1、高頻電子線路王軍王軍汕頭大學電子工程系汕頭大學電子工程系4.6 振蕩器中的幾種現象振蕩器中的幾種現象4.6.1 間歇振蕩間歇振蕩 時而振蕩時而停振的現象，產生的原因主要是由于晶體管的非線性建立起的自偏壓效應引起的。 下面一電容反饋電路為例： 圖:電容反饋振蕩器的自偏壓等效電路(a)實際電路；(b)偏置電路(a)ReCeCbub(b)Eb020122112000bCBBBEQbebEeREERRR RRRRUEUEIR 等效的靜態工作點電壓從圖中可以計算出(1)穩幅建立過程 開始時，由于環路增益大于1，故電路增幅振蕩。由于非線性原因，使集電極電流平均值IC0逐漸增大，即給電容Ce充電，Ue上升，

2、使UBE減小，最后使晶體管進入非線性狀態，反饋電壓的正半周電容充電，負半周晶體管截止，電容放電。在某時刻t1達到平衡后，一個周期內的充放電相等，此時環路增益等于一，進入等幅振蕩。(1)1?TTbebbbbEQBQLbebeUUrrrIIRArAifAFthenr 直流直流（2）間歇原因 如果電容Ce過大，Re、Ce在Ub的負半周晶體管截止時放電速度較慢，當uc( ub)開始下降時，UBE還處于較大的自偏壓，不能跟隨uc( ub) 的變化，因此UBE會繼續下降，從而也造成環路增益小于1的減幅振蕩，直到使得在uc( ub)的正半周，晶體管依然截止，造成停振，然后Ce放電恢復到初始值，電路重新起振。

3、如下圖：導通時相當于一個射極跟隨器導通時相當于一個射極跟隨器, ,輸出內阻很小輸出內阻很小, ,時間常數很小時間常數很小, ,而截止時呢而截止時呢? ?充電的速度快于放電的速度充電的速度快于放電的速度=靜態工作點進一靜態工作點進一步左移步左移(1)TTbebbbbEQBQLbeUUrrrIIRAr 直流直流 因此，要避免間歇振蕩，要使晶體管電流放大倍數不宜過大，這樣接成反饋時輸出電阻不會太小,從而使得電容充電常數過小,即自偏壓不能建立的太多太快；二是Cb、Ce的值不宜選擇過大,過大則時間常數過大,放電速度太慢.圖427 間歇振蕩時Ub與Eb的波形4.6.2 頻率拖曳現象頻率拖曳現象 拖拽現象發

4、生在耦合回路做負載的反饋振蕩器中，如果耦合系數過大，而次級也是諧振回路，當調節次級回路參數時，振蕩頻率也隨之改變。諧振回路+u2-(a)C1CbVCeC2MRbRrEcL1L2C2L2L1r1r2C1(b)(a )C1CbVCeC2MRbRrEcL1L2C2L2L1r1r2C1(b )圖428變壓器反饋振蕩器(a)實際電路; (b)耦合回路的等效電路互為同名端FA需要明確一點的是需要明確一點的是:初級回初級回路構成振蕩電路路構成振蕩電路,而次級回而次級回路僅僅是負載路僅僅是負載,負責輸出信負責輸出信號號,只不過負載的變化會改只不過負載的變化會改變初級電路參數而已變初級電路參數而已的的情情況況。

5、條條件件，來來分分析析滿滿足足相相位位的的影影響響，即即和和忽忽略略00 LfFfF 1111112222222222222222222221()()()1()()fffffZrjLjZrjXZCMMMZZrjXrjLjCMMrjXRjXrXrX（1）如L=0，初級諧振時，次級X2=0時，即次級也諧振，那么Zf為一純阻Rf，振蕩頻率為 = 01= 02 。（2）如L=0，初級諧振時，次級X20時，那么Xf為容性電抗，使初級總電容減小，則振蕩頻率為 。（3）如L=0，初級諧振時，次級X20時，那么Xf為感性電抗，使初級總電感增大，則振蕩頻率為 。 可以看出，這種振蕩器有三個振蕩頻率(實際上不是很

6、準確，他們是變化的)，它取決于初級和次級參數以及耦合系數。 12122212222222222222221222222222222()()(1)(1)(1)(1)fLLrrMMXXXXrXrk L LQ kAXXXr 即： 可以看出：當1和02一定時，耦合越緊， 、 離 越遠。圖4-29給出了耦合回路的相頻特性。回顧一下耦合回路的頻率特性就很容易理解,見圖2-13 耦合系數的影響 在滿足振蕩的相位條件，即L=0時，必須保證初級諧振，所以有：1和02對和 的影響 當改變是1和02 ，即回路系數不一樣時，如果忽略了損耗電阻r的影響，則振蕩時應滿足:圖429 阻抗ZL的幅角L的頻率特性2221112

