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基礎(chǔ)入門的LC水晶振蕩器資料

來源:http://www.hhamai.cn 作者:金洛鑫電子 2018年12月21
  簡單的說LC是晶體振蕩器的電路,這種電路的振蕩器可以做叫LC振蕩器,特點(diǎn)就是可以選擇的頻率范圍比較廣泛,從低頻到高頻都有,可應(yīng)用到許多產(chǎn)品身上。而且電路設(shè)計(jì)靈活多變,生產(chǎn)成本小,適合應(yīng)用到大量的生產(chǎn)當(dāng)中,因此國外很多晶振廠家采用的就是這種LC振蕩器電路,可以自主輸出不一樣的頻點(diǎn),形成不相同的交流信號(hào),有正弦波振蕩器以及非正弦波振蕩器這兩種。
  振蕩器將直流輸入(電源電壓)轉(zhuǎn)換為交流輸出(波形),可以具有各種波形和頻率,可以是復(fù)雜的,也可以是簡單的正弦波,具體取決于應(yīng)用。振蕩器還用于許多測試設(shè)備中,產(chǎn)生正弦波正弦波,方波,鋸齒波或三角波形或只有一系列可變或恒定寬度的脈沖。LC振蕩器通常用于射頻電路,因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫南辔辉肼曁匦院鸵子趯?shí)現(xiàn)。
  一個(gè)振蕩器基本上是用“正反饋”,或回饋(同相)和電子電路設(shè)計(jì)中的許多問題之一,而試圖讓振蕩器振蕩是由振蕩停止放大器的放大器。振蕩器工作是因?yàn)樗鼈兺ㄟ^以所需頻率將DC能量施加到該諧振器電路中而以相同電路中的電容器,電感器或兩者的形式克服其反饋諧振器電路的損耗。換句話說,振蕩器是使用正反饋的放大器,其在不使用輸入信號(hào)的情況下產(chǎn)生輸出頻率。
  因此,石英晶體振蕩器是自持電路,以精確的頻率產(chǎn)生周期性輸出波形,并且對(duì)于任何電子電路作為振蕩器工作,它必須具有以下三個(gè)特性。
  1、某種形式的放大
  2、正反饋(再生)
  3、頻率確定反饋網(wǎng)絡(luò)
  振蕩器具有小信號(hào)反饋放大器,其開環(huán)增益等于或略大于1,以便啟動(dòng)振蕩,但是為了繼續(xù)振蕩,平均環(huán)路增益必須返回到單位。除了這些電抗元件之外,還需要諸如運(yùn)算放大器或雙極晶體管的放大裝置。與放大器不同,不需要外部AC輸入來使振蕩器工作,因?yàn)檎袷幤鲗C電源能量轉(zhuǎn)換為所需頻率的AC能量。
基本振蕩器反饋電路:
基本振蕩器反饋電路
其中:β是反饋分?jǐn)?shù),振蕩器增益無反饋。
振蕩器開環(huán)增益
振蕩器獲得反饋
振蕩器反饋方程
  貼片振蕩器是以所需頻率產(chǎn)生連續(xù)電壓輸出波形的電路,其中電感器,電容器或電阻器的值形成頻率選擇LC諧振回路電路和反饋網(wǎng)絡(luò)。該反饋網(wǎng)絡(luò)是衰減網(wǎng)絡(luò),其增益小于1(β<1)并且當(dāng)Aβ>1時(shí)開始振蕩,一旦振蕩開始,其返回到單位(Aβ=1)。
  LC振蕩器頻率使用調(diào)諧或諧振電感/電容(LC)電路控制,其結(jié)果輸出頻率稱為振蕩頻率。通過使振蕩器反饋反應(yīng)網(wǎng)絡(luò),反饋的相位角將隨頻率而變化,這稱為相移。
基本上有各種類型的振蕩器:
  1.正弦振蕩器-這些被稱為諧波振蕩器,通常是“LC調(diào)諧反饋”或“RC調(diào)諧反饋”型振蕩器貼片晶振,可產(chǎn)生恒定幅度和頻率的純正弦波形。
  2.非正弦振蕩器-這些被稱為弛豫振蕩器,產(chǎn)生復(fù)雜的非正弦波形,從一種穩(wěn)定狀態(tài)到另一種穩(wěn)定狀態(tài)變化很快,如“方波”,“三角波”或“鋸齒波”類型波形。
振蕩器共振:
  當(dāng)恒定電壓但頻率變化的電壓施加到由電感器,電容器和電阻器組成的電路時(shí),電容器/電阻器和電感器/電阻器電路的電抗將改變輸出信號(hào)的幅度和相位。輸入信號(hào)由于所用元件的電抗。在高頻時(shí),電容器的電抗非常低,起短路作用,而電感器的電抗作為開路電路很高。在低頻時(shí)反之亦然,電容器的電抗充當(dāng)開路,電感器的電抗充當(dāng)短路。
  在這兩個(gè)極端之間,電感和電容的組合產(chǎn)生一個(gè)“調(diào)諧”或“諧振”電路,它具有諧振頻率,(ƒr)其中電容和電感電抗是相等的并相互抵消,只留下電阻反對(duì)電流的電路。這意味著沒有相移,因?yàn)殡娏髋c電壓同相??紤]下面的電路。
