LC正弦波振荡器-结构与工作原理

LC正弦波振荡器按其反馈网络与输出信号之间的耦合方式又可以分为变压器耦合振荡器、电感耦合振荡器、电容耦合振荡器共三种。

1.变压器耦合（互感耦合）式LC正弦波振荡器

（1）电路构成。所谓变压器耦合就是指反馈信号是利用变压器耦合得到的，如图3-29b所示。反馈信号是利用变压器的一次绕组W₁和二次绕组W₃之间的耦合得到的，所以该电路就是属于这种类型。

（2）判断电路是否满足振荡的相位条件。判断相位条件的方法原则上可以用计算法，计算电路是否满足ϕ_A+ϕ_F=2nπ（n=0，1，2，……）。在实际应用中，用瞬时极性判断法比较方便。

瞬时极性判断法：在放大器的输入端断开反馈信号，在断开点加一个信号电压（一般假设其极性为+），利用瞬时极性法判断该信号经过放大器的反馈网络后回到断开点时的极性，即反馈电压与信号电压的相位关系，如果对某一频率两电压同相，则为正反馈，满足振荡的相位条件。

在图3-30b所示电路中断开a点并加入信号，设其极性为“+”；因放大器是共发射极的，输出和输入相位相反，所以晶体管集电极信号为“-”；W₁带“·”端为“+”；因变压器同名端信号极性相同，W₃带“·”端为“+”；所以反馈信号与输入信号同相，满足振荡的相位条件。从判断过程可以看出，这个电路中变压器的同名端非常重要，如果同名端接反，则不能满足振荡的相位条件。

（3）判断电路是否满足振荡的振幅条件。即判断放大电路是否满足AF≥1。当然如果能通过计算或测量来得出AF的具体值，就可以判断是否满足条件，但大多数情况下这样太麻烦，而且没有必要，所以介绍一种粗略的判断方法。

一般来说F<1，为使AF≥1，A就不能太小。放大倍数是否满足要求，就要看静态工作点是否合适，如果静态工作点不合适，就会使A过小，甚至不能放大，电路就不易满足振荡的条件，严重时不能起振。所以设置静态工作点时应使基本放大器工作在线性区。当A足够大时，AF≥1这个条件是比较容易满足的。

（4）振荡频率。振荡器的振荡频率就是选频网络的固有频率，对于采用并联谐振网络选频的振荡电路，振荡频率可用下式近似计算，即

式中，f₀为谐振频率，单位为Hz；L为谐振回路的总电感量，单位为H；C为谐振回路的总电容量，单位为F。

（5）电路特点及适用范围。这种振荡器的特点是：频率可调，而且调节范围比较宽。但其输出波形不是很理想，频率稳定性不高。所以这种电路一般用于产生几千赫到几十千赫的正弦波信号。收音机中的本振信号可以用这种电路。

【例3-4】某振荡器的电路如图3-31所示，绕组W₂的电感量为1mH，分析电路中振荡器的各组成部分，判断电路是否满足振荡的相位平衡条件，并求出振荡频率的可调范围。

【解】由图可知，反馈网络从晶体管的集电极取信号，送回发射极，而且基极通过C₁交流接地，所以这个振荡器的放大电路部分是共基极放大器。电阻R₁、R₂、R₃组成分压式电流负反馈偏置电路，C₁是基极旁路电容，C₂是耦合电容。W₁是晶体管的集电极交流负载。W₂、C₃、C₄组成LC谐振回路充当反馈和选频网络，反馈电压取自W₂的1、2两点之间。

图3-31 例3-4电路

相位条件的判断。由于共基极放大器的输入端在发射极，所以在图中a点断开电路，输入正极性信号，因共基本极放大器的输入和输出信号相位相同，故晶体管集电极的信号极性也为正。W₂的4端为“+”，5端为“-”。根据同名端的关系，W₂的1端为“-”，2端为“+”，满足正反馈的相位条件。

反馈电感L=W₂的电感量=1mH，反馈电容C为C₃和C₄的串联值。

当C₃=10pF时

当C₃=270pF时

由以上计算可知，当可变电容从10～270pF连续可调时，振荡频率从1.6～0.4MHz连续可调，这种方法实际上也是变压器耦合的正弦波振荡器调整振荡频率所使用的方法。

