正弦波振荡器速查指南

正弦波振荡器 - 简介

振荡器无需任何交流输入信号即可产生输出。电子振荡器是一种将直流能量转换为非常高频交流能量的电路。带有正反馈的放大器可以理解为振荡器。

放大器与振荡器

放大器会增加施加的输入信号的强度，而振荡器则会在没有该输入信号的情况下产生信号，但它需要直流电才能工作。这是放大器和振荡器之间的主要区别。

请查看下图。它清楚地显示了放大器如何从直流电源获取能量并将其转换为信号频率下的交流能量。振荡器会自行产生振荡的交流信号。

放大器产生的交流电的频率、波形和幅度由施加在输入端的交流信号电压控制，而振荡器的频率、波形和幅度由电路中的元件本身控制，这意味着不需要外部控制电压。

交流发电机与振荡器

交流发电机是一种机械装置，无需任何输入即可产生正弦波。这种交流发电机用于产生高达 1000Hz 的频率。输出频率取决于极数和电枢的旋转速度。

以下几点突出了交流发电机和振荡器之间的区别：

交流发电机将机械能转换为交流能，而振荡器将直流能转换为交流能。
振荡器可以产生几兆赫兹的更高频率，而交流发电机则不能。
交流发电机有旋转部件，而电子振荡器没有。
改变振荡器的振荡频率比改变交流发电机的频率更容易。

振荡器也可以被认为与整流器相反，整流器将交流电转换为直流电，而振荡器将直流电转换为交流电。您可以在我们的电子电路教程中获得关于整流器的详细描述。

振荡器的分类

电子振荡器主要分为以下两类：

正弦波振荡器 - 产生具有正弦波形的输出的振荡器称为正弦波或谐波振荡器。此类振荡器可以提供从 20 Hz 到 1 GHz 的频率输出。
非正弦波振荡器 - 产生具有方波、矩形波或锯齿波形输出的振荡器称为非正弦波或弛豫振荡器。此类振荡器可以提供从 0 Hz 到 20 MHz 的频率输出。

本教程中我们将只讨论正弦波振荡器。您可以在我们的脉冲电路教程中学习非正弦波振荡器的功能。

正弦波振荡器

正弦波振荡器可以分为以下几类：

调谐电路振荡器 - 这些振荡器使用由电感 (L) 和电容 (C) 组成的调谐电路，用于产生高频信号。因此，它们也称为射频 (RF) 振荡器。此类振荡器有哈特利、科尔皮兹、克拉普振荡器等。
RC 振荡器 - 这些振荡器使用电阻器和电容器，用于产生低频或音频信号。因此，它们也称为音频 (AF) 振荡器。此类振荡器有移相振荡器和维恩电桥振荡器。
晶体振荡器 - 这些振荡器使用石英晶体，用于产生频率高达 10 MHz 的高度稳定的输出信号。压电振荡器是晶体振荡器的一个例子。
负阻振荡器 - 这些振荡器利用隧道二极管等器件的负阻特性。调谐二极管振荡器是负阻振荡器的一个例子。

正弦波振荡的性质

正弦波振荡的性质一般分为两种：阻尼振荡和非阻尼振荡。

阻尼振荡

幅度随时间不断减小的电振荡称为阻尼振荡。阻尼振荡的频率可能保持不变，这取决于电路参数。

阻尼振荡通常是由产生功率损耗且在需要时不进行补偿的振荡电路产生的。

非阻尼振荡

幅度随时间保持不变的电振荡称为非阻尼振荡。非阻尼振荡的频率保持不变。

非阻尼振荡通常是由不产生功率损耗并在发生任何功率损耗时遵循补偿技术的振荡电路产生的。

正弦波振荡器 - 基本概念

带有正反馈的放大器使其输出与输入同相，并增加信号强度。正反馈也称为退化反馈或直接反馈。这种反馈使反馈放大器成为振荡器。

使用正反馈会导致反馈放大器的闭环增益大于开环增益。这会导致不稳定并作为振荡电路运行。振荡电路提供持续变化的任何所需频率的放大输出信号。

振荡电路

振荡电路产生所需频率的电振荡。它们也称为谐振电路。

一个简单的谐振电路包含一个电感 L 和一个电容 C，两者共同决定电路的振荡频率。

为了理解振荡电路的概念，让我们考虑以下电路。电路中的电容器已使用直流电源充电。在这种情况下，电容器的上极板电子过剩，而下极板电子不足。电容器储存了一些静电能量，并且电容器两端存在电压。

