電路。1.并聯(lián)型晶體振蕩器并聯(lián)型晶體振蕩器由晶體與外接電容器或線圈構(gòu)成

20、并聯(lián)諧振回路，按三端式振蕩器的連接原則組成振蕩器，晶體等效為電感。振蕩器的振蕩頻率只能在fqffp的范圍內(nèi)。在三端式電路中，晶體有兩種接入回路的方法，一種是將晶體接在三極管集電極與基極之間，如圖4-27(a)所示，稱為皮爾斯(Pierce)電路，圖中Lb為高頻扼流圈，Cb為旁路電容。圖4-27(b)為諧振回路等效電路。圖4-27(c)中Le是晶體呈現(xiàn)的等效電感?？梢娖査闺娐废喈?dāng)于電容三端式振蕩器。圖4-27 并聯(lián)晶體振蕩器(皮爾斯晶振)(a)皮爾斯電路；(b)諧振回路交流等效；(c)晶體等效為電感另一種是將晶體接在基極與發(fā)射極之間，如圖4-28(a)所示，稱為密勒(Miller)電路。圖4-

21、28(b)為其交流等效電路。圖4-28(c)中Le1為LC回路呈現(xiàn)的等效電感(LC回路的諧振頻率應(yīng)高于振蕩頻率)，Le2為晶體呈現(xiàn)的等效電感。所以密勒電路相當(dāng)于電感三端式振蕩器。在密勒電路中，晶體是接在正向偏置的發(fā)射結(jié)上，因此輸入阻抗對(duì)晶體Q值的影響大，而在皮爾斯電路中，晶體接在反向偏置的cb結(jié)上，影響較小。所以，從提高頻率穩(wěn)定度方面著眼，應(yīng)選用皮爾斯電路。下面就以皮爾斯電路為例來分析晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。圖4-28 密勒晶體振蕩器(a)密勒電路；(b)交流等效電路；(c)晶體等效為電感1)頻率穩(wěn)定度的分析由于晶體管振蕩器滿足振蕩條件時(shí)要求的回路阻抗很小(通常為幾千歐)，即使與石英晶體耦合再

22、松些，也是能振蕩的，因此，實(shí)際的皮爾斯振蕩電路都采用改進(jìn)型的電路，如圖4-29所示。與晶體串聯(lián)的容量很小的電容C3通常采用微調(diào)電容，則與晶體并聯(lián)的電容為(4-31)當(dāng)忽略管子的高頻效應(yīng)及回路損耗時(shí)，晶體振蕩器的振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率，即振蕩回路中的晶體的等效感抗XLe等于CL的容抗，則得其相位平衡條件為XLeXCL0或(4-32)圖4-29 改進(jìn)型的并聯(lián)晶體振蕩器 圖4-30是晶體的電抗和容抗隨頻率變化的曲線。由此圖可見，相位平衡點(diǎn)A所對(duì)應(yīng)的頻率fL就是振蕩器的振蕩頻率，它在fq與fp之間。由于振蕩頻率fL是非?？拷w串聯(lián)諧振頻率fq的，因此fL主要取決于fq，而fq是非常穩(wěn)定的，所

23、以fL也是非常穩(wěn)定的。應(yīng)該指出，外界因素的變化對(duì)晶體振蕩器的振蕩頻率仍然是有影響的，為了進(jìn)一步提高晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度，應(yīng)進(jìn)一步采取以下措施：圖4-30 晶體振蕩器的電抗曲線(1)減小溫度變化對(duì)fq的影響。不僅可以采用溫度系數(shù)小的晶體，還可加恒溫裝置與電路，使石英晶體工作在拐點(diǎn)溫度附近，此時(shí)溫度變化對(duì)頻率的影響最小。另外合理選擇晶體的激勵(lì)電平，并采用自動(dòng)增益控制電路，以保持激勵(lì)電平的穩(wěn)定，否則，激勵(lì)電平過大或變化太大，都會(huì)使晶體的工作溫度過高或變化大，從而引起晶體頻率的變化。(2)減小負(fù)載電容CL變化對(duì)振蕩頻率的影響。如前所述，C1、C2、C3組成了CL，而它們中包含有晶體管的極間電容與電路

24、的分布電容，故首先要選用損耗低、容量穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)可靠的電容，特別是微調(diào)電容C3(因C1、C2容量大，C3容量小，所以CLC3)。此外，為了穩(wěn)定晶體管參數(shù)，振蕩器電源應(yīng)單獨(dú)采用穩(wěn)壓，將振蕩器整個(gè)置于恒溫槽中。選用耐高溫、fT高且穩(wěn)定的硅管，可減小由于管子的高頻效應(yīng)引入的負(fù)載電容的不穩(wěn)定。在振蕩器的安裝中，要注意接線盡量短而牢固，以減小引線電容及其不穩(wěn)定性。2)并聯(lián)泛音晶體振蕩器在使用泛音晶體時(shí)，必須考慮抑制低次泛音振蕩的問題，為此可將電容三端式電路中的C1改為LC諧振回路，如圖4-31所示。若泛音晶體的標(biāo)稱泛音次數(shù)為5，相應(yīng)的標(biāo)稱頻率為5 MHz，則LC回路應(yīng)調(diào)諧在35次泛音頻率之間，例如3.5

