正弦振荡器 - 快速指南

正弦振荡器 - 简介

振荡器在没有任何交流输入信号的情况下生成输出。电子振荡器是一种将直流电转换为高频交流电的电路。具有正反馈的放大器可以理解为振荡器。

放大器与振荡器

放大器增加所施加的输入信号的信号强度，而振荡器在没有输入信号的情况下生成信号，但其操作需要直流电。这是放大器和振荡器之间的主要区别。

看看下面的插图。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的交流能量。振荡器自行产生振荡交流信号。

放大器产生的交流电源的频率、波形和幅度由输入端施加的交流信号电压控制，而振荡器的频率、波形和幅度由电路本身的组件控制，这意味着不需要外部控制电压。

交流发电机与振荡器

交流发电机是一种无需任何输入即可产生正弦波的机械装置。该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。

以下几点强调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。
振荡器可以产生数 MHz 的更高频率，而交流发电机则不能。
交流发电机有旋转部件，而电子振荡器则没有。
改变振荡器的振荡频率比改变交流发电机的振荡频率容易。

振荡器也可以被认为与将交流电转换为直流电的整流器相反，因为它们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有关整流器的详细说明。

振荡器的分类

电子振荡器主要分为以下两类 -

正弦振荡器- 产生正弦波形输出的振荡器称为正弦或谐波振荡器。此类振荡器可以提供 20 Hz 至 1 GHz 频率范围的输出。
非正弦振荡器- 产生方形、矩形或锯齿波形输出的振荡器称为非正弦或张弛振荡器。此类振荡器可以提供 0 Hz 至 20 MHz 频率范围的输出。

在本教程中我们将仅讨论正弦振荡器。您可以从我们的脉冲电路教程中了解非正弦振荡器的功能。

正弦振荡器

正弦振荡器可分为以下几类 -

调谐电路振荡器- 这些振荡器使用由电感器 (L) 和电容器 (C) 组成的调谐电路，用于生成高频信号。因此它们也被称为射频 RF 振荡器。此类振荡器有 Hartley、Colpitts、Clapp 振荡器等。
RC 振荡器- 振荡器使用电阻器和电容器，用于生成低频或音频信号。因此它们也被称为音频 (AF) 振荡器。此类振荡器是相移振荡器和温桥振荡器。
晶体振荡器- 这些振荡器使用石英晶体，用于生成频率高达 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示例。
负阻振荡器- 这些振荡器利用隧道器件等器件的负阻特性。调谐二极管振荡器是负阻振荡器的一个示例。

正弦振荡的性质

正弦波振荡的性质通常有两种类型。它们是阻尼和无阻尼振荡。

阻尼振荡

振幅随时间不断减小的电振荡称为阻尼振荡。阻尼振荡的频率可以根据电路参数保持恒定。

阻尼振荡通常由振荡电路产生，该振荡电路会产生功率损耗，并且在需要时不会进行补偿。

无阻尼振荡

振幅随时间保持恒定的电振荡称为无阻尼振荡。无阻尼振荡的频率保持恒定。

无阻尼振荡通常由振荡电路产生，该振荡电路不产生功率损耗，并且如果发生任何功率损耗则遵循补偿技术。

正弦振荡器 - 基本概念

具有正反馈的放大器产生与输入同相的输出，并增加信号的强度。正反馈也称为退化反馈或直接反馈。这种反馈构成了反馈放大器，即振荡器。

正反馈的使用导致反馈放大器的闭环增益大于开环增益。它会导致不稳定并作为振荡电路运行。振荡电路提供任何所需频率的不断变化的放大输出信号。

振荡电路

振荡电路产生所需频率的电振荡。它们也称为储能电路。

简单的储能电路由电感器 L 和电容器 C 组成，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。该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。电容器保留一些静电能量，并且电容器两端有电压。