7、02222221211121111222221111221121112()()11()()()(1)(1)frMMXXXrXXX XLLMCCLCL CL L kCC 42211212111222421122220102010224222221101020102(1)()10(1)1110(1)()0C C L LkL CL Ckk 22222222010201020102212()()4(1)2(1)kk 0220120122200201010(b )(a )1,2 2MNdecbaf0220120122200201010(b )(a )1,2 2MNdecbafM1 N1 可見，當改變初級

8、或次級參數時，即改變02 和01時，振蕩頻率都會隨之改變。圖430 是I、II隨02的關系曲線。 圖430 I、II與02的關系曲線及拖曳 (a)(b) 如果設振蕩器的振幅平衡條件實際在1M1N之間，則對應的02應在MN之間符合振幅平衡條件。那么當02從小到大變化時，應先在上振蕩，即1= ，到達N(c點)時， 再不滿足振幅條件，因此跳到(d點) 上振蕩，然后隨02增加而增加；當02減小到(f點) N時 ， 又不滿足振幅條件，因此跳到(b點) 上振蕩，然后隨02減小而減小。 總之：在緊耦合回路中，如變化一個回路的參數使它的諧振頻率改變時，振蕩頻率1是非單值變化，將產生一個拖曳環b-c-d-f-b

9、,如果02位于MN之間，那么當有一個干擾，就可能引起振蕩頻率發生突變。這就是引起振蕩頻率發生突變。這就是振蕩器的頻率拖曳現象。 因此，在實際不需要拖拽現象或可能減弱拖拽現象，應采取的措施為： 1.減小耦合系數k，或減小Q值 2.選擇次級回路諧振頻率遠離振蕩頻率，然后可通過調整初級的諧振頻率01來調整1的頻率。4.6.3 振蕩器的頻率占據現象振蕩器的頻率占據現象1 . 頻 率 占 據 現 象 由于外界信號fs引入了反饋回路，當fs信號頻率接近于原振蕩頻率時，fs將對振蕩頻率產生牽引；當fs在原f1附近時，f1被 fs強制同步，即完全占據了原來的頻率。占據特性如圖4-31ES.Ui.Ic1.Uo.

10、(a )f0fsfCfDfAfB2 f(b )fs f1fs f1Ub頻率為fS圖431(a)外來信號加入振蕩器有點類似于電路、信號與系統、自動控制等里面講的受迫響應ES.Ui.Ic1.Uo.(a)f0fsfCfDfAfB2 f(b)fs f1fs f1Ub11ff 是是未未被被牽牽引引的的原原振振蕩蕩頻頻率率是是被被牽牽引引后后的的振振蕩蕩頻頻率率fAfB, fDfC是被牽引區域fBfC是完全被占據區域，其寬度叫占據頻帶圖4-31(b)外來信號帶來的頻率牽引與占據現象如果不牽引時的頻差振蕩頻率不受fs影響牽引時的頻差振蕩頻率完全受牽引信號的頻率所控制2.頻率占據產生的原因頻率占據產生的原因S

11、ibOEUUI c（1）當無時，等于反饋電壓，并與輸出電壓、集電極電流 都同相位。U U112,() ,ssssCCEUEUffEtUIUIUI isbbibco（ ）當有時，=+，當時，落后U落后相位為因此、也要落后，因此，諧振回路對新的集電極電流，使新的輸出電感壓超前一性失諧個相位。CsCLCUEUUIff obioiL1s（3）當達到平衡后與U 同相，U 和I一個固定相位 ，和一個固定的相位，就是回路對I 感性失諧造成的。這說明新超前的振蕩頻率 等于.如圖4-超前32所示回憶一下頻率與相位之間的關系就很容易理解Ub.Uo.Ui.ES.0(b)(a)Uo.Ic1.Ui.Ub.ES.0LIc

12、1Ub.Uo.Ui.ES.0( b )( a )Uo.Ic1.Ui.Ub.ES.0LIc1圖432說明占據過程的瞬時電壓矢量圖 (a)fs小于f1;(b)占據時的矢量 ()()00iObiOLibTLsEUUUUUUUcc顯然，閉環回路的的總的由回路的感性失諧補償（與I了由于帶來的）或超前I落后或也就是說落后反饋電壓相，移為的相位.同理，當Es帶來的Ui超前反饋電壓時，并聯回路諧振回路會產生容性失諧，造成相位滯后，從而補償Es帶來相位超前。由三個矢量構成的平行四邊形關系,可得通常sinsinbLSUE 00022sintanLLfQQf 02sinSbEffU Q 回路失諧不大(失諧很大時振幅

