LC振蕩器基礎(chǔ)知識(shí)

LC振蕩器將直流輸入（電源電壓）轉(zhuǎn)換為交流輸出（波形）。該輸出波形可以具有各種不同的形狀和頻率，并且可以是復(fù)雜的形狀，也可以是簡(jiǎn)單的正弦波。

振蕩器的用途十分廣泛，產(chǎn)生正弦波、方形、鋸齒波或三角波，或者一系列可變或恒定寬度的重復(fù)脈沖。LC振蕩器因其良好的相位噪聲特性和易于實(shí)現(xiàn)而常用于射頻電路中。

振蕩器基本上是具有“正反饋”或同相的放大器，電子電路設(shè)計(jì)中的許多問題之一是在試圖讓振蕩器振蕩時(shí)阻止放大器振蕩。

振蕩器之所以工作，是因?yàn)樗鼈兺ㄟ^將所需頻率的直流能量施加到該諧振器電路中，克服了同一電路中電容、電感或兩者形式的反饋諧振器電路的損耗。換句話說，振蕩器是一種放大器，它使用正反饋產(chǎn)生輸出頻率，而無需使用外部施加的輸入信號(hào)。

因此，振蕩器是自維持電路，以單個(gè)正弦頻率產(chǎn)生周期性輸出波形。因此，任何電子電路要用作振蕩器，它必須包含以下三個(gè)特性。

放大

正反饋

A 頻率決定反饋網(wǎng)絡(luò)

振蕩器有一個(gè)小信號(hào)反饋放大器，其開環(huán)增益等于或略大于1，用于振蕩開始，但要繼續(xù)振蕩，平均環(huán)路增益必須恢復(fù)為單位。除了這些電抗元件外，還需要運(yùn)算放大器或雙極晶體管等放大器件。

與放大器不同，不需要外部交流輸入信號(hào)即可使振蕩器工作，因?yàn)橹绷麟娫茨芰坑烧袷幤鬓D(zhuǎn)換為所需頻率的交流能量。

基本振蕩器反饋電路

其中：β是反饋系數(shù)。

無反饋振蕩器增益

帶反饋的振蕩器增益

然后振蕩器是以所需的單個(gè)頻率產(chǎn)生連續(xù)電壓輸出波形的電路。電感器、電容器或電阻器用于形成頻率選擇性諧振電路，該電路基本上是一個(gè)允許所需頻率通過的無源帶通濾波器和一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)。

反饋網(wǎng)絡(luò)將一小部分輸出信號(hào)“饋送”回輸入端，以保持電路振蕩。使用的正反饋量必須足夠大，以克服任何電路損耗，以便無限期地持續(xù)振蕩。

反饋網(wǎng)絡(luò)基本上是一個(gè)衰減電路，其電壓增益小于1（β <1）。振蕩在Aβ>1時(shí)開始，一旦振蕩持續(xù)，就會(huì)恢復(fù)統(tǒng)一（Aβ = 1）。

LC振蕩器頻率使用調(diào)諧或諧振電感/電容（LC）電路進(jìn)行控制，產(chǎn)生的輸出頻率稱為振蕩頻率。通過使振蕩器反饋成為無功網(wǎng)絡(luò)，反饋的相位角將隨頻率變化，這稱為相移。

基本上有振蕩器的類型

正弦振蕩器– 這些被稱為諧波振蕩器，通常是“LC 調(diào)諧反饋”或“RC 調(diào)諧反饋”型振蕩器，可產(chǎn)生幅度和頻率恒定的純正弦波形。

非正弦振蕩器– 這些振蕩器被稱為松弛振蕩器，可生成復(fù)雜的非正弦波形，從一種穩(wěn)定條件到另一種穩(wěn)定條件變化非?？?，例如“方波”、“三角波”或“鋸齒波”型波形。

振蕩器諧振

當(dāng)對(duì)由電感器、電容器和電阻器組成的電路施加恒定電壓但頻率變化時(shí)，電容器/電阻器和電感器/電阻電路的電抗由于所用元件的電抗，與輸入信號(hào)相比，輸出信號(hào)的幅度和相位都會(huì)發(fā)生變化。

在高頻下，電容器的電抗非常低，作為短路，而電感的電抗作為開路時(shí)很高。在低頻時(shí)，情況正好相反，電容器的電抗充當(dāng)開路，電感的電抗充當(dāng)短路。

在這兩個(gè)極端之間，電感器和電容器的組合產(chǎn)生具有諧振頻率（?r）的“調(diào)諧”或“諧振”電路，其中電容和感抗相等并相互抵消，只留下電路的電阻來反對(duì)電流流動(dòng)。這意味著沒有相移，因?yàn)殡娏髋c電壓同相。考慮下面的電路。

