Transcript 振盪條件

P11-24 圖11-5
韋恩電橋振盪電路
Vo
OPA
P11-24
表11-27
韋恩電橋振盪電路的基本特色
基本特色

電路由一個電橋網路與一個同相放大電路所組合而成。

放大電路的輸入與輸出因為同相關係，所以回授電路不
需要再移相(即採β∠0°回授)。

單一頻率振盪，振盪之穩定度高。
兼具正回授與負回授兩種回授電路。

正回授支路元件R1、R2、C1、C2 ：控制電路的振
盪頻率及正回授率（
）。
負回授支路元件R3、R4 ：控制電路的增益值及
負回授率（
）
P11-25
表11-28
振盪頻率公式推導
公式導引
(11.31)
(11.32)
若R1 = R2 = R；
C1 = C2 = C
則
振盪頻率
(11.33)
P11-25
電壓增益與振盪條件
電壓增益
表11-29
振盪條件
OPA 非反相放大電路的電壓增益 由(11.30) 式及 j 項為 0 可知，
(AV )：
滿足振盪條件時：
(11.34)
(11.35)
依照巴克豪森準則
即
或
兩
者
關
係
(11.36)
若 R1 = R2 ；
C1 = C2
(11.37)
P11-25
振盪頻率 由正回授網路決定
振盪條件 由負回授網路決定
表11-30
P11-26
振盪頻率
當電橋平衡時
表11-31
振盪條件
滿足振盪條件必須：
正回授率(
)
負回授率(
)
(參考( 11.35 )式)
為了滿足振盪的條件虛數項必須為
0，即 R1R2 －XC1XC2 = 0
將不等式兩邊取倒數：
∴可推導出振盪頻率
亦可得
P11-26
自動振幅控制：以白熾燈(正溫度係數)取代 R4
白熾燈特性
動作原
理說明
表11-32
應用電路
溫度上升時、R4 上升，則負回授量增加，因此
抑制振幅的增加，故輸出振幅恢復穩定。
溫度下降時、R4 下降，則負回授量減少，因此
振幅提高，故輸出振幅恢復穩定。
P11-2
自動振幅控制：以電熱阻(負溫度係數)取代 R3
白熾燈特性
動作原
理說明
表11-33
應用電路
溫度上升時、R3 下降，則負回授量增加，因此
抑制振幅的增加，故輸出振幅恢復穩定。
溫度下降時、R3 上升，則負回授量減少，因此
振幅提高，故輸出振幅恢復穩定。
P11-29
串聯諧振電路
表11-34
並聯諧振電路
諧振電路振盪頻率公式導引
諧振條件：XC = XL
可得
(11.38)
LC 並聯協振電路切換開關步驟示意圖
電流方向
步
驟
1
步
驟
2
波形變化
P11-30
表11-35
說明
先將開關切至，
由外加電壓提供電
容器(C )足夠的電
能。
再將開關切至，
由電容器(C )放
電，以便提供電感
器(L )產生足夠的
磁能。
P11-30
LC 諧振電路的電流與輸出波形之變化
電 (a)
流
方
向
(b)
( c )
表11-36
(d)重複(a)~(d)
波
形
變
化
說
明
電感器釋能
電容器充電
電容器放電
電感器儲能
電感器釋能
電容器充電
電容器放電
電感器儲能
P11-31
加上放大電路的LC 儲能電路
圖11-6
考畢子振盪電路
P11-31 表11-37
電路
說 拆成 2 個 C，中間接地
明
等效電路
哈萊特振盪電路
P11-31 表11-37
電路
說 拆成 2 個 L，中間接地
明
等效電路
P11-32 圖11-7
圖11-8
高頻振盪的基本型態
等
效
電
路
圖
LC 模組化電路
交流等效電路
P11-32
表11-38
由圖11-8 可知電路的回授率(β)及輸出電壓(Vo )：
回授率
輸出電壓
(11.39)
虛數項（∵ 該項的電抗只有一次方）
為滿足正回授(相移0°)，虛數項必須為0，故Z1 + Z2 + Z3 =0
0(∵Z1 × Z2 與Z3 + Z1 × Z2 皆為實數項平方項)
P11-33
表11-39
Z1
Z2
Z3
備註
哈特萊振盪
電路
電感器(L)
電感器(L)
電容器(C)
雙電感單
電容
考畢子振盪
電路
電容器(C)
電容器(C)
電感器(L)
雙電容單
電壓
P11-33 表11-40
哈特萊振盪電路
回授率
由(11.39) 式可知，
，
而Z1 + Z2 + Z3 =0，故Z2 = －(Z1 + Z3)
(11.42)
振盪頻率
由(11.38) 式可知，
(LT = L1 + L2 + 2M )
(11.43)
振盪條件
BJT電晶體
(11.44)
P11-33 表11-40
哈特萊振盪電路
回授率
由(11.39) 式可知，
，
而Z1 + Z2 + Z3 =0，故Z2 = －(Z1 + Z3)
(11.42)
振盪頻率
由(11.38) 式可知，
(LT = L1 + L2 + 2M )
(11.43)
振盪條件
FET電晶體
(11.45)
P11-33 表11-40
哈特萊振盪電路
回授率
由(11.39) 式可知，
，
而Z1 + Z2 + Z3 =0，故Z2 = －(Z1 + Z3)
