模拟电路设计（18）---负阻型正弦波振荡器

负阻型正弦波振荡器

具有负的微变电阻特性的电子器件称为负阻器件。在一个LC或者谐振腔振荡回路中，若以负阻器件与消耗能量的常规电阻相抵消，使得振荡回路无能量消耗。那么电路也能维持正常的振荡。在实际电路中，负阻器件肯定是有源器件。由这种形式构成的振荡器就是负阻振荡器，它主要工作在100MHz以上的超高频段。最早期的负阻振荡器采用隧道二极管作为负阻器件。现代的几十Ghz振荡源的有源电路很多都采用负阻器件。

负阻器件

典型的负阻器件的伏安特性有如下两种：

负阻器件特性示意图

如上图所示，它们的共同点是其伏安特性曲线中都有负斜率值的AB段，图A中一个电压值只对应一个电流值，称为电压控制型负阻器件，应用时施加于器件两端的电压需恒定才能使器件出现负阻特性，如隧道二极管；图B一个电流值只对应一个电压值，称为电流控制型负阻器件，应用时通过它的电流需恒定才能使器件出现负阻特性，有单结晶体管（双基极二极管）、雪崩管、双向负阻管等。反馈型负阻振荡器依靠LC振荡回路中的电感和电容交换能量的规律得到正弦振荡，再借助于正反馈将直流电能在回路电压的控制下转换为交流电能补充给振荡回路。负阻型振荡器与反馈型LC正弦波振荡器的区别在于向LC回路补充能量的方式不同。前者依靠负微变特性，后者依靠在回路交变电压控制下将直流电能转变为交流电能，补充给LC回路。

负阻器件与振荡回路的连接方式

供电方面需要注意，对于电压控制型负阻器件应该用低内阻的电压源供电，对于电流控制型负阻器件应该用高内阻的电流源供电。振荡回路与负阻器件的连接有两种形式，分别是与负阻器件串联和并联如下图所示，R表示回路中的损耗电阻：

​振荡回路与负阻器件的连接

如前述，负阻器件有压控和流控之分，分别有对应的工作要求，电压恒定或者电流恒定，那么当构成一个负阻振荡器时，对于电流控制型负阻振荡器，应选择电流较为稳定的[a]型回路，相反，电压控制型负阻振荡器应选择电压较为稳定的[b]型回路。

负阻振荡器的起振与平衡稳定条件

​起振与平衡条件

如上图所示，将负阻器件用电阻-r代替，便得到等效电路。电流控制型负阻振荡器的起振条件是负阻器件的等效电阻绝对值大于与其串联的正电阻，平衡条件是二者相等。其振幅稳定条件要满足负阻器件的等效负电阻绝对值随振荡电流幅度的增大而减小：dr/di＜0电压控制型负阻振荡器的起振条件是负阻器件的等效负电阻绝对值小于与之并联的正电阻，平衡条件是二者相等。其振幅稳定条件要满足负阻器件的等效负电阻绝对值随振幅增大而增大：dr/du＞0

实际使用中的负阻振荡器

​如上图所示，R1为直流压降电阻，R2很小用以获得低阻的等效直流电压源，电容器C1用作交流旁路。从交流等效电路来看，负阻器件与LC回路并联。回路的振荡频率为：

其中Cd是负阻器件隧道二极管的等效极间电容。起振条件为：

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