当开关S闭合时，电容器放电，电流流过电感。由于电感效应，电流缓慢地建立到最大值。一旦电容器完全放电，线圈周围的磁场达到最大值。

现在，让我们进入下一阶段。一旦电容器完全放电，磁场开始衰减并根据楞次定律产生反电动势。电容器现在在上极板上带正电，在下极板上带负电。

一旦电容器完全充电，它就开始放电以在线圈周围建立磁场，如下面的电路图所示。

这种充电和放电的持续过程导致电子的交替运动或振荡电流。L 和 C 之间的能量交换产生持续的振荡。

在一个理想的电路中，如果没有损耗，振荡将无限期地持续下去。在实际的谐振电路中，会发生损耗，例如线圈中的电阻和辐射损耗以及电容器中的介电损耗。这些损耗会导致阻尼振荡。

振荡频率

谐振电路产生的振荡频率由谐振电路的元件L和C决定。实际的振荡频率是谐振电路的谐振频率（或固有频率），其计算公式为

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

电容的电容

振荡频率 f_o 与电容器电容的平方根成反比。因此，如果使用的电容器值很大，则充电和放电周期将很长。因此频率将较低。

数学上，频率为：

$$f_o \propto \frac{1}{\sqrt{C}}$$

线圈的自感

振荡频率 f_o 与线圈自感的平方根成正比。如果电感值很大，则电流变化的阻力越大，因此完成每个周期所需的时间越长，这意味着周期越长，频率越低。

数学上，频率为：

$$f_o \propto \frac{1}{\sqrt{L}}$$

结合上述两个方程式：

$$f_o \propto \frac{1}{\sqrt{LC}}$$

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

上述方程式虽然表示输出频率，但也与谐振电路的固有频率或谐振频率相匹配。

振荡器电路

振荡器电路是电路所有部件的完整集合，有助于产生振荡。这些振荡应该持续下去，并且应该是非阻尼的，正如前面所讨论的那样。让我们尝试分析一个实际的振荡器电路，以便更好地理解振荡器电路的工作原理。

实际振荡器电路

实际振荡器电路由谐振电路、晶体管放大器和反馈电路组成。下图显示了实际振荡器的布置。

现在让我们讨论这个实际振荡器电路的各个部分。

谐振电路 - 谐振电路由与电容C并联连接的电感 L 组成。这两个组件的值决定了振荡器电路的频率，因此这被称为频率确定电路。
晶体管放大器 - 谐振电路的输出连接到放大器电路，以便在此放大谐振电路产生的振荡。因此，这些振荡的输出由放大器增加。
反馈电路 - 反馈电路的功能是将一部分输出能量以正确的相位传输到 LC 电路。在振荡器中，这种反馈是正反馈，而在放大器中是负反馈。

振荡器的频率稳定性

振荡器的频率稳定性是衡量其在较长时间间隔内保持恒定频率的能力的指标。在较长时间内运行时，振荡器频率可能会出现漂移，偏离先前设置的值，或者增加或减少。

振荡器频率的变化可能是由于以下因素造成的：

所使用的有源器件（如 BJT 或 FET）的工作点应位于放大器的线性区域。它的偏差会影响振荡器频率。
电路组件性能的温度依赖性会影响振荡器频率。
施加到有源器件的直流电源电压的变化会改变振荡器频率。如果使用稳压电源，可以避免这种情况。
输出负载的变化可能会导致谐振电路的 Q 值发生变化，从而导致振荡器输出频率发生变化。
元件间电容和杂散电容的存在会影响振荡器输出频率，从而影响频率稳定性。

巴克豪森准则

根据我们目前的知识，我们了解到实际的振荡器电路由谐振电路、晶体管放大器电路和反馈电路组成。因此，让我们现在尝试回顾一下反馈放大器的概念，以推导出反馈放大器的增益。

反馈放大器的原理

反馈放大器通常由两部分组成：**放大器**和**反馈电路**。反馈电路通常由电阻组成。反馈放大器的概念可以从下图理解。

从上图可以看出，放大器的增益表示为 A。放大器的增益是输出电压 Vo 与输入电压 V_i 的比值。反馈网络从放大器的输出 V_o 提取电压 V_f = β V_o。