(11.42)
振盪頻率
由(11.38) 式可知，
(LT = L1 + L2 + 2M )
(11.43)
振盪條件
OPA
(11.46)
P11-34 表11-41
考畢子振盪電路
回授率
由(11.39) 式可知，
，
而Z1 + Z2 + Z3 =0，故Z2 = －(Z1 + Z3)
(11.47)
振盪頻率
由(11.38) 式可知，
(11.48)
振盪條件
BJT電晶體
(11.49)
P11-34 表11-41
考畢子振盪電路
回授率
由(11.39) 式可知，
，
而Z1 + Z2 + Z3 =0，故Z2 = －(Z1 + Z3)
(11.47)
振盪頻率
由(11.38) 式可知，
(11.48)
振盪條件
FET電晶體
(11.50)
P11-34 表11-41
考畢子振盪電路
回授率
由(11.39) 式可知，
，
而Z1 + Z2 + Z3 =0，故Z2 = －(Z1 + Z3)
(11.47)
振盪頻率
由(11.38) 式可知，
(11.48)
振盪條件
OPA
(11.51)
P11-36
克拉普振盪電路
表11-42
工作條件與振盪頻率
工
工作條件：
作
(CS 極小於C1、C2 )
分
振盪頻率：
析
(11.52)
優點
電路圖
提高電路振盪頻率之穩定度，使其不
受電晶體的輸入電容Ci 的影響。
晶電振盪電路—電壓效應
P11-37
表11-43
壓
電
效
應
圖
解
圖(a)
圖(b)
圖(c)
正常的晶體
電荷極性均勻分布
壓縮後的晶體與
電荷極性的方向
擴張後的晶體與
電荷極性的方向
說 晶體表面所產生的電荷量與外加壓力成正比。
明 晶體所產生的振動頻率與晶體元件的厚度成反比，並與切割形狀及大小
有關。
結 壓電效應是利用機械能與電能的互換，來產生振動或交流信號。
論
符號與等效電路
外觀
名稱
內部結構
P11-37 表11-44
符號
等效電路
代表意義
參考數值
L
晶體振盪時的有效質量或慣性。
數亨利(H)
r
晶體振盪時的機械摩擦與電能損耗。
約為數百歐姆(Ω )
CS
Cp
晶體硬度的倒數即振盪時的彈性。
小到0.0005pF
晶體兩平行板間的電容。
數pF
說明
因為石英晶體的品質因數 Q (Q = ω
( 一般 LC 電路的 Q 值僅為數十或
此振盪頻率非常穩定。
)甚高，通常為數千或上萬
上百左右)，故選擇性極佳，因
P11-38
石英晶體電抗值對頻率的變化曲線圖
圖11-9
P11-38 表11-45
諧振頻率 諧振頻率串聯諧振頻率( fs )
並聯諧振頻率( fp )
組成支路 L、r、CS
L、r、CS 與Cp
公式導引 ∵XL = XCS
∵XL－ XCS = XCp；
(11.53)
阻抗變化 阻抗變化阻抗值最小，支路
電流最大
電抗特性 f < fs
說明
(11.54)
阻抗值最大，支路電流最小
晶體呈現電容性
fs < f < fp
晶體呈現電感性
f > fp
晶體呈現電容性
∵實際上石英晶體的Cp
CS，∴ fs 與fp 非常接近，而石英晶體
正是利用fs 與fp 之間極狹窄的電感特性與電路配合，來產生振
盪。
P11-39
石英晶體的特點
優點
表11-46
缺點
1.在不同的時間與溫度下， 每一個晶體僅能為單一振盪
是所有高頻振盪電路中最 頻率輸出，不能調整改變。
穩定也最準確的振盪元件。
2.具有非常高的選擇性(非常
高的Q 值)。
3.依據切割厚薄與尺寸的不
同，其振盪範圍可在數kHz～
數百MHz 之間。(振盪範圍
大) 。
4.價格便宜。
P11-39
表11-47
串聯諧振的應用電路
特性
振盪頻率取決於石英晶體的串
聯諧振頻率，而與放大器的參
數無關。
元件功能
、 ：直流偏壓元件。
RFC：射頻抗流圈，可阻擋
射頻交流信號，避免其藉由
直流電源干擾其他電路。
BJT型(皮爾斯型)
P11-39
表11-47
串聯諧振的應用電路
特性
振盪頻率取決於石英晶體的串
聯諧振頻率，而與放大器的參
數無關。
元件功能
RG、RS：直流偏壓元件。
RFC：射頻抗流圈，可阻擋
射頻交流信號，避免其藉由
直流電源干擾其他電路。
FET型
P11-39
表11-47
串聯諧振的應用電路
特性
振盪頻率取決於石英晶體的串
聯諧振頻率，而與放大器的參
數無關。
元件功能
R1、R2：控制增益的元件。
Zener：限制輸出最大振幅。
OPA型
並聯諧振的應用電路
P11-40 表11-48
並聯諧振晶體控制振盪
電路
原理 晶體工作於並聯諧振時，呈現最大電感性電抗，其回授網
說明 路是由 C1、C2 與晶體的電感電抗並聯而成，因此其振盪
原理與考畢子振盪電路相同。
並聯諧振的應用電路
P11-40 表11-48
原理說明
在汲極端加上一組LC 諧調電
路，當LC 諧振頻率與石英晶體
(XTAL) 的並聯諧振頻率相同
時，可得最大交流信號輸出，
並藉由極際電容(Cgd ) 作為負
回授，以保持輸出持續的等幅
振盪。
米勒晶體控制振盪電路