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RC选频与LC电路特性的研究

2009-09-03 19:24阅读:

LC正弦波振荡器

  LC振荡电路主要用来产生高频正弦信号,一般在lMHz以上。LC和RC振荡电路产生正弦振荡的原理基本相同,它们在电路组成方面的主要区别是,RC振荡电路的选频网络由电阻和电容组成,而LC振荡电路的选频网络则由电感和电容组成。各自的名称说明了它们之间的差别 。

  下面首先讨论组成LC正弦波振荡电路的基础LC选频放大电路

  在选频放大电路中经常用到的谐振回路是如图 9.7所示的LC并联谐振回路。
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  图中R表示回路的等效损耗电阻。由图可知,LC并联谐振回路的等效阻抗为  RC选频与LC电路特性的研究
            
  由上式可知,LC并联谐振回路有如下特点:
  (1)谐振频率为 RC选频与LC电路特性的研究
  (2)谐振时,回路的等效阻抗为纯电阻,阻值最大

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  (3)信号源电流与振荡回路中的支路电流的关系:

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  上式表明:LC电路谐振时,支路电流近似为总电流的Q倍,通常,Q>>1,所以,谐振时LC并联电路的回路电流比输入电流大得多。也就是说,在谐振回路中外界的影响可以忽略。这个结论对于分析LC正弦波振荡电路是十分有用的。
  (4)回路的频率响应
  ① LC并联电路具有选频特性。在谐振频率fo处,电路为纯阻性(V与I无相差)阻值最大。

  在f<fo处,电路呈电感性。在f>fo处,电路呈电容性。
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  ② Q 越大,谐振时Zo越大,振幅特性曲线越尖锐,在f=fo附近相频特性变化越快,选频性能越好。对相同的Δφ而言,Q值越大,对应的Δf越小,因此频率的稳定性越好。

例:选频放大电路

  图9.9所示是一个集电极负载为 LC并联谐振电路的共射极放大电路,因此其电压放大倍数为 RC选频与LC电路特性的研究
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  式中R'L是并联谐振回路的等效阻抗,只有在 RC选频与LC电路特性的研究 时呈现最大的阻抗,也就是说,只有f=f0的信号,该电路具有最高的电压放大倍数, f离f0越远,AV就越小,因此该电路具有选频放大的功能。
1、电路的组成及起振条件

  电路的组成:场效应管 T、LC并联回路、Rg Cg 形成栅偏压如图9.10所示。
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  (1)相位平衡条件: 用瞬时极性法判断

  (2)幅度平衡条件:  RC选频与LC电路特性的研究
  LC三点式振荡器的一般构成
  放大器可由分立元件构成单级或多级放大电路,也可用集成运放组成同相或反相比例放大电路。Z1、Z2、Z3表示纯电抗元件或电抗网络。如下图。

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设:运算放大器的输出阻抗为ro,开环增益为AVO。则
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  如果要使电路振荡,要求 RC选频与LC电路特性的研究
  由此得:X1 + X2 + X3 = 0

  即X1、X2为同类电抗,X3为与X1、X2相反种类的电抗。

结论:
  (1)在LC振荡电路中,如果Z1、 Z2为电感,则Z3为电容,成为电感三点式振荡器;如果Z1、 Z2为电容,则Z3为电感,成为电容三点式振荡器。
  (2)两个相同性质电抗的连接点必须接放大器的同相端,(三极管为发射极);另一端接反相端(三极管为基极)即所谓的射同基反的原则。
  (3) RC选频与LC电路特性的研究
  所以,当无接线错误而不起振时, 可以增大 RC选频与LC电路特性的研究或AVO的值(如更换b较大的三极管)。

1、电感三点式振荡器
(1)电路
组成
  图9.12是电感三点式振荡电路的原理图。由图可见,这种电路的LC并联谐振电路中的电感有首端、中间抽头和尾端三个端点,其交流通路分别与放大电路的集电极、发射极(地)和基极相连,反馈信号取自电感L2上的电压,因此,习惯上将图9.12所示电路称为电感三点式LC振荡电路,或电感反馈式振荡电路
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  上述讨论并联谐振回路时已得出结论:谐振时,回路电流远比外电路电流为大,①、③两端近似呈现纯电阻特性。因此,当L1和L2的对应端如图所示,则当选取中间抽头 ② 为参考电位(交流地电位)点时,首①尾③两端的电位极性相反。