此电压在正反馈中相加，在负反馈中相减，从信号电压 V_s 中减去。

因此，对于正反馈，

V_i = V_s + V_f = V_s + β V_o

β = V_f/V_o 称为反馈比或反馈系数。

输出 V_o 必须等于输入电压 (V_s + βV_o) 乘以放大器的增益 A。

因此，

$$(V_s + \beta V_o)A = V_o$$

或者

$$AV_s + A\beta V_o = V_o$$

或者

$$AV_s = V_o(1 - A\beta)$$

所以

$$\frac{V_o}{V_s} = \frac{A}{1 - A\beta}$$

设 A_f 为放大器的整体增益（带反馈的增益）。它定义为输出电压 V_o 与施加的信号电压 V_s 的比值，即：

$$A_f = \frac{输出电压}{输入信号电压} = \frac{V_o}{V_s}$$

从以上两个方程，我们可以理解到，带正反馈的反馈放大器增益方程为：

$$A_f = \frac{A}{1 - A\beta}$$

其中 **Aβ** 是 **反馈系数** 或 **环路增益**。

如果 Aβ = 1，A_f = ∞。因此增益变为无穷大，即没有输入也有输出。换句话说，放大器工作为振荡器。

条件 Aβ = 1 称为 **巴克豪森振荡判据**。这是在振荡器概念中始终需要牢记的一个非常重要的因素。

调谐电路振荡器

调谐电路振荡器是利用调谐电路产生振荡的电路。调谐电路由电感 L 和电容 C 组成。它们也称为 **LC 振荡器、谐振电路振荡器** 或 **谐振电路振荡器**。

调谐电路振荡器用于产生频率范围为 1 MHz 至 500 MHz 的输出，因此它们也称为 **射频振荡器**。晶体三极管或场效应管用作带有调谐电路振荡器的放大器。使用放大器和 LC 谐振电路，我们可以反馈具有正确幅度和相位的信号以维持振荡。

调谐电路振荡器的类型

无线电发射机和接收机中使用的大多数振荡器都是 LC 振荡器类型。根据电路中反馈的使用方式，LC 振荡器可分为以下几种类型。

**调谐集电极或阿姆斯特朗振荡器** - 它利用来自晶体管集电极到基极的电感反馈。LC 电路位于晶体管的集电极电路中。
**调谐基极振荡器** - 它使用电感反馈。但 LC 电路位于基极电路中。
**哈特利振荡器** - 它使用电感反馈。
**科尔皮兹振荡器** - 它使用电容反馈。
**克拉普振荡器** - 它使用电容反馈。

我们现在将详细讨论上述所有提到的 LC 振荡器。

调谐集电极振荡器

调谐集电极振荡器之所以这样称呼，是因为调谐电路放置在晶体管放大器的集电极中。**L** 和 **C** 的组合构成调谐电路或频率确定电路。

结构

电阻 R₁、R₂ 和 R_E 用于为晶体管提供直流偏置。电容 C_E 和 C 是旁路电容。变压器的副边提供出现在 R₁ 和 R₂ 的基极-发射极结上的交流反馈电压，由于旁路电容 C，R₁ 和 R₂ 在交流情况下接地。如果电容不存在，变压器副边感应的一部分电压将降落在 R₂ 上，而不是完全进入晶体管的输入端。

由于 CE 组态晶体管提供 180^o 相移，变压器再提供 180^o 相移，使得输入和输出电压之间产生 360^o 相移。下图显示了调谐集电极电路的布置。

工作原理

一旦供电，集电极电流开始增加，并且电容 C 开始充电。当电容充满电时，它通过电感 L₁ 放电。现在产生振荡。这些振荡在副绕组 L₂ 中感应出一些电压。副绕组中感应电压的频率与谐振电路的频率相同，其幅度取决于副绕组的匝数和两个绕组之间的耦合。

L₂ 上的电压施加在基极和发射极之间，并以放大形式出现在集电极电路中，从而克服了谐振电路中的损耗。L₂ 的匝数和 L₁ 和 L₂ 之间的耦合调整到足以将 L₂ 上的振荡放大到足以补偿谐振电路损耗的水平。

调谐集电极振荡器广泛用作无线电接收机中的 **本地振荡器**。

调谐基极振荡器

调谐基极振荡器之所以这样称呼，是因为调谐电路放置在晶体管放大器的基极中。**L** 和 **C** 的组合构成调谐电路或频率确定电路。

结构

电阻 R₁、R₂ 和 R_E 用于为晶体管提供直流偏置。发射极电路中 R_e 和 C_e 的并联组合是稳定电路。C_C 是隔离电容。电容 C_E 和 C 是旁路电容。射频变压器的初级线圈 L 和次级线圈 L₁ 为集电极和基极电路提供所需的反馈。

由于 CE 组态晶体管提供 180^o 相移，变压器再提供 180^o 相移，使得输入和输出电压之间产生 360^o 相移。下图显示了调谐基极振荡器电路的布置。

工作原理

当电路接通时，集电极电流开始上升。由于集电极连接到线圈 L₁，该电流在其周围产生一些磁场。这在调谐电路线圈 L 中感应出电压。反馈电压导致发射极-基极电压和基极电流增加。因此，集电极电流进一步增加，并且循环持续进行，直到集电极电流达到饱和。同时，电容充满电。

当集电极电流达到饱和水平时，L 中没有反馈电压。由于电容已充满电，它开始通过 L 放电。这降低了发射极-基极偏置，因此降低了 I_B 和集电极电流。当集电极电流达到截止时，电容 C 以相反极性充满电。由于晶体管现在关闭，电容器 C 开始通过 L 放电。这增加了发射极-基极偏置。结果，集电极电流增加。