13、條件也將不能滿足)時,L不大,因此有下列近似關系:當ES不大時,可以用Ub代替Ub因而占據帶寬為：000000arctan1arctan 2pLLCrZQjQQ 可能得到的最大占據頻帶2fmax出現在sin的最大值1處,因此可得相對占據最大頻帶：02maxSbfEfU Q 因此，增大Q值和減小Es或增大振蕩幅值都是減小占據帶寬的有效措施。(4-87) 4.6.4 寄生振蕩寄生振蕩(Parastitic Oscillation) 由于分布系數，雜散電容和結電容，引線電感等的影響，對于一個高頻信號發大器來說，一旦增益符合振蕩條件，有可能產生不需要的自激振蕩。 例如一個高頻功放電路，如圖4-33：圖

14、433 低頻寄生振蕩的等效電路和波形1/()cbbcLL C 等效一個低頻振蕩器，其振蕩頻率為(a)(b)(c)怎么分析？ 由Lc、Lb和Cbc產生的寄生振蕩，直接產生在C極，故可看做晶體管的集電極電壓為 為功放的振蕩頻率：因而，集電極波形可看作一個受因而，集電極波形可看作一個受信號控制的調幅波信號控制的調幅波.cos,cmEUt 1/()cbbcLL C 同樣，在高頻時，主要由引線電感、晶體管的極間電容、分布雜散電容、構成的振蕩器，產生高頻寄生振蕩。 多級放大器之間的級間耦合，外界的電磁干擾也都可能引起自激振蕩。等效于電感影響等效于電容（電場）或公共阻抗影響形成反饋可能形成自激寄生振蕩消除的

15、方法：寄生振蕩消除的方法：選擇Cbc較小的晶體管。減小引線電感，和減小分布電感和電容，抑制高頻寄生振蕩。(縮短引線長度減少分布電感，增加并行導線之間間距等)將扼流圈中加一個電阻，增加阻抗，破壞振蕩條件。(加大阻尼，減小Q值)在多級使用時，減小由于接地和引線電阻造成的級間反饋，如加電源去耦電路，既加入、濾波電路在大電容上并接一個小電容，因為對于一個大電容來說它將導致一定的電感性質。采用無感電阻。如繞線電阻分布參數比較大，不適合用于高頻制作電路時元件的布局、布線、接地更加合理。 相位補償(人為加入一些校正環節)造成共模干擾,也即公共阻抗形成反饋.解決方法：去耦和多點接地4.7.1 RC網絡網絡1

16、超前型移相網絡超前型移相網絡圖4-35(a)示出了RC超前型移相網絡。傳輸系數為 (4-61)j12ej1jj1ARCRCCRRUUA4.7 RC 振振 蕩蕩 器器其模值和相角分別為式中0=1/(RC)。幅頻特性和相頻特性分別如圖4-35(b)、(c)所示。200222)/(1/1CRRCA0arctan21arctan2RC圖 4-35 超前型移相網絡 (a) 電路；(b) 幅頻特性；(c) 相頻特性2 滯后型移相網絡滯后型移相網絡圖4-36(a)示出了RC滯后型移相網絡。傳輸系數為(4-62)其模值和相角分別為式中0=1/(RC)。幅頻特性和相頻特性分別如圖4-36(b)、(c)所示。01

17、2j11j11j1j1CRCRCUUA20222)/(1111CRA0arctanarctanCR圖 4-36 RC滯后型移相網絡(a) 電路；(b) 幅頻特性；(c) 相頻特性3. 串并聯型選頻網絡串并聯型選頻網絡圖 4-37(a)示出了RC串并聯型網絡。傳輸系數(傳遞函數)為(4-63)0012j31 1CRj31 j1j1j1CRCRRCRRCRUUA式中0=1/RC， 其模和相角分別為相應的幅頻特性和相頻特性如圖4-37(b)、(c)所示。220013A0031arctan圖 4-37 串并聯型選頻網絡 (a) 電路；(b) 幅頻特性；(c) 相頻特性4.7.2 RC振蕩器振蕩器圖4-

18、38(a)和(b)分別示出了由晶體管以及由集成運放構成的反相放大器所組成的超前型RC振蕩器。圖(a)晶體管接成共射放大， 圖(b)集成運放接成反相放大器， 它們都可以提供180的相移， 要組成振蕩器， 滿足相位平衡條件， 相移網絡也必須提供180相移， 所以圖(a)和(b)中都由3節RC電路構成相移網絡， 圖(a)中第三節RC電路的R由晶體管的輸入電阻取代。由于RC相移電路的選頻特性不理想， 又是采用內穩幅， 因而RC相移振蕩器的輸出波形失真大， 頻率穩定度低， 只能用在性能不高的設備中。圖 4-38 超前型RC振蕩器4.7.3 文氏橋振蕩器文氏橋振蕩器文氏橋正弦波振蕩器的原理電路如圖4-39

