LC振荡器的工作原理


正弦波振荡器


振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。
其用途十分广泛,它是无线电发送设备的心脏部分,甚至其工作原理也与心脏异曲同工。

它将直流电能转变为交流电能,而本身静止不动,不需作机械转动或移动。如果用高频交流发电机,则其旋转速度必须很高,最高频率也只能大 50 H z 50Hz ,且需要很强的物理机械构造。

电子振荡器的输出波形可以是正弦波,也可以是非正弦波;正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器(加入正反馈)与负阻式振荡器(将一个呈负阻特性的有源器件直接与谐振电路相接,产生振荡);大多数振荡器都是利用 L C LC 回路来产生振荡的,因此可作为振荡器工作原理的预备知识。


LCR回路中的瞬变现象


所谓“谐振”,就能量关系而言,是指:回路中储存的能量是不变的,只是在电感与电容之间相互转换;外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量,以维持回路的等幅振荡。

振荡器其核心也需要 L C R LCR 谐振回路来进行能量之间的不断转换,不停地充放电,而我们又需要加入一个控制电路,以补充能量维持等幅振荡。(LCR回路中有电阻损耗)

S在1端时,电容电压是跃变的,直接跳变到 V V ;S在2端时,会产生 L C L和C 能量的收发,因为电阻的损耗,是一个衰减的正弦波振荡,因此我们就要加一个控制电路来补充能量,相当一个电源的作用,维持回路的等幅振荡。
当加入控制电路后,不停地补充能量,有可能出现 R < 0 R<0 负电阻的情况(现实中当然不可能,整个电路中相当于没有电阻耗能一样),也就是相当一个电源的效果,起到一个增幅振荡发散效果,把耗能的衰减效果抵消掉。

为了获得等幅振荡,就必须设法使LC回路中的电阻等于零。由于实际的LC回路本身总是有正电阻的,因此必须人为地引入一个负电阻,将回路本身的正电阻完全抵消,以获得等幅振荡。


LC振荡器的基本工作原理


振荡器的组成条件:
1)一套振荡回路,包含两个(或两个以上)储能元件。在这两个元件中,当一个释放能量时,另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行,其频率决定于元件的数值。
2)一个能量来源,补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中,这个能源就是直流电源
3)一个控制设备,可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失,以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。

首先,为了使电路振荡起来,需要给谐振回路提供一个初始储能,也可以通过正反馈放大噪声信号(但需要VCC提供能量)来实现振荡,LCR振荡电路相当于振荡器的心脏。

这里将 L C R LCR 回路用互耦方式连接,形成一个正反馈取压的电路,根据同名端电位的变化进行测量、放大补充能量来维持电路等幅振荡。
同名端分别取在e和c,当振荡幅度过大,c点电压增大,e点电位被抬高, V b e V_{be}减小 ,b和e之间的压差减小,相当于放大器输入的电压减小,导致集电极的电流减小,使得振荡电路补充的能量减少,恢复等幅振荡;当振荡幅度过小,c点电压减小,e点电位被拉低, V b e V_{be}增大 ,b和e之间的压差增大,相当于放大器输入的电压增大,导致集电极的电流增大,使得振荡电路补充的能量增多,恢复等幅振荡。

这其实就和心脏的工作原理很类似,心脏正常情况下总有一个规律的频率在稳定跳动,当心率加快或偏低,身体机制会做出相应的改变以调节心率至正常频率。

下面用自动化的控制模型来简化分析:
将整个电路简化为振荡和控制两个部分(耦合电路整合为一个正反馈网络,放大器用于增益控制)

这样就可以清晰地看出电路起振条件振荡平衡的条件。
振荡是从无到有的过程,振荡电路是单口网络,无须输入信号就能起振,起振的信号源来自接通电源瞬间引起的电压、电流突变,电路器件内部噪声等。初始信号中,满足相位平衡条件的某一频率 w 0 w_0 的信号应该被保留,成为等幅振荡输出信号。一般初始信号很微弱,很容易被干扰信号淹没,不能形成一定幅

度的输出信号。因此,起振阶段要求 A ( w ) F ( w ) > 1 = 2 n π A(w)·F(w)>1,相位平衡=2n\pi ,当信号不断被放大直至

A ( w ) F ( w ) = 1 = 2 n π A(w)·F(w)=1,相位平衡=2n\pi 时,达到振幅平衡状态。

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