第 4 章高频振荡电路高频电路基础2016/6/15高频电路基础2反馈振荡器原理平衡条件：起振条件：2016/6/15高频电路基础3稳定条件上电后，由于T 1，系统将自动起振。 当由于某种原因使得 vo脱离平衡点时，稳定条件使得系 统可以恢复。2016/6/15高频电路基础42016/6/15高频电路基础5互感耦合型LC振荡器电路利用电感耦合构成反 馈，反馈极性与两 个电感的同名端接 法有关根据谐振回路位于晶 体管的哪个电极， 有调集、调发、调 基等不同接法2016/6/15高频电路基础6起振阶段信号很小，可以用小信号等效模型分析。起振条件分析2016/6/15高频电路基础7假设Z21为纯电阻，令实部为0，有谐振频率：令令虚部为0，有起振条件：2016/6/15高频电路基础8谐振频率：令起振条件：其中 为有载品质因数很小时，（无耗近似）当互感为紧耦合（变压器）时，起振条件演变为2016/6/15高频电路基础9互感耦合型LC振荡器的平衡状态分析从理论上说，振荡器平衡的振幅条件是 ，但是实际上上述公式很难应用。对于振荡器来说，由于起振时信号幅度很小，所以尚可以用晶体管小信号模型讨论。但是到了稳幅阶段，信号幅度已经大到可以使晶体管进入强烈的非线性区，增益开始急剧下降，导致振荡幅度增加趋势减小，最终达到动态平衡。由于严格讨论晶体管进入非线性区后的增益是困难的，所以实用上一般都采用实验、图解等方法。这里我们从振荡器的工作状态入手，给出一些一般性的定性讨论结果：2016/6/15高频电路基础10在右图电路中，基极的静态 （直流）电位基本上是固定 的，反馈电压在静态电位上下波动。由于晶体管的非线性，随着反馈电压幅度增加集电极电流开始 不对称。反馈电压幅度继续增加，则 Vbe的负半周进入截止区，集电 极电流出现截止，晶体管进入C类放大状态。振荡器进入C类放大状态后，导通角变得极小，激励电流中的 基频分量急剧下降，导致增益急 剧下降，最后达到动态平衡，振 荡器就进入稳定状态。2016/6/15高频电路基础11另外，在这个电路中，由于不对称的集电极电流同时流过发射极，在发射极电容上造成一个附加偏置电压（上正下负）。这个附加的偏置电压是抵消静态偏置电压的，当电路起振后，晶体管的直流电流会减小，所以会加快晶体管的工作状态由A类向C类转变的过程。需要说明的是，即使没有发射极电容，晶体管也会进入C类放大状态。振荡器的平衡主要是由于晶体管进入C类放大状态后的增益变化造成的。2016/6/15高频电路基础122016/6/15高频电路基础13三点式振荡器一般构成法则：1、在谐振频率上，必有 X1+X2+X3=02、由于晶体管的 vb 与 vc 反相，而根据振荡器的振荡条件 |T|=1，要求vbe k vce ，即 i X1 = i X2，所以要求 X1 与 X2 为同性质的电抗。综合上述两个条件，可以得到晶体管 LC 振荡器的一般构成法则如下：在发射极上连接的两个电抗为同性质电抗，另一 个为异性质电抗。2016/6/15高频电路基础14电容三点式振荡器（Colpitts 电路）原理电路实际电路2016/6/15高频电路基础15求T(jw)的等效电路晶体管 LC谐振回路小信号等效模型分析。下图的模型中忽略晶体管的基极电阻rbb,也忽略晶体管反向 传输系数。2016/6/15高频电路基础16在LC回路谐振点附近有起振条件为或2016/6/15高频电路基础17相位平衡条件为 ，即若忽略晶体管的相移，此式等效于所以振荡频率为实际振荡频率略高于上述计算值2016/6/15高频电路基础18例l电容三点式振荡器，已知 RE =1kW, C1 =110pF, C2 =130pF, L = 440nH, Q0=220。晶体管参数： Cbc =2pF, Cbe=97pF, rc 20MW。 试求振荡频率以及起振时的集电极电流。