多諧波振盪器是什麼?有典型電路嗎?

電子工程學習圈 發佈 2024-05-09T04:14:20.287295+00:00

多諧波振盪器廣義地講,凡是輸出信號含有豐富諧波成分的自激振盪都可以稱為多諧波振盪器。在實際應用中,往往將輸出信號為方波的振盪器稱為多諧振盪器,這是因為方波經過傅立葉變換後可以發現有無窮多個正弦波成分。




多諧波振盪器



廣義地講,凡是輸出信號含有豐富諧波成分的自激振盪都可以稱為多諧波振盪器。在實際應用中,往往將輸出信號為方波的振盪器稱為多諧振盪器,這是因為方波經過傅立葉變換後可以發現有無窮多個正弦波成分。

在振盪電路設計中,需要使用非線性有源器件及設置足夠大的正反饋係數,使電路在「截止」與「飽和」兩種狀態之間發生振盪。




雙BJT組成的50%DUTY_CYCLE多諧波振盪器




將兩級BJT組成的單管反相放大器首尾相接的方法,組成一個占空比為50%的方波振盪器。可以作用於對定時要求不嚴格的脈衝或時鐘源,如下圖所示:

兩級BJT組成的占空比為50%的方波振盪器

如上圖所示,因電容器C1、C2的存在,頻率越高的分量相移越小,正反饋越強。迴路的工作頻率受限於BJT的共發射極截止頻率。將電路兩邊的器件值對稱選擇,可以輸出50%的方波。

下面分析一下電路原理:假設某時刻,上圖中TR2的集電極電位因電路熱噪聲的擾動而上升,那麼這個電位變化會立即通過電容器C2的耦合而使得TR1的集電極電位同時下降,TR1的集電極電位下降又將耦合到TR2的基極,使得TR2基極電位下降,那麼TR2的集電極電位上升速度會進一步增加。

因反饋環路無選頻特性,正反饋會使TR2迅速進入截止區,TR1同時進入飽和導通區。進入飽和或截止的時間取決於BJT器件CE的截止頻率。

在(截止/飽和)過程中,C1通過TR1的C、E極、Rb2以及電源組成的迴路放電;C2通過電源、RC2、TR1的BE結組成的迴路充電。

一段時間後RC2、C2、TR-BE結電源充電迴路達到最大值,C2中的電流變成零,TR1的集電極電位開始上升,迅速截止,TR2迅速進入飽和。此過程不斷重複形成了周期震盪。

因電路在結構上對稱,在任何一個BJT的集電極上都可以輸出方波信號,但輸出信號反相。輸出信號沿的反轉速度取決於BJT本身的共發射極截止頻率,在忽略BJT進入飽和截止時的載流子渡越時間的情況下,選用高截止頻率的BJT,那麼輸出的方波周期近似2RC。若輸出信號沿的速度不夠快,可以在後級增加施密特整型電路進行緩衝輸出。




將非門用做放大器組成的多諧振盪器




若將一個非門的輸入輸出端通過電阻連接,那麼因負反饋作用,非門的輸入端將會被偏置在非門的翻轉電壓上,此時的非門變成了一個反向放大器。類似於上面介紹的BJT多諧振盪器,通過電容器將這兩個非門反向放大器首尾相接,同樣可以組成多諧振盪器,如下圖所示:

非門組成多諧振盪器

在器件值對稱的條件下,可以粗算出此多諧振盪器的輸出信號周期是Tocs=0.44RC,占空比為50%。電路可以用於對精度要求不高的脈衝源。若要求一定頻率,可以用石英晶體代替兩個電容器中的一個,此時電路工作在有選頻網絡條件下,工作頻率為晶體標稱頻率,輸出波形為正弦波。




以運算放大器電路組建的多諧振盪器




將運算放大器接成正反饋形式,也可以組建多諧振盪器,如下圖所示:

運算放大器組件多諧振盪器之一

藉助於三要素法則可以算出振盪周期為2RC*Ln(1+2R2/R1),R1、R2若選取合適的阻值,使反饋係數F=0.47,那麼振盪周期可以簡化為T=2RC。

此電路特點:

1.改變R2或者R都可以改變振盪頻率;

2.振盪周期與輸出幅度沒有關係,振盪頻率的穩定性僅取決於電容器和穩壓管的器件穩定性;

3.占空比50%。

在積分網絡R內串二極體,還可以組成占空比可變的多諧振盪器:

運算放大器組建的多諧振盪器之二

因C的充放電迴路不對稱,導致占空比可通過Ra、Rb來設置:

Tpa=Ra*C*Ln(1+2R2/R1)

Tpb=Rb*C*Ln(1+2R2/R1)

f=1/(Tpa+Tpb)=1/[(Ra+Rb)*C*Ln(1+2R2/R2)]


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