基本LC振蕩器儲(chǔ)能電路
lc振蕩器振蕩電路
  該電路由感應(yīng)線圈L和電容C組成。電容器以靜電場的形式存儲(chǔ)能量并且在其板上產(chǎn)生電勢(靜電電壓),而電感線圈以電磁場的形式存儲(chǔ)其能量。電容器被充電至直流電源電壓,V通過將開關(guān)在位置甲。當(dāng)電容器完全充電開關(guān)改變位置乙。
  現(xiàn)在,充電電容器并聯(lián)連接在電感線圈上,因此電容器開始通過線圈自身放電。當(dāng)通過線圈的電流開始上升時(shí),C兩端的電壓開始下降。
  該上升電流在線圈周圍建立電磁場,抵抗這種電流。當(dāng)電容器C完全放電時(shí),原先存儲(chǔ)在電容器中的能量C作為靜電場現(xiàn)在存儲(chǔ)在感應(yīng)線圈L中,作為線圈繞組周圍的電磁場。由于  電路中沒有外部電壓來維持線圈內(nèi)的電流,因此隨著電磁場開始崩潰,電路開始下降。在線圈中感應(yīng)出反電動(dòng)勢(e=-Ldi/dt),保持電流沿原始方向流動(dòng)。
  該電流對(duì)電容器C充電,其極性與其原始電荷相反。C繼續(xù)充電,直到電流減小到零并且線圈的電磁場完全坍塌。
  最初通過開關(guān)引入電路的能量已經(jīng)返回到電容器,電容器上再次具有靜電電壓,盡管它現(xiàn)在具有相反的極性。電容器現(xiàn)在開始通過線圈再次放電,并重復(fù)整個(gè)過程。當(dāng)電能在電容器和電感器之間來回傳遞時(shí),電壓的極性發(fā)生變化,產(chǎn)生AC型正弦電壓和電流波形。
  然后,該過程形成LC石英晶振儲(chǔ)能電路的基礎(chǔ),理論上來回循環(huán)將無限期地繼續(xù)。然而,事情并不完美,每次能量從電容器C傳遞到電感器L,然后從L傳遞回到C,會(huì)發(fā)生一些能量損失,隨著時(shí)間的推移將振蕩衰減到零。
  如果不是電路內(nèi)的能量損失,那么在電容器C和電感器L之間來回傳遞能量的這種振蕩動(dòng)作將無限地繼續(xù)。在電感器線圈的DC或?qū)嶋H電阻中,電容器的電介質(zhì)中以及來自電路的輻射中電能損失,因此振蕩穩(wěn)定地減小,直到它們完全消失并且過程停止。
  然后在實(shí)際的LC電路中,振蕩電壓的幅度在振蕩的每個(gè)半周期減小,并最終消失為零。然后,振蕩被稱為“阻尼”,阻尼量由電路的質(zhì)量或Q因子確定。
阻尼的振蕩
阻尼lc振蕩
  OSC晶振振蕩電壓的頻率取決于LC諧振電路中的電感和電容值。我們現(xiàn)在知道,為了在諧振電路中發(fā)生諧振,必須有一個(gè)頻率點(diǎn)是XC的值,容抗與XL的值相同,感應(yīng)電抗(XL=XC)和因此,它們將相互抵消,僅留下電路中的直流電阻以抵抗電流的流動(dòng)。
  如果我們現(xiàn)在將用于對(duì)所述電容器的電容性電抗的曲線的頂部的電感器的電感性電抗曲線,使得兩條曲線是在相同的頻率軸,交點(diǎn)會(huì)給我們的諧振頻率點(diǎn),(ƒ-[R或ωr)如下圖所示。
共振頻率
共振頻率
  其中:ƒ-[R的單位是赫茲,大號(hào)是在亨利和Ç單位是法拉。然后,發(fā)生這種情況的頻率如下:
共振頻率方程
  然后,通過簡化上面的公式,我們得到的最終方程共振頻率,ƒ[R在調(diào)諧LC電路:
LC振蕩器的諧振頻率
振蕩器頻率方程
哪里:
  1、L是亨利斯的電感
  2、C是法拉德的電容
  3、ƒ-[R是以赫茲為單位的輸出頻率
  該等式表明,如果L或C減小,則頻率增加。該輸出頻率通常給出(的縮寫ƒ-[R)來標(biāo)識(shí)它作為“諧振頻率”。
  為了保持LC諧振電路中的振蕩,我們必須更換每個(gè)振蕩中的所有能量損失,并將這些振蕩的幅度保持在恒定水平。因此,替換的能量必須等于每個(gè)循環(huán)期間的能量損失。如果更換的能量太大,則振幅將增加,直到發(fā)生供電軌的削波?;蛘?,如果替換的能量太小,則振幅最終將隨時(shí)間減小到零并且振蕩將停止。
  更換這種損失能量的最簡單方法是從LC諧振電路中獲取部分輸出,將其放大,然后再將其反饋回LC電路。使用運(yùn)算放大器,F(xiàn)ET或雙極晶體管作為其有源晶體的電壓放大器可以實(shí)現(xiàn)該過程。但是,如果反饋放大器的環(huán)路增益太小,則所需的振蕩衰減到零,如果太大,則波形變得失真。
