【圖】振蕩電路原理及起振的幾個條件
(2023/7/26 7:00:00)
振蕩電路原理及起振的幾個條件
振蕩電路原理及起振的幾個條件
振蕩器能夠輸出某一指定頻率的正弦波，因此閉合環路中包含選頻網絡。若選頻網絡由RC元件構成，則該振蕩器稱為RC振蕩器，一般用來產生1赫至幾兆赫范圍內的低頻信號；若選頻網絡由LC元件組成，則該振蕩器稱為LC振蕩器，一般用來產生幾百千赫以上的高頻信號。若在LC振蕩電路的選頻網絡中加入晶振元件，我們則稱該電路為石英晶體振蕩器，其目的是為了提高輸出信號的頻率穩定度。
圖8.2給出了變壓器耦合反饋型LC振蕩電路，該電路與圖8.1相對應也可分為放大電路和反饋網絡兩部分。圖中由晶體管T構成放大電路，CB為隔直流電容，由電感L和C構成的單諧振回路是集電極負載，同時也起到選頻作用。反饋網絡由L和L2組成的變壓器構成。電感L3的作用是把輸出信號耦合下來加到輸出負載上。
該電路的反饋電壓Uf取自變壓器次級L2兩端，反饋信號通過由線圈L和L2組成的變壓器從集電極反饋到基極。根據圖中標注的同名端，利用瞬時極性法可知：輸入信號和反饋信號同接在三極管的基極，且瞬時極性相同，所以為正反饋。
該電路的工作過程：當振蕩電路接通電源時，電路中不可避免地存在種擾動。這種擾動是不規則性的，它包含著很寬的頻率成分。其中絕大部分信號頻率與選頻網絡LC頻率不同，僅有某一種信號頻率與選頻網絡LC頻率相同。與選頻網絡LC頻率不同的信號，也就是不符合振蕩條件的頻率分量迅速衰減直至消失，只有符合振蕩條件的頻率成分才能通過LC選頻網絡，通過放大、選頻和反饋的多次循環，振蕩電壓就逐漸增長起來了。如圖8.3中“起振”部分所示，電路產生了增幅振蕩。這就是振蕩電路的起振概念。
這里要強調說明的是，我們所討論的振蕩電路不需要外加輸入信號，便能自行產生輸出信號，但實質上該電路還是有“輸入信號”的，該“輸入信號”就是接通電源產生的多頻率擾動信號中的某一個，而這個信號的頻率必須與振蕩頻率一致。
起振以后，輸出信號幅度在正反饋作用下越來越大，但它的振幅不會無限制地增長下去，因為該電路會由RE和CE產生自生反偏壓。自生反偏壓形成后，就會進入晶體管的非線性區，即進入了飽和區和截止區。iC的波形就會出現非線性失真，這樣晶體管的導通角將會減小，從而導致增益降低，直至達到平衡，于是振幅便穩定于某一個恒定值了。如圖8.3中“平衡”部分所示。
振蕩電路原理及起振的幾個條件
振蕩器能夠輸出某一指定頻率的正弦波，因此閉合環路中包含選頻網絡。若選頻網絡由RC元件構成，則該振蕩器稱為RC振蕩器，一般用來產生1赫至幾兆赫范圍內的低頻信號；若選頻網絡由LC元件組成，則該振蕩器稱為LC振蕩器，一般用來產生幾百千赫以上的高頻信號。若在LC振蕩電路的選頻網絡中加入晶振元件，我們則稱該電路為石英晶體振蕩器，其目的是為了提高輸出信號的頻率穩定度。
圖8.2給出了變壓器耦合反饋型LC振蕩電路，該電路與圖8.1相對應也可分為放大電路和反饋網絡兩部分。圖中由晶體管T構成放大電路，CB為隔直流電容，由電感L和C構成的單諧振回路是集電極負載，同時也起到選頻作用。反饋網絡由L和L2組成的變壓器構成。電感L3的作用是把輸出信號耦合下來加到輸出負載上。
該電路的反饋電壓Uf取自變壓器次級L2兩端，反饋信號通過由線圈L和L2組成的變壓器從集電極反饋到基極。根據圖中標注的同名端，利用瞬時極性法可知：輸入信號和反饋信號同接在三極管的基極，且瞬時極性相同，所以為正反饋。
