電路識圖16-正弦波振盪器電路原理分析

科普 科學 老馬識途單片機 老馬識途單片機 2017-11-04

振盪器是一種不需要外加輸入信號,而能夠自己產生輸出信號的電路。輸出信號為正弦波的振盪器稱為正弦波振盪器。正弦波振盪器由放大電路和反饋電路兩部分組成,反饋電路將放大電路輸出電壓的一部分正反饋到放大電路的輸入端,周而復始即形成震盪,如下圖所示。

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正弦波振盪器有變壓器耦合、三點式振盪器、晶體振盪器、RC振盪器等多種電路形式。

一、變壓器耦合振盪器

變壓器耦合振盪器電路如下圖所示。LC諧振迴路接在晶體管VT集電極,振盪信號通過變壓器T耦合反饋到VT基極。正確接入變壓器反饋線圈L1與振盪線圈L2之間的極性,即可保證振盪器的相位條件。R1,R2為VT提供合適的偏置電壓,使VT有足夠的電壓增益,即可保證振盪器的振幅條件。滿足了相位、振幅兩大條件,振盪器便能穩定的產生振盪,經C4輸出正弦波信號。

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變壓器耦合振盪器工作原理可用下圖說明:L2與C2組成的LC並聯諧振迴路作為晶體管VT的集電極負載,VT的集電極輸出電壓通過變壓器Y的振盪線圈L2耦合至反饋線圈L1,從而有反饋至VT基極作為輸入電壓。由於晶體管VT的集電極電壓與基極電壓相位相反,所以變壓器Y的兩個線圈L1與L2的同名段接法應相反,使變壓器T同時起到倒相作用,將集電極輸出電壓倒相後反饋給基極,實現了形成振盪所必須的正反饋。因為並聯諧振迴路在諧振時阻抗最大,且為純電阻,所以只有諧振頻率f0能夠滿足相位條件而形成振盪,這就是LV迴路的選頻作用。

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電路振盪頻率計算公式如下

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變壓器耦合振盪器的特點是輸出電壓大,適用於頻率較低的振盪電路。

二、三點式振盪器

三點式振盪器是指晶體管的三個電極直接與振盪迴路的三個端點相連接而構成的振盪器,如下圖所示。三個電抗中,Xbe,Xce必須是相同性質的電抗(同是電感或同是電容),Xcb則必須是與前兩者相反性質的電抗,才能滿足振盪的相位條件。

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三點式振盪器有多種形式,較常用的有電感三點式振盪器、電容三點式振盪器、改進型電容三點式振盪器等。

1、電感三點式振盪器

電感三點式振盪器電路如下圖所示。L1,L2,C4為構成振盪迴路的三個電抗。R1,R2為振盪晶體管VT的基極偏置電阻,R3為集電極電阻,R4為發射極電阻。C1,C3為基極、集電極耦合電容,C2為旁路電容。

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下圖a)所示為該振盪器的交流等效電阻,由於振盪迴路的三個電抗中有兩個是電杆,所以叫電感三點式振盪器。電感三點式振盪器是利用自耦變壓器將輸出電壓反饋到輸入端的,電感L1和L2可以看作是一個自耦變壓器,L1上的輸出電壓通過自耦在L2上產生反饋電壓,反饋電壓與輸出電壓反相,與輸入電壓同相。即正反饋。

這也可以用下圖b)所示的矢量圖來解釋:L1上輸出的電壓同時加在C4,L2支路上,由於電容上電流超前電壓90度,所以支路電流比輸出電壓超前90度,而支路電流流過電感L2所產生的反饋電壓又比支路電流超前90度,即與輸出電壓反相(相差180度),而與輸入電壓同相。

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電感三點式振盪器的優點是容易起振,波段頻率範圍較寬;缺點是振盪輸出電壓波形不夠好,諧波較多。

2、電容三點式振盪器

電容三點式振盪器電路如下圖所示。L,C3,C4為構成振盪迴路的三個電抗。R1,R2為晶體管VT的基極偏置電阻,R3為集電極電阻,R4為發射極電阻。C1為基極耦合電容,C2為旁路電容。

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該振盪器的交流等效電路見下圖。由於振盪迴路的三個電抗中有兩個是電容,所以叫做電容三點式振盪器。C3上的輸出電壓同時加在L,C4支路上,由於電感上電流滯後電壓90度,所以支路電流比輸出電壓滯後90度,而支路電流流過電容C所產生的反饋電壓又比支路電流滯後90度,即與輸出電壓反相(相差180度),而與輸入電壓同相,實現了正反饋。

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電容三點式振盪器的優點是振盪輸出電壓波形好,振盪頻率較穩定,缺點是不易起振,波段頻率範圍較窄。

3、改進型電容三點式振盪器

下圖所示為改進型電容三點式振盪器。振盪迴路由L1,C2,C3,C4構成。R1,R2為晶體管VT的基極偏置電阻,R3為集電極電阻,R4為發射極電阻。C1為交流旁路電容。振盪電壓由L1耦合至L2輸出。

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該振盪器的交流等效電路如下圖所示。其特點是將大容量的C2,C3分別並聯在VT的集電極-發射極,基極-發射極之間,在L1支路中則串聯了一個小容量的電容器C4。當C2,C3遠大於C4時,振盪頻率主要由L1和C4決定。調節C4可在一定範圍內改變振盪頻率。

