LC正弦波振荡电路

2011-07-12 16:02:35来源: 互联网
LC正弦波振荡器

一、LC并联谐振回路

LC振荡电路主要用来产生高频正弦波信号,电路中的选频网络由电感和电容组成。常见的LC正弦波振荡电路有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式。它们的选频网络采用LC并联谐振回路。

1.LC并联谐振回路的等效阻抗

图1  LC并联谐振回路

LC并联回路如图1所示,其中R表示回路的等效损耗电阻。由图可知,LC并联谐振回路的等效阻抗为

     (1)

考虑到通常有 ,所以

       (2)

2.LC并联谐振回路具有以下特点

由式(2)可知,LC并联谐振回路具有以下特点:

(1)回路的谐振频率为

    (3)

(2)谐振时,回路的等效阻抗为纯电阻性质,并达到最大值,即

     (4)

式中, ,称为回路品质因数,其值一般在几十至几百范围内。

由式(2)可画出回路的阻抗频率响应和相频响应如图2所示。由图及式(4)可见,R值越小Q值越大,谐振时的阻抗值就越大,相角频率变化的程度越急剧,选频效果越好。

LC振荡电路主要用来产生高频正弦波信号,电路中的选频网络由电感和电容组成。常见的LC正弦波振荡电路有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式。它们的选频网络采用LC并联谐振回路。

(3)谐振时输入电流与回路电流之间的关系

由图1和式(4)有

通常 ,所以 。可见谐振时,LC并联电路的回路电流 比输入电流 大得多,即 的影响可忽略。这个结论对于分析LC正弦波振荡电路的相位关系十分有用。

二、变压器反馈式LC振荡电路

1.电路组成

图1所示为变压器反馈式LC振荡电路。由图可见,该电路包括放大电路、反馈网络和选频网络等正弦波振荡电路的基本组成部分,其中LC并联电路作为BJT的集电极负载,起选频作用。反馈是由变压器副边绕组N2为实现的。下面首先用瞬时极性法来分析振荡回路的相位条件。

2.相位平衡条件判断

相位平衡条件的判断参考动画。

 图 1  变压器反馈式LC振荡电路

 

3.起振与稳幅

变压器反馈式LC正弦波振荡电路起振的幅值条件是环路增益大于1,只要变压器的变比和BJT选择适当,一般都可以满足幅值条件。

而振荡的稳定是利用放大器件的非线性来实现的。当振幅大到一定程度时,虽然BJT集电极的电流波形可能明显失真,但由于集电极的负载是LC并联谐振回路,具有良好的选频作用,因此输出电压的波形一般失真不大。

三、三点式LC振荡电路

图1 电感三点式振荡电路

LC振荡电路除变压器反馈式,还常用电感三点式和电容三点式振荡电路,现分别讨论如下。

1.电路组成

图1所示为电感三点式振荡电路的原理图。这种电路的LC并联谐振电路中的电感有首端、中间抽头和尾端三个端点,分别与放大器件的集电极、发射极(地)和基极相连,反馈信号取自电感L2上的电压,因此,习惯上将图1所示电路称为电感三点式LC振荡电路,或电感反馈式振荡器。

2.相位平衡条件判断

前面讨论LC并联谐振回路时已得出结论:谐振时,回路电流远比流入或流出LC回路的电流大得多。因此,电感中间抽头的瞬时电位一定在首、尾两端点的瞬时电位之间,即

(1)若电感的中间抽头交流接地,则首端与尾端的信号电压相位相反。

(2)若电感的首端或尾端交流接地,则电感其它两个端点的信号电压相位相同。

根据分析,图1电路满足相位平衡条件。

 

3.幅值条件及振荡频率

至于振幅条件,则容易满足,只要适当选择BJT的b和L2/L1的比值,就可以实现起振。考虑到L1、L2间的互感M后,电路的振荡频率可近似表示为

(1)

电感三点式正弦波振荡电路不仅容易起振,而且采用可变电容器能在较宽的范围内调节振荡频率,其工作频率范围可以从数百千赫兹至数十兆赫兹,所以用在经常改变频率的场合(例如收音机、信号发生器等)。电路的缺点是,反馈电压取自L2上,L2对高次谐波(相对于f0而言)阻抗较大,因而引起振荡回路输出谐波分量增大,输出波形较差。

