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LC正弦波振蕩電路

作者: 時間:2011-07-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
LC正弦波振蕩器

一、LC并聯(lián)諧振回路

LC振蕩電路主要用來產(chǎn)生高頻正弦波信號,電路中的選頻網(wǎng)絡(luò)由電感和電容組成。常見的LC正弦波振蕩電路有變壓器反饋式、電感三點式和電容三點式。它們的選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC并聯(lián)諧振回路。

1.LC并聯(lián)諧振回路的等效阻抗

圖1 LC并聯(lián)諧振回路

LC并聯(lián)回路如圖1所示,其中R表示回路的等效損耗電阻。由圖可知,LC并聯(lián)諧振回路的等效阻抗為

(1)

考慮到通常有 ,所以

(2)

2.LC并聯(lián)諧振回路具有以下特點

由式(2)可知,LC并聯(lián)諧振回路具有以下特點:

(1)回路的諧振頻率為

(3)

(2)諧振時,回路的等效阻抗為純電阻性質(zhì),并達到最大值,即

(4)

式中, ,稱為回路品質(zhì)因數(shù),其值一般在幾十至幾百范圍內(nèi)。

由式(2)可畫出回路的阻抗頻率響應(yīng)和相頻響應(yīng)如圖2所示。由圖及式(4)可見,R值越小Q值越大,諧振時的阻抗值就越大,相角頻率變化的程度越急劇,選頻效果越好。

LC振蕩電路主要用來產(chǎn)生高頻正弦波信號,電路中的選頻網(wǎng)絡(luò)由電感和電容組成。常見的LC正弦波振蕩電路有變壓器反饋式、電感三點式和電容三點式。它們的選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC并聯(lián)諧振回路。

(3)諧振時輸入電流與回路電流之間的關(guān)系

由圖1和式(4)有

通常 ,所以 。可見諧振時,LC并聯(lián)電路的回路電流 比輸入電流 大得多,即 的影響可忽略。這個結(jié)論對于分析LC正弦波振蕩電路的相位關(guān)系十分有用。

二、變壓器反饋式LC振蕩電路

1.電路組成

圖1所示為變壓器反饋式LC振蕩電路。由圖可見,該電路包括放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)等正弦波振蕩電路的基本組成部分,其中LC并聯(lián)電路作為BJT的集電極負(fù)載,起選頻作用。反饋是由變壓器副邊繞組N2為實現(xiàn)的。下面首先用瞬時極性法來分析振蕩回路的相位條件。

2.相位平衡條件判斷

相位平衡條件的判斷參考動畫。

圖 1 變壓器反饋式LC振蕩電路

 

3.起振與穩(wěn)幅

變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路起振的幅值條件是環(huán)路增益大于1,只要變壓器的變比和BJT選擇適當(dāng),一般都可以滿足幅值條件。

而振蕩的穩(wěn)定是利用件的非線性來實現(xiàn)的。當(dāng)振幅大到一定程度時,雖然BJT集電極的電流波形可能明顯失真,但由于集電極的負(fù)載是LC并聯(lián)諧振回路,具有良好的選頻作用,因此輸出電壓的波形一般失真不大。

三、三點式LC振蕩電路

圖1 電感三點式振蕩電路

LC振蕩電路除變壓器反饋式,還常用電感三點式和電容三點式振蕩電路,現(xiàn)分別討論如下。

1.電路組成

圖1所示為電感三點式振蕩電路的原理圖。這種電路的LC并聯(lián)諧振電路中的電感有首端、中間抽頭和尾端三個端點,分別與件的集電極、發(fā)射極(地)和基極相連,反饋信號取自電感L2上的電壓,因此,習(xí)慣上將圖1所示電路稱為電感三點式LC振蕩電路,或電感反饋式振蕩器。

2.相位平衡條件判斷

前面討論LC并聯(lián)諧振回路時已得出結(jié)論:諧振時,回路電流遠比流入或流出LC回路的電流大得多。因此,電感中間抽頭的瞬時電位一定在首、尾兩端點的瞬時電位之間,即

(1)若電感的中間抽頭交流接地,則首端與尾端的信號電壓相位相反。

(2)若電感的首端或尾端交流接地,則電感其它兩個端點的信號電壓相位相同。

根據(jù)分析,圖1電路滿足相位平衡條件。

 

3.幅值條件及振蕩頻率

至于振幅條件,則容易滿足,只要適當(dāng)選擇BJT的b和L2/L1的比值,就可以實現(xiàn)起振。考慮到L1、L2間的互感M后,電路的振蕩頻率可近似表示為

(1)

電感三點式正弦波振蕩電路不僅容易起振,而且采用可變電容器能在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)振蕩頻率,其工作頻率范圍可以從數(shù)百千赫茲至數(shù)十兆赫茲,所以用在經(jīng)常改變頻率的場合(例如收音機、信號發(fā)生器等)。電路的缺點是,反饋電壓取自L2上,L2對高次諧波(相對于f0而言)阻抗較大,因而引起振蕩回路輸出諧波分量增大,輸出波形較差。