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改進型電容三點式振盪器比普通電容三點式振盪器具有更高的頻率穩定度。

三、晶體振盪器

晶體具有壓電效應,其固有諧振頻率十分穩定,因此晶體振盪器具有非常高的頻率穩定度。根據晶體在電路中的作用形式,常見的晶體振盪器可分為兩類:並聯晶體振盪器和串聯晶體振盪器。

1、並聯晶體振盪器

下圖所示為並聯晶體振盪器電路,晶體B作為反饋元件,並聯於晶體管VT的集電極與基極之間,R1,R2為晶體管VT的基極偏置電阻,R3為集電極電阻,R4為發射極電阻,C1為基極旁路電容。

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從下圖所示的交流等效電路可見,這是一個電容三點式振盪器,晶體B在這裡等效為一個電感元件使用,與振盪迴路C2,C3一起組成並聯諧振迴路,共同決定電路的振盪頻率。

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並聯晶體振盪器穩頻原理如下:因為晶體的電抗曲線非常陡峭,可等效為一個隨頻率有很大變化的電感。當由於溫度、分佈電容等因素使振盪頻率降低時,晶體的等效電感量就會迅速減小,迫使振盪頻率回升;反之則做反方向調整,最終使得振盪器具有很高的頻率穩定度。

2、串聯晶體振盪器

下圖所示是串聯晶體振盪器電路,晶體管VT1,VT2組成兩級阻容耦合放大器,晶體B與C2串聯後作為兩級放大器的反饋網絡。R1,R3分別為VT1,VT2的基極偏置電阻,R2,R4分別為VT1,VT2的集電極負載電阻。C1為兩管間的耦合電容,C3為振盪器輸出耦合電容。

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該晶體振盪器的交流等效電路如下圖所示。因為兩級放大器的輸出電壓(VT2的集電極電壓)與輸入電壓(VT1的基極電壓)同相,晶體B在這裡等效為一個純電阻使用,將VT2的集電極電壓反饋到VT1的基極,構成正反饋電路。電路振盪頻率由晶體的固有串聯諧振頻率決定。

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串聯晶體振盪器穩頻原理如下:因為晶體的固有頻率非常穩定,在反饋電路中起著帶通濾波器作用,當電路頻率等於晶體的串聯諧振頻率時,晶體呈現為純電阻性質,實現正反饋,電路振盪;當電路頻率偏離晶體的串聯諧振頻率時,晶體不再是純電阻(呈現感抗或容抗)性質,破壞了振盪的相位條件。因此,振盪頻率只能等於晶體的固有串聯諧振頻率。

四、RC振盪器

RC振盪器是以電阻、電容作為反饋和選頻元件的振盪器,其突出特點是可以產生很低的振盪頻率。音頻振盪器常採用RC振盪器。

1、RC移相振盪器

下圖所示是RC移相振盪器電路。C1,C2,C3,R1,R2,R3組成移相網絡,R5是集電極電阻,C4是輸出耦合電容。由於晶體管VT的集電極輸出電壓與基極輸入電壓互為反相,兩者相差180度,因此必須將集電極輸出電壓移相180度(即再反相一次),後送至基極,才能使電路起振。

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RC網絡具有移相作用。RC移相網絡是利用電容器上電流超前電壓的特性工作的,如下圖a)所示,通過電容C的電流超前輸入電壓一個相移角,電流在電阻R上的壓降即為輸出電壓,所以輸出電壓超前輸入電壓一個相移角,相移角在0度到90度之間,由組成移相網絡的R,C的比值決定,其矢量圖見下圖b)所示。

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當需要的相移角超過90度時,客用多傑移相網絡來解決,下圖a)所示為三節RC移相網絡電路,每節分別由C1和R1,C2和R2,C3和R3組成,適當選取R與C的值,使在特定頻率下每節移相60度,三節便可實現移相180度,下圖b)所示為其矢量圖。將該移相網絡接於晶體管VT的集電極與基極之間,即可實現正反饋,滿足了電路起振的相位條件,使電路起振。RC移相振盪器的特點是電路結構簡單,但輸出波形不夠好。

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2、RC橋式振盪器

RC橋式振盪器又稱為文氏電橋振盪器,電路如下圖所示,VT1,VT2組成兩級阻容耦合放大器。R1,C1串聯以及R2,C2並聯共同組成正反饋網絡,用以選頻和產生振盪。R5和RT組成負反饋網絡,用以改善輸出波形,R3,R4和R7,R8分別是VT1,VT2的基極偏置電阻,C7是振盪電壓輸出耦合電容

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這種振盪器的正反饋網絡正好構成了電橋電路,如下圖所示,VT1,VT2組成移相角為0的放大器,電橋的A,D端接放大器輸出端,B,E端接放大器輸入端。當信號頻率等於R1,C2和R2,C2正反饋網絡的諧振頻率時,放大器輸出電壓與反饋到輸入端的電壓同相,電路振盪。

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電橋E-D臂的RT是正溫度係數熱敏電阻,具有穩定幅度的作用,當振盪增強時,流過熱敏電阻RT的電流增大,導致溫度升高,阻值增大,使負反饋增強,振盪減弱;反之則負反饋減弱,振盪增強,從而穩定了振幅。

RC橋式振盪器具有容易起振,輸出波形好,輸出功率較大的特點,應用比較廣泛。

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