基本型LC振蕩器諧振電路

該電路由電感線圈L和電容器C組成。電容器以靜電場(chǎng)的形式存儲(chǔ)能量，并在其板上產(chǎn)生電位（靜態(tài)電壓），而電感線圈以電磁場(chǎng)的形式存儲(chǔ)其能量。通過將開關(guān)置于位置A，電容器充電至直流電源電壓V。當(dāng)電容器充滿電時(shí)，開關(guān)變?yōu)槲恢肂。

帶電電容器現(xiàn)在并聯(lián)連接在電感線圈上，因此電容器開始通過線圈自行放電。隨著通過線圈的電流開始上升，C兩端的電壓開始下降。

這種上升的電流在線圈周圍建立一個(gè)電磁場(chǎng)，抵抗這種電流。當(dāng)電容器完全放電時(shí)，C將原來存儲(chǔ)在電容器中的能量完全放電，C作為靜電場(chǎng)現(xiàn)在存儲(chǔ)在電感線圈中，L作為線圈繞組周圍的電磁場(chǎng)。

由于現(xiàn)在電路中沒有外部電壓來維持線圈內(nèi)的電流，因此隨著電磁場(chǎng)開始崩潰，電流開始下降。線圈中感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)（e = -Ldi/dt），保持電流沿原始方向流動(dòng)。

該電流以與其原始充電相反的極性對(duì)電容器C充電。C繼續(xù)充電，直到電流降至零，線圈的電磁場(chǎng)完全崩潰。

最初通過開關(guān)引入電路的能量已返回到電容器，電容器在其兩端再次具有靜電電壓電位，盡管它現(xiàn)在的極性相反。電容器現(xiàn)在開始通過線圈再次放電，整個(gè)過程重復(fù)。隨著能量在電容器和電感器之間來回傳遞，電壓的極性會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生交流型正弦電壓和電流波形。

然后，該過程構(gòu)成了LC振蕩器諧振電路的基礎(chǔ)，理論上，這種來回循環(huán)將無限期地持續(xù)下去。然而，事情并不完美，每次能量從電容器C轉(zhuǎn)移到電感器，L和從L轉(zhuǎn)移到C時(shí)，都會(huì)發(fā)生一些能量損失，隨著時(shí)間的推移將振蕩衰減到零。

如果不是因?yàn)殡娐穬?nèi)的能量損失，這種在電容器C和電感之間來回傳遞能量的振蕩作用將無限期地持續(xù)下去。電能在電感線圈的直流或?qū)嶋H電阻、電容器的電介質(zhì)和電路的輻射中損失，因此振蕩穩(wěn)步下降，直到它們完全消失并且過程停止。

然后在實(shí)際的LC電路中，振蕩電壓的幅度在每個(gè)半振蕩周期減小，最終將消失為零。然后稱振蕩為“阻尼”，阻尼量由電路的質(zhì)量或Q因數(shù)決定。

阻尼振蕩

振蕩電壓的頻率取決于LC諧振電路中的電感和電容值。我們現(xiàn)在知道，要在諧振電路中發(fā)生共振，必須有一個(gè)頻率點(diǎn)的值XC，容抗值與XL，感抗（XL=XC），因此將相互抵消，只留下電路中的直流電阻來對(duì)抗電流流動(dòng)。

如果我們現(xiàn)在將電感電感的感抗曲線放在電容器容抗曲線的頂部，使兩條曲線位于相同的頻率軸上，則交點(diǎn)將給我們諧振頻率點(diǎn)（?r或ωr），如下所示。

共振頻率

哪里：?r在赫茲，L在亨利，C在法拉。

然后，發(fā)生這種情況的頻率如下：

然后通過簡(jiǎn)化上述方程，我們得到諧振頻率的最終方程，?r在調(diào)諧LC電路中：

LC振蕩器的諧振頻率

哪里：

L是亨利中的電感

C是以法拉為單位的電容

?r是以赫茲為單位的輸出頻率

該方程表明，如果L或C降低，頻率會(huì)增加。該輸出頻率通?？s寫為（?r）將其標(biāo)識(shí)為“諧振頻率”。

為了保持LC諧振電路中的振蕩，我們必須替換每次振蕩中損失的所有能量，并將這些振蕩的幅度保持在恒定水平。因此，更換的能量必須等于每個(gè)周期中損失的能量。

如果更換的能量太大，振幅會(huì)增加，直到電源軌發(fā)生削波?；蛘撸绻鎿Q的能量太小，振幅最終會(huì)隨著時(shí)間的推移降低到零，振蕩會(huì)停止。

