穩(wěn)定振幅的LC振蕩器

　　在此公式中，A_O 代表總電壓放大率，R_D 表示 LC 電路在諧振頻率處的動(dòng)態(tài)電阻。在實(shí)際電路中，R_D 的值依賴于 LC 電路的特性，因此可以在一個(gè)寬的范圍內(nèi)作選擇。另外，公式 1 亦假設(shè)為一個(gè)理想放大器，即其特性與頻率無(wú)關(guān)。

　　從圖 1 和公式 1 可以看到存在的基本設(shè)計(jì)問(wèn)題：如果電路在寬頻率范圍內(nèi)的運(yùn)行需要使用具有寬變化范圍的R_D值的多個(gè) LC 電路，則放大器的特性也必須能在寬范圍內(nèi)調(diào)整。你可以調(diào)整放大率來(lái)滿足最差 LC 電路對(duì)增益的限制條件，而在過(guò)驅(qū)動(dòng)條件下依靠器件的非線性來(lái)降低放大倍數(shù)。但是，過(guò)驅(qū)動(dòng)放大器的輸入、輸出差分電阻可以降低到只有最理想高阻值的一小部分。其次，大量非線性失真會(huì)損害頻率的穩(wěn)定性。另外，這些影響在很大程度上取決于放大器的電源電壓，如果供電電壓隨負(fù)載變化，也會(huì)造成頻率穩(wěn)定性的惡化。

　　在圖1所示放大器框中不同的振蕩電路使用了不同的設(shè)計(jì)。常見(jiàn)的共射或共源晶體管級(jí)有兩個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)：首先，它是一個(gè)反相放大器；其次，其輸出不是一個(gè)好的電流源，特別是當(dāng)嚴(yán)重過(guò)驅(qū)動(dòng)時(shí)。避免這些問(wèn)題的辦法包括采用變壓器耦合或在 LC 電路上提供阻抗匹配的抽頭，兩種方法都會(huì)使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，而且也只能解決部分問(wèn)題。

　　圖 2 所示是另一種振蕩器拓?fù)?，它采用兩只?jí)聯(lián)的非反相放大器，A₁ 和 A₂，作為電壓-電流變換器（壓控電流源）。在電路中，耦合電阻器 R_S 將放大器 A₁ 的輸出電流 I_IN 變換為電壓 V_IN，并驅(qū)動(dòng)第二級(jí) A₂。調(diào)諧電路的動(dòng)態(tài)電阻將 A₂ 的輸出電流變換為輸出電壓 V₂₂，并將其反饋至 A₁ 的輸入端，完成正反饋回路。公式 2 是總環(huán)路放大率 A_TOTAL：

　　式中，R_D=QωL，R_D是諧振頻率為 ω 時(shí) LC 電路的動(dòng)態(tài)電阻，Q 是 LC 電路的品質(zhì)因數(shù)，A₁ 和 A₂ 分別是兩個(gè)放大級(jí)的等效電壓放大率，而 |y21S1| 和 |y21S2| 則是兩個(gè)放大級(jí)差分正向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納的實(shí)數(shù)部分。對(duì)于自振蕩，公式 1 的基本條件 A_TOTAL > 1 必須適用于 LC 電路動(dòng)態(tài)電阻 R_D 的所有取值。理論上，這一條件沒(méi)有問(wèn)題，但實(shí)際應(yīng)用中卻會(huì)出現(xiàn)電路必須在下列條件運(yùn)行的情況：電感和電容大范圍可調(diào)的 LC 振蕩器；大范圍的調(diào)諧電路品質(zhì)因數(shù) Q（主要由電感確定）；條件 A 與 B 任意組合下的恒定振幅輸出；以及最可能的頻率穩(wěn)定度與供電電壓、負(fù)載的關(guān)系。

