【模電】0011 正弦波產生電路(LC正弦波振盪電路)


本節我們來分析LC正弦波產生電路,它與前面講的RC正弦波振盪電路的基本原理是一樣的,都是由選頻網絡、放大電路組成;區別是LC正弦波振盪電路的選頻網絡是由電感L和電容C組成的。

LC正弦波振盪電路工作的頻率一般比RC振盪電路高,通常在1MHz以上。

1)LC並聯諧振回路

首先我們來分析選頻網絡,一般使用LC並聯諧振回路作為選頻網絡。我們知道,當外部的信號與LC並聯電路特征頻率相等時,能產生諧振,信號幅值能達到最大,這樣就能選擇出我們需要頻率的信號。

LC並聯諧振回路的原理圖如下,圖中R表示回路的等效損耗電阻:

由圖可知,電路的等效阻抗為:

由於R遠小於ωL,所以有:

所以,當ω取如下值時,回路諧振,呈現純電阻特性

 而且,此時其等效阻抗為:

一般Z0是一個比較的大電阻值,理想狀態下是無窮大。

Q=ω0L/R稱為品質因數,用於評價回路損耗的大小。通常Q值很大,在幾十到幾百范圍。Q值越大,對頻率的選擇特性越好。

此外由於R一般很小,諧振回路內部的電流會遠大於外部輸入的電流,即上圖中的Ic和IL的絕對值要遠大於Is。

2)變壓器反饋式LC振盪電路

變壓器反饋式LC振盪電路,顧名思義,它是利用了變壓器耦合進行反饋的電路,原理如下圖:

 這個電路分析如下:

C1和變壓器的T1的一端形成LC並聯諧振電路,作為選頻網絡;當電路諧振時,等效於一個純電阻;

三極管的電路形式為共射級放大,其輸出(集電極)和輸入(基極)的相位是相反的;

注意變壓的同名端,當輸出(集電極)電壓升高時,使得基極的電壓會降低,從而形成了正反饋,因此可以不斷放大振盪信號。

3)電感三點式振盪電路

電感三點式振盪電路,又稱為電感反饋式振盪電路,仿真圖如下:

 這個電路分析如下:

由於諧振時,回路內部的電流遠大於外部輸入的電流;所以諧振回路的兩端可以看做相位相反;而三極管的共射放大電路,也有反相作用;兩個反相疊加后形成了正反饋。

它的振盪頻率為:(其中M為兩個電感間的互感)

4)電容三點LC式振盪電路

電容三點式LC振盪電路,又稱為電容反饋式振盪電路,仿真圖如下:

  這個電路分析與電感三點式很相似:

由於諧振時,回路內部的電流遠大於外部輸入的電流;所以諧振回路的兩端可以看做相位相反;而三極管的共射放大電路,也有反相作用;兩個反相疊加后形成了正反饋。

它的振盪頻率為:

 這個電路的缺點是,當需要調節C1和C2的值來改變頻率時,反饋系數也會改變。所以一般使用如下改進型電路,在L上並上一個可變電容,這樣就可以只調節可變電容改變頻率,而不影響反饋系數。

5)改進型的電容反饋式振盪電路

為了提高振盪電路的穩定性,可以使用如下克拉波電路:

 這個電路相當於電容三點式電路中,L上串聯了一個小電容C3;由於C3遠小於C1和C2,所以振盪回路的選頻特性主要由L和C3決定;這樣減弱了晶體管與振盪回路的耦合,使得有源器件對振盪回路的影響變小,提高了頻率穩定度。

6)總結:LC三端式振盪器相位平衡調節的判斷

上述討論的LC三端式振動器可以化成下圖的等效形式:

  顯然,如果要產生諧振,必須滿足Z1+Z2+Z3 = 0;當回路電阻R很小時,近似為純電抗,即滿足:X1+X2+X3=0。

另外,為了滿足相位條件,Vo與Vf需相差180°,這樣再經過三極管的反相放大以后能形成正反饋,則X1和X2必須為同一性質的電抗,如都為電容、或者都為電感,而X3為另一種電抗。

好了,振盪電路到這里基本到一段落了。

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