2016/6/15高频电路基础192016/6/15高频电路基础20电容三点式振荡器的另一种接法与前面接法的区别在于：晶体管射极交流接地。由于此接法需要高频扼流圈，在实际使用中较少采用此电路。由于电路交流结构与基极接地电路一致，所以有关起振条件和振荡频率等分析过程以及分析结果与基极接地电路一致。2016/6/15高频电路基础21电感三点式振荡电路（Hartley电路）接法1接法22016/6/15高频电路基础22高频等效电路电感三点式电路的分析方法与电容三点式电路的分析基本一 致，只要注意反馈系数与n1、n2的相应关系即可。2016/6/15高频电路基础23l振幅起振条件l近似振荡频率l实际振荡频率略低于上述计算值2016/6/15高频电路基础24我们还是从振荡器的工作状态入手，给出一些一般性的定性讨论结果。为了说明方便，我们以下图的电容三点式电路为例进行分析：在这个三点式电路中，由于流过基极的电流很小，即使晶体管工作状态发生改变，基极电流的改变也很小，所以可以认为基极电位基本保持不变。三点式LC振荡器的平衡状态分析2016/6/15高频电路基础25晶体管的集电极电流波形近似 尖顶余弦脉冲，进入C类放大。由于基极电位基本不变，发射极波 形的最低电位被钳位在比基极电位 低一个pn结的导通阈值左右，发射极的平均电位将随着振荡电压的幅 度增加而升高，晶体管的导通角随 着振荡电压的幅度增加而变小。2016/6/15高频电路基础26晶体管三点式振荡器进入C类放大状态后，导通角变得极小，激励电流中的基频分量急剧下降，导致增益急剧下降，最后达到动态平衡， 振荡器就进入稳定状态。显然，晶体管静态工作点可以影响进入C类放大状态的时机，从而影响最终输出幅度。另外，由于发射极的平均电位 将随着振荡电压的幅度增加而增加，而发射极直流电流等于发射极的平均电位除以发射极电阻，所以本电路在起振后晶体管的工作电流会加大。由于起振后晶体管的工作电流会加大，所以有可能在起振的初始阶段，晶体管增益随着幅度加大而加大，到达某个顶点后再下降。若静态时的增益不满足起振条件，而幅度加大后又满足了起振条件，就会发生只有通过所谓的 “硬激励”才会振荡的现象。改变晶体管静态工作点可以消除此非正常现象。2016/6/15高频电路基础27三点式振荡器的特点l电路简单。通过改变电容的比值或电感的抽头位置可以方便地改变反馈系数kf，起振容易。 l电容三点式能够振荡的最高频率通常比电感式的高。原因是：电感式振荡器中晶体管极间电容与电感并联，频率升高可能引起支路的电抗性质改变，从而不满足相位平衡条件。电容式振荡器的晶体管极间电容与电容并联，频率升高时支路电抗性质不变，相位平衡条件不会被破坏。l电容三点式振荡器电路的局限：两个电容的取值不能太小，否则受晶体管极间电容的影响太大，频率精度将大大下降 。l电感三点式振荡器可以通过改变电容值比较方便地调节频率，而电容三点式则难以通过改变电容来改变频率。2016/6/15高频电路基础28三点式振荡器的设计考虑l电路选择l频率范围：适用于几百kHz几百MHzl波段宽度：电感型宽，稳定性稍差。电容型窄，但稳定性好l晶体管选择lfT (35) fmaxl起始工作点选择l小功率晶体管大致为亚毫安到毫安数量级lLC回路设计l通常选择 |F(jw)| = 0.10.5，起振时 |T(jw)| = 35 2016/6/15高频电路基础29设计三点式振荡器的例试设计一个电容三点式振荡器，要求：f0=27MHz，电源电压9V，负载阻抗为2kW / 30pF。解：前面已经介绍了电容三点式振荡器的电路，对于本设计来说，首先需要确定输出形式，即负载在哪里接入。从原理上说，振荡电路的负载可以接在LC回路的任何一点。但在实际电路中，需要考虑负载对于振荡电路的影响。在满足输出电压幅度要求的前提下，采用部分接入可以减轻负载的影响，所以常常采用在电感上抽头输出（包括耦合输出）或在晶体管发射极输出（仅对于基极接地接法有效）的方式。