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。它将直流电源的输入能量转换为周期性波形的交流输出能量，频率和振幅都为特定值。振荡器的特点是它能保持交流输出。

下图显示了一个即使在没有外部输入信号的情况下也具有反馈信号的放大器。正弦振荡器本质上是一种反馈放大器，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 V_i 存在，公式 (2) 要求

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

公式 (3) 被称为 "巴克豪森准则"，它规定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 1，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，上图的反馈放大器将产生正弦输出波形始终如一。

现在让我们详细讨论一些典型的振荡器电路。

相移振荡器

遵循反馈电路基本过程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^o。

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 度移位，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，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，网络阻抗变得如此之低，以至于可能严重加载放大器，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。使用基本网络分析，频率振荡可以表示为

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

维恩电桥振荡器

实际振荡器电路使用运算放大器和 RC 电桥电路，振荡器频率由 R 和 C 元件设置。下图显示了维恩电桥振荡器电路的基本版本。

注意基本桥接。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。

在此应用中，桥的输入电压 (V_i) 是放大器输出电压，而桥的输出电压 (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效应，对桥式电路的分析结果为

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

且

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

如果 R₁ = R₂ = R 且 C₁ = C₂ = C，则得到的振荡器频率为

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

哈特利振荡器

下图显示了哈特利振荡器。它是最常见的 RF 电路之一。它通常用作通信广播接收器中的本地振荡器。共发射极连接中的双极结晶体管是电压放大器，由 R₁、R₂、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 RF 频率下充当开路，并阻止 RF 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 谐振电路谐振频率下的振荡决定。此谐振频率表示为

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

输出信号可以通过电容耦合从集电极获取，前提是负载很大并且振荡频率不受影响。

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。石英是最受欢迎的压电晶体。

晶体振荡器

晶体振荡器的电路图如下图所示。

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。

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，因此两个谐振频率几乎相同。在上图中，晶体连接成并联谐振模式。

电阻 R₁、R₂、R_E 和晶体管一起构成放大器电路。电阻 R₁ 和 R₂ 提供电压稳定的直流偏置。电容器 (C_E) 为发射极电阻 (R_E) 提供交流旁路，RFC 为振荡器产生的频率提供高阻抗，这样它们就不会进入电源线。

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上。