先从源头找现有分析的错误。 . 近一个世纪以来,振荡器的起振条件始终采用Barkhausen的判据,即下图中由1=-AH(s)条件导出的判据。但是近年来,该判据受到挑战 [参考,因为它并不能保证可靠的起振。 . .
重画的Barkhausen判据原理图及特性多项式 . 上图摘自参考。该图没有信号源,是建立在单端口振荡器模型和以反馈量作为输入,即“反馈-输入”的原理之上的。振荡器的单端口电路原理模型(model)出于其对单端口功能模块(module)的认识。但是这种简单的“单端口”对应关系从电路分析的角度来看是错误的。 . 首先,振荡器的起振是从小信号线性振荡起步的,线性振荡是大信号和非线性稳态振荡的必经之路。尽管现实中不存在理想的线性振荡,但是如同放大器在工程上需要理想的线性放大器理论一样,工程上也需要一个理想的振荡器线性理论。没有正确的振荡器线性理论,就没有可靠起振的保障。因此,建立振荡器线性理论是必要和不可缺的。 要进行正确的线性分析,就要严谨地使用正确的线性分析理论与分析工具。线性分析理论有线性网络理论,线性分析工具有线性数学(线性代数)。 y=Ax是线性数学的基本形式。其中,x是输入,来自于独立信号源的输出;A是网络的参数矩阵;y是输出。该y=Ax形式清楚地表达了x与y间通过A产生的因果关系,以及y依附于x、x独立于y的关系。 . 可见,反馈-输入原理与x独立于y的原则格格不入。 . A的参数可以通过测量获得,测量是在独立信号源的驱动下进行的,例如A的参数可以通过Y、Z、S等参数的测量获得。A的参数也可以在测量的基础上通过计算获得,例如S’参数。在A的参数中,以S’22参数为例,每个参数都有“反馈”的贡献: 注意,S’的每个参数都有两个端口测量的S参数,例如,S’22是原理上(不是测量上)2端口信号源驱动下的2端口参数,里面有1端口驱动下的测量参数S11、S21。S11、S21形成了S’22中的反馈量。即,概念上,S’22在2端口驱动的信号到达1端口后,由于与S11相关的反射和与S21相关的反向传输,形成了反馈贡献。但是,既便S’每个参数中都有反馈的贡献,反馈的贡献并没有被允许作为另一个输入而重复使用和取代S’参数对应的独立源。 . 在线性网络理论中,网络参数对电路特性的表达是全面的,不需要“反馈”概念的额外介入。 . 不论电路是放大器还是振荡器,只要是线性分析,就要按照上述线性网络理论的要求进行。特别是,任何输入都应该被等效为独立源。显然,图1的反馈-输入原理既没有将反馈的输入等效为独立源进行分析,也无视了是独立源支撑了起振的事实。即无视了,逻辑上,振荡电路有源受控器件产生的第一个线性振荡输出,其输入是由独立输入源提供,而不是由输出提供的;其后续线性振荡的输入也应该由等效的独立源提供。显然,线性分析的理论与工具不支持反馈-输入原理。 . 同样,非线性Volterra级数(见附录)的分析也依赖于独立输入源,即,非线性分析的理论与工具也不支持反馈-输入原理。 . 可见,振荡器单端口模型及其反馈-输入原理从理论到实践都是站不住脚的。 . 由于振荡器的起振是个动态的过程,因此相应的反映动态起振的线性分析也应该是动态的。振荡器线性分析面对的,应该至少是由独立源控制的双端口振荡器动态模型。无论该分析会遇到什么样的困难,都不应该偏离这些原则。 对于完整的振荡器动态线性分析,可供选择的条件并不多。 动态的线性分析只能指望通过一个等效的动态信号源来实现。因为线性条件的约束,不允许网络(电路)参数因信号幅度而改变,即不允许有增益压缩的介入。因此动态分析只能来自于信号源输出幅度的变化和因置端变化而导致的增益变化。又因为输出的置端R02一般是固定的,例如R02=50欧,因此,动态分析将来自于信号源输出幅度的变化和因源阻抗R01变化而导致的增益的变化。 . 可见,由于现有振荡器模型缺失独立信号源,因此无法进行因源内阻变化导致的动态线性分析,得出“无线性稳态”的结论也就是必然的了。 我相信Barkhausen的建模分析是认真的,但是结果是错误的。该结果误导了多半个世纪,以至于后来出现各种惨不忍睹的“强行”等效和盲目的照抄。 指出这个错误的意义并不仅限于振荡器范围,它对纠正电路理论上的错误有着重要的意义。 . 附录 非线性Volterra级数,广泛见于教科书和文献中。 其中,x(t)是输入,y(t)是输出,Hn x(t) 的解释略。 |