东华大学高频电子电路通信电子电路课件DOC甄选.pdf

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1、精品 word.东华大学高频电子电路通信电子电路课件DOC（优选.）5 5 克拉泼（克拉泼（ClappClapp）振荡电路）振荡电路考比兹(Colpitts)振荡器虽然有电路简单，波形好的优点，在许多场合得到应用，但从提高振荡器频率稳定性的角度考虑，电容三点式振荡器存在许多需要完善的不足之处。原因：原因：晶体管的极间电容直接和谐振回路电抗元件并联，极间电容（即结电容）是随环境温度、电源电压和电流变化的不稳定参数，它的变化会导致谐振回路谐振频率的变化，因为 振荡器的振荡频率基本上由谐振回路振荡器的振荡频率基本上由谐振回路的谐振频率决定。的谐振频率决定。极间电容的数量级一定要知道，这样才能了解哪些

2、电容在极间电容的数量级一定要知道，这样才能了解哪些电容在特定情况下是必须考虑的。参看课本特定情况下是必须考虑的。参看课本 P32P32谐振回路 L、C 元件参数不稳定影响振荡器频率的稳定性。将直接结结果果：三点式振荡电路的频率稳定性不高。一般在10体管极间电容的不稳定性对振荡器频率稳定度的影响。3量级，为提高频率稳定度，必须设法减小晶因为考比兹(Colpitts)振荡器存在不足，有必要对其进行改进，所以产生了克拉泼（克拉泼（ClappClapp）振荡电路）振荡电路改进的方法：改进的方法：串联改进型电容三点式振荡器克拉泼（Clapp）振荡电路。1/14doc 格式 可编辑精品 word.图（a）

3、克拉泼振荡器的实用电路，与普通电容三点式(Colpitts)电路相比，其区别仅在于 b-c 间的电感支路串入一个小电容C3满足C3 C1,C3 C2，这就是串联改进型电路命名的来由。图（b）是其高频等效电路。克拉泼振荡电路的组态：2/14doc 格式 可编辑，精品 word.图中输入端（反馈接入端）与发射极相连，输出回路与集电极相连，基极通过旁路电容Cb接地，所以电路为共基组态。为共基组态。用于分析振荡频率的简化等效电路图 5 30(忽略直流偏置电路)该电路满足“射同（C1、C2）基反（L、C3串联呈现感抗）。振荡频率的分析2CC（=C+C）,C（=C+C）1ce2be和3串联，振荡频率由选频

4、回路决定，选频回路由再与L并联构成。1谐振回路的总电容1111111CC1C2C3C1CceC2CbeC3满足C3C1Cce,C3C2Cbe,所以有CC3注意：注意：串联电容的总电容取决于小电容，而并联电容的总电容取决于大电容。振荡器的振荡频率3/14doc 格式 可编辑精品 word.fosc112LC2LC3（5.3.8）C C,Cf321结论：由式（5.3.8）可知：当满足时，osc几乎不受晶体管极间电容（即输入输出电容）的影响，好。C3越小，晶体管极间电容对振荡频率的影响就越小。电路的频率稳定性就越实际电路设计中谐振回路中元件的取值规则根据需要的振荡频率确定L、C3CC、C3。仅从振荡

5、频率的12的取值应远大于的值，稳定度考虑，C3C3过小会影响振荡器的起振。越小越好，但（下面分析）了解了解“晶体管对输出回路的接入系数”“晶体管对输出回路的接入系数”计算接入系数的目的是计算晶体管输出的等效电阻，以便计算放大器的增益。下面给出接入系数与等效负载计算的方法。图 5 30 接入系数与等效负载计算示意图晶体管输出回路的两个端点 c、b 对谐振回路 A、B 两端的接入系数4/14doc 格式 可编辑精品 word.ucbn1uAB11C1C21111C1C21C1C2C3C3(C1C2)（5.3.9）（注：对谐振回路的接入系数以电感为基准。）谐振回路 A、B 两端的等效电阻RL RL/