只要有足够的能量来 **满足** L.C. 电路的 **损耗**，循环就会重复。振荡频率等于 L.C. 电路的谐振频率。

缺点

调谐基极振荡器电路的主要 **缺点** 是，由于与调谐电路并联出现的低基极-发射极电阻，谐振电路负载过重。这降低了其 Q 值，进而导致振荡器频率漂移。因此稳定性变差。由于这个原因，调谐电路通常**不**连接在基极电路中。

哈特利振荡器

在无线电接收机中经常使用的一种非常流行的 **本地振荡器** 电路是 **哈特利振荡器** 电路。哈特利振荡器的结构细节和工作原理如下所述。

结构

在下图所示的哈特利振荡器电路图中，电阻 R₁、R₂ 和 R_e 为电路提供必要的偏置条件。电容 C_e 提供交流地，从而提供任何信号退化。这也提供了温度稳定性。

电容 C_c 和 C_b 用于阻挡直流并提供交流路径。射频扼流圈 (R.F.C) 对高频电流提供非常高的阻抗，这意味着它对直流短路，对交流开路。因此，它为集电极提供直流负载，并将交流电流与直流电源隔离开。

谐振电路

频率确定网络是一个并联谐振电路，它由电感 L₁ 和 L₂ 以及一个可变电容 C 组成。L₁ 和 L₂ 的连接点接地。线圈 L₁ 的一端通过 C_c 连接到基极，另一端通过 C_e 连接到发射极。因此，L₂ 位于输出电路中。线圈 L₁ 和 L₂ 都是电感耦合的，共同构成一个 **自变压器**。

下图显示了哈特利振荡器的布置。该电路中谐振电路是 **并联馈电** 的。它也可以是 **串联馈电** 的。

工作原理

当施加集电极电源时，在振荡或谐振电路中产生瞬态电流。谐振电路中的振荡电流在 L₁ 上产生交流电压。

由 L₁ 和 L₂ 的电感耦合构成的 **自变压器** 有助于确定频率并建立反馈。由于 CE 组态晶体管提供 180^o 相移，变压器再提供 180^o 相移，使得输入和输出电压之间产生 360^o 相移。

这使得反馈为正，这对于振荡条件是必要的。当放大器的 **环路增益 |βA| 大于 1** 时，电路中会维持振荡。

频率

**哈特利振荡器频率** 的方程式为：

$$f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L_T C}}$$

$$L_T = L_1 + L_2 + 2M$$

这里，**L_T** 是总的累积耦合电感；**L₁** 和 **L₂** 表示第一和第二线圈的电感；**M** 表示互感。

考虑两个绕组时计算 **互感**。

优点

哈特利振荡器的优点是：

可以使用单个线圈作为自变压器，而不是使用大型变压器。
可以使用可变电容或可变电感来改变频率。
只需要较少的组件。
在固定的频率范围内，输出幅度保持恒定。

缺点

哈特利振荡器的缺点是：

它不能用作低频振荡器。
存在谐波失真。

应用

哈特利振荡器的应用：

它用于产生所需频率的正弦波。
主要用作无线电接收机中的本地振荡器。
它也用作射频振荡器。

科尔皮兹振荡器

科尔皮茨振荡器看起来与哈特利振荡器非常相似，只是谐振电路中的电感和电容互换了位置。科尔皮茨振荡器的结构细节和工作原理如下所述。

结构

让我们首先看一下科尔皮茨振荡器的电路图。

电阻器R₁、R₂和R_e为电路提供必要的偏置条件。电容C_e提供交流地，从而提供任何信号退化。这也提供了温度稳定性。

电容C_c和C_b用于阻挡直流并提供交流通路。射频扼流圈 (R.F.C) 对高频电流提供非常高的阻抗，这意味着它对直流短路，对交流开路。因此，它为集电极提供直流负载，并使交流电流远离直流电源。

谐振电路

频率确定网络是一个并联谐振电路，它由可变电容C₁和C₂以及电感L组成。C₁和C₂的连接点接地。电容C₁的一端通过C_c连接到基极，另一端通过C_e连接到发射极。C₁两端产生的电压提供了维持振荡所需的再生反馈。

工作原理

当施加集电极电源时，在振荡电路或谐振电路中产生暂态电流。谐振电路中的振荡电流在C₁两端产生交流电压，该电压施加到基极-发射极结，并在集电极电路中以放大形式出现，并向谐振电路提供能量以弥补损耗。

如果在任何时刻端子1相对于端子3处于正电位，则端子2将在该时刻相对于端子3处于负电位，因为端子3接地。因此，1号端子和2号端子相位相差180^o。

由于共射极配置的晶体管提供180^o的相移，因此输入和输出电压之间产生360^o的相移。因此，反馈的相位正确，可以产生连续的无阻尼振荡。当放大器的环路增益 |βA| 大于1时，电路中会维持振荡。