(2)振荡条件分析:

相位平衡条件:

  现在采用瞬时极性法分析图9.12所示的相位条件。设从反馈线的点b处断开,同时输入vb为(+)极性的信号,由于在纯电阻负载的条件下,共射电路具有倒相作用,因而其集电极电位瞬时极性为(-),又因②端交流接地,因此③端的瞬时电位极性为 (+),即反馈信号vf与输入信号vb同相,满足相位平衡条件。
  根据'射同基反'的原则,也可以判别三点式振荡电路的相位平衡条件,方法是先画出交流等效电路如图9.13所示,显然该电路符合'射同基反'的原则,因此满足相位平衡条件。
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幅度平衡条件:

  电路的幅度平衡条件为 RC选频与LC电路特性的研究
  由于Av较大,只要适当选取L2/L1的比值,就可实现起振。当加大L2(或减小L1)时,有利于起振。
(3)振荡频率:

  考虑L1、L2间的互感,电路的振荡频率可近似表示为
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讨论:

  (1)工作频率范围为几百kHz~几MHz;

  (2)反馈信号取自于L2,其对f0的高次谐波的阻抗较大,因而引起振荡回路的谐波分量增大,使输出波形不理想。
2、电容三点式振荡器
  电容三点式振荡器的分析方法类似于电感三点式振荡器,具体内容如下:
  (1)电路
组成
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  (2)振荡条件分析:
  相位平衡条件:射同基反  瞬时极性法

  幅度平衡条件: RC选频与LC电路特性的研究
                        
  (3)振荡频率: RC选频与LC电路特性的研究

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讨论:
  (1)工作频率范围为几百kHz~几百MHz;
  (2)反馈信号取自于C2,其对f0的高次谐波的阻抗很小,可以滤除高次谐波,所以输出波形好。

1、正弦波振荡器的频率稳定问题

  在工程应用中,例如在实验用的低频及高频信号产生电路中,往往要求正弦波振荡电路的振荡频率有一定的稳定度,有时要求振荡频率十分稳定,如通讯系统中的射频振荡电路、数字系统的时钟产生电路等。因此,有必要引用频率稳定度来作为衡量振荡电路的质量指标之一。频率稳定度一般用频率的相对变化量△f/f0来表示,f0为振荡频率,△f为频率偏移。频率稳定度有时附加时间条件,如一小时或一日内的频率相对变化量。

  影响儿C振荡电路振荡频率无的因素主要是 LC 并联谐振回路的Q值,可以证明,Q值愈大,频率稳定度愈高。由电路理论知道,。为了提高Q值,应尽量减小回路的损耗电阻R并加大L/C值。但一般的LC振荡电路,其Q值只可达数百,在要求频率稳定度高的场合,往往采用石英晶体振荡电路
  石英晶体振荡电路,就是用石英晶体取代LC振荡电路中的L、C元件所组成的正弦波振荡电路。它的频率稳定度可高达10-9甚至10-11
  石英晶体振荡电路之所以具有极高的频率稳定度,主要是由于采用了具有极高Q值的石英晶体元件。下面首先了解石英晶体的构造和它的基本特性,然后再分析具体的振荡电路

2、石英晶体的基本特性和等效电路
  石英晶体是一种各向异性的结晶体,它是硅石的一种,其化学成分是二氧化硅。从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片称为晶片(可以是正方形、矩形或圆形等),然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板,就构成石英晶体产品,如图9.16所示,一般用金属外壳密封,也有用玻璃壳封装的。
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  石英晶片所以能做振荡电路是基于它的压电效应,可以用图9.17所示的等效电路来模拟。等效电路中的C。为切片与金属板构成的静电电容,L和C分别模拟晶体的质量(代表惯性)和弹性,而晶片振动时,因摩擦而造成的损耗则用电阻R来等效。石英晶体的一个可贵的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值 (等效于L/C),因而它的品质因数Q高达10000~500000的范围内。等效电路中元件的典型参数为:Co很小:几pF~几十pF,L:几十mH~几百mH,C:0.0002 pF ~0.1pF 。

图9.17为石英晶体的符号、等效电路和电抗特性。
  RC选频与LC电路特性的研究
由等效电路可知,石英晶体有两个谐振频率,即
  (1)L-C-R

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