当开关S闭合时，电容器放电，电流流过电感。由于感应效应，电流缓慢增加至最大值。一旦电容器完全放电，线圈周围的磁场就达到最大。

现在，让我们进入下一阶段。一旦电容器完全放电，磁场就会开始崩溃，并根据楞次定律产生反电动势。现在，电容器上极板带正电荷，下极板带负电荷。

一旦电容器充满电，它就会开始放电，在线圈周围形成磁场，如下电路图所示。

这种充电和放电的持续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连续振荡。

在没有损耗的理想电路中，振荡将无限期地持续下去。在实际的储能电路中，会产生诸如线圈中的电阻损耗和辐射损耗以及电容器中的介电损耗等损耗。这些损耗导致阻尼振荡。

振荡频率

储能电路产生的振荡频率由储能电路的组件L和C决定。振荡的实际频率是储能电路的谐振频率（或固有频率），由下式给出

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

电容器的容量

振荡频率fo_与电容器电容的平方根成反比。因此，如果所使用的电容器的值较大，则充电和放电时间也会较长。因此频率会较低。

从数学上来说，频率，

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

线圈的自感

振荡频率fo_与线圈自感的平方根成正比。如果电感值较大，则对电流变化的阻力较大，因此完成每个周期所需的时间会较长，这意味着时间周期较长，频率较低。

从数学上来说，频率，

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

结合以上两个方程，

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

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

上式虽然表示输出频率，但与储能电路的固有频率或谐振频率相匹配。

振荡器电路

振荡器电路是有助于产生振荡的电路所有部分的完整集合。正如之前所讨论的，这些振荡应该持续并且应该不受阻尼。让我们尝试分析一个实际的振荡器电路，以更好地了解振荡器电路的工作原理。

实用振荡器电路

实用的振荡器电路由储能电路、晶体管放大器和反馈电路组成。下面的电路图显示了实际振荡器的布置。

现在让我们讨论这个实用振荡器电路的各个部分。

储能电路- 储能电路由与电容器C并联的电感 L 组成。这两个元件的值决定了振荡电路的频率，因此称为频率确定电路。
晶体管放大器- 储能电路的输出连接到放大器电路，以便放大储能电路产生的振荡。因此，放大器增加了这些振荡的输出。
反馈电路- 反馈电路的功能是将部分输出能量以适当的相位传输到LC电路。该反馈在振荡器中为正反馈，而在放大器中为负反馈。

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。当工作时间较长时，振荡器频率可能会因增加或减少而偏离先前设定的值。

振荡器频率的变化可能是由于以下因素引起的 -

使用的有源器件（例如 BJT 或 FET）的工作点应位于放大器的线性区域内。它的偏差会影响振荡器的频率。
电路元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，则可以避免这种情况。
输出负载的变化可能会导致储能电路的 Q 因数发生变化，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的输出频率，从而影响频率稳定性。

巴克豪森准则

根据目前所掌握的知识，我们了解到实际的振荡器电路由储能电路、晶体管放大器电路和反馈电路组成。因此，现在让我们尝试温习反馈放大器的概念，以导出反馈放大器的增益。

反馈放大器原理

反馈放大器通常由两部分组成。它们是放大器和反馈电路。反馈电路通常由电阻组成。反馈放大器的概念可以通过下图来理解。

_{由上图可知，放大器的增益用A表示。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中提取电压V _f = β V _{o 。}

_{对于正反馈，从信号电压V s}中添加该电压，对于负反馈，从信号电压V s 中减去该电压。

因此，为了获得积极的反馈，

Vi = V _s + V _f₌ V _s + β V _o

_{β = V f} /V _o的量称为反馈比或反馈分数。

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

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

令 A _f为放大器的总增益（带反馈的增益）。_{这被定义为输出电压 V o}与施加的信号电压 V _s的比率，即

$$A_f = \frac{输出\:电压}{输入\:信号\:电压} = \frac{V_o}{V_s}$$

从上面两个方程我们可以看出，正反馈反馈放大器的增益方程为

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

其中Aβ是反馈因子或环路增益。

如果 Aβ = 1，则 A _f = ∞。这样增益就变成无穷大，即没有任何输入就有输出。换句话说，放大器充当振荡器。

条件 Aβ = 1 称为巴克豪森振荡准则。在振荡器的概念中，这是一个需要始终牢记的非常重要的因素。

调谐电路振荡器

调谐电路振荡器是借助调谐电路产生振荡的电路。调谐电路由电感 L 和电容器 C 组成。这些也称为LC 振荡器、谐振电路振荡器或储能电路振荡器。

调谐电路振荡器用于产生频率范围为 1 MHz 至 500 MHz 的输出，因此也称为RF 振荡器。BJT 或 FET 用作带有调谐电路振荡器的放大器。通过放大器和 LC 储能电路，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 振荡器分为以下类型。

