LC振蕩器基礎知識

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

振蕩器的用途十分廣泛，產生正弦波、方形、鋸齒波或三角波，或者一系列可變或恒定寬度的重復脈沖。LC振蕩器因其良好的相位噪聲特性和易于實現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，電子電路設計中的許多問題之一是在試圖讓振蕩器振蕩時阻止放大器振蕩。

振蕩器之所以工作，是因為它們通過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，它使用正反饋產生輸出頻率，而無需使用外部施加的輸入信號。

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

放大

正反饋

A 頻率決定反饋網絡

振蕩器有一個小信號反饋放大器，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)路增益必須恢復為單位。除了這些電抗元件外，還需要運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即可使振蕩器工作，因為直流電源能量由振蕩器轉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。

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頻率產生連續(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允許所需頻率通過的無源帶通濾波器和一個反饋網絡。

反饋網絡將一小部分輸出信號“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。

反饋網絡基本上是一個衰減電路，其電壓增益小于1（β <1）。振蕩在Aβ>1時開始，一旦振蕩持續(xù)，就會恢復統(tǒng)一（Aβ = 1）。

LC振蕩器頻率使用調諧或諧振電感/電容（LC）電路進行控制，產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絡，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 調諧反饋”或“RC 調諧反饋”型振蕩器，可產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

當對由電感器、電容器和電阻器組成的電路施加恒定電壓但頻率變化時，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，與輸入信號相比，輸出信號的幅度和相位都會發(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很高。在低頻時，情況正好相反，電容器的電抗充當開路，電感的電抗充當短路。

在這兩個極端之間，電感器和電容器的組合產生具有諧振頻率（?r）的“調諧”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電流流動。這意味著沒有相移，因為電流與電壓同相?？紤]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。電容器以靜電場的形式存儲能量，并在其板上產生電位（靜態(tài)電壓），而電感線圈以電磁場的形式存儲其能量。通過將開關置于位置A，電容器充電至直流電源電壓V。當電容器充滿電時，開關變?yōu)槲恢肂。

帶電電容器現在并聯(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電磁場，抵抗這種電流。當電容器完全放電時，C將原來存儲在電容器中的能量完全放電，C作為靜電場現在存儲在電感線圈中，L作為線圈繞組周圍的電磁場。

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

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

最初通過開關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，盡管它現在的極性相反。電容器現在開始通過線圈再次放電，整個過程重復。隨著能量在電容器和電感器之間來回傳遞，電壓的極性會發(fā)生變化，從而產生交流型正弦電壓和電流波形。

然后，該過程構成了LC振蕩器諧振電路的基礎，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轉移到電感器，L和從L轉移到C時，都會發(fā)生一些能量損失，隨著時間的推移將振蕩衰減到零。

如果不是因為電路內的能量損失，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實際電阻、電容器的電介質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。

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

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。我們現在知道，要在諧振電路中發(fā)生共振，必須有一個頻率點的值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抗電流流動。

如果我們現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，則交點將給我們諧振頻率點（?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：

然后通過簡化上述方程，我們得到諧振頻率的最終方程，?r在調諧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，頻率會增加。該輸出頻率通常縮寫為（?r）將其標識為“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周期中損失的能量。

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

補充這種損失能量的最簡單方法是從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現。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，如果太形就會失真。

為了產生恒定的振蕩，必須精確控制反饋到LC網絡的能量水平。然后，當幅度試圖從參考電壓向上或向下變化時，必須有某種形式的自動幅度或增益控制。

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，振蕩就不會開始或消失到零，振蕩就會發(fā)生，但幅度會被電源軌削波，從而導致失真?？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，調諧LC諧振電路用作集電極負載。另一個線圈L2連接在晶體管的基極和發(fā)射極之間，其電磁場與線圈L的電磁場“相互”耦合。

兩個電路之間存在“互感”，一個線圈電路中流動的變化電流通過電磁感應在另一個線圈電路中感應出電位電壓（變壓器效應），因此當調諧電路中發(fā)生振蕩時，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)射極之間施加與調諧電路中相同頻率的電壓。通過這種方式，必要的自動反饋電壓被施加到放大晶體管上。

通過改變兩個線圈L和L2之間的耦合，可以增加或減少反饋量。當電路振蕩時，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），施加到調諧電路的電壓必須與調諧電路中發(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系，或者通過在放大器的輸出和輸入之間連接相移網絡來實現的。

因此，LC振蕩器是“正弦振蕩器”或更常見的“諧波振蕩器”。LC振蕩器可以產生高頻正弦波，用于射頻（RF）型應用，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，因為有許多不同的方法來構建LC濾波器網絡和放大器，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）組件，即“電感器”、“L”或“電容器”、“（C）”以及直流電源。

在簡單的電感電容LC電路中，由于元件和電路損耗，振蕩會隨著時間的推移而衰減。

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諧電路（0o).

振蕩只有在反饋為“正”（自我再生）時才會發(fā)生。

電路的總相移必須為零或360o這樣來自反饋網絡的輸出信號將與輸入信號“同相”。

在下一個關于振蕩器的教程中，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