6、Re0，将RL折算到输出回路 c、b 两端，得到晶体管的等效阻抗晶体管的等效阻抗RL2RL n1RL(1由由式（5.3.10）可得如下结论：结论：12)RLC1C2（5.3.10）C3(C1C2)对改善振荡器的稳定性有力C3 R（是共基放大器的等效负载）L共基放大器的增益AC3过小，则环路增益T()综上分析，综上分析，ClappClapp 振荡电路有以下几点不足：振荡电路有以下几点不足：Clapp 振荡电路是以牺牲环路增益的方法来换取回路振荡频率稳定性能的改善。无法起振）在减小C3以提高振荡频率fosc的同时，使环路增益减小，减小到一定程度会导致电路无法起5/14doc 格式 可编辑振，这就限

7、制了振荡频率限制了振荡频率fosc的提高；的提高；精品 word.）Clapp 振荡电路不适合作波段振荡器。波段振荡器要求振荡频率在一定区间内可调，且输出信号的振荡幅值基本保持不变。由于 Clapp 电路是通CCR3L变化，致使共基电3过改变来调节振荡频率的，根据式（5.3.10）可知，的改变，导致路的增益变化，最终导致输出信号的幅值发生变化，使所调波段频率范围内输出信号的幅度不平稳。所以foscmaxClapp 电路可以调节的频率范围不够宽可以调节的频率范围不够宽，只能用作固定振荡器或波段覆盖系数（foscmin）较小的可变频率振荡器。一般 Clapp 电路的波段覆盖系数为 1.21.3。6

8、 6 西勒（西勒（SeilerSeiler）振荡电路）振荡电路在对 Clapp 振荡电路的不足之处进行改进的基础，产生了西勒电路。图（a）给出 Seiler 振荡电路的实用电路，Seiler 电 路 是 在 克 拉 泼 电 路 中 的 电 感 两 端 并并 联联 了了 一一 个个 可可 变变 小小 电电 容容C4C2C4，这就是并联改进型并联改进型电路命名的来由。图（b）是其高频等效电路。6/14doc 格式 可编辑,且 满 足C1、精品 word.Seiler 振荡电路的回路总电容CCC,C,C4并联构成。23串联，再与由11C C4 C3C4111（5.3.11）C1C2C3并联电阻取决于

9、小电阻，小电容；并联电容串联电阻取决于大电阻，大电容串联电容振荡器的振荡频率osc11LCL(C3C4)（5.3.12）图 5 32 给出计算接入系数与晶体管等效负载的结构示意图7/14doc 格式 可编辑精品 word.下面讨论晶体管 c、b 两端对谐振回路 A、B 两端的接入系数问题：为什么要计算 c、b 两端对谐振回路两端 A、B 的接入系数？Seiler 电路的组态共基；射极 e 输入，集电极 c 输出输出回路在 c、b 之间L。求得计算 c、b 两端对谐振回路两端 A、B 的接入系数就是为了计算真实负载真实负载对晶体管呈现的等效负载。等效负载。也就是上图中的RL RRL之后，就可求出

10、基本放大器的增益 A。真实负载真实负载通常并在谐振回路两端并在谐振回路两端，而谐振回路是以电感为参照的，因此实际负载实际负载是并接在电感两端并接在电感两端的结论：晶体管 c、b 两端对谐振回路 A、B 两端的接入系数与 Clap 电路的完全相同。Seiler 电路晶体管 c、b 两端对谐振回路 A、B 两端的接入系数8/14doc 格式 可编辑精品 word.ucbn1uAB11C1C21111C1C21C1C2C3C3(C1C2)当通过调节C4来改变振荡频率时，不会影响回路的接入系数，CR4来改变振荡频率振荡频率时，输出回路 cb 端的等效负载等效负载L不会随之变化，共结论：结论：通过调节基