调谐集电极或阿姆斯特朗振荡器- 它使用从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。
调谐基础振荡器- 它使用感应反馈。但LC电路位于基本电路中。
哈特利振荡器- 它使用感应反馈。
Colpitts 振荡器- 它使用电容反馈。
Clapp 振荡器- 它使用电容反馈。

我们现在将详细讨论所有上述 LC 振荡器。

调谐集电极振荡器

调谐集电极振荡器之所以被称为调谐集电极振荡器，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。

建造

电阻器R ₁、R ₂和R _E用于向晶体管提供直流偏置。电容器C _E和C 是旁路电容器。变压器的次级提供交流反馈电压，该电压出现在 R ₁和 R ₂的基极-发射极结上，由于旁路电容器 C，该电压处于交流接地。如果没有电容器，则在变压器的次级将通过 R ₂压降，而不是完全进入晶体管的输入。

由于CE配置的晶体管提供180 ^°相移，变压器提供另一个180 ^°相移，这使得输入和输出电压之间产生360 ^°相移。下面的电路图显示了调谐集电极电路的布置。

手术

一旦提供电源，集电极电流开始增加，并对电容器 C 充电。当电容器充满电时，通过电感L ₁放电。现在产生了振荡。这些振荡在次级绕组L ₂中感应出一些电压。次级绕组中感应的电压频率与储能电路的电压频率相同，其大小取决于次级绕组的匝数和两个绕组之间的耦合。

_{L 2}两端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，从而克服了储能电路中的损耗。_{L 2}的匝数以及L ₁和L ₂之间的耦合被调整，使得L ₂上的振荡被放大到刚好足以向储能电路提供损耗的水平。

调谐集电极振荡器广泛用作无线电接收器中的本地振荡器。

调谐基振荡器

调谐基极振荡器之所以被称为调谐基极振荡器，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。

建造

电阻器R ₁、R ₂和R _E用于向晶体管提供直流偏置。_{发射极电路中的R e}和C _e的并联组合是稳压电路。C _C是隔直电容。电容器C _E和C 是旁路电容器。RF变压器的初级线圈L和次级线圈L ₁向集电极和基极电路提供所需的反馈。

由于CE配置的晶体管提供180 ^°相移，变压器提供另一个180 ^°相移，这使得输入和输出电压之间产生360 ^°相移。下面的电路图显示了调谐基本振荡器电路的布置。

手术

当电路接通时，集电极电流开始上升。当集电极连接到线圈 L ₁时，该电流在其周围产生一些磁场。这会在调谐电路线圈 L 中感应出电压。反馈电压会导致发射极基极电压和基极电流增加。由此实现集电极电流的进一步增加，并且循环继续直至集电极电流变得饱和。同时，电容器充满电。

当集电极电流达到饱和水平时，L 中没有反馈电压。由于电容器已完全充电，它开始通过 L 放电。这会降低发射极基极偏置，因此 I B 和集电极电流也会_降低。当集电极电流达到截止时，电容器C以相反极性完全充电。当晶体管现在关闭时，电容器 C 开始通过 L 放电。这会增加发射极-基极偏置。结果，集电极电流增加。

只要提供足够的能量来满足 LC 电路的损耗，就会重复该循环。振荡频率等于LC电路的谐振频率。

退税

调谐基极振荡器电路的主要缺点是，由于与调谐电路并联的基极-发射极电阻较低，谐振电路会受到负载。这会降低其 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