频率

科尔皮茨振荡器频率的方程如下所示

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

C_T是串联连接的C₁和C₂的总电容。

$$\frac{1}{C_T} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2}$$

$$C_T = \frac{C_1 \times C_2}{C_1 + C_2}$$

优点

科尔皮茨振荡器的优点如下：

科尔皮茨振荡器可以产生非常高频的正弦信号。
它可以承受高温和低温。
频率稳定性高。
可以使用两个可变电容来改变频率。
只需要较少的组件。
在固定的频率范围内，输出幅度保持恒定。

科尔皮茨振荡器旨在消除哈特利振荡器的缺点，并且已知没有特定的缺点。因此，科尔皮茨振荡器有很多应用。

应用

科尔皮茨振荡器的应用如下：

科尔皮茨振荡器可用作高频正弦波发生器。
这可以与一些相关的电路一起用作温度传感器。
主要用作无线电接收机中的本地振荡器。
它也用作射频振荡器。
它也用于移动应用。
它还有许多其他商业应用。

克拉普振荡器

另一种振荡器是科尔皮茨振荡器的改进版本——克拉普振荡器。该电路是通过对科尔皮茨振荡器进行一些修改而设计的。

该电路与科尔皮茨振荡器只有一个不同之处；它包含一个额外的电容 (C₃)，该电容与电感串联连接。电容 (C₃) 的加入提高了频率稳定性，并消除了晶体管参数和杂散电容的影响。

下图显示了晶体管克拉普振荡器的布置。

克拉普振荡器电路的工作方式与科尔皮茨振荡器相同。振荡器的频率由以下关系式给出：

$$f_o = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L.C}}$$

其中

$$C = \frac{1}{\frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \frac{1}{C_3}}$$

通常，C₃的值远小于C₁和C₂。因此，C大约等于C₃。因此，振荡频率为：

$$f_o = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L.C_3}}$$

可以理解的是，克拉普振荡器与科尔皮茨振荡器相似，但是它们在电感和电容的布置方式上有所不同。虽然频率稳定性良好，但在克拉普振荡器中可以变化。

有时，在构建可变频率振荡器时，克拉普振荡器比科尔皮茨振荡器更受欢迎。克拉普振荡器用作接收机调谐电路中的频率振荡器。

移相振荡器

振荡器的一个重要特征是施加的反馈能量应与谐振电路具有正确的相位。到目前为止讨论的振荡器电路在谐振电路或频率确定电路中采用了电感 (L) 和电容 (C) 组合。

我们观察到，振荡器中的LC组合提供180^o的相移，而共射极配置的晶体管提供180°的相移，总共产生360^o的相移，从而使相位差为零。

LC电路的缺点

虽然它们有一些应用，但LC电路有一些缺点，例如

频率不稳定
波形较差
不能用于低频
电感体积大且价格昂贵

我们还有另一种类型的振荡器电路，它们是用电阻代替电感制成的。这样做可以提高频率稳定性并获得高质量的波形。这些振荡器还可以产生较低的频率。此外，电路既不笨重也不昂贵。

LC振荡器电路的所有缺点在RC振荡器电路中都被消除。因此，需要RC振荡器电路。这些也称为移相振荡器。

移相振荡器的原理

我们知道，对于正弦波输入，RC电路的输出电压领先于输入电压。它领先的相位角由电路中使用的RC元件的值决定。下图显示了RC网络的一个单元。

电阻R两端的输出电压V₁’比施加的输入电压V₁领先某个相位角ɸ^o。如果R减小到零，V₁’将比V₁领先90^o，即ɸ^o = 90^o。

但是，将R调整为零是不可行的，因为它会导致R两端没有电压。因此，在实践中，R变化到使V₁’比V₁领先60^o的值。下图显示了RC网络的三个单元。

每个单元产生60^o的相移。因此，产生总共180^o的相移，即电压V₂比电压V₁领先180^o。

移相振荡器电路

使用移相网络产生正弦波的振荡器电路称为移相振荡器电路。移相振荡器电路的结构细节和工作原理如下所示。

结构

移相振荡器电路由单个晶体管放大器单元和RC移相网络组成。该电路中的移相网络由三个RC单元组成。在谐振频率f_o处，每个RC单元的相移为60^o，因此RC网络产生的总相移为180^o。

