振荡器电路, 频率稳定性与巴克豪森振荡准则

振荡器电路为数字电路的芯片提供时钟信号,因此不但需要产生芯片所需时钟信号,还需要保持稳定的无阻尼振荡(Undamped oscillations)状态。

  • 实用振荡器电路

实用振荡器电路由一个振荡电路、一个晶体管放大器和一个反馈电路组成。以下电路图显示了实际振荡器的排列方式。

振荡器电路, 频率稳定性与巴克豪森振荡准则

振荡电路 – 振荡电路由与电容器C并联的电感L一起组成(The tank circuit consists of an inductance L connected in parallel with capacitor C.)。这两个分量的值决定了振荡器电路的频率,因此这被称为频率确定电路(Frequency determining circuit)。

晶体管放大器 – 振荡电路的输出连接到放大器电路,以便振荡电路产生的振荡在这里被放大。因此,这些振荡的输出由放大器增加。
反馈电路 − 反馈电路的功能是将部分输出能量以适当的相位传输到LC电路。该反馈在振荡器中为正,而在放大器中为负。

  • 振荡器的频率稳定性

振荡器的频率稳定性是衡量其在较长时间间隔内保持恒定频率的能力的指标。当工作时间较长时,振荡器频率可能会通过增加或减少而偏离先前的设定值。

振荡器频率的变化可能由以下因素造成:

1、有源器件的工作点应位于放大器的线性区域。其偏差将影响振荡器频率。

2、电路元件性能的温度依赖性会影响振荡器频率。

3、施加在有源器件上的直流电源电压的变化,使振荡器的频率发生变化。如果使用稳压电源,则可以避免这种情况。

4、输出负载的变化可能导致谐振电路的Q品质因子发生变化,从而导致振荡器输出频率的变化。

5、电子元件间电容和杂散电容的存在会影响振荡器输出频率,从而影响频率稳定性。

  • 巴克豪森准则(The Barkhausen Criterion)

凭借我们迄今为止的知识,我们了解到实用的振荡器电路由谐振电路,晶体管放大器电路和反馈电路组成。所以,现在让我们试着梳理一下反馈放大器的概念,得出反馈放大器的增益。

反馈放大器原理(Feedback Amplifier)

反馈放大器通常由两部分组成:放大器和反馈电路。反馈电路通常由电阻器组成。反馈放大器的概念可以从下图中理解。

振荡器电路, 频率稳定性与巴克豪森振荡准则

从上图中可以看出,放大器的增益表示为A。放大器的增益是输出电压Vo与输入电压Vi的比值。反馈网络从放大器的输出Vo中获取(extract)电压Vf = β Vo。

该电压为正反馈时相加(从信号电压 Vs中),负反馈时减去(从信号电压 Vs中)。

因此,为了获得积极的反馈,

Vi = Vs Vf = Vs β Vo

β = Vf\/Vo的量称为反馈比或反馈分数。

输出 Vo 必须等于输入电压(Vs βVo)乘以放大器的增益A。

因此

(V_s \\beta V_o)A = V_o

AV_s A\\beta V_o = V_o

AV_s = V_o(1 – A\\beta)

因此

\\frac{V_o}{V_s} = \\frac{A}{1 – A\\beta}

设Af为放大器的总增益(带反馈的增益)。这被定义为输出电压Vo与施加的信号电压V的比值,即:

A_f = \\frac{Output \\:电压}{输入 \\: Signal \\:电压} = \\frac{V_o}{V_s}

从以上两个等式中,我们可以理解,具有正反馈的反馈放大器的增益方程由下式给出

A_f = \\frac{A}{1 – A\\beta}

其中Aβ是反馈因子或环路增益。

如果 Aβ = 1,Af = ∞。因此,增益变得无穷大,即没有任何输入的输出。换句话说,放大器用作振荡器。

条件Aβ = 1被称为巴克豪森振荡准则。

在振荡器的概念中,这是一个非常重要的因素,需要始终牢记在心。

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