半导体器件 - 振荡器

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振荡器是一种产生正弦波振荡（称为正弦波振荡器）的电子电路。它将直流电源的输入能量转换为特定频率和已知幅度的周期性波形的交流输出能量。振荡器的特征在于它保持其交流输出。

下图显示了一个即使在没有外加输入信号的情况下也能反馈信号的放大器。正弦波振荡器本质上是一种反馈放大器，其中对电压增益A_v和反馈网络β提出了特殊的要求。

考虑上图的反馈放大器，其中反馈电压V_f = βV_O提供整个输入电压

$V_i = V_f = \beta V_0 = A_V\beta V_i$ (1)

$V_i = A_V\beta V_i$ 或 $(1 - A_V\beta)V_i = 0$ (2)

如果要产生输出电压，则输入电压不能为零。因此，为了使V_i存在，等式（2）要求

$(1 - A_V\beta) = 0$ 或 $A_V\beta = 1$ (3)

等式（3）被称为“巴克豪森准则”，它说明了振荡的两个基本要求：

• 放大器和反馈环路周围的电压增益（称为环路增益）必须为单位，或 $A_V\beta = 1$。

• V_i和V_f之间的相移（称为环路相移）必须为零。

如果满足这两个条件，则上图的反馈放大器将持续产生正弦波输出波形。

现在让我们详细讨论一些典型的振荡器电路。

移相振荡器

遵循反馈电路基本原理的振荡器电路是移相振荡器。下图显示了一个移相振荡器。振荡的要求是环路增益(βA)应大于单位，输入和输出之间的相移应为360^o。

反馈来自RC网络的输出回到放大器输入。运算放大器放大器级提供初始180度相移，而RC网络引入额外的相移。在特定频率下，网络引入的相移正好为180度，因此环路将为360度，反馈电压与输入电压同相。

反馈网络中RC级的最小数量为三个，因为每个部分提供60度的相移。RC振荡器非常适合音频频率范围，从几个周期到大约100 KHz。在较高频率下，网络阻抗变得非常低，以至于它可能会严重加载放大器，从而将其电压增益降低到所需的最小值以下，并且振荡将停止。

在低频下，负载效应通常不是问题，并且所需的大电阻和电容值很容易获得。使用基本的网络分析，振荡频率可以表示为

$$f = \frac{1}{2\pi RC \sqrt{6}}$$

维恩电桥振荡器

一个实用的振荡器电路使用运算放大器和RC电桥电路，振荡频率由R和C组件设置。下图显示了维恩电桥振荡器电路的基本版本。

注意基本的电桥连接。电阻器R₁和R₂以及电容器C₁和C₂构成频率调整元件，而电阻器R₃和R₄构成反馈路径的一部分。

在这个应用中，电桥的输入电压(V_i)是放大器的输出电压，电桥的输出电压(V_o)反馈到放大器的输入。忽略运算放大器输入和输出阻抗的负载效应，电桥电路的分析结果为

$$ \frac{R_3}{R_4} = \frac{R_1}{R_2} + \frac{C_2}{C_1} $$

和

$$ f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{R_1C_1R_2C_2}} $$

如果R₁ = R₂ = R且C₁ = C₂ = C，则所得振荡频率为

$$ f_o = \frac{1}{2\pi RC} $$

哈特利振荡器

下图显示了哈特利振荡器。它是最常见的射频电路之一。它通常用作通信广播接收机中的本地振荡器。共射极连接中的双极结型晶体管是电压放大器，并由由R₁、R₂、R_E组成的通用偏置电路偏置。发射极旁路电容(C_E)增加了这个单晶体管级的电压增益。

集电极电路中的射频扼流圈(RFC)在射频频率下充当开路，并防止射频能量进入电源。谐振电路由L₁、L₂和C组成。振荡频率由L₁、L₂和C的值决定，并由LC谐振电路的谐振频率决定。此谐振频率表示为

$$ f_o = \frac{1}{2\pi \sqrt{L_TC}} $$

如果负载很大且振荡频率不受影响，则可以通过电容耦合从集电极获取输出信号。

压电性

许多天然晶体物质都表现出压电特性，其中最重要的物质是石英、罗谢尔盐和电气石。当在这些材料上施加正弦波电压时，它们会以施加的电压频率振动。

另一方面，当压缩这些材料并使其承受机械应力以振动时，它们会产生等效的正弦波电压。因此，这些材料被称为压电晶体。石英是最流行的压电晶体。

晶体振荡器

晶体振荡器的电路图如下所示。

此处的晶体充当调谐电路。晶体的等效电路如下所示。

晶体振荡器具有两个谐振频率：串联谐振频率和并联谐振频率。

串联谐振频率

$$ f_s = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC}} $$

并联谐振频率

$$ f_p = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC_T}} $$

由于C/Cm非常小，这两个谐振频率几乎相同。在上图中，晶体连接以在并联谐振模式下工作。

电阻器R₁、R₂、R_E和晶体管一起构成放大器电路。电阻器R₁和R₂提供稳定的直流偏置电压。电容器(C_E)提供发射极电阻(R_E)的交流旁路，而RFC为振荡器产生的频率提供高阻抗，以便它们不会进入电源线。

晶体与电容器C₁和C₂并联，当其阻抗最大时，允许从集电极到发射极的最大电压反馈。在其他频率下，晶体阻抗较低，因此产生的反馈太小而无法维持振荡。振荡器频率稳定在晶体的并联谐振频率。