四、石英晶體振蕩電路

頻率穩(wěn)定度是衡量振蕩電路的質(zhì)量指標(biāo)之一,一般用 來表示,其中f0為振蕩頻率,Df為頻率偏移。頻率穩(wěn)定度有時還附加時間條件,如一小時或一日內(nèi)的頻率相對變化量。前面介紹的RC振蕩電路的頻率穩(wěn)定度大于10–3,普通LC振蕩電路也只能達到10–4。石英晶體振蕩電路的頻率穩(wěn)定度可達10–9甚至10–11,這是由于采用了具有極高Q值的石英晶體元件。

1.結(jié)構(gòu)

圖 1 石英晶體結(jié)構(gòu)

石英晶體是一種各向異性的結(jié)晶體,它是硅石的一種,其化學(xué)成分是二氧化硅(SiO2)。從一塊晶體上按一定的方位角切下的薄片稱為晶片(可以是正方形、矩形或圓形等),然后在晶片的兩個對應(yīng)表面上涂敷銀層并裝上一對金屬板,就構(gòu)成石英晶體產(chǎn)品,如圖1所示,一般用金屬外殼密封,也可有用玻璃殼封裝的。

2.壓電效應(yīng)

石英晶片所以能做振蕩電路是基于它的壓電效應(yīng),從物理學(xué)中知道,若在晶片的兩個極板間加一電場,會使晶體產(chǎn)生機械變形;反之,若在極板間施加機械力,又會在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場,這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如在極板間所加的是交變電壓,就會產(chǎn)生機械變形振動,同時機械變形振動又會產(chǎn)生交變電場。一般來說,這種機械振動的振幅是比較小的,其振動頻率則是很穩(wěn)定的。但當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率(決定于晶片的尺寸)相等時,機械振動的幅度將急劇增加,這種現(xiàn)象稱為壓電諧振,因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。

3.等效電路和諧振頻率

石英晶體的壓電諧振現(xiàn)象可以用圖XX_02所示的等效電路來模擬。等效電路中的C0為切片與金屬板構(gòu)成的靜電電容,L和C分別模擬晶體的質(zhì)量(代表慣性)和彈性,而晶片振動時,因摩擦而造成的損耗則用電阻R來等效。由于晶片的等效電感L很大,而C和R很小,因此Q很大,可達104~5′105。

圖2為石英晶體的代表符號、等效電路和電抗特性。

(a)代表符號 (b)等效電路 (c)電抗—頻率響應(yīng)特性

圖2 石英晶體的等效電路與電抗特性

由等效電路可知,石英晶體有兩個諧振頻率,即

(1)當(dāng)R、L、C支路發(fā)生串聯(lián)諧振時,其串聯(lián)諧振頻率為

(1)

由于C0很小,它的容抗比R大得多,因此,串聯(lián)諧振的等效阻抗近似于為R,呈純阻性,且其阻值很小。

(2)當(dāng)頻率高于fs時,R、L、C支路呈感性,當(dāng)與C0發(fā)生并聯(lián)諧振時,其振蕩頻率為

(2)

由于 ,因此fs與fp非常接近。

通常石英晶體產(chǎn)品所給出的標(biāo)稱頻率既不是fs也不是fp,而是外接一小電容Cs時校正的振蕩頻率,Cs與石英晶體串接如圖3所示。利用Cs可使石英晶體的諧振頻率在一個小范圍內(nèi)調(diào)整。Cs的值應(yīng)選選擇得比C大??梢杂嬎憬尤耄胹后新的串聯(lián)諧振頻率

圖3 諧振頻率的調(diào)整

將上式展開成冪級數(shù),并注意到 ,從而略去高次項,可近似得

(4)

當(dāng) 時, ,而當(dāng) 時, 。實用時,Cs是一個微調(diào)電容,使f¢s在fs與fp之間的一個狹窄范圍內(nèi)變動??梢苑治龅贸鯟s并不影響并聯(lián)諧振頻率。

4、石英晶體振蕩電路

石英晶體正弦波振蕩電路的形式是多種多樣的,但基本電路只有兩類,即并聯(lián)型和串聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路,前者石英晶體工作在接近于并聯(lián)諧振狀態(tài),而后者則工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)。

圖1a所示為一并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路。由圖可見,這個電路的振蕩頻率必須在石英晶體的fs與fp之間,即只有晶體在電路中起電感作用才能組成電容三點式電路,滿足相位平衡條件,考慮到通常 , ,因此,振蕩頻率主要取決于石英晶體與 的諧振頻率。

圖1b所示為一串聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路。從反饋支路的k點斷開,在T1的發(fā)射極與地之間加輸入ve為(+)極性的信號,則經(jīng)過共基極電路和共集電極電路的輸出信號vo應(yīng)為(+)極性。當(dāng) 時石英晶體呈純阻性,相移為零,此時vo經(jīng)Rf和石英晶體反饋到k點的電壓vf與ve同極性,滿足相位平衡條件。至于幅值平衡條件可通過調(diào)節(jié)電阻Rf的大小得到滿足。

(a) 并聯(lián)晶體振蕩器

(b)串聯(lián)晶體振蕩器

圖 1

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