該電路的工作過程：當振蕩電路接通電源時，電路中不可避免地存在種擾動。這種擾動是不規則性的，它包含著很寬的頻率成分。其中絕大部分信號頻率與選頻網絡LC頻率不同，僅有某一種信號頻率與選頻網絡LC頻率相同。與選頻網絡LC頻率不同的信號，也就是不符合振蕩條件的頻率分量迅速衰減直至消失，只有符合振蕩條件的頻率成分才能通過LC選頻網絡，通過放大、選頻和反饋的多次循環，振蕩電壓就逐漸增長起來了。如圖8.3中“起振”部分所示，電路產生了增幅振蕩。這就是振蕩電路的起振概念。
這里要強調說明的是，我們所討論的振蕩電路不需要外加輸入信號，便能自行產生輸出信號，但實質上該電路還是有“輸入信號”的，該“輸入信號”就是接通電源產生的多頻率擾動信號中的某一個，而這個信號的頻率必須與振蕩頻率一致。
起振以后，輸出信號幅度在正反饋作用下越來越大，但它的振幅不會無限制地增長下去，因為該電路會由RE和CE產生自生反偏壓。自生反偏壓形成后，就會進入晶體管的非線性區，即進入了飽和區和截止區。iC的波形就會出現非線性失真，這樣晶體管的導通角將會減小，從而導致增益降低，直至達到平衡，于是振幅便穩定于某一個恒定值了。如圖8.3中“平衡”部分所示。
8.1.2 振蕩電路工作的三個條件
我們繼續借助圖8.1來分析反饋型正弦波自激振蕩器的起振條件和平衡條件。
3.抗干擾的穩定條件
由于振蕩電路中存在各種干擾如溫度變化、電壓波動、噪聲、外界干擾等，這些干擾會破壞振蕩的平衡條件，因此，為使振蕩器的平衡狀態能夠存在，只有使它成為穩定的平衡具有返回原先平衡狀態能力的平衡。這就要求反饋型正弦波振蕩器中，其放大器的增益或反饋網絡的反饋系數是可以自動調節的。即如果干擾和噪聲使反饋電壓增大時，放大器的增益自動減小，即使AF減小，以保持輸出電壓幅度穩定；反之，若使反饋電壓減小，則放大器的增益自動提高，這樣就可使振蕩器輸出電壓的振幅處于穩定狀態，如用數學表達式表示時，即：
振蕩器能否穩定工作，除需要滿足振幅穩定條件外，還需滿足相位穩定條件。即當電路受到干擾使相位平衡條件暫受到破壞時，在干擾消失后，電路能夠自動回到原來的相位平衡狀態。
LC諧振回路的相頻特性如圖8.4所示：
上述偏導數的絕對值越大，意味著相位平衡條件被破壞后，只要頻率產生一微小的變化就可獲得大小足夠而符號相反的相位變化，在電路中恢復相位平衡。高Q值的LC回路便可滿足這一要求。
總之，欲產生穩定的正弦振蕩，振蕩器必須滿足振蕩的起振條件、平衡條件和穩定條件，三者缺一不可。因此，在反饋型正弦波振蕩器的閉合環路中，一般包含可變增益的放大器、選頻網絡及反饋網絡。選頻網絡可處在放大電路中，也可處在反饋網絡中，也可能同時屬于這兩部分。
上述偏導數的絕對值越大，意味著相位平衡條件被破壞后，只要頻率產生一微小的變化就可獲得大小足夠而符號相反的相位變化，在電路中恢復相位平衡。高Q值的LC回路便可滿足這一要求。
總之，欲產生穩定的正弦振蕩，振蕩器必須滿足振蕩的起振條件、平衡條件和穩定條件，三者缺一不可。因此，在反饋型正弦波振蕩器的閉合環路中，一般包含可變增益的放大器、選頻網絡及反饋網絡。選頻網絡可處在放大電路中，也可處在反饋網絡中，也可能同時屬于這兩部分。
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