哈特利振荡器电路是一种非常流行的本地振荡器电路，主要用于无线电接收器。哈特利振荡器的结构细节和操作如下所述。

建造

在下面所示的哈特利振荡器的电路图中，电阻器R ₁、R ₂和R _e为电路提供必要的偏置条件。电容器C _e提供交流接地，从而提供任何信号衰减。这也提供了温度稳定性。

电容器C _c和C _b用于阻挡直流并提供交流路径。射频扼流圈 (RFC) 对高频电流提供非常高的阻抗，这意味着它对于直流短路而对于交流开路，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

槽路

_{频率确定网络是由电感器L 1}和L ₂以及可变电容器C组成的并联谐振电路。L ₁和L ₂的连接点接地。线圈L _{1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，L ₂位于输出电路中。线圈L ₁和L ₂都是电感耦合的并且一起形成自耦变压器。

下面的电路图显示了哈特利振荡器的布置。该电路中的储能电路并联馈电。它也可以是串联馈电的。

手术

当给定集电极电源时，振荡电路或储能电路中会产生瞬态电流。储能电路中的振荡电流在 L ₁上产生交流电压。

_{L 1}和L ₂的电感耦合构成的自耦变压器有助于确定频率并建立反馈。由于CE配置的晶体管提供180 ^°相移，变压器提供另一个180 ^°相移，这使得输入和输出电压之间产生360 ^°相移。

这使得反馈为正，这对于振荡条件至关重要。当环路增益|βA| 放大器的值大于1，电路中会持续振荡。

频率

哈特利振荡器的频率方程如下

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

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

式中，L _T为总累积耦合电感；L ₁和L ₂表示第一^和第二^线圈的电感；M代表互感。

当考虑两个绕组时，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耦变压器，而不是使用大型变压器。
可以通过采用可变电容器或可变电感器来改变频率。
较少数量的组件就足够了。
输出幅度在固定频率范围内保持恒定。

缺点

哈特利振荡器的缺点是

它不可能是低频振荡器。
存在谐波失真。

应用领域

哈特利振荡器的应用有

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

考毕兹振荡器

科尔皮兹振荡器看起来就像哈特利振荡器，但电感器和电容器在储能电路中相互替换。考毕兹振荡器的结构细节和操作如下所述。

建造

我们首先看一下科尔皮兹振荡器的电路图。

电阻R ₁、R ₂和R _e为电路提供必要的偏置条件。电容器C _e提供交流接地，从而提供任何信号衰减。这也提供了温度稳定性。

电容器C _c和C _b用于阻挡直流并提供交流路径。射频扼流圈 (RFC) 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。

槽路

_{频率确定网络是由可变电容器C 1}和C ₂以及电感器L组成的并联谐振电路。C ₁和C ₂的连接点接地。电容器C _{1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。_{C 1}两端产生的电压提供持续振荡所需的再生反馈。

手术

当给定集电极电源时，振荡电路或储能电路中会产生瞬态电流。储能电路中的振荡电流在C ₁两端产生交流电压，该电压被施加到基极发射极结并以放大形式出现在集电极电路中以及储能电路的电源损耗。

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 相对于 3 在该时刻将处于负电位，因为端子 3 接地。因此，点 1 和点 2 异相 180 ^o。

由于 CE 配置的晶体管提供 180 ^°相移，因此它在输入和输出电压之间产生 360 ^°相移。因此，反馈被适当定相以产生连续的无阻尼振荡。当环路增益|βA| 放大器的值大于一，电路中会持续振荡。

频率

科尔皮兹振荡器的频率方程如下

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

C _T是C₁和C ₂串联的总电容。

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

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

优点

科尔皮兹振荡器的优点如下 -

考毕兹振荡器可以产生非常高频率的正弦信号。
它可以承受高温和低温。
频率稳定性高。
可以通过使用两个可变电容器来改变频率。
较少数量的组件就足够了。
输出幅度在固定频率范围内保持恒定。

科尔皮兹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，考毕兹振荡器有许多应用。

应用领域

科尔皮兹振荡器的应用如下 -

考毕兹振荡器可用作高频正弦波发生器。
这可以用作带有一些相关电路的温度传感器。
主要用作无线电接收器中的本地振荡器。
它也用作射频振荡器。
它也用于移动应用程序。
它还有许多其他商业应用。