  為了產(chǎn)生恒定的振蕩,必須精確控制反饋到LC網(wǎng)絡(luò)的能量水平。然后,當(dāng)幅度試圖從參考電壓向上或向下變化時(shí),必須有某種形式的自動(dòng)幅度或增益控制。為了保持穩(wěn)定的振蕩,電路的總增益必須等于1或1。任何更少的振蕩都不會(huì)開始或消失為零,振蕩將會(huì)發(fā)生,但振幅將被供電軌限制,從而導(dǎo)致失真??紤]下面的電路。
基本晶體管LC振蕩器電路
晶體管lc振蕩器
  雙極晶體管用作LC振蕩器放大器,調(diào)諧LC諧振電路用作集電極負(fù)載。另一個(gè)線圈L2連接在晶體管的基極和發(fā)射極之間,其電磁場與線圈L的電磁場“相互”耦合。
  兩個(gè)電路之間存在“互感”,并且在一個(gè)線圈電路中流動(dòng)的變化電流通過電磁感應(yīng)在另一個(gè)線圈電路中感應(yīng)出電位電壓(變壓器效應(yīng)),從而在調(diào)諧電路中發(fā)生振蕩,電磁能量從線圈傳輸L到線圈L2并且在晶體管的基極和發(fā)射極之間施加與調(diào)諧電路中的頻率相同的電壓。以這種方式,必要的自動(dòng)反饋電壓被施加到放大晶體管。
  可以通過改變兩個(gè)線圈L和L2之間的耦合來增加或減少反饋量。當(dāng)電路振蕩時(shí),其阻抗是電阻性的,集電極和基極電壓相位相差180 °。為了保持振蕩(稱為頻率穩(wěn)定性),施加到調(diào)諧電路的電壓必須與調(diào)諧電路中發(fā)生的振蕩“同相”。
  因此,我們必須在收集器和基座之間的反饋路徑中引入額外的180 °相移。這是通過將L2線圈相對(duì)于線圈L以正確的方向纏繞來實(shí)現(xiàn)的,從而為石英振蕩器電路提供正確的幅度和相位關(guān)系,或者通過在放大器的輸出和輸入之間連接相移網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。
  因此,LC振蕩器是“正弦振蕩器”或“諧波振蕩器”,因?yàn)樗1环Q為“振蕩振蕩器”。LC振蕩器可以產(chǎn)生高頻正弦波,用于射頻(RF)型應(yīng)用,晶體管放大器是雙極晶體管或FET。
  諧波振蕩器有許多不同的形式,因?yàn)橛性S多不同的方法來構(gòu)建LC濾波器網(wǎng)絡(luò)和放大器,最常見的是Hartley LC振蕩器,Colpitts LC振蕩器,Armstrong振蕩器和Clapp振蕩器等等。
  LC振蕩器示例No1
  200mH的電感和10pF的電容并聯(lián)連接在一起以形成LC振蕩器振蕩電路。計(jì)算振蕩頻率。
lc振蕩器頻率
  然后我們可以從上面的例子中看出,通過減小電容,C或電感的值,L將具有增加LC諧振電路的振蕩頻率的效果。
LC振蕩器總結(jié):
LC振蕩器諧振回路電路所需的基本條件如下。
  1、為了存在振蕩,振蕩器電路必須包含無功(頻率相關(guān))分量,“電感”,(L)或“電容”,(C)以及直流電源。
  2、在簡單的電感器 - 電容器LC電路中,由于有源晶振和電路損耗,振蕩會(huì)隨著時(shí)間的推移而衰減。
  3、需要電壓放大來克服這些電路損耗并提供正增益。
  4、放大器的總增益必須大于1,單位。
  5、通過將一些輸出電壓反饋到具有正確幅度和同相(0 o)的調(diào)諧電路,可以保持振蕩。
  6、振蕩只能在反饋為“正”(自我再生)時(shí)發(fā)生。
  7、電路的整體相移必須為零或360 o,以便來自反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)“同相”。
  石英晶體振蕩器電路的組成除了LC振蕩器電路,還有晶體振蕩器電路,RC振蕩器電路等,這是按照正弦波來分的,非正弦波的電路組成則有兩種,一種是反饋型,另一種則是負(fù)阻型。不管是正弦波振蕩器還是非正弦波振蕩器,這些晶振應(yīng)用范圍大致相同,通??捎糜诔?jí)計(jì)算機(jī),網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,通信模塊,軍工設(shè)備,工業(yè)級(jí),汽車,人造衛(wèi)星,交通工具,GPS/北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng),大型建筑設(shè)備等領(lǐng)域。

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