高频电子线路张肃文第5版课件第6章优质PPT.ppt

1、,此种情形为过阻尼，由于 R 太大，不能产生振荡,此时成为临界阻尼，仍不能产生振荡,由 i 及的表达式知：0 即 R0 衰减振荡0 即 R=0 等幅振荡0 即 R0 增幅振荡,解得：,振荡频率：取决于R,L,C 的值,又：,6.2 LCR回路中的瞬变现象,）R 0 为正电阻时产生衰减振荡,R=0 保持等幅振荡,c）R 0 产生增幅振荡,不同的R产生的电流曲线如右图,可见，为了获得等幅振荡，就必须使 LC 回路中的电阻等于零。由于实际LC回路本身总是正电阻，因此可得：,6.2 LCR回路中的瞬变现象,6.3 LC振荡器的基本工作原理,1）一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件

2、中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。2）一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中，能量来源于直流电源。3）一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。,构成振荡器必备的三个条件：,End,高频电子线路（第四版）张肃文主编 高等教育出版社,6.3 LC振荡器的基本工作原理,-,+,图为:互感耦合调集振荡器，共基组态LC 回路为振荡回路L1,M组成晶体管正反馈电路，完成控制作用。直流电源 VCC为能量来源。可见本电路满足振荡器三个条件。,+,-,-,-

3、,-,+,+,+,6.3 LC振荡器的基本工作原理,上图 h 参数等效电路，共基组态,h i 表示输入电阻h r 表示反向电压传输系数，也称内反馈系数h f 表示正向电流放大系数h o 表示输出电导共射组态为：hie，hre hfe hoe 共基组态为：hib，hrb，hfb，hob,对于互感耦合调集振荡器，利用瞬变方法分析根据共基组态h参数等效电路列出如下方程组：,结论振荡器的振荡频率主要取决于回路储能元件参数。振荡幅度取决于电路中的非线性器件，不论初始冲击强还是弱，最终都要达到某一稳定振幅值上面的方法只解决了起始振荡条件和振荡频率的问题，不能决定振幅的大小。（振荡幅度研究超出本书范围）,本

4、实例满足瞬变分析方法得出的结论。,本节以前，我们用了电路中的瞬态分析方法确定了起始振荡条件和振荡频率。本节将以反馈放大器方法来确定起始振荡条件和振荡频率仍然通过互感耦合调集振荡器为例，最终证明无论采用瞬态分析方法还是反馈放大器分析方法得到结论是相同的。,6.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件,图为反馈放大器框图,基极电路在S处断开,输入电压为Vi，输出电压为 VO=VC,如果Vf和Vi振幅和相位相同，则接通S，撤掉Vi，以Vf替代，放大器将继续工作，这样放大器就成为振荡器,由图可知：,6.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件,当Vf=Vi，产生振荡，联立2式获得振荡条件为：,由反馈放大器闭环增益

5、 也可知：,6.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件,例6.4.1 根据右图（调集振荡器交流等效电路）可推导出正反馈下的振荡条件和振荡频率,无反馈时电压增益：,谐振回路输出电压：,L1 两端反馈电压：,反馈系数：,可得：,虚数项为零，得到振荡条件：,实数项为零，得到振荡频率：,可见采用反馈放大器理论推出的振荡条件，振荡频率表达式和6.3节瞬态分析法得出的结论相同，因此 1A0F=0 或A0F=1 就是正反馈放大器的产生等幅振荡的条件。,6.5 振荡器的平衡与稳定条件,6.5.1 振荡器的平衡条件,6.5.2 振荡器平衡状态的稳定条件,6.5.1 振荡器的平衡条件,当振荡器接通了电源，就会产生瞬变

6、电流，瞬变电流所含频带很宽，是由 LC谐振回路选出所需的频率，其它频率成分则被大幅衰减了。,由于正反馈作用，谐振频率信号越来越强，振荡的振幅逐步增大，但振幅不可能无限增大，达到一定幅度后就会自动稳定下来。,本节将研究振荡如何达到平衡及平衡的稳定条件。,6.4节已证明：1A0F=0 或 A0F=1 就是正反馈放大器的产生等幅振荡的条件。,6.5.1 振荡器的平衡条件,上面的振荡产生条件是假定晶体管工作在小信号放大状态，即甲类，获得的。,由于自给偏压的作用，振荡器起振后，振幅不断增长，振荡管的工作状态由甲类逐渐向乙类再向丙类过渡。,放大器的放大倍数A0 是随振幅增大而下降的，但反馈系数F，是由网络

7、决定与振幅无关。,如果刚好满足条件 1A0F=0 或 A0F=1 时，所需频率的信号则得不到有效放大，只能淹没在噪声中。,6.5.1 振荡器的平衡条件,通常将反馈系数取得较大，F=1/8 1/2，这样振荡器可在 A0F1 的情况下起振。,随着振幅的增大，放大倍数A0逐渐减小而趋于A，直到振幅增大到一定程度后，出现 AF=1 时 振荡变成为等幅振荡，也就是说达到平衡状态。,因此，振荡器的起振条件为 A0F1，增幅振荡 振荡器的平衡条件为 AF=1，等幅振荡,为了便于分析平衡条件，将其写成复数形式，即：AejA FejF=1，再分别用模和幅角表示得出：振幅平衡条件为：AF=1 相位平衡条件为：A+

8、F=2n,即：输出信号幅值增到一定程度时，限制它继续增加。,稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从 AF1 到AF=1。,（由增到稳）,6.5.1 振荡器的平衡条件,稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从 AF1 到AF=1。,（由增到稳）,6.5.1 振荡器的平衡条件,振幅平衡条件说明：振幅在平衡状态时，其闭环增益等于1。即：反馈信号 Vf 与原输入信号 Vi 的振幅相同。,相位平衡条件说明：振荡器在平衡状态时，其闭路总相移为零或2的整数倍。反馈信号 Vf 与原输入信号 Vi 的相位相同,理论分析中，振幅平衡条件可确定振荡器振幅。相位平衡条