四、石英晶体振荡电路

频率稳定度是衡量振荡电路的质量指标之一,一般用 来表示,其中f0为振荡频率,Df为频率偏移。频率稳定度有时还附加时间条件,如一小时或一日内的频率相对变化量。前面介绍的RC振荡电路的频率稳定度大于10–3,普通LC振荡电路也只能达到10–4。石英晶体振荡电路的频率稳定度可达10–9甚至10–11,这是由于采用了具有极高Q值的石英晶体元件。

1.结构

图 1  石英晶体结构

石英晶体是一种各向异性的结晶体,它是硅石的一种,其化学成分是二氧化硅(SiO2)。从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片称为晶片(可以是正方形、矩形或圆形等),然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板,就构成石英晶体产品,如图1所示,一般用金属外壳密封,也可有用玻璃壳封装的。

2.压电效应

石英晶片所以能做振荡电路是基于它的压电效应,从物理学中知道,若在晶片的两个极板间加一电场,会使晶体产生机械变形;反之,若在极板间施加机械力,又会在相应的方向上产生电场,这种现象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压,就会产生机械变形振动,同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说,这种机械振动的振幅是比较小的,其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(决定于晶片的尺寸)相等时,机械振动的幅度将急剧增加,这种现象称为压电谐振,因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。

3.等效电路和谐振频率

石英晶体的压电谐振现象可以用图XX_02所示的等效电路来模拟。等效电路中的C0为切片与金属板构成的静电电容,L和C分别模拟晶体的质量(代表惯性)和弹性,而晶片振动时,因摩擦而造成的损耗则用电阻R来等效。由于晶片的等效电感L很大,而C和R很小,因此Q很大,可达104~5´105。

图2为石英晶体的代表符号、等效电路和电抗特性。

(a)代表符号 (b)等效电路 (c)电抗—频率响应特性

图2   石英晶体的等效电路与电抗特性

由等效电路可知,石英晶体有两个谐振频率,即

(1)当R、L、C支路发生串联谐振时,其串联谐振频率为

(1)

由于C0很小,它的容抗比R大得多,因此,串联谐振的等效阻抗近似于为R,呈纯阻性,且其阻值很小。

(2)当频率高于fs时,R、L、C支路呈感性,当与C0发生并联谐振时,其振荡频率为

(2)

由于 ,因此fs与fp非常接近。

通常石英晶体产品所给出的标称频率既不是fs也不是fp,而是外接一小电容Cs时校正的振荡频率,Cs与石英晶体串接如图3所示。利用Cs可使石英晶体的谐振频率在一个小范围内调整。Cs的值应选选择得比C大。可以计算接入Cs后新的串联谐振频率

图3  谐振频率的调整

将上式展开成幂级数,并注意到 ,从而略去高次项,可近似得

(4)

时, ,而当 时, 。实用时,Cs是一个微调电容,使f¢s在fs与fp之间的一个狭窄范围内变动。可以分析得出Cs并不影响并联谐振频率。

4、石英晶体振荡电路

石英晶体正弦波振荡电路的形式是多种多样的,但基本电路只有两类,即并联型和串联型石英晶体正弦波振荡电路,前者石英晶体工作在接近于并联谐振状态,而后者则工作在串联谐振状态。

图1a所示为一并联型石英晶体正弦波振荡电路。由图可见,这个电路的振荡频率必须在石英晶体的fs与fp之间,即只有晶体在电路中起电感作用才能组成电容三点式电路,满足相位平衡条件,考虑到通常 ,因此,振荡频率主要取决于石英晶体与 的谐振频率。

图1b所示为一串联型石英晶体正弦波振荡电路。从反馈支路的k点断开,在T1的发射极与地之间加输入ve为(+)极性的信号,则经过共基极电路和共集电极电路的输出信号vo应为(+)极性。当 时石英晶体呈纯阻性,相移为零,此时vo经Rf和石英晶体反馈到k点的电压vf与ve同极性,满足相位平衡条件。至于幅值平衡条件可通过调节电阻Rf的大小得到满足。

   

 

(a) 并联晶体振荡器

(b)串联晶体振荡器

图  1

关键字:正弦波

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0712/article_10517.html
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