克拉普振荡器

另一种振荡器是 Colpitts 振荡器的高级版本，是Clapp 振荡器。该电路是通过对科尔皮兹振荡器进行一些更改而设计的。

该电路仅在一方面与考毕兹振荡器不同；它包含一个与电感器串联的附加电容器 (C _{3 )。}电容器(C ₃ )的添加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。

下面的电路图显示了晶体管克拉普振荡器的布置。

Clapp振荡器电路的工作方式与Colpitts振荡器的工作方式相同。振荡器的频率由以下关系给出：

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

在哪里

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

通常， C ₃的值远小于C ₁和C ₂。结果，C约等于C ₃。因此，振荡频率，

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

据了解，克拉普振荡器与科尔皮兹振荡器类似，但它们的不同之处在于电感和电容的排列方式。尽管克拉普振荡器的频率稳定性良好，但频率稳定性可能是可变的。

在构建可变频率振荡器时，克拉普振荡器有时比科尔皮兹振荡器更受青睐。Clapp 振荡器在接收器调谐电路中用作频率振荡器。

相移振荡器

振荡器的重要特征之一是施加的反馈能量对于储能电路应该处于正确的相位。到目前为止讨论的振荡器电路在储能电路或频率确定电路中采用了电感器 (L) 和电容器 (C) 组合。

我们观察到，振荡器中的 LC 组合提供 180 ^°相移，CE 配置中的晶体管提供 180° 相移，总共产生 360 ^°相移，从而实现零相位差。

LC电路的缺点

尽管应用很少，但LC电路也有一些缺点，例如

频率不稳定
波形较差
不能用于低频
电感器体积大且价格昂贵

我们还有另一种类型的振荡器电路，它是用电阻代替电感器制成的。通过这样做，可以提高频率稳定性并获得良好质量的波形。这些振荡器还可以产生较低的频率。此外，该电路既不会变得笨重，也不会变得昂贵。

因此， RC振荡器电路消除了LC振荡器电路的所有缺点。因此就需要 RC 振荡器电路。这些也称为相移振荡器。

相移振荡器的原理

我们知道，正弦波输入的 RC 电路的输出电压超前于输入电压。它超前的相位角由电路中使用的 RC 元件的值决定。以下电路图显示了 RC 网络的单个部分。

电阻器R两端的输出电压V ₁ '超前施加于输入端的输入电压V ₁某个相位角ɸ ^o。如果R减小到零，V ₁ '将领先V ₁ 90 ^o即，ɸ ^o = 90 ^o。

然而，将R调整为零是不切实际的，因为这会导致R两端没有电压。因此，实际上，将R改变到使V ₁ '超前V ₁ 60 ^°的值。下面的电路图显示了 RC 网络的三个部分。

^{每个部分产生 60 o}的相移。因此，产生180 ^°的总相移，即电压V ₂超前于电压V ₁ 180 ^°。

相移振荡器电路

利用相移网络产生正弦波的振荡器电路称为相移振荡器电路。相移振荡器电路的结构细节和操作如下所示。

建造

相移振荡器电路由单个晶体管放大器部分和RC相移网络组成。该电路中的相移网络由三个 RC 部分组成。在谐振频率fo 处_，每个RC 部分的相移为60 ^°，因此RC 网络产生的总相移为180 ^°。

下面的电路图显示了 RC 相移振荡器的布置。

振荡频率由下式给出

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

在哪里

$$R_1 = R_2 = R_3 = R$$

$$C_1 = C_2 = C_3 = C$$

手术

电路接通时以谐振频率 f _o振荡。放大器的输出E _{o反馈至RC反馈网络。}^{该网络产生 180 o}的相移，并且在其输出处出现电压 E _{i 。}该电压施加到晶体管放大器。

