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    振蕩器電路, 頻率穩定性與巴克豪森振蕩準則

    振蕩器電路為數字電路的芯片提供時鐘信號,因此不但需要產生芯片所需時鐘信號,還需要保持穩定的無阻尼振蕩(Undamped oscillations)狀態。

    • 實用振蕩器電路

    實用振蕩器電路由一個振蕩電路、一個晶體管放大器和一個反饋電路組成。以下電路圖顯示了實際振蕩器的排列方式。

    振蕩器電路, 頻率穩定性與巴克豪森振蕩準則

    振蕩電路 – 振蕩電路由與電容器C并聯的電感L一起組成(The tank circuit consists of an inductance L connected in parallel with capacitor C.)。這兩個分量的值決定了振蕩器電路的頻率,因此這被稱為頻率確定電路(Frequency determining circuit)。

    晶體管放大器 – 振蕩電路的輸出連接到放大器電路,以便振蕩電路產生的振蕩在這里被放大。因此,這些振蕩的輸出由放大器增加。
    反饋電路 ? 反饋電路的功能是將部分輸出能量以適當的相位傳輸到LC電路。該反饋在振蕩器中為正,而在放大器中為負。

    • 振蕩器的頻率穩定性

    振蕩器的頻率穩定性是衡量其在較長時間間隔內保持恒定頻率的能力的指標。當工作時間較長時,振蕩器頻率可能會通過增加或減少而偏離先前的設定值。

    振蕩器頻率的變化可能由以下因素造成:

    1、有源器件的工作點應位于放大器的線性區域。其偏差將影響振蕩器頻率。

    2、電路元件性能的溫度依賴性會影響振蕩器頻率。

    3、施加在有源器件上的直流電源電壓的變化,使振蕩器的頻率發生變化。如果使用穩壓電源,則可以避免這種情況。

    4、輸出負載的變化可能導致諧振電路的Q品質因子發生變化,從而導致振蕩器輸出頻率的變化。

    5、電子元件間電容和雜散電容的存在會影響振蕩器輸出頻率,從而影響頻率穩定性。

     

    • 巴克豪森準則(The Barkhausen Criterion)

    憑借我們迄今為止的知識,我們了解到實用的振蕩器電路由諧振電路,晶體管放大器電路和反饋電路組成。所以,現在讓我們試著梳理一下反饋放大器的概念,得出反饋放大器的增益。

    反饋放大器原理(Feedback Amplifier)

    反饋放大器通常由兩部分組成:放大器和反饋電路。反饋電路通常由電阻器組成。反饋放大器的概念可以從下圖中理解。

    振蕩器電路, 頻率穩定性與巴克豪森振蕩準則

    從上圖中可以看出,放大器的增益表示為A。放大器的增益是輸出電壓Vo與輸入電壓Vi的比值。反饋網絡從放大器的輸出Vo中獲取(extract)電壓Vf = β Vo。

    該電壓為正反饋時相加(從信號電壓 Vs中),負反饋時減去(從信號電壓 Vs中)。

    因此,為了獲得積極的反饋,

    Vi = Vs Vf = Vs β Vo

    β = Vf\/Vo的量稱為反饋比或反饋分數。

    輸出 Vo 必須等于輸入電壓(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}

    設Af為放大器的總增益(帶反饋的增益)。這被定義為輸出電壓Vo與施加的信號電壓V的比值,即:

    A_f = \\frac{Output \\:電壓}{輸入 \\: Signal \\:電壓} = \\frac{V_o}{V_s}

    從以上兩個等式中,我們可以理解,具有正反饋的反饋放大器的增益方程由下式給出

    A_f = \\frac{A}{1 – A\\beta}

    其中Aβ是反饋因子或環路增益。

    如果 Aβ = 1,Af = ∞。因此,增益變得無窮大,即沒有任何輸入的輸出。換句話說,放大器用作振蕩器。

    條件Aβ = 1被稱為巴克豪森振蕩準則。

    在振蕩器的概念中,這是一個非常重要的因素,需要始終牢記在心。

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