LC谐振

3.2LC正弦波振荡器采用LC谐振回路作为选频网络的振荡器。LC正弦波振荡器有三种实现电路:LC互感耦合振荡器三点式振荡器集成电路振荡器LC振荡器可用来产生几十千赫到几百兆赫的正弦波信号。3.23.2.1互感耦合振荡器图3.1.3是常见的一种集电极调谐互感耦合振荡器电路。注意耦合电容BC的作用。如果将BC短路，则基极通过变压器次极直流接地，振荡电路不能起振。3.2.1图3.1.3集电极调谐互感耦合振荡器电路图3.2.1给出了不同的互感耦合振荡电路。从选频回路所在的电极来看，它们都不利于及时滤除三极管集电极输出的谐波电流成分。从而电路的电磁干扰大，集电极电压加大。图3.2.1互感耦合振荡电路举例互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈，所以，应注意耦合线圈同名端的正确位置。同时耦合系数要选择合适。使之满足振幅起振需要。振荡电路的振荡频率的大小并不完全取决于LC回路，而是与晶体管参数、电路的工作状态以及负载有关。所以，互感耦合振荡器的频率稳定度较差，且由于互感耦合元件分布电容的存在，限制了振荡频率的提高，所以只适用较低频段，如中波广播。若不考虑晶体管的极间电容与输入、输出阻抗的影响，图3.1.3及图3.2.1所示的振荡器的振荡频率近似为选频回路的谐振频率，即012oscffLC例3.2.1判断图例3.2.2所示两极互感耦合振荡电路能否起振。3.2.1解：在1T的发射极与2T之间断开。这是一个共基—共集反馈电路。振幅条件是可以满足的，所以只要相位条件满足，就可以起振。利用瞬时极性判断法，根据同名端位置，可以得到：11221()ecbee可见电路是负反馈，不能产生振荡。如果把变压器次级同名端位置换一下，则可改为正反馈。而变压器初级1T回路是并联LC回路，作为的负载，考虑其阻抗特性满足相位稳定条件，因此电路有可能产生振荡。图3.2.2例3.2.1图（动画）3.2.2三点式振荡电路一、电路组成法则（相位条件）三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。其工作频率可达到几百兆赫。在三点式电路中，ＬＣ回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质，另外一个电抗元件必须为异性质。同时满足0cebebcXXX3.2.2图3.2.3三点式振荡器的原理图（三点式振荡电路动画）假定LC回路由纯电抗元件组成，其电抗值分别为ceXbeXcbX同时不考虑晶体管的电抗效应，则当回路谐振0（）时，回路呈纯阻性，有0bcbeceXXX即cebebcXXX由于fV是cV在beXbcX支路分配在beX上的电压，即()becbefcbebccejXVXVVjXXX因为这是一个由反相放大器组成的正反馈电路，iV与fV同相，cV与iV反相，所以必有0beceXX成立。即ceXbeX必须是同性质电抗，因而cbX必须是异性质的电抗。3.2.2证明：例3.2.2在例图3.2.4所示振荡器交流等效电路中，三个LC并联回路的谐振频率分别是：1111(2)fLC2221(2)fLC3331(2)fLC试问1f2f3f、、满足什么条件时该振荡器能正常工作？解：由图可知，只要满足三点式组成法则，该振荡器就能正常工作。若组成电容三点式，则在振荡频处，1oscf11CL回路与22CL回路应呈现容性，33CL回路应呈现感性。所以应满足1213oscffff或2113oscffff3.2.2若组成电感三点式，则在振荡频率2oscf处，11CL回路与22CL回路应呈现感性，33CL回路应呈现容性，所以应满足1223oscffff2123oscffff或图3.2.4例3.2.2图（动画）图3.2.5电容三点式电路（ａ）原理电路（ｂ）高频等效电路二、电容三点式电路（又称考毕兹电路，Coplitts）与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路，称为电容三点式电路，也称为考毕兹电路。3.2.2回路电容1C2CＬ回路电感高频旁路电容bC耦合电容一般来说，旁路电容和耦合电容的电容值至少要比回路电容值大一个数量级以上。有些电路里还接有高频扼流圈，其作用是为直流提供通路而又不影响谐振回路工作特性。对于高频振荡信号，旁路电容和耦合电容可近似为短路，高频扼流圈可近似为开路。3.2.2图3.2.5电容三点式电路高频等效电路（电容三点式振荡电路动画分析）3.2.21、考毕兹电路的近似分析0LeLRRR晶体管输出电容未考虑。图中虚线框内是晶体管共基极组态的简化等效电路。在×处断开，并考虑到负载作用，得到:图3.2.6小信号等效电路22beCCC2211(//)eeeerrRrnn（通常eeRr）1ffVVn接入系数2'21CCCnLeGgg式中1LLgR1eegr3.2.2电路的等效：由（a）到（b）：由（b）到（c）：图3.2.6推导()Tj的等效电路等效电纳1()BCL12121212CCCCCCCCC因为mifgVVGjBffVnV所以()1()fmmiLeVngngTjVGjBggjCL令()Tj分母的虚部为零，即可得到振荡器的振荡角频率为1oscLC令()1T即可求得振幅起振的条件为：()1moscfLengTAkgg3.2.2环路增益计算：起振条件又可以表示为11()mLeLeggggngnn其中0111,LeLebeeggRRrr本电路的反馈系数112fCknCC一般要求()oscT为3～5。