11、电路增益也保持不变，在波段范围内输出信号的幅值基本保持不变，振幅的稳定性较好。且调谐电容C4直接与电感L并联，所以对回路的谐振频率影响较大，使西勒电路的调谐带宽较西勒电路的调谐带宽较 ClapClap 电路电路C4来提高振荡大大。Seiler 电路可用作波段振荡器，其波段覆盖系数可达 1.61.8 左右。另外，通过减小频率时，不会影响环路增益和振荡器的起振，因此，Seiler 电路适合于更高频段的振荡器。适合于更高频段的振荡器。5.4 振荡器的频率稳定度（自行学习了解）（自行学习了解）满足起振、平衡和稳定三个条件产生等幅持续的振荡波形。当受到外界或振荡器内部不稳定因素干扰振荡器的瞬时相位（或频

12、率）会在平衡点附近随机变化。频率稳定度是振荡器最为重要的性能指标之一。现代电子技术的飞速发展对振荡器的频率稳定度提出了越来越高的要求。振荡器的频率不稳定可能造成下述不良影响：通信系统的频率不稳定，就会因漏失信号而无法通信，如调频广播发射机的频率不稳，调频接收机就不能准确接收，如调频广播发射机的频率准确、稳定，则接收机在不需要调谐的情况下能够实现自动收听和转播；在数字电路中，在数字电路中，时钟不稳会引起时序关系的混乱；测量仪器的频率不稳定测量仪器的频率不稳定会引起较大的测量误差；军事保密通信及空间技术对频率稳定度提出了更为严格的要求。例如，要实现与火星通信，频率的相对误差不能大于米卫星定位，要求

13、频率的相对误差不能大于1 频率准确度和频率稳定度1011数量级。倘若给距离地球 5600 万千1012数量级。评价振荡频率的主要指标是频率准确度频率准确度和频率稳定度。频率稳定度。9/14doc 格式 可编辑精品 word.频率准确度频率准确度：用于衡量实际振荡频率实际振荡频率率准确度率准确度。fosc与标称频率标称频率f0偏离的程度。分为绝对频率准确度绝对频率准确度和相对频相对频绝对频率准确度是实际工作频率fosc与标称频率f0的偏差f fosc f0相对频率准确度是频率偏差（5.4.1）f与标称频率之比fosc f0ff0f0（5.4.2）表示频率稳定度频率稳定度是在指定时间间隔内频率准确

14、度变化的最大值。也分为绝对频率稳定度绝对频率稳定度和相对频率稳定度相对频率稳定度。最常用的是相对频率稳定度相对频率稳定度，简称频率稳定度简称频率稳定度，以fosc f0maxf0时间间隔（5.4.3）MHz，则该振荡器的频率稳定度为66day其中fosc f0max是某一间隔内的最大频率偏移。如某振荡器标称频率为 5MHz，在一天fosc f0maxf0day所测的频率中，与标称值偏离最大的一个频率点为 4.99995(4.99995 5)10510110/day在5频率准确度与频率稳定度两个指标中，频率稳定度更为重要。因为只有频率稳定，才有频率准确。频率不稳，准确度也就失去了意义。下面主要讨

15、论频率稳定度。频率稳定度按时间间隔分为长期频率稳定度长期频率稳定度：以月甚至年为观测时间长度，观测的是长时间的频率漂移。主要取决于构成振荡器的有源、无源器件和石英晶体的老化特性。它主要用于评价天文台或国家计量单位高精度频率标准和计时设备；短期频率稳定度短期频率稳定度：以一天，小时、分钟为测量时间间隔。10/14doc 格式 可编辑精品 word.短稳主要取决于振荡器的电源电压、电路参数或环境温度的稳定性。用于评价通信电子设备和仪器中振荡器频率稳定度。瞬时频率稳定度瞬时频率稳定度：在秒级时间内，主要是振荡器内部干扰和噪声作用引起的频率起伏，是频率的瞬间无规则变化。瞬时频率稳定度瞬时频率稳定度在频

