复旦 李旦 高频电路 4高频振荡电路

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1、第 4 章 高频振荡电路 高频电路基础 2014/2/17高频电路基础 2 反馈振荡器原理 平衡条件： 起振条件： 2014/2/17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。 2014/2/17高频电路基础 4 2014/2/17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 2014/2/17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

2、2014/2/17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： 2014/2/17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 2014/2/17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，

3、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： 2014/2/17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

4、定状态。 2014/2/17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。 2014/2/17高频电路基础 12 2014/2/17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=0 2、由于晶体管的 vb

5、 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。 2014/2/17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 2014/2/17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。 2014/2/17高频电路基础 16 在

6、LC回路谐振点附近有 起振条件为 或 2014/2/17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 2014/2/17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。 2014/2/17高频电路基础 19 2014/2/17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

7、。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。 2014/2/17高频电路基础 21 电感三点式振荡电路（Hartley电路） 接法1接法2 2014/2/17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。 2014/2/17高频电路基础 23 l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 2014/2/17高频电路基础 24 我们还是从振荡器的工作状态入手，给出

8、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 2014/2/17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。 2014/2/17高频电路基础 26 晶体管三点式振荡

9、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。

10、改变晶体管静态工作点 可以消除此非正常现象。 2014/2/17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

11、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。 2014/2/17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MHz l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) fmax l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 2014/2/17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

12、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。 2014/2/17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。 2014/2/17高频电路基础 31 l 设计过程 l 首

13、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。 2014/2/17高频电路基础 32 l 确定谐振

14、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。 2014/2/17高频电路基础 33 l 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

15、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 2014/2/17高频电路基础 34 l 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 2014/2/17

16、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。 2014/2/17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