本设计拟采用晶体管发射极输出的方式，电路如后。2016/6/15高频电路基础30其中C1、C2和L为谐振回路，C3是输出耦合电容，R1、R2、R3、C4为偏置电路。2016/6/15高频电路基础31l 设计过程l 首先确定晶体管的型号由于要求 f0=27MHz，所以要求晶体管的 fT (80140)MHz 。另外，需考虑晶体管的其他参数对于电路的影响。在三点式振荡电路中，影响较大的是晶体管的结电容。查得2N3904的 fT 300MHz；结电容为CEB=8pF，CCB=4pF，对于27MHz的振荡回路而言均不大。所以该晶体管可以满足要求。l 选择反馈系数F通常选择 F= 0.10.5。反馈系数稍大些容易起振(太大则由于Q值降低反而不易起振)，发射极输出电压幅度也大些，但是振荡波形失真大些，同时负载的影响也大些。这里试选择 F= 0.2。2016/6/15高频电路基础32l 确定谐振电容确定谐振电容的时候，需考虑晶体管的结电容和负载电容的影响。由于这两个电容的不确定性较大，所以LC谐振回路的电容要远大于这两个电容，才能够使这两个电容的影响降到最低。晶体管的CEB=8pF以及负载电容CL=30pF是并联在谐振电容C2两端的，所以要求C238pF。据此可选择C2=330pF。然后，根据反馈系数 F=C1/(C1+C2)=0.2（其中C2是包含了晶体管的CEB以及负载电容后的总电容），确定C1实际选用91pF的电容器。2016/6/15高频电路基础33l 确定谐振电感L1根据要求， f0=27MHz，由于已经确定谐振电容，所以可以确定谐振电感。但是在计算时需考虑晶体管的结电容CCB=4pF，此电容实际上是并联在LC回路两端的。所以2016/6/15高频电路基础34l 确定晶体管工作点，设计偏置电路确定晶体管工作点的根据是 |T| = 35，在本设计中，此条件等效于在上式中，已经确定的电容和负载电阻，还要确定 gob、G0、R3等。gob可以从数据表中查到，当ICQ=0.11mA时gob=0.060.08mS。计算G0需要知道电感的Q0值。作为例子，假设电感的Q0=150 (若采用漆包铜线绕制的空心线圈，此值较容易达到。参考数据：线径0.62mm，内径9mm，绕7圈，L=450nH，Q0=200)，则 2016/6/15高频电路基础35确定R3需要以下几方面的配合：电源电压、晶体管工作点以及输出电压幅度等。若R3太小，LC回路的有载Q值下降，电路不易起振；若R3太大，虽然Q值增大，但是由于电源电压的限制，晶体管工作点电流将减小，也可能会出现起振困难。总的说来在合适范围内R3的大小对起振的影响不是很大。所以，通常可以先根据电源电压，人为设定晶体管基极偏置电压和静态工作点数值，并据此确定射极电阻R3，最后验算设计是否符合要求。若符合，则通过设计，否则此结果指出了修改设计的方向。在本例中，假定我们根据电源电压为9V确定晶体管基极偏置电位大致在3V左右，则发射极电阻上的压降大致为2.3V ，再考虑一般振荡器的工作点为亚毫安级，则可以先设定 R3 = 4.7kW。2016/6/15高频电路基础36由于gob比G0小许多，故忽略。令系数为5，则代回原设计验算，R3上的压降为1.7V，略小于原来的假设值。但从上面计算可看到， R3数值的改变对于gm影响甚小，即使不合适也可以径直修改R3而不必重新验算起振条件。因此，下面我们就以此值为基础进行设计。2016/6/15高频电路基础37由于R3上的压降为1.7V，假定晶体管的VBE(on) = 0.7V，则 VBQ = 1.7+0.7 =2.4V。根据这个电压可以设计偏置电阻，过程从略。 最后的设计结果为2016/6/15高频电路基础38l核对输出幅度 根据前面对晶体管三点式振荡器稳定状态