应用的反馈将是

$$m = E_i/E_o$$

反馈相位正确，而采用 CE 配置的晶体管放大器会产生 180 ^°相移。网络和晶体管产生的相移相加，在整个环路周围形成 360 ^°的相移。

优点

RC 相移振荡器的优点如下 -

它不需要变压器或电感器。
它可用于产生非常低的频率。
该电路具有良好的频率稳定性。

缺点

RC 相移振荡器的缺点如下 -

由于反馈很小，开始振荡很困难。
产生的产量很小。

文氏桥振荡器

另一种流行的音频振荡器是文氏桥振荡器电路。由于其重要的特性，它被广泛使用。该电路不受电路波动和环境温度的影响。

该振荡器的主要优点是频率可以在 10Hz 到约 1MHz 的范围内变化，而 RC 振荡器的频率不变。

建造

文氏桥振荡器的电路结构可以解释如下。它是一个带有RC桥电路的两级放大器。桥式电路具有臂R ₁ C ₁、R ₃、R ₂ C ₂和钨丝灯L _p。电阻R ₃和灯L _p用于稳定输出的幅度。

下面的电路图显示了文氏桥振荡器的布置。

晶体管T ₁用作振荡器和放大器，而另一个晶体管T ₂用作反相器。^{逆变器操作提供 180 o}的相移。_{该电路通过R 1} C ₁、C ₂ R ₂向晶体管T ₁提供正反馈，并通过分压器向晶体管T ₂的输入提供负反馈。

振荡频率由电桥的串联元件R ₁ C ₁和并联元件R ₂ C _2确定。

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

如果 R ₁ = R ₂且 C ₁ = C ₂ = C

然后，

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

现在，我们可以将上述电路简化如下 -

该振荡器由两级RC耦合放大器和反馈网络组成。R 和 C 并联组合两端的电压被馈送到放大器 1 的输入。通过两个放大器的净相移为零。

将放大器2的输出连接到放大器1以为振荡器提供信号再生的通常想法在这里不适用，因为放大器1将在很宽的频率范围内放大信号，因此直接耦合将导致较差的频率稳定性。通过添加文氏电桥反馈网络，振荡器对特定频率变得敏感，从而实现频率稳定性。

手术

当电路接通时，电桥电路产生上述频率的振荡。^{两个晶体管产生 360 °}的总相移，从而确保正确的正反馈。电路中的负反馈保证了输出的恒定。这是通过温度敏感钨灯 L _p实现的。其电阻随着电流的增加而增加。

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，输出将返回到原始值。然而，如果产量趋于减少，则会发生相反的作用。

优点

文氏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。
电路的操作相当简单。
由于有两个晶体管，总体增益很高。
振荡频率可以轻松改变。
通过用热敏电阻代替R ₂，可以更准确地保持输出电压的幅度稳定性。

缺点

文氏电桥振荡器的缺点如下 -

该电路不能产生非常高的频率。
电路构造需要两个晶体管和许多元件。

晶体振荡器

当振荡器连续工作时，其频率稳定性就会受到影响。其频率发生变化。影响振荡器频率的主要因素是

电源变化
温度变化
负载或输出电阻的变化

在 RC 和 LC 振荡器中，电阻、电容和电感的值随温度变化，因此频率会受到影响。为了避免这个问题，压电晶体被用于振荡器。

在并联谐振电路中使用压电晶体可以提高振荡器的频率稳定性。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角形。当晶体片垂直于X轴切割时，称为X切割；当沿Y轴切割时，称为Y切割。

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。那么，让我们对压电效应有一个了解。

压电效应

该晶体具有这样的特性：当在晶体的一个面上施加机械应力时，在晶体的相对面上会产生电势差。相反，当在其中一个面上施加电势差时，会沿着其他面产生机械应力。这称为压电效应。

某些晶体材料如罗谢尔盐、石英和电气石等表现出压电效应，此类材料被称为压电晶体。石英是最常用的压电晶体，因为它价格便宜并且在自然界中容易获得。

当压电晶体受到适当的交变电势时，它会发生机械振动。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。

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，因为它的可用性和坚固性同时价格低廉。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，晶体开始以所施加电压的频率振动。然而，如果施加电压的频率等于晶体的固有频率，则发生共振并且晶体振动达到最大值。该固有频率几乎是恒定的。