19、所示， 它是正弦波振蕩器的一種最常用的電路。橋形RC網絡接在輸出端與同相輸入端之間， 則起振條件應當是相移等于零， 故此電路又稱零相移橋式振蕩器。令則222111j1/j1CR，ZCRZ)/1( j)/1 ( j1j1)j1 (12211221222211221212CCRRCCRRRCRRCRCRRZZZUUFof圖 4-39 文氏橋振蕩器現在要求Uf和Uo之間相移在某個頻率上等于零， 則上式的虛部等于零， 于是有得 (4-64)通常取R1=R2=R， C1=C2=C， 則振蕩頻率為 (4-65) (4-66)根據式(4-66)可以求出滿足幅度平衡條件的運算放大器的閉環增益等于3。為了便于起

20、振， 要求Rf/R3略大于2。01102210CCRR212101CCRRRCf21031F4.8 負負 阻阻 振振 蕩蕩 器器4.8.1 負阻型振蕩器負阻型振蕩器LC振蕩器的基本原理， 就是利用電容器可以儲存電能、電感器可以儲存磁能的特性進行電磁轉換，形成電磁振蕩。一般的，電容C不消耗能量，但電感L有損耗，LC在電磁轉換過程中將消耗一定的能量，形成減幅振蕩， 振蕩的幅度越來越小，最后停振。為了保持不停的振蕩， 前面我們討論了利用正反饋不斷的補充能量，形成的等幅振蕩，即反饋型振蕩器。另外，也可以采用負阻來補充能量，形成負阻型振蕩器。對于LC回路而言， 損耗可以用并聯諧振電阻R0表示， 如果我們

21、在回路的兩端并聯一電阻R0， 如圖4-40所示。根據電路知識可知， 回路總的阻抗為， 意味著，在高頻一周內， 電阻R0消耗的能量完全由負電阻R0提供， LC振蕩器將形成等幅振蕩， 一直持續下去。這就是負阻型振蕩器的工作原理負阻型振蕩器的工作原理。圖 4-40 負阻型振蕩器原理(a) LC回路； (b) LC回路等效電路； (c) 負阻型振蕩器原理+_能量發生器電源定義？ 以前接觸的電阻都是正電阻， 是消耗能量的， 那里沒有器件呈現負電阻， 不消耗能量反而提供能量呢？ 下面我們先來討論負阻器件。4.8.2 負阻性器件負阻性器件在 20 世紀初期， A.W.Hull提出“負阻”概念的時候， 曾遭到

22、許多學者的懷疑。他們認為“負阻”的概念“不符合能量守恒定律”。但是， 從負阻管的伏安特性曲線上人們可以清楚地看到，負阻器件確實存在， 但只是表現在器件的某段動態工作范圍內； 對于靜態， 它還是一個耗能元件， 還是一個“正阻”。 具有負阻特性的電子器件可以分為兩類， 它們的伏安特性分別如圖4-41(a)和(b)所示。圖4-41(a)中曲線形狀呈“N”形， 圖4-41(b)中曲線形狀呈“S”形， 但都有一個共同的特點: 圖中的AB段間的斜率是負的， 即器件在該區間工作時， 呈現負阻特性。不同點在于，圖4-41(a)呈現的負阻區間需要電壓進行控制， 因此稱為電壓控制型負阻器件； 圖4-41(b) 負

23、阻區間是由電流控制的， 因此稱為電流控制型負阻器件。電壓控制型負阻器件常見器件是隧道二極管， 符號和等效電路如圖4-42(a)、(b)所示。隧道二極管和普通二極管一樣， 是由一個PN結組成。PN結有兩大特點: (1)結的厚度小； (2)P區和N區的雜質濃度都很大。隧道二極管具有頻率高，對輸入響應快，能在高溫條件下工作， 并且可靠性高、耗散功率小、噪音較低。圖 4-42 隧道二極管符號及等效電路 (a) 隧道二極管的符號；(b) 隧道二極管的等效電路電流控制型負阻器件常見器件是單結晶體管， 圖 4-43(a)、(b)示出了其符號和等效電路圖。單結晶體管是一個三端器件， 但其工作原理和雙極晶體管完全不同。器件的輸入端也叫發射極， 在輸入電壓到達某一值時輸入端的阻值迅速下降， 呈現負阻特性。單結晶體管(也叫雙基極二極管)是一塊輕摻雜的N型硅棒和一小片重摻雜的P型材料相連而成。P型發射極和N型硅棒間形成一個PN結， 在等效電路中用一個二極管表示。圖 4-43 單結晶體管符號及等效電路 (a) 單結晶體管的符號；(b) 單結晶體管的等效電路4.8.3 負阻振蕩器負阻振蕩器負阻振蕩器具有結構緊湊， 可靠性高的優點， 隨著半導體器件的迅速發展，