16、域上又称为相位抖动或相位噪声相位噪声。通常用得较多的是短期频稳度。由于频率的变化是随机的，不同的观测时段，测出的频率稳定度往往是不同的，而且有时还出现某个局部时段内频率的漂移远远超过其它时间在相同间隔内的漂移值，因此用式（5.4.3）来表征频率稳定度不是十分合理，频率稳定度应建立在大量观测基础上的统计值来表征较为合理，常用的方法之一是均方根值将指定的时间划分为 n 个等间隔，测得的各频率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。即f1n(f)if2nf0ni1f0f0（5.4.4）式中，104数数fi为第i个间隔内实测的频率，(f)i fi f0为第i个间隔内实测的绝对误差。1nf(fi f0

17、)（5.4.5）ni1为绝对频差的平均值。f越小，频率准确度就越高。1059频率稳定度当然越高越好，但这样的振荡器造价高，使用者必须在性能和成本间折中考虑。不同场合，对振荡器频率稳定度的要求不同。例如用于中波广播电台发射机的为例如用于中波广播电台发射机的为105数量级，普通信号发生器的为数量级，普通信号发生器的为量级，电视发射机的为量级，电视发射机的为数量级，高精度信号发生器的为数量级，高精度信号发生器的为数量级，在标准计数量级，在标准计时时，天天 文文 测测 量量 和和 太太 空空 通通 信信 中中，要要 求求 有有 很很 高高 的的 长长 稳稳 和和 短短 稳稳，相相 对对 频频 率率 变

18、变 化化 不不 大大 于于10710710101110313。频频率率稳稳定定度度一一般般由由实实测测确确定定。普普通通的的 LCLC电电路路的的日日频频率率稳稳定定度度可可达达1010石英谐振器。石英谐振器。22 2 造成频率不稳定的因素造成频率不稳定的因素(这部分内容虽然不考，但对于设计性能良好的振荡器非常重要，请同学自己这部分内容虽然不考，但对于设计性能良好的振荡器非常重要，请同学自己学习了解一下学习了解一下)1）；采用改进型的西勒振荡电路，也只能达到；采用改进型的西勒振荡电路，也只能达到104数量级，要求更高的话，采用数量级，要求更高的话，采用LC回路参数的不稳定性温度变化是使LC回路

19、参数不稳定的主要因素。温度改变会使电感线圈和回路电容几何尺寸变形，11/14doc 格式 可编辑精品 word.因而改变电感和电容的数值。一般具有正温度系数，即随温度的升高而增大。而电容由于介电材料和结构的不同，电容器的温度系数可正可负。另外，机械振动可使电感和电容产生变形，LCLLL和C的数值变化，因而引起振荡频率的改变。晶体管参数的不稳定性当温度变化或电源电压变化时，必定引起静态工作点和晶体管结电容的改变，从而导致振荡频率不稳定。3 3 稳频措施稳频措施1）减小温度的影响为了减少温度变化对振荡频率的影响，最根本的办法是将整个振荡器或振荡回路置于恒温槽内，以保持温度的恒定。这种方法适用于技术

20、指标要求较高的设备中。在要求不是特别高的情况下，为了减少温度系数的影响，应该采取温度系数较小的电感、电容。例如，铁氧体的温度系数很大，当对谐振回路的电感量提出高稳定度要求的时候，应该避免采用铁氧体心。此时，电感线圈可用高频磁鼓架，它的温度系数和损耗都较小。固定电容器比较好的是云母电容，它的温度系数比其它类型电容的小。可变电容易采用极片和转轴线膨胀系数小的金属材料（如铁镍合金）制作。它们的温度系数小，性能稳定可靠。还可采用正、负温度系数的元件相互补偿。如瓷介电容具有正温度系数，有的电容具有负温度系数，而很多电感都具有正温度系数。2 2）稳定电源电压）稳定电源电压电源电压的波动，会使晶体管静态工作

