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LC振荡器基础知识和工作原理介绍

IC先生 IC先生 7004 2022-04-11 10:17:00

振荡器是用于将输入直流电变为输出交流电的电子电路。根据使用性质的不同,可以具有不同频率的广泛波形。振荡器用于多种应用,例如生成任何这些波形的测试设备,例如正弦波、锯齿波、方波、三角波。

在众多振荡器当中,LC振荡器是比较常用的一种类型,通常用于射频电路中,因为它们具有高质量的相位噪声特性以及易于实现的特。在本文中,小编将简单介绍LC振荡器的基础知识和工作原理。

LC振荡器的概念

众所周知,振荡器使用正反馈并在不使用输入信号的情况下生成o/p频率。因此,这些是自支撑电路,可在精确频率下生成周期性o/p波形。而LC振荡器是一种类型振荡器,其中使用谐振电路 (LC) 提供维持振荡所需的正反馈。

lc 振荡器及其符号

该电路也称为LC调谐或LC谐振电路,这些振荡器可以借助FETBJT、Op-Amp、MOSFET等来理解。LC振荡器的应用主要包括混频器、射频信号发生器、调谐器、射频调制器、正弦波发生器等。

LC振荡器电路图

LC电路是一种可以用电感器电容器构建的电路,其中电感器用“L”表示,电容器用“C”表示,两者都连接在一个电路中。该电路像一个电谐振器一样工作,它存储能量以在电路的谐振频率下振荡。

lc-振荡器电路

这些电路要么用于通过复合信号选择特定频率的信号,要么用于生成特定频率的信号。这些电路的工作原理类似于各种电子设备(如无线电设备)、滤波器、调谐器和振荡器等电路中的主要组件。这个电路是一个完美的模型,它假设能量的耗散不会因为电阻而发生。该电路的主要功能是通过最小的阻尼振荡,以使电阻尽可能小。

LC振荡器的推导过程

当振荡器电路使用时变频率以稳定的电压通电时,RL的电抗以及RC的电抗也会发生变化。因此,与 i/p信号相比,o/p的频率和幅度可以改变。

感抗和频率可以成正比,而频率和容抗可以成反比。因此,在较低频率下,电感器的容抗非常小,表现为短路,而容抗较高,表现为开路。

在较高频率下,会发生相反的情况,即容抗充当短路而感抗充当开路。电感器和电容器的特定组合的电路将在容性和感性的电抗相同且彼此停止时调谐或谐振频率。因此,电路内将存在简单的电阻来抵抗电流流动,因此电压不能在谐振电路的帮助下产生LC 相移振荡器电流。因此电流和电压的流动将彼此同相。

不过可以通过向电感器和电容器等组件提供电压来实现持续的振荡,因此LC振荡器使用LC或谐振电路来产生振荡。振荡频率可以由完全依赖于电感、电容值及其谐振条件的谐振电路产生。所以可以用下面的公式来表示。

XL = 2*π* f* L

XC = 1 / (2 * π * f * C)

另外,在共振时,XL等于XC,所以方程会变成下面这样:

2 * π * f * L = 1 / (2 * π * f * C)

一旦等式可以缩短,那么LC振荡器频率的等式包括以下内容。

f2 = 1/ ((2π) * 2 LC)

f = 1/ (2π √ (LC))

LC振荡器的类型

LC振荡器分为不同的类型,主要包括以下几种:

  • 调谐集电极振荡器;该振荡器是一种基本类型的LC振荡器。该电路可以通过在振荡器的集电极电路上并联连接一个电容器和一个变压器来构建。储能电路可由变压器的电容器和主电路组成。变压器的次要部分将振荡电路中产生的一部分振荡反馈到晶体管的基极。
  • 调谐基准振荡器;这是一种LC晶体管振荡器,无论该电路位于晶体管的两个端子之间,如地极和基极。调谐电路可以通过使用电容器和变压器的主线圈来形成。变压器的次级线圈用作反馈。
  • 哈特莱振荡器(Hartley oscillator);这也是一种LC振荡器,其中槽路包括一个电容器和两个电感器。电容并联,电感串联组合成串联组合。这个振荡器是由拉尔夫哈特莱利在1915年制造的。他是一位美国科学家。典型的Hartley振荡器的工作频率范围为20 kHz-20MHz。它可以通过使用FET、 BJT 或运算放大器来识别。
  • Colpitts振荡器;这是另一种振荡器,可以用一个电感器和两个电容器构建储能电路。这些电容器的连接可以串联完成,而电感器可以并联连接到电容器的串联组合。该振荡器由科学家Edwin Colpitts 在1918年制成。Colpitts振荡器的工作频率范围为 20 kHz – MHz。与Hartley振荡器相比,该振荡器具有出色的频率强度。
  • 克拉泼振荡器(Clapp oscillator);该振荡器是对Colpitts 振荡器的改进。在克拉泼振荡器中,一个额外的电容器可以串联连接到储能电路中的电感器。这种电容在变频应用中可以做成不均匀的。这个额外的电容器将剩余的两个电容器与晶体管参数影响(例如结电容)分开,并提高了频率强度。

