最近突然对正弦波振荡器来了兴趣,但是看到三点式振荡器之后疑问就来了,主要是其中对谐振条件:X1+X2+X3=0的解释,查了好多资料都没有详细的解释,貌似都是把这个条件当做已知来使用,至于它怎么来的则没有好一些的解释。还有三点式振荡器的选频网络和反馈的接法,越看越头晕。在经过了几天的搬砖之后终于有了结果,这里写一下我的见解,如有错误之处欢迎指正。
正弦波振荡器原理
如图所示,假设放大器在 Ui 的作用下能稳定的输出正弦波,当把开关S切换到2时,有
所以得到
A F = 1
写得再具体点就是
A(ω)F(ω)=1
即整个系统是关于ω 的函数,当ω =ω 0 时系统稳定。
频率稳定条件
前面讨论的平衡条件包含两个方面,一个是系统(包括放大器和反馈网络)的总增益为1,另一个是整个系统的相角为0(即相位移动为2nπ)。
频率稳定过程
如图,当震荡频率等于 f0 时反馈回路的增益最大,且移相为0,即每次反馈后的电压Uf与原输入电压 Ui 同相。并有
由于正弦电压的角频率是瞬时相位对时间的导数值,所以当电路受到外界干扰导致ω>ω0 时,反馈回路的移相为负值,阻止了电压的超前趋势,反过来当 ω<ω0 时也是相同的道理,由此频率被稳定在ω0。
振幅稳定条件相对好理解一些,如图,当输出电压升高,电路增益减小,结果就是输出电压回落;当输出电压减小,电路增益增加,结果是电压回升。总结果就是输出电压稳定在V0。
起振条件
初始时刻有∣AF∣>1,电路受到外界干扰,外界的干扰通常是频带很宽幅度很小的噪声,但由于此时电路增益较大,输出电压不断增大,当输出电压达到 V0 时便稳定下来。
讨论完正弦波振荡器原理之后我们讨论下LC反馈网络
这里我们研究谐振电路的目的在于找出三点振荡器 X1 + X2 + X3 = 0这个条件的来源
谐振的定义:当电路在某个频率下成纯电阻性,即电压和电流之间的相位差为0
首先是LC串联谐振,电路图如下
有X = Xc + Xl
按照谐振的定义,自然有X = 0,即 Xc + Xl = 0,电路在谐振时电阻为0。
然后是并联谐振
有
所以得到
当电路发生谐振时电导G = 0,即 Xc + Xl = 0,此时电路的电阻近乎无穷大。
我们看到无论是串联谐振还是并联谐振,均有 Xc + Xl = 0;我们离目标非常近了,下面我们就去看看具体的三点式震荡电路。
三点式振荡器的反馈
这里我没有画运算放大器的其他部分,只画了谐振回路和反馈回路。
在我看的资料上是这样描述的:信号电流被馈如到并联的LC电路,在此电路中,两个电容器构成了一个分压器网络,反馈到放大器的电压取自分压网络
是不是感觉突然明白了什么,哈哈哈。同样的,电感三点式振荡器的反馈电压来自于电感构成的分压电路。其实还差一点点,我们接着分析。
三点式振荡器谐振条件的推导
其实到这里,我们要的结论已经呼之欲出了。
我们来看一个电容三点式振荡器的电路图
由前面谐振电路的推导,我们知道 Xc + Xl = 0,而三点式震荡电路的谐振条件是
Xc3 + Xc4 + Xl = 0
这里的话其实很简单,就是 Xc = Xc3 + Xc4 两个电容串联,总的阻抗就是两个电容阻抗之和。至此,振荡平衡条件的由来我们已经搞清楚了,以后就能放心地使用它了。
等等!
有点不对,给出的电容分压反馈接法和三点式振荡器的接法不一样!
还记得刚开始讨论的正弦电路的平衡条件吗
AF=1
要求系统的相位偏移为0。
而上述的电容分压电路,如果从两个电容之间取出
可以看到谐振时反馈电压和输入电压是同相的
而下面这个电路用的是共射极放大器,输入和输出反向,即相位差为π
如果按照之前的方法接入反馈电压的话总的相位差就不为2nπ,而是π,就不满足平衡条件,所以把地接到两个电容之间,使得原来的反馈电压变为地,从原来的地引出反馈电压,这样电路总的移相就是0。
以上就是我学习三点式震荡电路的心得,如果有错误或者描述不恰当之处,欢迎提出意见和建议。