LC振蕩電路原理及波形分析

通過對高頻電子線路相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，我們知道LC正弦波振蕩器主要有電感反饋式三端振蕩器、電容反饋式三端振蕩器以及改進(jìn)型電容反饋式振蕩器(克拉波電路和西勒電路)等。其中互感反饋易于起振，但穩(wěn)定性差，適用于低頻，而電容反饋三點(diǎn)式振蕩器穩(wěn)定性好，輸出波形理想，振蕩頻率可以做得較高。我們這里研究的主要是LC三端式振蕩器。

一、電感反饋式三端振蕩器

圖1 電感三點(diǎn)式振蕩器

電感反饋震蕩電路如圖1，它的優(yōu)點(diǎn)是：由于L1和L2之間有互感存在，所以容易起振。其次是改變回路電容來調(diào)整頻率時(shí)，基本上不影響電路的反饋系數(shù)，比較方便。

二、電容反饋式三端振蕩器

電容三點(diǎn)式振蕩器又稱為考畢茲振蕩器，如圖2：

圖2 電容三點(diǎn)式振蕩器原理圖

對于電容三點(diǎn)式振蕩器，反饋系數(shù)F的表達(dá)式為：

不考慮各極間電容的影響，這時(shí)諧振回路的總電容量為C1、C2的串聯(lián)，即

振蕩頻率的近似為

與電感三端震蕩電路想比，電容三端振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形較好，這是因?yàn)榧姌O和基極電流可通過對諧波為低阻抗的電容支路回到發(fā)射極，所以高次諧波的反饋減弱，輸出的諧波分量減少，波形更加接近于正弦波。其次，該電路中的不穩(wěn)定電容(分布電容、器件的結(jié)電容等)都是與該電路并聯(lián)的，因此適當(dāng)?shù)募哟蠡芈冯娙萘?，就可以減弱不穩(wěn)定因素對振蕩器的影響，從而提高了頻率穩(wěn)定度。最后，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，甚至可以只利用器件的輸入和輸出電容作為回路電容。因而本電路適用于較高的工作頻率。

三、振蕩平衡條件一般表達(dá)式

震蕩條件為 AF=1

振幅平衡條件 |AF|=1

四、起振條件和穩(wěn)幅原理

振蕩器在剛剛起振時(shí)，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強(qiáng)一些，即要求 |AF|>=1。既然 |AF|>=1，起振后就要產(chǎn)生增幅振蕩，需要靠三極管大信號運(yùn)用時(shí)的非線性特性去限制幅度的繼續(xù)增加，這樣電路必然產(chǎn)生失真。這就要靠選頻網(wǎng)絡(luò)的作用，選出多次諧波中的基波分量作為輸出信號，以獲得正弦波輸出。也可以再反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益。從而達(dá)到穩(wěn)幅目的。

五、LC振蕩器的基本工作原理

振蕩器是不需外信號激勵、自身將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的裝置。LC振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，由晶體管等有源器件和具有選頻作用的無源網(wǎng)絡(luò)及反饋網(wǎng)絡(luò)組成。振蕩器根據(jù)自身輸出的波形可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器，正弦波振蕩器在廣播通訊、自動控制、儀器儀表、高頻加熱、超聲探傷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用;而非正弦振蕩器能產(chǎn)生出矩形波(方波)、三角波、鋸齒波等信號，這些信號可以用于測量設(shè)備、數(shù)字系統(tǒng)、自動控制及計(jì)算機(jī)設(shè)備中。本設(shè)計(jì)討論的就是正弦波振蕩器。其框圖如圖1所示。

圖3 振蕩器原理框圖

由所學(xué)知識可知，構(gòu)成一個振蕩器必須具備下列三個條件：

1) 一套振蕩回路，包含兩個(或兩個以上)儲能元件。在這兩個元件中，當(dāng)一個釋放能量時(shí)，另一個就接收能量。釋放與接收能量可以往返進(jìn)行，其頻率決定于元件的數(shù)值。

2) 一個能量來源，補(bǔ)充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的能量損失。在晶體管振蕩器中，這個能源就是直流電源。

3) 一個控制設(shè)備，可以使電源功率在正確的時(shí)刻補(bǔ)充電路的能量損失，以維持等幅振蕩。這是由有源器件和正反饋電路完成的。

六、 電路

下圖為LC正弦波電路振蕩器的電路圖，如圖6：

圖6 總電路原理設(shè)計(jì)圖

下圖所示為LC正弦波振蕩器的起振過程。LC正弦波振蕩器起振過程波形圖如圖8：

圖8 LC正弦波振蕩器起振過程

LC正弦波振蕩器電路波形圖，如圖9：

圖9 LC正弦波振蕩器電路波形圖

觀測仿真結(jié)果。測試振蕩器各原件的作用，即短路或者開路該元件，觀察振蕩器的工作情況;進(jìn)行LC振蕩器波段工作研究，即測試振蕩器在多寬的頻率比范圍內(nèi)能平穩(wěn)工作;研究LC振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)、反饋系數(shù)及負(fù)載對振蕩器的影響;測試LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度，即研究溫度。電源和負(fù)載變化對振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響。