vin端口是什么意思_振荡器基础1——为什么振荡器需要正反馈?什么是LC自激振荡器?...
一、概述
“振荡”(Oscillation),这个词其实就是指“往复运动”的意思。在电子学领域,电压、电流的来回波动,如我们熟悉的正弦波就是一种振荡。
由电容、电感构建的LC回路就能产生振荡。如下图,当开关由A切换至B,充满电的电容给电感充电,紧接着电感再给电容充电,如此往复。由于电路中不可避免的电阻会将电能消耗为热能,所以振荡波形随之衰减,直至消失。
为了让振荡波形得以维持,必须采用某种机制,给LC回路源源不断补充能量,以抵抗电阻上的损耗,由此引出“振荡器模型”。
二、振荡器的“正反馈”模型
振荡器模型中有放大器、反馈网络两个模块,涉及的信号有输入信号Vin、反馈信号Vf和输出信号Vout:
先说明一下输入信号Vin是什么?输入信号其实是来自于热噪声(Thermal Noise),是由电子的热扰动引起的,存在于所有电子器件和导体中。虽然热噪声的信号非常微弱,但在频谱中以相同的形态分布(类似白噪声)。
也就是说,热噪声的频率成分非常丰富,这点很重要!如果我们要让振荡器工作在某个频率,只要不断地强化该频率上的成分,使其在热噪声中脱颖而出,这个过程就是“正反馈”。
正反馈的核心在于图2的“反馈网络”(Feedback),反馈网络首先是一个滤波器,它只选出感兴趣的频率成分,即“振荡频率”。其次,经过反馈网络的Vf,和Vin在振荡频率上的相位一致,两者叠加成为新的Vin再被送入放大器进行放大。每次反馈和放大,在振荡频率上,新的Vin都比前一次Vin要大,由此实现正反馈。
反馈网络可以由LC、RC、晶振等构成,对应不同的振荡器类型。特别的,对于LC振荡器模型(如下图),它的振荡频率就是LC回路的谐振频率,大小为1/(2π*(LC)(1/2))。这部分计算我们在之前详细讲过,有需要可以回顾一下。
正反馈具体过程为:
- Vin是热噪声,通过放大器后所有频率的信号成分都被放大,得到Vout,Vout=Av*Vin,其中Av是放大器增益;
- 将Vout送入反馈网络,筛选出针对振荡频率的反馈信号Vf,Vf=β*Vout,其中β是反馈网络衰减比例;
- 在振荡频率上,Vf与Vin相位一致,两者叠加成为新的Vin,再次送入放大器,以此循环;
三、Barkhausen(巴克豪森)准则
Barkhausen提出过一个振荡器准则,被认为是振荡器的必要不充分条件,奈奎斯特还对此修改过。此外,它使用的振动器模型稍有不同,所以在此不赘述公式,只简单介绍一下核心思想。
Barkhausen准则反映的是,振荡波形可能会衰减(由于增益不足或相位不一致),或递增(由于增益过高,但不会超过Vcc),只有当设计合理时,才会有稳定的波形:
实际上,我们可以把振荡器的工作过程分成两个阶段:
- 在起振阶段,希望增益大一些,在输出端快速形成一定幅度的振荡波形;
- 在稳定阶段,增益可以小一些,在输出端获得幅度恒定的振荡波形;
四、LC自激振荡器(电容和电感三点式振荡电路)
基于LC回路的反馈网络有两个基本的振荡器,都是利用热噪声的“正反馈”自己产生振荡,称为“自激振荡器”。
一个是利用两个电感(或一个电感中间抽头)的分压进行反馈,称为Hartley(哈特莱)振荡器或电感三点式振荡器:
另一个是利用两个电容的分压进行反馈,称为Colpitts(考毕兹)振荡器或电容三点式振荡器:
相位上,输入信号/反馈信号同是Z->Y两端,输出信号是X->Y两端,两者相位反向。但由于三极管是集电极输出,输入信号经过放大后与输出信号相位一致。
增益上,起振时,三极管的增益是大的。随着振荡幅度增大,R4上电压上升(由RC滤波),使三极管B-E两端电压降低,这会降低三极管增益,以此实现增益自动调整,维持稳定的振荡幅度。
振荡频率,计算简单,即为LC回路构成的谐振频率。
振荡幅度,计算复杂,可以通过仿真软件来计算结果。
最后附上一个Colpitts(考毕兹)振荡器或电容三点式振荡器的仿真电路,可以看到起振过程:
五、总结
今天学习了LC振荡器,它利用了正反馈机制,实现了自激式振荡。
(全文完)
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