LC正弦波振荡电路详解

LC正弦波振荡电路详解LC正弦波振荡电路与RC桥式正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相同的，只是选频网络采用LC电路。在LC振荡电路中，当f=f0时，放大电路的放大倍数数值最大，而其余频率的信号均被衰减到零；引入正反馈后，使反馈电压作为放大电路的输入电压，以维持输出电压，从而形成正弦波振荡。由于LC正弦波振荡电路的振荡频率较高，所以放大电路多采用分立元件电路。一、LC谐振回路的频率特性LC正弦波振荡电路中的选频网络采用LC并联网络，如图所示。图(a)为理想电路，无损耗，谐振频率为（推导过程如下）公式推导过程：电路导纳为令式中虚部为零，就可求出谐振角频率式中Q为品质因数当Q1时，，所以谐振频率将上式代入，得出当f=f0时，电抗当Q1时，，代入，整理可得在信号频率较低时，电容的容抗()很大，网络呈感性；在信号频率较高时，电感的感抗()很大，网络呈容性；只有当f=f0时，网络才呈纯阻性，且阻抗最大。这时电路产生电流谐振，电容的电场能转换成磁场能，而电感的磁场能又转换成电场能，两种能量相互转换。实际的LC并联网络总是有损耗的，各种损耗等效成电阻R，如图(b)所示。电路的导纳为回路的品质因数（推导过程如下）公式推导过程：电路导纳为令式中虚部为零，就可求出谐振角频率式中Q为品质因数当Q1时，，所以谐振频率将上式代入，得出当f=f0时，电抗当Q1时，，代入，整理可得上式表明，选频网络的损耗愈小，谐振频率相同时，电容容量愈小，电感数值愈大，品质因数愈大，将使得选频特性愈好。当f=f0时，电抗（推导过程如下）公式推导过程：电路导纳为令式中虚部为零，就可求出谐振角频率式中Q为品质因数当Q1时，，所以谐振频率将上式代入，得出当f=f0时，电抗当Q1时，，代入，整理可得当网络的输入电流为I0时，电容和电感的电流约为QIo。根据式，可得适用于频率从零到无穷大时LC并联网络电抗的表达式Z=1/Y，其频率特性如下图所示。Q值愈大，曲线愈陡，选频特性愈好。若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载，如右图所示，则电路的电压放大倍数根据LC并联网络的频率特性，当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移（原因）。对于其余频率的信号，电压放大倍数不但数值减小，而且有附加相移。电路具有选频特性，故称之为选频放大电路。若在电路中引入正反馈，并能用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路。根据引入反馈的方式不同，LC正弦波振荡电路分为变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式三种电路。二、变压器反馈式振荡电路1.工作原理引入正反馈最简单的方法是采用变压器反馈方式，如图（7114）所示，用反馈电压取代输入电压，得到变压器反馈式振荡电路。电路分析：★观察电路，存在放大电路、选频网络、正反馈网络以及用晶体管的非线性特性所实现的稳幅环节四个部分；★判断放大电路能否正常工作，图中放大电路是典型的工作点稳定电路，可以设置合适的静态工作点；★交流通路如图所示，交流信号传递过程中无开路或短路现象，电路可以正常放大；★采用瞬时极性法判断电路是否满足相位平衡条件（具体做法）。如图所示电路表明，变压器反馈式振荡电路中放大电路的输入电阻是放大电路负载的一部分，因此与相互关联。一般情况下，只要合理选择变压器原、副边线圈的匝数比以及其它电路参数，电路很容易满足幅值条件。2.振荡频率及起振条件振荡频率其中，起振条件其中，3.优缺点变压器反馈式振荡电路易于产生振荡，输出电压的波形失真不大，应用范围广泛。但是由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而耦合不紧密，损耗较大。并且振荡频率的稳定性不高。三、电感反馈式振荡电路1.电路组成为了克服变压器反馈式振荡电路中变压器原边线圈和副边线圈耦合不紧密的缺点，可将变压器反馈式振荡电路的N1和N2合并为一个线圈，如右图所示，为了加强谐振效果，将电容C跨接在整个线圈两端，便得到电感反馈式振荡电路。2.工作原理★观察电路它包含了放大电路、选频网络、反馈网络和非线性元件（晶体管）四个部分，而且放大电路能够正常工作。★用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件：断开反馈，加频率为f0的输入电压，给定其极性，判断出从N2上获得的反馈电压极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件，各点瞬时极性如上图所示。★只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件，而产生正弦波振荡。如下图所示为电感反馈式振荡电路的交流通路，原边线圈的三个端分别接在晶体管的三个极，故称电感反馈式振荡电路为电感三点式电路。3.振荡频率及起振条件振荡频率反馈系数起振条件4.优缺点电感反馈式振荡电路中N2与N1之间耦合紧密，振幅大，易起振；当C采用可变电容时，可以获得调节范围较宽的振荡频率，最高振荡频率可达几十MHz。由于反馈电压取自电感，对高频信号具有较大的电抗，反馈信号中含有较多的高次谐波分量，输出电压波形不好四、电容反馈式振荡电路1.电路组成为了获得较好的输出电压波形，若将电感反馈式振荡电路中的电容换成电感，电感换成电容，并在转换后将两个电容的公共端接地，且增加集电极电阻Rc，就可得到电容反馈式振荡电路，如右图所示。因为两个电容的三个端分别接在晶体管的三个极，故也称为电容三点式电路。2.工作原理★根据正弦波振荡电路的判断方法，观察如上图所示电路，包含了放大电路、选频网络、反馈网络和非线性元件（晶体管）四个部分；★放大电路能够正常工作；★断开反馈，加频率为f0的输入电压，给定其极性，判断出从C2上所获得的反馈电压极性与输入电压相同，故电路弦波振荡的相位条件，各点瞬时极性如图所示。★只要电路参数选择得当，电路就可以满足幅值条件，而产生正弦波振荡。3.振荡频率及起振条件振荡频率反馈系数起振条件4.优缺点电容反馈式振荡电路的输出电压波形好，但若用改变电容的方法来调节振荡频率，则会影响电路的反馈系数和起振条件；而若用改变电感的方法来调节振荡频率，则比较困难；常用在固定振荡频率的场合。在振荡频率可调范围不大的情况下，可采用如右图所示电路作为选频网络。5.稳定振荡频率的措施若要提高电容反馈式振荡电路的频率，要减小C1、C2的电容量和L的电感量。实际上，当C1和C2减小到一定程度时，晶体管的极间电容和电路中的杂散电容将纳入C1和C2之中，从而影响振荡频率。这些电容等效为放大电路的输入电容Ci和输出电容Co，改进型电路和等效电器如下图所示。由于极间电容受温度的影响，杂散电容又难于确定，为了稳定振荡频率，在电感支路串联一个小容量电容C3，而且C3C1，C3C2，这样振荡频率几乎与C1和C2无关，也与Ci和Co无关，所以频率稳定度高。