对于电路的振荡频率，可用频率计检测，也可用示波器检测估算。

2.电感耦合（电感三点式）振荡器

（1）电路构成。图3-32a是电感耦合振荡器的电路图，从电路中可以看出放大器由晶体管VT及其偏置电阻R_B1、R_B2、R_E组成，选频网络由电感L₁、L₂和电容C组成，反馈网络由L₂构成，由此可以看出这个电路符合正弦波振荡器组成的三个部分。

图3-32 电感三点式振荡器

a）电路图 b）简化交流通路

如果我们在画交流通路时不考虑偏置电路，只分析电路中晶体管和LC网络的关系，则可以画出如图3-32b所示的电路，这样的电路称为简化交流通路。在图3-32b所示的简化交流通路中，晶体管的三个极与LC网络中电感的三个端点相连，因此称为电感三点式。同样的道理，如果某LC振荡器中晶体管的三个极与LC网络中的电容的三个端点相连，则称为电容三点式。

（2）判断振荡条件。判断此电路振幅条件的方法和变压器耦合振荡器的判断方法相同，请读者自行判断。

相位条件的判断可以用瞬时极性法，具体的信号极性变化如图3-32a所示，此电路满足振荡的相位条件。对于这种三点式电路的瞬时极性关系，在图3-32b中可以看得更清楚。

（3）振荡频率

所有的LC振荡器都可以用这个公式来计算振荡频率，但要注意的是公式中的L是LC回路中的总电感，C是LC回路中的总电容。在本例中，L₁、L₂是串联关系，所以L=L₁+L₂+2M（M表示两电感之间的互感）。

（4）电路特点及适用范围。电感三点式振荡器具有容易起振，输出幅度大，电路简单和调节频率方便等优点。它的缺点是输出信号的波形不好，所以只能用于对波形要求比较低的电路中。

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图3-33 电容三点式振荡器电路

a）电路图 b）简化交流通路

3.电容耦合（电容三点式）振荡器

（1）电路构成。电容三点式振荡器电路如图3-33a所示。放大器由晶体管VT及其偏置电阻R_B1、R_B2、R_E、R_C组成，选频网络由电感L和电容C₁、C₂组成，反馈信号取自C₂。电路中的C_B是耦合电容，它的作用是避免集电极直流电压经过电感直接进入基极，破坏晶体管的静态工作点。

它的简化交流通路如图3-33b所示，利用三点式振荡器振荡条件的判断方法，可知，这个电路满足振荡的相位条件。

（2）振荡频率：

在这个电路中，C是C₁和C₂的串联，即

（3）电路特点及适用范围。电容三点式振荡器的振荡频率可以做得比较高，一般可以达到100MHz以上，输出的波形好。它的缺点是在为调节频率而改变电容时，会影响电路的起振，所以调节频率不太方便，这种电路在一些电视机中有所使用。

4.改进的电容三点式振荡器

电容三点式电路的波形虽然比前面所介绍的LC振荡器要好。但在它的振荡频率比较高时，C₁和C₂的数值小，且电容与晶体管并联，会受到晶体管的影响，出现振荡频率不稳定的现象。这在对频率稳定要求较高的电路中就不能使用。为此对电容三点式电路进行改进，它的改进主要有克拉波电路和席勒电路两种。

（1）克拉波电路。图3-34a为改进后的电容三点式电路，图3-34b是它的简化交流通路。将这个电路与电容三点式电路进行比较，会发现在电感支路上串联了一个电容C，实际电路中这个电容的数值通常取得比较小，将这种改进叫克拉波电路。

图3-34 克拉波电路

a）电路图 b）简化交流通路

这时它的振荡频率为

式中，C_总 是LC回路中的总电容

因C≪C₁、C₂，则C_总≈C。

此时振荡频率为

因C与晶体管没有直接联系，从而避免了晶体管对振荡频率的影响，提高了振荡频率的稳定性。

（2）西勒电路。图3-35a为改进后的电容三点式电路，图3-35b是它的简化交流通路。将这个电路与克拉波电路进行比较，可以发现在电感上又并联了一个小电容C′，这种改进电路叫西勒电路。

图3-35 西勒电路

a）电路图 b）简化交流通路

这时它的振荡频率为

式中，C_总 是LC回路中的总电容，是C₁、C₂、C串联再与C′并联的等效电容，在参数选择上应满足C≪C₁、C₂，因此，C_总≈C+C′。

此时振荡频率为

由于相同的原因，此种电路也避免了晶体管对振荡频率的影响，提高了振荡频率的稳定性。

以上两种改进电路，除了具有振荡频率受晶体管影响小的优点以外，还可以很方便地调节振荡频率，所以这两种电路得到了广泛的应用。