補(bǔ)充這種損失能量的最簡(jiǎn)單方法是從LC諧振電路中獲取部分輸出，將其放大，然后再次將其反饋到LC電路中。此過程可以使用使用運(yùn)算放大器、FET 或雙極晶體管作為其有源器件的電壓放大器來實(shí)現(xiàn)。但是，如果反饋放大器的環(huán)路增益太小，則所需的振蕩衰減為零，如果太形就會(huì)失真。

為了產(chǎn)生恒定的振蕩，必須精確控制反饋到LC網(wǎng)絡(luò)的能量水平。然后，當(dāng)幅度試圖從參考電壓向上或向下變化時(shí)，必須有某種形式的自動(dòng)幅度或增益控制。

為了保持穩(wěn)定的振蕩，電路的總增益必須等于1或單位。如果振蕩越小，振蕩就不會(huì)開始或消失到零，振蕩就會(huì)發(fā)生，但幅度會(huì)被電源軌削波，從而導(dǎo)致失真?？紤]下面的電路。

基本晶體管LC振蕩器電路

雙極晶體管用作LC振蕩器放大器，調(diào)諧LC諧振電路用作集電極負(fù)載。另一個(gè)線圈L2連接在晶體管的基極和發(fā)射極之間，其電磁場(chǎng)與線圈L的電磁場(chǎng)“相互”耦合。

兩個(gè)電路之間存在“互感”，一個(gè)線圈電路中流動(dòng)的變化電流通過電磁感應(yīng)在另一個(gè)線圈電路中感應(yīng)出電位電壓（變壓器效應(yīng)），因此當(dāng)調(diào)諧電路中發(fā)生振蕩時(shí)，電磁能量從線圈L傳遞到線圈L2，并在晶體管的基極和發(fā)射極之間施加與調(diào)諧電路中相同頻率的電壓。通過這種方式，必要的自動(dòng)反饋電壓被施加到放大晶體管上。

通過改變兩個(gè)線圈L和L2之間的耦合，可以增加或減少反饋量。當(dāng)電路振蕩時(shí)，其阻抗為阻性，集電極和基極電壓為180o異相。為了保持振蕩（稱為頻率穩(wěn)定性），施加到調(diào)諧電路的電壓必須與調(diào)諧電路中發(fā)生的振蕩“同相”。

因此，我們必須引入額外的180o相移到集電極和基極之間的反饋路徑。這是通過將L2的線圈繞繞在相對(duì)于線圈L的正確方向上，為振蕩器電路提供正確的幅度和相位關(guān)系，或者通過在放大器的輸出和輸入之間連接相移網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。

因此，LC振蕩器是“正弦振蕩器”或更常見的“諧波振蕩器”。LC振蕩器可以產(chǎn)生高頻正弦波，用于射頻（RF）型應(yīng)用，晶體管放大器為雙極晶體管或FET。

諧波振蕩器有許多不同的形式，因?yàn)橛性S多不同的方法來構(gòu)建LC濾波器網(wǎng)絡(luò)和放大器，最常見的是HartleyLC振蕩器，Colpitts LC振蕩器，阿姆斯特朗振蕩器和Clapp振蕩器等等。

LC 振蕩器示例 No1

將200mH的電感和10pF的電容器并聯(lián)在一起，形成LC振蕩器諧振電路。計(jì)算振蕩頻率。

那么從上面的例子中我們可以看出，通過減小電容C或電感的值，L將具有增加LC諧振電路振蕩頻率的效果。

LC 振蕩器摘要

LC振蕩器諧振電路所需的基本條件如下。

要使振蕩存在振蕩，振蕩器電路必須包含無功（頻率相關(guān)）組件，即“電感器”、“L”或“電容器”、“（C）”以及直流電源。

在簡(jiǎn)單的電感電容LC電路中，由于元件和電路損耗，振蕩會(huì)隨著時(shí)間的推移而衰減。

需要電壓放大來克服這些電路損耗并提供正增益。

放大器的總增益必須大于1，單位。

通過將部分輸出電壓反饋到幅度和同相正確的調(diào)諧電路（0o).

振蕩只有在反饋為“正”（自我再生）時(shí)才會(huì)發(fā)生。

電路的總相移必須為零或360o這樣來自反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)將與輸入信號(hào)“同相”。

在下一個(gè)關(guān)于振蕩器的教程中，我們將研究最常見的LC振蕩器電路之一的操作，該電路使用兩個(gè)電感線圈在其諧振電路中形成中心抽頭電感。這種類型的LC振蕩器電路通常被稱為哈特利振蕩器。

審核編輯：湯梓紅