下图显示了RC移相振荡器的布置。

振荡频率由下式给出

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

其中

$$R_1 = R_2 = R_3 = R$$

$$C_1 = C_2 = C_3 = C$$

工作原理

电路接通时，以谐振频率f_o振荡。放大器的输出E_o反馈到RC反馈网络。该网络产生180^o的相移，其输出端出现电压E_i。该电压施加到晶体管放大器。

施加的反馈将为

$$m = E_i/E_o$$

反馈相位正确，而处于共射极配置的晶体管放大器产生180^o的相移。网络和晶体管产生的相移相加，形成围绕整个环路的360^o相移。

优点

RC移相振荡器的优点如下：

它不需要变压器或电感。
它可以用来产生非常低的频率。
该电路具有良好的频率稳定性。

缺点

RC移相振荡器的缺点如下：

由于反馈较小，因此难以启动振荡。
产生的输出较小。

维恩电桥振荡器

另一种流行的音频频率振荡器是维恩电桥振荡器电路。它主要因为其重要的特性而被广泛使用。该电路不受电路波动和环境温度的影响。

这种振荡器的主要优点是频率可以在10Hz到大约1MHz的范围内变化，而在RC振荡器中，频率是不变的。

结构

维恩电桥振荡器的电路结构可以解释如下。它是一个带有RC电桥电路的两级放大器。电桥电路的臂为R₁C₁、R₃、R₂C₂和钨丝灯L_p。电阻R₃和灯L_p用于稳定输出的幅度。

下图显示了维恩电桥振荡器的布置。

晶体管T₁用作振荡器和放大器，而另一个晶体管T₂用作反相器。反相器操作提供180^o的相移。该电路通过R₁C₁、C₂R₂向晶体管T₁提供正反馈，并通过分压器向晶体管T₂的输入提供负反馈。

振荡频率由电桥的串联元件R₁C₁和并联元件R₂C₂决定。

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

如果R₁ = R₂且C₁ = C₂ = C

那么，

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

现在，我们可以简化上述电路如下：

振荡器由两级RC耦合放大器和一个反馈网络组成。R和C并联组合的电压被馈送到放大器1的输入端。两个放大器的净相移为零。

通常将放大器2的输出连接到放大器1以提供振荡器的信号再生，这种方法在这里并不适用，因为放大器1会放大各种频率的信号，因此直接耦合会导致频率稳定性差。通过添加维恩电桥反馈网络，振荡器对特定频率变得敏感，从而实现频率稳定性。

工作原理

电路接通时，电桥电路产生上述频率的振荡。两个晶体管产生总共360^o的相移，以确保适当的正反馈。电路中的负反馈确保输出恒定。这是通过温度敏感的钨丝灯L_p实现的。其电阻随电流增加而增加。

如果输出幅度增加，则会产生更多电流，并实现更多负反馈。因此，输出将恢复到原始值。而如果输出趋于减小，则会发生反向作用。

优点

维恩电桥振荡器的优点如下：

该电路具有良好的频率稳定性。
它提供恒定的输出。
电路操作非常简单。
由于使用了两个晶体管，因此总增益很高。
振荡频率很容易改变。
通过用热敏电阻替换R₂，可以更精确地保持输出电压的幅度稳定性。

缺点

维恩电桥振荡器的缺点如下：

该电路无法产生非常高的频率。
电路构建需要两个晶体管和许多元件。

晶体振荡器

当振荡器持续工作时，其频率稳定性会受到影响。其频率会发生变化。影响振荡器频率的主要因素有：

电源变化
温度变化
负载或输出电阻变化

在RC和LC振荡器中，电阻、电容和电感的数值会随温度变化，因此频率也会受到影响。为了避免这个问题，振荡器中使用了压电晶体。

在并联谐振电路中使用压电晶体可以在振荡器中提供高频率稳定性。这种振荡器称为晶体振荡器。

晶体振荡器

晶体振荡器的原理取决于压电效应。晶体的自然形状是六边形的。当晶片垂直于X轴切割时，称为X切，当沿Y轴切割时，称为Y切。

晶体振荡器中使用的晶体表现出一种称为压电特性的特性。因此，让我们了解一下压电效应。

压电效应

晶体表现出这样的特性：当在晶体的一个面上施加机械应力时，会在晶体的相对面上产生电位差。反之，当在晶体的一个面上施加电位差时，会在其他面上产生机械应力。这被称为压电效应。

某些晶体材料，如罗谢尔盐、石英和电气石，都表现出压电效应，这些材料被称为压电晶体。石英是最常用的压电晶体，因为它价格低廉且在自然界中很容易获得。

当压电晶体受到适当的交流电势作用时，它会机械振动。当交流电压的频率等于晶体的固有频率时，机械振动的幅度达到最大值。

石英晶体的工作原理

为了使晶体在电子电路中工作，晶体以电容器的形式放置在两个金属板之间。石英是最常用的晶体类型，因为它价格低廉，并且具有良好的可用性和坚固性。交流电压并联施加到晶体上。