LC振荡器共振原理

当将恒定电压但频率变化的电压施加到由电感器、电容器和电阻器组成的电路时,电容器/电阻器和电感器/电阻器电路的电抗将改变输出信号的幅度和相位,与由于所用组件的电抗导致的输入信号。

在高频下,电容器的电抗非常低,表现为短路,而电感器的电抗很高,表现为开路。在低频时,情况正好相反,电容器的电抗充当开路,电感器的电抗充当短路。

在这两个极端之间,电感器和电容器的组合产生了一个“调谐”或“谐振”电路,该电路具有一个谐振频率( ƒr ),其中容抗和感抗相等并相互抵消,只剩下电阻为阻止电流流动的电路。这意味着没有相移,因为电流与电压同相。具体可以参考下图的一个电路:

基本LC振荡器谐振电路

该电路由一个感应线圈L和一个电容器C组成。电容器以静电场的形式储存能量,并在其极板上产生电位(静电压),而感应线圈以电磁场的形式储存能量。通过将开关置于位置A,电容器充电至直流电源电压V。当电容器充满电时,开关切换到位置B。

充电的电容器现在并联在感应线圈上,因此电容器开始通过线圈自行放电。随着通过线圈的电流开始上升, C两端的电压开始下降。这种上升的电流在线圈周围建立了一个电磁场,该电磁场抵抗了这种电流的流动。当电容器C完全释放了最初存储在电容器中的能量时,C作为静电场现在存储在感应线圈中,L作为线圈绕组周围的电磁场。

由于现在电路中没有外部电压来维持线圈内的电流,因此随着电磁场开始崩溃,电流开始下降。在线圈中感应出一个反电动势 ( e = -Ldi/dt ),使电流保持在原始方向上流动。该电流以与其原始电荷相反的极性为电容器C充电。C继续充电,直到电流减小到零,线圈的电磁场完全崩溃。

最初通过开关引入电路的能量已返回到电容器,电容器上再次具有静电电压电位,尽管它现在具有相反的极性。电容器现在开始通过线圈再次放电,并重复整个过程。当能量在电容器和电感器之间来回传递时,电压的极性会发生变化,从而产生交流型正弦电压和电流波形。

此过程形成LC振荡器谐振电路的基础,理论上这种来回循环将无限期地继续。理论上是这样的,但每次能量从电容器C传输到电感器L并从L传输回C时,都会发生一些能量损失,随着时间的推移,振荡衰减为零。

如果不是因为电路内的能量损失,这种在电容器C到电感器L之间来回传递能量的振荡作用将无限期地持续下去。电能在直流或电感线圈的实际电阻中、电容器的电介质中以及电路的辐射中丢失,因此振荡稳定地减小,直到它们完全消失并且过程停止。

不过在实际的LC电路中,振荡电压的幅度在每半个振荡周期都会减小,最终会消失到零。然后将振荡称为“阻尼”,阻尼量由电路的质量或Q因子决定。

阻尼振荡

振荡电压的频率取决于LC谐振电路中的电感值和电容值。此外,谐振电路中如果要发生谐振,必须有一个频率点,即XC的值,容抗与X L的值相同。因此,这将相互抵消,只留下电路中的直流电阻来阻止电流流动。

如果将电感器的感抗曲线放在电容器容抗曲线的顶部,使两条曲线位于相同的频率轴上,则交点将为我们提供谐振频率点(  ƒ r或ωr  ) ,如下图所示:

共振频率

其中:ƒ r以赫兹为单位,L以亨利为单位,C以法拉为单位。

通过计算发现,LC振荡器的谐振频率方程公式为:

谐振频率

其中:L是以亨利为单位的电感,C是以法拉为单位的电容,ƒ r是以赫兹为单位的输出频率。

这个等式表明,如果L或C减小,频率就会增加。该输出频率通常以 (  ƒ r  ) 的缩写形式给出,以将其标识为“谐振频率”。

LC振荡器的主要应用

LC振荡器广泛用于产生高频信号,因此这些也被称为射频振荡器。通过使用电容器和电感器的实际值,可能会产生更高的频率范围,例如>500MHz。

另外,LC振荡器的主要应用还包括在广播、电视、高频加热和射频发生器等方面。这种振荡器使用一个谐振电路,其中包括一个电容器“C”和一个电感器“L”。

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