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振荡电路

 昵称380475 2012-04-26
  在实际电路中,我们要用到各种信号发生器(这里的信号指的是具有一定频率的正弦交流信号),如广播电视系统中,要用高频信号作为音频(低频)和视频信号的载波,将广播电视信号发射出去,这就需要能产生高频信号的振荡电路。振荡电路就是通过自激方式把直流电能变换为交流电能的电路。图为振荡电路的原理框图。
  图中A为放大器,F为具有选频作用的下反馈网络。振荡电路一般包含以下四个部分:放大电路;正反馈电路;选频电路(决定振荡信号的频率);直流电源(为振荡电路提供能源)。从振荡电路的特性来看,必须要满足两个条件:一是电路必须要有放大作用,即整个电路电压放大倍数大于1,振幅AF≥1;二是电路要有正反馈(在相位上φ=2nπ),这就是振荡电路的自激振荡条件。
 
 
   正弦波振荡电路按选频电路的构成元件来分,可分为LC振荡电路、RC振荡电路和晶体振荡电路。
   1、三点式LC振荡器
   三点式LC振荡器有电容三点式和电感三点式,它们的共同点是从LC振荡回路中引出三个端点和晶体管的三个极相连接。
  1)电感三点式振荡器:C1为隔直电容,用以防止UCC经L2与基极接通。RB1、RB2、V、CE、RE构成分压式固定偏置放大电路,C、L1、L2构成振荡回路,它也是集电极的负载。
  
 
   下图是其交流通路,当线圈的1端为“+”电位、3端为“—”电位时,此时2端电位低于1端而高于3端,即uf与u0反相,经倒相放大后,即形成正反馈,满足相位条件。由图可见,反馈电压uf是从电感
L2两端取出,加到晶体管输入端的。故改变线圈的抽头位置,可调节uf的大小,从而可调节振荡器的输出幅度。适当地选择L1和L2的比值使AvF>1,满足振幅条件,电路就能振荡。电感三点式振荡器具有容易起振,输出幅度大,电路简单和调节方便等优点。其振荡频率一般可做到几十兆赫。
  2)电容三点式振荡器:电路如下图所示,与电感三点式振荡器比较可见,就是将振荡回路中的电容和电感互换位置,就构成电容三点式振荡电路。它由电感L和电容C1、C2分压,并通过C2反馈到V的基极。
    下图所示的交流通路可知,当线圈L的1端为“+”电位时,3端为“—”电位。此电压经电容C1、C2分压后,2端电位必然低于1端,高于3端,即u0与ui反相。通过晶体管放大和反相作用,又使1端为“+”电位,形成正反馈,满足相位条件。适当地选择C1、C2的数值,并使放大器具有足够的放大倍数满足振幅条件,电路就能产生振荡。与电感三点式振荡器相比,电容三点式振荡器的特点是振荡频率可做得较高,一般可达到100MHz以上。
 
   2、RC振荡器
  振荡频率小于1MHz的振荡电路多采用电阻和电容组成的RC选频电路。下图是一个RC振荡器。这个电路由放大器和选频网络两大部分组成,放大器由集成运放组成电压串联负反馈电路,具有输入阻抗高和输出阻抗低的特点。选频网络由Z1、Z2组成,同时兼做正反馈网络。Z1、Z2和R3、R4正好组成一个四臂电桥,电桥的对角线顶点接到放大器的两个输入端。故又称作Rc桥式振荡电路。其工作原理是:RC串并联电路具有选频特性,当f=f0时,只要AvFv>1就可保证自激振荡条件,当R1=R2=R,C1=C2=C时振荡频率为f0=1/2πRc,频率范围从1Hz~1MHz。
  在实际应用时,负反馈电路的电阻R3常采用负温度系数热敏电阻,以实现自动调节负反馈的强弱,改善振荡波形和稳定输出电压的幅度。热敏电阻自动调节幅度的过程为输出电压幅度↑→热敏电阻R3的电流↑→使R3的温度↑→R3的阻值↑→负反馈作用↑→放大电路的放大倍数输出电压幅度↓,达到稳定输出电压幅度的目的。Rc桥式振荡电路的优点是可以方便地得到较宽的自激振荡频率,且工作稳定,输出波形失真小。
  3、石英晶体振荡器
  石英晶体振荡器是LC振荡器的一种特殊形式,其频率稳定度可高达10-7~10-11。所以石英晶体振荡器常用于频率稳定度要求高的电路中。如某些精密信号发生器,广播发射机、电子钟等仪器设备中,都使用石英晶体振荡器。
  石英晶体所以能用于振荡电路是基于它的压电效应,所谓压电效应就是在晶体的两个极板间加电场,使晶体产生机械变形,反之在极板间施加机械力,又会在相应的方向上产生电场。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(取决于晶片的尺寸)相等时,机械振动的幅度将急剧增加,这就是压电谐振。
  石英晶体的图形符号和压电谐振的等效电路如图所示。
 
 晶体谐振器是一个复谐振电路,它有两个谐振频率,一个是由LC串联支路形成的串联谐振频率fs。另一个是由L、C、C0并联回路形成的并联谐振频率fp。由于C<<C0,故fs与fp很相近。石英晶体的谐振频率就在fs与fp之间。
  石英晶体振荡电路有多种形式,但基本电路只有两类,即并联晶体振荡电路和串联晶体振荡电路。下图所示是并联型晶体振荡电路和其交流等效电路。振荡回路由C1C2和晶体组成,晶体在回路中起电感L的作用。原因是C1和C2比C0大很多,而C0比C大得多。频率f0=fp=1/2π√LC,石英晶体作为放大器的负载,对应于频率为fp的信号取得最大电压,正反馈电压经电容C1和C2分压后,直接送到晶体管的基极,形成电容三点式振荡电路。
 
 

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