石英晶体的电路布置如下所示：

如果施加交流电压，晶体将以施加电压的频率开始振动。但是，如果施加电压的频率等于晶体的固有频率，则会发生共振，晶体振动达到最大值。这个固有频率几乎是恒定的。

晶体的等效电路

如果我们尝试用等效电路来表示晶体，我们必须考虑两种情况，即晶体振动和不振动的情况。下图分别表示晶体的符号和电等效电路。

上述等效电路由串联的R-L-C电路与电容C_m并联组成。当安装在交流电源两端的晶体不振动时，它相当于电容C_m。当晶体振动时，它就像一个调谐的R-L-C电路。

频率响应

晶体的频率响应如下图所示。该图显示了电抗（X_L或X_C）与频率（f）的关系。很明显，晶体有两个紧密间隔的谐振频率。

第一个是串联谐振频率（f_s），当电感的电抗（L）等于电容C的电抗时发生。在这种情况下，等效电路的阻抗等于电阻R，振荡频率由以下关系给出：

$$f = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C}}$$

第二个是并联谐振频率（f_p），当R-L-C支路的电抗等于电容C_m的电抗时发生。在这个频率下，晶体对外部电路提供非常高的阻抗，振荡频率由以下关系给出。

$$f_p = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C_T}}$$

其中

$$C_T = \frac{C C_m}{(C + C_m)}$$

C_m的值通常比C大得多。因此，C_T的值近似等于C，因此串联谐振频率近似等于并联谐振频率（即，f_s = f_p）。

晶体振荡器电路

晶体振荡器电路可以用多种方式构建，例如晶体控制的调谐集电极振荡器、科尔皮茨晶体振荡器、克拉普晶体振荡器等。但是晶体管皮尔斯晶体振荡器是最常用的。这就是通常称为晶体振荡器电路的电路。

下面的电路图显示了晶体管皮尔斯晶体振荡器的布置。

在这个电路中，晶体作为从集电极到基极的反馈路径中的串联元件连接。电阻R₁、R₂和R_E提供一个电压分压稳定的直流偏置电路。电容C_E提供发射极电阻的交流旁路，射频扼流圈(RFC)线圈提供直流偏置，同时将电源线上任何交流信号与输出信号隔离。耦合电容C在电路工作频率下的阻抗可以忽略不计。但它阻挡了集电极和基极之间的任何直流电。