21、点发生变化，从而改变晶体管的参数，降低频率稳定度。为了减小这个影响，采用性能良好的电压源供电，并 采取退耦措施避免高频信号对电压源稳定性产生不良影采取退耦措施避免高频信号对电压源稳定性产生不良影响响。如果是制作高性能指标的振荡器，应当采用稳压电源。当振荡器与整机其它部分公用一个电源时，往往从公用电源取出电压，再经一次单独稳压，以避免整机其它部分耗电的变化影响电源电压的稳定。另外，应采用具有稳定静态工作点的偏置电路。3 3）减少负载的影响）减少负载的影响振荡器输出信号需要加在负载上，负载的变动必然会引起振荡频率变化。为了减小这一影响，可在主振级及其负载之间加一缓冲级。为使缓冲级最大限度的起到缓冲

22、作用，缓冲级从主振级所获取的功率应尽可能的小。当负载所要求的功率一定时，缓冲级的功率增益越高，则要求主振级提供的功率越小。因此缓冲级的电路形式及工作状态的选择，应该从功率增益最大来考虑。即：a)缓冲放大级应工作于甲类，因甲类工作状态的功率增益最高；b)射级跟随器也是最常用的缓冲级。4 4）晶体管与谐振回路之间采用松耦合）晶体管与谐振回路之间采用松耦合减小晶体管和谐振回路之间的耦合，可以减小晶体管输出、输入电容的变化对谐振回路等效电容值的影响，从而使频率稳定度提高。减小晶体管和谐振回路之间耦合的常用方法是将晶体管以部分接入的方式接入谐振回路。前面介绍的克拉泼电路和西勒电路就是采用了这种方法。另外

23、，应选择fT较高的晶体管。fT越高，高频性能就越好，可以保证在工作频率范围内均有较高fT(310)foscmax，foscmax是最高振荡频率。12/14doc 格式 可编辑的跨导，电路容易起振；一般选择精品 word.5 5）提高回路的品质因数）提高回路的品质因数QLC谐振回路的相频特性表达式0Z arctanQ()0（5.4.6）根据式（5.4.6）可画出不同规律有如下特点。Q值对应的相频特性曲线，如图 5 33 所示。由图可见，相频曲线的变化00越小，相频特性曲线的斜率）Q越接近0，即dd就越大，则稳频能d力越强；反之，失谐越严重d就越小，频率稳定度越低。）值越大，在0附近dd的值越大，

24、稳频能力越强。所以提高回路的Q值，减小0，有利于改善振荡器的频率稳定性。如何提高谐振回路的Q值？图 5 33 并联谐振回路相频特性曲线在绕制电感时应注意，平行密绕线圈的线间分布电容较大，影响率在 2Q值。对于匝数较多的线圈，如振荡频MHz以下，宜采用“蜂房式”绕法，并且最好用多股线，以减小趋附效应的影响，以便提高13/14doc 格式 可编辑精品 word.Q值。对谐振回路而言，电感的铜损耗电阻r构成了谐振回路的主要损耗，1LQ谐振回路的品质因数rC，在确定电感值时，应取得大一些，电容量取小一些，可得到较高的Q值。但电容量太小时，晶体管的输出、输入电容对回路的等效电容和分布电容在回路中所占的比例将增大，使频率稳定度降低，所以必须兼顾这两个方面。1）将屏蔽、远离热源LC回路屏蔽可以减少周围电磁场的干扰。但加屏蔽后，电感量下降，损耗加大，因此，线圈Q值将下降。在可能的前提下，尽量将屏蔽罩做得大一些，这样，电感量不致减小太多，Q值所受影响也较小。振荡器电路离开热源（如电源变压器、大功率管等）远一些，可以减少温度变化对振荡器的影响。感谢您使用本店文档 您的满意是我们的永恒的追求！（本句可删）-14/14doc 格式 可编辑