9、件可确定振荡器的频率。,相位平衡条件为：A+F=2n由右图，相位平衡条件也可写成：Y+Z+F=2n,ui,ic1,uc1,uf,其中:Y 为集电极电流基波分量 IC1 与基极输入电压Vi 之间的相角Z 为回路基波谐振阻抗的相角，即 Vc（Vo）与IC1的相角F 为反馈系数相角，即 Vf 与 Vc（Vo）之间的相角,6.5.1 振荡器的平衡条件,实际上 IC 总是滞后 Vi,因此 Y 0，也可能F 0,通常 Y+F 0，为了满足相位平衡条件，通常 Z 0,即谐振时非纯阻,谐振回路处于失谐状态,通常是微小失谐.,6.5.1 振荡器的平衡条件,对于前面所提到的互感耦合调集振荡器的频率0通常不等于 L

10、C 回路固有谐振频率P,由于失谐很小，只要不分析振荡器相位问题，通常都认为回路谐振。并用RP表示谐振阻抗。,由于振荡回路总是处于微小失谐状态，使振荡器频率稳定度和效率都降低。,当要求提高LC振荡器的频率稳定度与改善功率振荡器效率时，可采用相角补偿法。即在电路中加入辅助电感电容，使 Z=0，见例题 6.6.2,6.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件,以上分析了振荡器由弱到强地建立起振荡的起振条件；及振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡的平衡条件。,实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应该分析保证振荡器的平衡状态不受外界因素变化而受到破坏的稳定条件。,稳

11、定条件也分为振幅稳定与相位稳定两种。以下分别讨论之。,水平分力与扰动方向相反,水平分力与扰动方向相同,要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变化时，AF的大小朝反方向变化。,图 7.5.2 软自激的振荡特性,1）振幅平衡的稳定条件,根据振幅平衡条件 AF=1 或 A=1/F，右图画出了放大倍数A和反馈系数的倒数 1/F 随振幅电压 Vom 的变化曲线。,反馈系数与振幅无关，所以1/F为直线，放大倍数A的曲线，随振幅增大而单调减小，它与 1/F交于Q点，,Q点附近:当振幅Vom增大A减小AF1 增幅振荡回Q点 Q点为稳定平衡点,Q点处满足平衡条件 AF=1,AF=1,AF1,AF1,形

12、成稳定平衡点的关键在于平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负斜率，也就是说平衡点附近放大倍数单调减，数学表达式为：,振幅平衡条件说明：放大倍数随振幅增大而单调减小，振幅就能处于平衡状态，电子管，晶体管正好具备这样的特性，因此具备稳定振幅的能力。,通常偏置电路和反馈网络设计合理 A=f（Vom）是一条单调下降的曲线，且和 反馈系数的倒数直线 1/F 仅有一个 交点Q。这样不需要外加激励振荡电路可自激，这就是软自激状态。,1）振幅平衡的稳定条件,如果晶体管工作点过低，反馈系数过小，会出现右图所示的振荡形式。,图 7.5.3 硬自激的振荡特性,右图出现两个平衡点B和Q其中Q点为稳定平衡点，满足,

13、B点为不稳定平衡点，因为B点附近A=f（Vom）曲线为正斜率（单调增）,当振幅增加 AF1，增幅振荡,振幅更大,不回B 当振幅减小 AF1,减幅振荡,振幅更小,不回B,为了使振荡电路稳定于Q点，必须在起振时外加一个大于 VomB的冲击信号，冲过B点才能使振荡器稳定在点。,这种外加一个一定幅度的信号才能起振的现象称为硬自激。通常情况下应避免硬自激，而让振荡电路工作在软自激状态。,1）振幅平衡的稳定条件,2）相位平衡的稳定条件,相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。,事实上，相位稳定条件和频率平衡条件是一回事。,因为振荡频率就是相位的微分，即：所

14、以振荡器频率变化时相位也必然变化。,当相位增加，即时，本次反馈电压就超前上次的反馈电压，相位超前，意味振荡频率升高。,同理相位减小，即时，本次反馈电压就滞后上次的反馈电压,相位滞后,意味振荡频率降低,为保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器应具有恢复相位平衡的能力。即，当外因引起相位变化，使得频率发生变化时，振荡器能产生附加相位抵消外因引起的相位变化，达到稳定振荡频率。,2）相位平衡的稳定条件,相位稳定条件偏微分形式为：,由于Y F 对频率变化的敏感性远小于Z，即,相位稳定条件可写成：,由相位稳定条件知，相位稳定主要取决于谐振回路的相频特性，只要谐振回路相频特性具有负斜率（即：谐振频率处单调减）特性

15、，就可以满足相位稳定条件，实现相位稳定。右图为谐振回路相频频特性曲线，谐振频率处单调减（负斜率）满足相位稳定条件。可见谐振回路不但是决定谐振频率的主要角色，而且还是稳频机构。,相位稳定条件：,2）相位平衡的稳定条件,稳频作用ZZ,21 图2.1.8,虽然相位稳定条件主要取决于Z，但Y+F0，让YF 代表这两个相角。由Y+F+Z=0，得:Z=-（Y+F）=-YFYF会使LC回路谐振到偏离固有频率0的C处（如图）若YF0，为满足相位稳定条件，则，Z 0，振荡频率由0增大到C 微小失谐所以说振回路通常处于微小失谐状态。,相位稳定条件偏微分形式为：,2）相位平衡的稳定条件解释微小失谐,图 7.5.4 并联谐振回路的相频特性,可见，为了减小YF