电路的振荡频率由晶体的串联谐振频率决定，其值由以下关系给出：

$$f_o = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C}}$$

需要注意的是，电源电压、晶体管器件参数等的改变不会影响电路的工作频率，该频率由晶体保持稳定。

优点

晶体振荡器的优点如下：

它们具有高阶频率稳定性。
晶体的品质因数(Q)非常高。

缺点

晶体振荡器的缺点如下：

它们易碎，只能用于低功率电路。
振荡频率不能显著改变。

振荡器的频率稳定性

振荡器应在较长时间内保持其频率不变，以获得更平滑清晰的正弦波输出用于电路操作。因此，当涉及到振荡器时，无论是正弦波还是非正弦波，频率稳定性都非常重要。

振荡器的频率稳定性定义为振荡器在尽可能长的时段内保持所需频率恒定的能力。让我们尝试讨论影响这种频率稳定性的因素。

工作点的变化

我们已经了解了晶体管参数，并学习了工作点的重要性。用于电路放大（BJT或FET）的晶体管的工作点稳定性，更值得考虑。

所使用的有源器件的工作被调整到其特性的线性部分。由于温度变化，这个点会发生偏移，因此稳定性会受到影响。

温度变化

振荡器电路中的谐振电路包含各种频率确定元件，例如电阻器、电容器和电感器。它们的所有参数都与温度有关。由于温度变化，它们的值会受到影响。这会改变振荡器电路的频率。

由于电源

电源的变化也会影响频率。电源变化会导致V_cc的变化。这将影响产生的振荡频率。

为了避免这种情况，实施了稳压电源系统。简称为RPS。稳压电源的详细信息在电子电路教程的电源部分中有详细讨论。

输出负载的变化

输出电阻或输出负载的变化也会影响振荡器的频率。当连接负载时，谐振电路的有效电阻会发生变化。结果，LC调谐电路的Q因子发生变化。这导致振荡器的输出频率发生变化。

元件间电容的变化

元件间电容是在PN结材料（如二极管和晶体管）中产生的电容。这些电容是由于它们在工作过程中所带电荷而产生的。

元件间电容由于温度、电压等各种原因而发生变化。这个问题可以通过在有问题的元件间电容上连接旁路电容来解决。

Q值

振荡器中的Q值（品质因数）必须很高。谐振振荡器中的Q值决定了选择性。由于此Q值与谐振电路的频率稳定性成正比，因此应保持较高的Q值。

频率稳定性可以用数学公式表示为：

$$S_w = d\theta/dw$$

其中dθ是对于标称频率fr的小频率变化引入的相移。 (dθ/dw)值越大的电路，其振荡频率越稳定。

负阻振荡器

基于负阻特性工作的振荡器可以称为负阻振荡器。“**负阻**”是指两点间的电压增加导致电流减小的状态。某些非线性器件在特定条件下会表现出负阻特性。

负阻特性

让我们观察一下当电压施加到具有负阻特性的非线性器件时的情况。为了理解这一特性，让我们观察下面的图表，找出电压和电流的变化。

随着正向电压的增加，电流迅速增加，并持续增加直到一个峰值点，称为**峰值电流**，用**IP**表示。该点的电压称为**峰值电压**，用**VP**表示。该点在上述图表中用**A**表示。点**A**称为**峰值点**。

如果电压进一步超过**VP**，则电流开始下降。它下降到一个点，称为**谷值电流**，用**IV**表示。该点的电压称为**谷值电压**，用**VV**表示。该点在上述图表中用**B**表示。点**B**称为**谷值点**。

因此，点**A**和点**B**之间的区域表示**负阻区域**。一旦达到谷值点，如果电压进一步增加，则电流开始增加。这意味着负阻区域已经结束，器件按照欧姆定律正常工作。这个区域称为**正阻区域**，在图中用点**B**到点**C**表示。

一些振荡器在其工作过程中表现出负阻特性。单结晶体管振荡器是非正弦波振荡器（产生锯齿波形作为输出）的最佳示例，它表现出负阻特性，而隧道二极管振荡器是表现出负阻特性的正弦波振荡器的最佳示例。

在本教程的下一章中，我们将更详细地讨论隧道二极管振荡器。

隧道二极管振荡器

使用隧道二极管构建的振荡器电路称为隧道二极管振荡器。如果普通PN结的杂质浓度大幅增加，则会形成此**隧道二极管**。它也称为**埃萨基二极管**，以其发明者命名。

隧道二极管

当二极管中的杂质浓度增加时，耗尽区的宽度减小，对载流子施加额外的力以穿过结。当这种浓度进一步增加时，由于耗尽区宽度较小以及载流子的能量增加，它们会穿透势垒，而不是越过它。这种穿透可以理解为**隧道效应**，因此得名**隧道二极管**。

下图显示了实际隧道二极管的外观。

隧道二极管的符号如下所示。

有关隧道二极管的更多详细信息，请参考我们的基本电子学教程。

隧道二极管振荡器

隧道二极管有助于产生高达近10GHz的超高频信号。实际的隧道二极管电路可能包括一个开关S、一个电阻R和一个电源V，它们通过隧道二极管D连接到谐振电路。

工作原理

选择的电阻值应使隧道二极管偏置在负阻区域的中间位置。下图显示了实际的隧道二极管振荡器电路。

在这个电路中，电阻R1为二极管设置适当的偏置，电阻R2为谐振电路设置适当的电流水平。电阻Rp、电感L和电容C的并联组合形成一个谐振电路，该电路在选定频率下谐振。

当开关S闭合时，电路电流立即上升到恒定值，该值由电阻R和二极管电阻的值决定。然而，当隧道二极管两端的电压VD超过峰值电压Vp时，隧道二极管将被驱动到负阻区域。

在这个区域，电流开始下降，直到电压VD等于谷值电压Vv。此时，VD的进一步增加会将二极管驱动到正阻区域。结果，电路电流趋于增加。这种电路电流的增加将增加电阻R上的电压降，这将降低电压VD。

V-I特性曲线

下图显示了隧道二极管的V-I特性曲线：

曲线AB表示负阻区域，因为在电压增加时电阻减小。很明显，Q点设置在曲线AB的中间。在电路工作期间，Q点可以在点A和点B之间移动。点A称为**峰值点**，点B称为**谷值点**。

在工作过程中，达到点B后，电路电流的增加将增加电阻R上的电压降，这将降低电压VD。这使二极管回到负阻区域。

电压VD的下降等于电压VP，这完成了一个工作周期。这些周期的延续产生了连续的振荡，从而产生正弦波输出。

优点

隧道二极管振荡器的优点如下：

它具有高速开关速度。
它可以处理高频。

缺点

隧道二极管振荡器的缺点如下：

它们是低功率器件。
隧道二极管成本较高。

应用

隧道二极管振荡器的应用如下：

它用于弛豫振荡器。
它用于微波振荡器。
它也用作超高速开关器件。
它用作逻辑存储器件。

在介绍了所有主要的正弦波振荡器电路之后，需要注意的是，还有许多像现在提到的那些振荡器。产生正弦波形的振荡器是正弦波振荡器，如前所述。

产生非正弦波形（矩形波、锯齿波、三角波等）的振荡器是非正弦波振荡器，我们在我们的脉冲电路教程中对其进行了详细讨论。

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