半导体器件 - 振荡器

振荡器是一种产生正弦振荡的电子电路，称为正弦振荡器。它将来自直流源的输入能量转换为具有特定频率和已知幅度的周期性波形的交流输出能量。振荡器的特点是它保持其交流输出。

下图显示了即使没有外部施加的输入信号也具有反馈信号的放大器。正弦振荡器本质上是反馈放大器的一种形式，其中对电压增益A _v和反馈网络β有特殊要求。

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，输入电压不能为零。因此，要使 Vi_存在，方程 (2) 要求

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

方程（3）被称为“巴克豪森准则”，它规定了振荡的两个基本要求 -

如果满足这两个条件，上图的反馈放大器将始终产生正弦输出波形。

现在让我们详细讨论一些典型的振荡器电路。

相移振荡器

继承反馈电路基本进步的振荡器电路是相移振荡器。下图显示了相移振荡器。振荡的要求是环路增益（βA）应大于1，输入和输出之间的相移应为360 ^°。

反馈从 RC 网络的输出提供回放大器输入。运算放大器放大器级提供初始 180 度相移，RC 网络引入额外的相移量。在特定频率下，网络引入的相移恰好是 180 度，因此环路将是 360 度，并且反馈电压与输入电压同相。

反馈网络中 RC 级的最小数量为三级，因为每个部分提供 60 度的相移。RC 振荡器非常适合从几个周期到大约 100 KHz 的音频范围。在较高频率下，网络阻抗变得如此之低，以至于可能会对放大器造成严重负载，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，并且容易获得所需的大电阻和电容值。使用基本网络分析，频率振荡可以表示为

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

实用的振荡器电路使用运算放大器和 RC 桥式电路，振荡器频率由R和C元件设置。下图显示了文氏桥振荡器电路的基本版本。

注意基本的桥接。电阻器R ₁和R ₂以及电容器C ₁和C ₂形成频率调节元件，而电阻器R ₃和R ₄形成反馈路径的一部分。

在此应用中，电桥的输入电压 (V _i ) 是放大器输出电压，电桥的输出电压 (V _{o ) 反馈到放大器输入。}忽略运算放大器输入和输出阻抗的负载影响，对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 R ₁ = R ₂ = R 且 C ₁ = C ₂ = C，则所得振荡器频率为

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

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。_{共发射极连接的双极结型晶体管是电压放大器，并由由R 1}、R ₂、R _E组成的通用偏置电路偏置。发射极旁路电容器 (C _E ) 增加了该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，防止射频能量进入电源。谐振电路由L ₁、L _{2和C 组成。振荡频率由L}₁、L ₂和C的值确定，并且由LC 谐振电路的谐振频率下的振荡确定。该谐振频率表示为

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

输出信号可以通过电容耦合从集电极获取，前提是负载较大且不影响振荡频率。

许多天然晶体物质都具有压电特性，其中最重要的是石英、罗谢尔盐和电气石。当在这些材料上施加正弦电压时，它们会以所施加的电压频率振动。

另一方面，当这些材料被压缩并置于机械应变下振动时，它们会产生等效的正弦电压。因此，这些材料被称为压电晶体。石英是最流行的压电晶体。

晶振电路图如下图所示。

这里的晶体充当调谐电路。晶体的等效电路如下所示。

晶体振荡器有两个谐振频率：串联谐振频率和并联谐振频率。

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

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

由于 C/Cm 非常小，因此两个谐振频率几乎相同。上图中，晶体连接在并联谐振模式下工作。

电阻器R ₁、R ₂、R _E和晶体管一起构成放大器电路。电阻器R ₁和R ₂提供电压稳定的DC偏置。电容器 (C _E ) 提供发射极电阻 (R _E ) 的交流旁路，RFC 为振荡器生成的频率提供高阻抗，因此它们不会进入电源线。

_{晶体与电容器C 1}和C ₂并联，并且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。