25、MHz，這樣在5 MHz頻率上，LC回路呈容性，振蕩器滿足相位平衡條件。對(duì)于三次泛音頻率來說，LC回路呈感性，振蕩器就不能滿足相位平衡條件，無法產(chǎn)生振蕩；而對(duì)于七次及七次以上的泛音頻率，LC回路呈容性，但其等效電容量過大，以致反饋系數(shù)過小，不滿足振幅起振條件，同樣也不會(huì)產(chǎn)生振蕩。圖4-31 并聯(lián)泛音晶體振蕩器2.串聯(lián)型晶體振蕩器圖4-32為兩種常用的串聯(lián)型晶體振蕩器電路。這兩種電路可用基頻晶體，也可用泛音晶體。圖中Lb為高頻扼流圈，Cb為旁路電容。由圖4-32可見，當(dāng)晶體工作在串聯(lián)諧振頻率上時(shí)，晶體為高選擇性的短路元件，這兩種電路都是典型的電容三端式電路。而當(dāng)工作頻率偏離晶體的串聯(lián)諧振頻率時(shí)，

26、晶體呈現(xiàn)的等效阻抗增大，因而加到基極上反饋電壓的幅度減小，相移增大，振蕩器就無法滿足起振條件。在電路中，晶體起著選擇開關(guān)的作用。這種電容三端式電路的振蕩頻率實(shí)際上受晶體控制，所以具有很高的頻率穩(wěn)定度。圖4-32 串聯(lián)型晶體振蕩器電路原理圖晶體振蕩器由于采用了高標(biāo)準(zhǔn)性、高Q值的石英作為振蕩元件，因此頻率穩(wěn)定度比LC振蕩器有很大的提高，一般可達(dá)105以上，若采用高精度的石英晶體振蕩器(如BA14、BA12、BA5等系列)，且采用恒溫措施，則可達(dá)1071010數(shù)量級(jí)。晶體振蕩器的主要缺點(diǎn)是不能在連續(xù)波段內(nèi)工作，但隨著頻率合成技術(shù)的不斷發(fā)展，此缺點(diǎn)已得到了一定程度的克服；其次是工作頻率不能太高，基頻一

27、般不超過30 MHz，但可以采用泛音振蕩器來克服；最后還有其制造較復(fù)雜、結(jié)構(gòu)脆弱。本節(jié)將應(yīng)用EWB軟件包中的電子電路仿真設(shè)計(jì)模塊Multisim仿真克拉潑振蕩器。1.仿真電路及條件克拉潑振蕩器仿真電路如圖4-33所示。圖中C4、C5、C6、L1是構(gòu)成克拉潑振蕩器的相位元件。示波器XSC1測量振蕩器的輸出電壓。XFC1是測量振蕩器頻率、周期或脈沖數(shù)的測試儀。XMM1用來測量交、直流電壓等參數(shù)。4.6 振蕩器仿真實(shí)驗(yàn)舉例圖4-33 克拉潑振蕩器仿真電路2.仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1)正常工作狀況。在圖4-33所示的測試電路中，測量起振瞬間波形、平衡時(shí)波形、振蕩頻率及輸出電壓值，測量結(jié)果分別如圖4-34(a)

28、、(b)、(c)、(d)所示。圖4-34 靜態(tài)工作點(diǎn)不同時(shí)的輸出波形(a)起振時(shí)的電壓波形；(b)平衡時(shí)的電壓波形；圖4-34 靜態(tài)工作點(diǎn)不同時(shí)的輸出波形(c)振蕩頻率值；(d)振蕩器輸出電壓(2)起振條件的仿真。由克拉潑振蕩器的起振條件知，起振條件主要由晶體管跨導(dǎo)(工作點(diǎn))、負(fù)載總損耗及反饋系數(shù)決定。改變偏置電阻R1(或R2)的數(shù)值，觀察起振波形和振蕩電壓的變化，注意觀察增加R2與減小R2對(duì)起振條件和振蕩強(qiáng)弱的影響。改變相位電容C4或C5的數(shù)值，觀察起振波形和振蕩電壓的變化，將測試結(jié)果畫成曲線，驗(yàn)證反饋系數(shù)有一個(gè)最佳值的結(jié)論。改變電源電壓V1的數(shù)值，觀察起振波形和振蕩電壓強(qiáng)弱的變化。本章介紹

29、了振蕩器的組成和工作原理，以及高穩(wěn)定度的振蕩器。(1)介紹了反饋型振蕩器的原理，以及反饋型振蕩器的起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件，三個(gè)條件缺一不可。(2)說明了LC振蕩器的組成原則，重點(diǎn)分析了電容、電感反饋振蕩器的工作原理，并對(duì)電容反饋振蕩器進(jìn)行了兩種改進(jìn)，即介紹了克拉潑振蕩器和西勒振蕩器的工作原理。本章小結(jié)(3)介紹了振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響因素。(4)介紹了穩(wěn)定度高的晶體振蕩器的工作原理和組成。4.1 什么是振蕩器的起振條件、平衡條件、穩(wěn)定條件？振蕩器輸出信號(hào)的振幅和頻率分別由什么條件決定？4.2 克拉潑振蕩器的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)是什么？和電感串接的電容C3的作用是什么？4.3 西勒電路的優(yōu)點(diǎn)是什么？4.4 晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度高的原因有哪些？4.5 題4.5圖所示的電容反饋振蕩器電路中C1100 pF，C2300 pF，L50 mH，求該電路的振蕩頻率和維持振蕩所必需的最小放大倍數(shù)Kmin。思考與練習(xí)