正弦波振蕩電路
在一般放大電路中,我們千方百計地避免電路發(fā)生振蕩,可是在波形發(fā)生器中卻完全相反,是要想方設法地讓電路工作在振蕩狀態(tài)。雖然負反饋和正反饋電路都可能產(chǎn)生振蕩,但正反饋電路起振相對要容易實(shí)現些,下面以正反饋電路來(lái)說(shuō)明振蕩電路的工作原理和仿真分析。
正反饋電路產(chǎn)生振蕩的條件是:|AF|=1,也就是說(shuō),它應滿(mǎn)足下面兩個(gè)條件:相位平衡條件和幅值平衡條件。
相位平衡條件是放大電路的相移與反饋網(wǎng)絡(luò )的的相移之和等于2np;幅值平衡條件是放大倍數與反饋系數的乘積之模等于1。這里所說(shuō)的幅值平衡條件是指正弦波已經(jīng)產(chǎn)生且電路已經(jīng)進(jìn)入穩定狀態(tài)而言。
為了保證正弦波振蕩電路正常工作,其電路形式應包含以下幾個(gè)部分:
1. 放大電路
沒(méi)有放大電路,不可能產(chǎn)生正弦波振蕩。放大電路不僅必須有供給能量的電源,而且應結構合理,靜態(tài)工作點(diǎn)正確以保證放大電路具有放大電路。
2. 反饋網(wǎng)絡(luò )
其作用是形成反饋(以正反饋而言),以滿(mǎn)足相位平衡條件。
3. 選頻網(wǎng)絡(luò )
選頻網(wǎng)絡(luò )的作用是讓單一頻率滿(mǎn)足振蕩條件,以產(chǎn)生單一頻率的正弦波。選頻網(wǎng)絡(luò )所確定的頻率一般即為正弦振蕩電路的振蕩頻率。但在很多正弦振蕩電路中,選頻網(wǎng)絡(luò )與反饋網(wǎng)絡(luò )結合在一起。
4. 穩幅環(huán)節
為了使振蕩電路穩定且波形好,還需要穩幅環(huán)節。
正弦波振蕩電路如按選頻網(wǎng)絡(luò )的元件類(lèi)型來(lái)分可分為RC正弦振蕩電路,LC正弦振蕩電路和石英晶體正弦振蕩電路。下面我們以L(fǎng)C正弦振蕩電路中的電感三點(diǎn)式和石英晶體振蕩電路為例說(shuō)明正弦波振蕩電路的設計和分析方法。
電感三點(diǎn)式正弦波振蕩電路
三點(diǎn)式電路有電容三點(diǎn)式和電感三點(diǎn)式,它們的共同特點(diǎn)是都從LC振蕩回路中引出三個(gè)端點(diǎn)和晶體管的三個(gè)極或運算放大器的三個(gè)端口相連接。L1和L2串聯(lián)再和C并聯(lián),在L1、L2串聯(lián)成的等效電感L中,可把其連接點(diǎn)4看作L的中間抽頭。對交流信號而言,電感兩端分別接到三極管的基極和集電極,中間抽頭在交流通路中相當接地,而三極管的發(fā)射極在交流通路中,經(jīng)過(guò)旁路電容Ce接地,因此在交流通路相當于把發(fā)射極接,這就構成了電感的三個(gè)端點(diǎn)分別和三極管的三極相連接,從而此電路是電感三點(diǎn)式振蕩電路,其交流通路等效電路如下:
Cb為隔直電容,以防VCC通過(guò)電感L2直接與三極管的基極相連。
當LC電路工作在振蕩狀態(tài)時(shí)回路電流比流入回路或從回路流出的電流大得多,因此諧振回路外界的影響可以忽略不計。也就是說(shuō),電感的中間抽頭的瞬時(shí)電位一定在首、尾兩端點(diǎn)的瞬時(shí)電位之間。另外,在電感三點(diǎn)式正弦波振蕩電路中,電感的首端、中間抽頭、電感的尾端中通常有一點(diǎn)交流接地。因此對于并聯(lián)諧振頻率而言,電感三個(gè)端點(diǎn)的相位關(guān)系有以下兩種情況:
若電感的中間抽頭交流接地,則首尾兩端的相位相反。
若電感的首端或尾端交流接地,則電感其它兩個(gè)端點(diǎn)的相位相同。
電感中間抽頭接直流電壓源,也即交流接地,屬于上述第一種情況,所以電感兩端的相位相反。
現在我們來(lái)分析電路的相位條件,請讀者看等效電路即可。
假設從三極管的基極處斷開(kāi)并輸入一個(gè)(+)信號,那么從三極管的集電極將輸出一個(gè)(-)信號,也即電感的1端是(-)信號,而電感兩端電位相反,所以在電感的3端將得到一個(gè)(+)信號,可見(jiàn)反饋信號與輸入信號都為(+),也即表示兩者同相,所以滿(mǎn)足相位平衡條件。
電感三點(diǎn)式的幅值條件較易滿(mǎn)足。只要LC并聯(lián)電路的Q值和三極管的b值不要太低,而且LC并聯(lián)諧振時(shí)的阻抗都比較大,一般|AF|都會(huì )比1大得多。因此只要滿(mǎn)足相位條件一般即能起振。
電感三點(diǎn)式的振蕩頻率基本上由LC并聯(lián)電路的諧振頻率決定,即:
L為等效電感量,在此如果不考慮兩電感之間的耦合,則有:
L=L1+L2
如果考慮兩電感之間的耦合,則有:
L=L1+L2+2M
上式中,M為L(cháng)1與L2之間的互感。
利用上面的幾個(gè)算式,我們來(lái)計算電路的工作頻率(為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),在此先不考慮互感情況)。
L=L1+L2=11mH+11mH=20mH
所以其振蕩周期為1.93毫秒。下面我們就來(lái)仿真分析這個(gè)電路的工作情況。我們使用了一個(gè)初始條件,即電路工作之前電容C上的電壓為0V。同時(shí)由上面計算可知,此振蕩電路的周期約為2毫秒,一般觀(guān)察電路工作5個(gè)周期以上即可。
電感三點(diǎn)式正弦波振蕩電路不僅容易起振,而且可采用可變電容器能在較寬范圍內調節諧振頻率,所以在需要改變頻率的場(chǎng)合(如收音機、信號發(fā)生器等)中得到廣泛應用。但電感三點(diǎn)式所產(chǎn)生的波形含有高次諧波,且波形不夠理想,因此在更高要求的電路中,將使用晶振。
轉自:維庫電子市場(chǎng)網(wǎng)
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