　　多數(shù) LC 振蕩器電路都不能完全滿足這些要求。一些振蕩器電路可以順序地滿足一些要求，但沒(méi)有一種可以在電路復(fù)雜性不超過(guò)合理限度下滿足所有要求。圖 3 電路從 V₂₂ 獲得一個(gè)外部 DC 控制信號(hào)，控制電壓―電流的變換效率，即 A₁ 和 A₂ 的放大系數(shù)。為兩個(gè)放大級(jí)增加放大控制可以顯著提高控制的效率。除了起振和持續(xù)振蕩的初始正反饋以外，可以在振蕩電路中增加一個(gè)間接負(fù)反饋通道，以限制 V₂₂ 的幅度。為滿足最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)，放大器塊 A₁ 和 A₂ 應(yīng)呈現(xiàn)出壓控輸入-輸出特性，并應(yīng)具備線性控制的放大特性（圖 4），而不應(yīng)變換信號(hào)的相位，而且應(yīng)該幾乎沒(méi)有輸入電流。另外，為仿真一個(gè)電流源，A₂ 應(yīng)呈現(xiàn)盡可能高的差分輸出內(nèi)阻。

　　適用于兩個(gè)放大級(jí)的最佳有源器件選定為N溝道的中級(jí)BF245B JFET，該器件在柵源電壓為0V、漏源電壓為15V時(shí)，其漏電流為5mA。圖5顯示了最終電路，其中Q₂作為共漏放大器A₂，Q₁則是共柵放大器A₁。

　　Q₁的柵源結(jié)點(diǎn)對(duì)調(diào)諧電路上的交流電壓V₂₂進(jìn)行整流。圖5中的耦合電容器C₄是圖3中直流恒壓電容器C_S的兩倍，因?yàn)樗幕姌O通過(guò)調(diào)諧線圈 L 的低直流阻抗接地。DC控制電壓通過(guò)電阻器R₂驅(qū)動(dòng)Q₂的柵極。電容器C₂將Q₂的柵極接地，提供交流信號(hào)通道，而Q₂工作在共柵連接下，因?yàn)镼₁的源極驅(qū)動(dòng)Q₂的源極。為減少由于負(fù)載變動(dòng)導(dǎo)致的頻率變化，與 Q₁ 漏極串聯(lián)的一只相對(duì)較小阻值的電阻器 R₄，將輸出與電路的頻率確定元件隔離開(kāi)來(lái)。另外，L 和 C 的一個(gè)引腳接地。

　　圖 6a 和 6b 的波形顯示，即使 L 和 C 的取值相差較多時(shí)，調(diào)諧電路上的電壓也沒(méi)有產(chǎn)生明顯的變化。在 8V 至 30V 的供電電壓范圍內(nèi)，調(diào)諧電路上的電壓保持在 3% 的恒定。即使當(dāng)頻率低至5kHz或高至50MHz時(shí)，輸出電壓也保持有相同或更好的振幅穩(wěn)定性（圖 6c）。而且除L和C以外，無(wú)需調(diào)整任何無(wú)源元件值。減少R₄的值會(huì)產(chǎn)生更小的輸出電壓，從而進(jìn)一步減小了工作頻率上負(fù)載變化的影響。

　　在地電勢(shì)下，V_OUT平坦部分，即頂部的 DC 電平復(fù)位，由于負(fù)供電電壓的原因，波形為負(fù)值。由于自動(dòng)增益控制的作用，波形保持著明顯的一致性，而與頻率無(wú)關(guān)，在 25 MHz 以上頻率時(shí)有些微的圓形拐角，主要原因是雜散電容引起的。只有 LC 電路的非接地端才產(chǎn)生一個(gè)完美的正弦波。由于兩只晶體管主要工作在 B 類方式，其電壓和電流波形都有截止失真，當(dāng)供電電壓升高時(shí)，工作狀態(tài)向 C 類轉(zhuǎn)化。你可以從 LC 電路中直接提取出正弦波，但負(fù)載阻抗的變化會(huì)影響工作頻率。

　　另一方面，控制兩只晶體管增益的負(fù)直流反饋可以防止調(diào)諧電路上負(fù)載阻抗的大范圍變化對(duì)振幅造成重大影響，除非 LC 電路的 Q 值降到非常低。另外還可以增加一個(gè)緩沖級(jí)，并從 LC 電路提取一個(gè)真正的正弦波，付出的代價(jià)是增加了復(fù)雜性和元件數(shù)量。但該電路原本是用于雷達(dá)標(biāo)記發(fā)生器，此時(shí)，恒定的輸出振幅要比波形重要得多。