fk的取值一般为11~82。3.2.22、实际考虑上面的分析均基于理想假设，实际上有很多因素会影响振荡器的工作频率，如晶体管的输入、输出阻抗，晶体管的偏置电阻与去耦电容、电感的损耗等等，下面对这些因素进行分析。111ZjC221iZgjC11ieegrR311LZgjL3.2.2在图3.2.6(a)中，令22beCCC得到（b）图。所以21121232323()1111fmmiVggZTjZVZZZZZZZZZ由（b）图求得反馈电压21212311mifgVZVZZZZZ1Z2Z3Z将、、代入上式整理后得()()()TjmgTjTeAjB式中22()mgTAB()arctanTBA且2211()iLiLCgAgggLCC221111()iLCBCggLCLC3.2.2根据起振条件，令B=0可以求得振荡器的振荡角频率为221212121111iLiLiLoscoooggggggLCCCCCCCLC振幅起振条件为22111(1)(1)mLioscCgAggCLC上述分析表明，电容三点式振荡器的振荡角频率osc不仅与o有关，还与ig、Lg即回路固有谐振电阻eoR、外接电阻LR和三极管输入电阻er有关，且osco在实际电路中，一般满足212oiLCCgg因此，工程估算时可近似认为：1oscoLC3.2.2三、电感三点式电路（哈特莱电路，Hartley）与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路，称为电感三点式电路，也称为哈特莱电路。（ｂ）图为其共基组态交流等效电路3.2.2图3.2.7电感三点式振荡器电路回路电感回路电容旁路电容耦合电容耦合电容高频扼流圈高频扼流圈起振条件1mLeggngn接入系数12213122NLMnNLLM3.2.2该电路的振荡角频率1oscLC其中122LLLMM，为互感系数。1LLgR1eegr反馈系数2122fLMknLLM四、三点式电路的特点电容三点式：反馈电压中高次谐波分量很小，因而输出波形好，接近正弦波。反馈系数因与回路电容有关，如果用该变回路电容的方法来调整振荡频率，必将改变反馈系数，从而影响起振。电感三点式：便于用改变电容的方法来调整振荡频率，而不会影响反馈系数，但反馈电压中高次谐波分量较多，输出波形差。3.2.2例3.2.3在图例3.2.8所示电容三点式振荡电路中,已知10.5μH51pFLC，，23300pF,C312~250pF,5kLCR'30mS,20pFmbegC080Q试求起振的频率范围。3.2.2图3.2.8例3.2.3图解:题图的交流等效电路为112510.01551330020beCnCCC312pFC当时，12312()66.23(pF)bebeCCCCCCCC1230601162.23100.1410(S)800.510eCgQL3.2.2电路的有关参数如下接入系数所以0333311()1(0.2100.1410)0.01530102310()0.015LeLeegngggngnnS根据振幅起振条件1mLeggngn3.2.2因为33110.210()510LLgSR313010()embebeggSrr可见时，电路满足起振条件。312pFC相应的振荡频率：6121128.53()220.51062.2310oscfzLC（2）当3250pFC时，可求出相应的参数33134103010Lemgnggn这时电路不满足起振条件。011()mLeeLeggngggngnn所以30()02410()emeLgngnggS在频率低端满足起振条件的临界值为3.2.2对应的振荡频率6121116.59()220.51018410oscfzLC所以，振荡电路的频率范围为16.59～28.53MHz。3.2.2对应的总等效电容200()184(pF)eCLQg对应的可变电容12312()18450134(pF)bebeCCCCCCCC3.2.3单片集成振荡器一、差分对管振荡电路在集成电路振荡器中，广泛采用差分对管振荡电路。(b)图中eeR为恒流源0I的交流等效电阻。这电路。电路的电压增益可调至大于１。根据瞬时极性法判断，在管基极断开,有1T11221()beecb3.2.3图3.2.10差分对管振荡电路（动画）是一个共集—共基反馈所以电路是正反馈。在振荡频率点，并联ＬＣ回路()fo最强，且满足相位稳定条件。综上所述，此振荡器电路能正常工作。E1648单片集成振荡器是ECL中规模集成电路，其内部电路图如图3.2.11所示。3.2.3阻抗最大，正反馈电压二、E1648单片集成振荡器图3.2.11单片集成振荡器E1648内部电路图8T基极电位。若8T基极电位受到干扰而升高，则有8131312128()()()bbcbeb这一负反馈作用使8T基极电位保持恒定。3.2.312T与13T管组成互补稳定电路，稳定需要说明的是：1112()oscifLCC电路的振荡频率其中6iCpF是10、12脚之间的输入电容。E1648的最高振荡频率可达225MHz。E1648有1脚与3脚两个输出端。由于1脚和3脚分别是片内管的集电1T极和发射极所以1脚输出电压的幅度可大于3脚的输出。22LC回路应调谐在振荡频率oscf上。图3.2.12E1648组成的正弦波振荡如果10脚与12脚外接包括变容二极管在内的LC元件，可以构成压控振荡器。显然，利用E1648也可以构成晶体振荡器。3.2.3图3.2.12是利用E1648组成的正弦波振荡器。