晶体的等效电路

如果我们试图用等效电路来表示晶体，我们必须考虑两种情况，即晶体何时振动和不振动。下图分别表示晶体的符号和等效电路。

上述等效电路由串联RLC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，它的作用就像一个调谐的 RLC 电路。

频率响应

晶体的频率响应如下所示。该图显示了电抗（XL_或X _C）与频率 (f) 的关系。很明显，晶体具有两个间隔很近的谐振频率。

第一个是串联谐振频率 (f _s )，当电感 (L) 的电抗等于电容 C 的电抗时，就会出现串联谐振频率。在这种情况下，等效电路的阻抗等于电阻 R，并且振荡频率由以下关系给出，

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

第二个是并联谐振频率（f _p），当 RLC 支路的电抗等于电容器 C _m的电抗时发生。在此频率下，晶体向外部电路提供非常高的阻抗，振荡频率由以下关系式给出。

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

在哪里

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

与C相比， C _m的值通常非常大。因此，C _T的值近似等于C，并且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通过多种方式构建，例如晶体控制调谐集电极振荡器、Colpitts晶体振荡器、Clap晶体振荡器等。但晶体管皮尔斯晶体振荡器是最常用的一种。这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。

在此电路中，晶体作为串联元件连接在从集电极到基极的反馈路径中。电阻器R ₁、R ₂和R _E提供分压器稳定的直流偏置电路。电容器C _E提供发射极电阻器的交流旁路，RFC（射频扼流圈）线圈提供直流偏置，同时将电源线上的任何交流信号去耦，以免影响输出信号。耦合电容C在电路工作频率下的阻抗可以忽略不计。但它会阻止集电极和基极之间的任何直流电。

电路振荡频率由晶体的串联谐振频率决定，其值由下式给出：

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

值得注意的是，电源电压、晶体管器件参数等的变化对电路工作频率没有影响，电路工作频率由晶体保持稳定。

优点

晶体振荡器的优点如下 -

它们具有很高的频率稳定性。
晶体的品质因数 (Q) 非常高。

缺点

晶体振荡器的缺点如下 -

它们很脆弱，可用于低功率电路。
振荡频率不能明显改变。

振荡器的频率稳定性

振荡器需要在较长时间内保持其频率而不发生任何变化，以便为电路操作提供更平滑、清晰的正弦波输出。因此，对于振荡器（无论是正弦还是非正弦）而言，频率稳定性这一术语确实非常重要。

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

工作点变化

我们已经了解了晶体管参数并了解了工作点的重要性。对于放大电路中使用的晶体管（BJT 或 FET），该工作点的稳定性需要更高的考虑。

所使用的有源器件的操作被调整到其特性的线性部分。该点由于温度变化而移动，因此稳定性受到影响。

温度变化

振荡电路中的储能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相关。由于温度的变化，它们的值会受到影响。这带来了振荡电路频率的变化。

由于电源

供电功率的变化也会影响频率。电源的变化导致V _cc的变化。这将影响产生的振荡的频率。

为了避免这种情况，采用了稳压电源系统。这简称为 RPS。稳压电源的细节已在电子电路教程的电源部分进行了清楚的讨论。

输出负载变化

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，储能电路的有效电阻发生变化。结果，LC调谐电路的Q因数发生改变。这导致振荡器的输出频率发生变化。

元件间电容的变化

元件间电容是在二极管和晶体管等 PN 结材料中产生的电容。这些是由于它们在运行过程中存在电荷而产生的。

由于温度、电压等各种原因，元件间电容器会发生变化。这个问题可以通过在有问题的元件间电容器上连接沼泽电容器来解决。

Q值

振荡器中的 Q（品质因数）值必须很高。调谐振荡器中的 Q 值决定了选择性。由于该 Q 值与调谐电路的频率稳定性成正比，因此 Q 值应保持较高。

频率稳定性可以在数学上表示为：

$$S_w = d\theta/dw$$

_{其中 dθ 是标称频率 f r}发生微小频率变化时引入的相移。(dθ/dw)值越大，电路的振荡频率越稳定。

负阻振荡器

以负阻特性工作的振荡器可称为负阻振荡器。术语负电阻是指两点间电压增加导致电流减少的情况。一些非线性器件在一定条件下表现出负阻特性。

负阻特性

让我们观察将电压施加到表现出负电阻特性的非线性器件时的Behave。为了理解这个特性，让我们观察下图来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，直至达到峰值点，称为峰值电流，用I _P表示。此时的电压称为峰值电压，用V _P表示。这一点在上图中用A表示。A点称为峰值点。

如果电压进一步增加超过V _P，则电流开始减少。它减少直到一个点，称为谷电流，用I _V表示。此时的电压称为谷电压，记为V _V。这一点在上图中用B表示。B点称为山谷点。

因此A点和B点之间的区域表示负电阻区域。一旦达到谷点并且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结束，器件按照欧姆定律正常运行。该区域称为正阻区域，在图中用B点到C点表示。

很少有振荡器在运行期间表现出负电阻特性。单结振荡器是表现出负电阻特性的非正弦振荡器（产生扫描波形作为输出）的最佳示例，而隧道二极管振荡器是表现出负电阻特性的正弦振荡器的最佳示例。

在本教程的下一章中，我们将详细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结的杂质浓度大大增加，就会形成这种隧道二极管。它也被称为Esaki 二极管，以其发明者的名字命名。

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，从而向电荷载流子提供一些额外的力以穿过结。当该浓度进一步增加时，由于耗尽区宽度变小以及载流子能量增加，它们会穿透势垒，而不是爬过势垒。这种穿透可以理解为隧道效应，因此得名隧道二极管。

下图显示了实用的隧道二极管的外观。

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，请参阅我们的基础电子教程。

隧道二极管振荡器

隧道二极管有助于生成近 10GHz 的甚高频信号。实际的隧道二极管电路可以由开关S、电阻器R和电源V组成，通过隧道二极管D连接到储能电路。

在职的

所选电阻器的值应使其在负阻区域的中间偏置隧道二极管。下图所示为实用的隧道二极管振荡电路。

在该电路中，电阻器R ₁为二极管设置适当的偏置，电阻器R ₂为储能电路设置适当的电流水平。_{电阻器R 、}电感器L和电容器C的并联组合形成储能电路，在选定的频率下谐振。

当开关S闭合时，电路电流立即上升至恒定值，该恒定值由电阻器R的值和二极管的电阻决定。然而，当隧道二极管两端的电压降V _D超过峰值点电压V _p时，隧道二极管被驱动至负阻区域。

在此区域中，电流开始减小，直到电压V _D等于谷点电压V _v。此时，电压V _D的进一步增加将二极管驱动至正阻区域。结果，电路电流趋于增加。电路的增加将增加电阻器 R 两端的压降，从而降低电压 V _D。

VI特性曲线

下图显示了隧道二极管的 VI 特性 -

曲线AB表示随着电压增加而电阻减小的负电阻区域。很明显，Q点设置在曲线AB的中间。电路工作时Q点可以在A点和B点之间移动。A点称为峰点，B点称为谷点。

工作过程中，到达B点后，电路电流增加，电阻R两端的压降增大，电压V _D降低。这使二极管回到负阻区域。

_{电压V D}的降低等于电压V _P，这完成了一个操作周期。这些循环的持续产生连续振荡，从而产生正弦输出。

优点

隧道二极管振荡器的优点如下 -

它具有高开关速度。
它可以处理高频。

缺点

隧道二极管振荡器的缺点如下 -

它们是低功耗设备。
隧道二极管有点贵。

应用领域

隧道二极管振荡器的应用如下 -

它用于张弛振荡器。
它用于微波振荡器。
它也用作超高速开关器件。
它用作逻辑存储器存储设备。

在介绍了所有主要的正弦振荡器电路之后，需要注意的是，还有许多类似到目前为止提到的振荡器。如所讨论的，产生正弦波形的振荡器是正弦振荡器。

产生非正弦波形（矩形、扫描、三角形等）的振荡器是我们在脉冲电路教程中详细讨论的非正弦振荡器。