稳定振幅的LC振荡器

很多应用中都要用到宽范围可 调的 LC 振荡器，它能够在电路输出负载变化时提供近似恒定的频率、几乎无谐波的输出。从设计观点看，省去感性或容性 LC 电路抽头以及省掉与频率确定电路中的变压器耦合可以简化制造与生产过程，就像将调谐 LC 电路一侧接地一样。这些需求形成了一种可自动和有效地进行内部环路增益调整的电路，它是振荡的基本原则。另外，电路必须提供足够的增益才能使低阻抗的 LC 电路起振，并调整振荡的幅度，以提高频率稳定性，减小 THD（总谐波失真）。 　　设计师尝试用许多电路拓扑来实现这些设计目标，有些还是非常复杂的，但有一种有源器件的基本特性能够帮助设计师从一个简单振荡电路那里获得可接受的性能。图 1 显示的是一个基本 LC 振荡器配置。放大器作为一个非反相的压控电流源运行。LC 电路将放大器的输出电流 IOUT 转换为电压 VIN，并将其加到放大器的输入端。公式 1 示出了振荡的有效条件： 　　在此公式中，AO 代表总电压放大率，RD 表示 LC 电路在谐振频率处的动态电阻。在实际电路中，RD 的值依赖于 LC 电路的特性，因此可以在一个宽的范围内作选择。另外，公式 1 亦假设为一个理想放大器，即其特性与频率无关。 　　从图 1 和公式 1 可以看到存在的基本设计问题：如果电路在宽频率范围内的运行需要使用具有宽变化范围的RD值的多个 LC 电路，则放大器的特性也必须能在宽范围内调整。你可以调整放大率来满足最差 LC 电路对增益的限制条件，而在过驱动条件下依靠器件的非线性来降低放大倍数。但是，过驱动放大器的输入、输出差分电阻可以降低到只有最理想高阻值的一小部分。其次，大量非线性失真会损害频率的稳定性。另外，这些影响在很大程度上取决于放大器的电源电压，如果供电电压随负载变化，也会造成频率稳定性的恶化。 　　在图1所示放大器框中不同的振荡电路使用了不同的设计。常见的共射或共源晶体管级有两个严重的缺点：首先，它是一个反相放大器；其次，其输出不是一个好的电流源，特别是当严重过驱动时。避免这些问题的办法包括采用变压器耦合或在 LC 电路上提供阻抗匹配的抽头，两种方法都会使设计复杂化，而且也只能解决部分问题。 　　图 2 所示是另一种振荡器拓扑，它采用两只级联的非反相放大器，A1 和 A2，作为电压-电流变换器（压控电流源）。在电路中，耦合电阻器 RS 将放大器 A1 的输出电流 IIN 变换为电压 VIN，并驱动第二级 A2。调谐电路的动态电阻将 A2 的输出电流变换为输出电压 V22，并将其反馈至 A1 的输入端，完成正反馈回路。公式 2 是总环路放大率 ATOTAL： 　　式中，RD=QωL，RD是谐振频率为 ω 时 LC 电路的动态电阻，Q 是 LC 电路的品质因数，A1 和 A2 分别是两个放大级的等效电压放大率，而 |y21S1| 和 |y21S2| 则是两个放大级差分正向转移导纳的实数部分。对于自振荡，公式 1 的基本条件 ATOTAL > 1 必须适用于 LC 电路动态电阻 RD 的所有取值。理论上，这一条件没有问题，但实际应用中却会出现电路必须在下列条件运行的情况：电感和电容大范围可调的 LC 振荡器；大范围的调谐电路品质因数 Q（主要由电感确定）；条件 A 与 B 任意组合下的恒定振幅输出；以及最可能的频率稳定度与供电电压、负载的关系。 　　多数 LC 振荡器电路都不能完全满足这些要求。一些振荡器电路可以顺序地满足一些要求，但没有一种可以在电路复杂性不超过合理限度下满足所有要求。图 3 电路从 V22 获得一个外部 DC 控制信号，控制电压—电流的变换效率，即 A1 和 A2 的放大系数。为两个放大级增加放大控制可以显著提高控制的效率。除了起振和持续振荡的初始正反馈以外，可以在振荡电路中增加一个间接负反馈通道，以限制 V22 的幅度。为满足最初的设计目标，放大器块 A1 和 A2 应呈现出压控输入-输出特性，并应具备线性控制的放大特性（图 4），而不应变换信号的相位，而且应该几乎没有输入电流。另外，为仿真一个电流源，A2 应呈现尽可能高的差分输出内阻。 　　适用于两个放大级的最佳有源器件选定为N沟道的中级BF245B JFET，该器件在栅源电压为0V、漏源电压为15V时，其漏电流为5mA。图5显示了最终电路，其中Q2作为共漏放大器A2，Q1则是共栅放大器A1。 　　Q1的栅源结点对调谐电路上的交流电压V22进行整流。图5中的耦合电容器C4是图3中直流恒压电容器CS的两倍，因为它的基电极通过调谐线圈 L 的低直流阻抗接地。DC控制电压通过电阻器R2驱动Q2的栅极。电容器C2将Q2的栅极接地，提供交流信号通道，而Q2工作在共栅连接下，因为Q1的源极驱动Q2的源极。为减少由于负载变动导致的频率变化，与 Q1 漏极串联的一只相对较小阻值的电阻器 R4，将输出与电路的频率确定元件隔离开来。另外，L 和 C 的一个引脚接地。 　　图 6a 和 6b 的波形显示，即使 L 和 C 的取值相差较多时，调谐电路上的电压也没有产生明显的变化。在 8V 至 30V 的供电电压范围内，调谐电路上的电压保持在 3% 的恒定。即使当频率低至5kHz或高至50MHz时，输出电压也保持有相同或更好的振幅稳定性（图 6c）。而且除L和C以外，无需调整任何无源元件值。减少R4的值会产生更小的输出电压，从而进一步减小了工作频率上负载变化的影响。 　　在地电势下，VOUT平坦部分，即顶部的 DC 电平复位，由于负供电电压的原因，波形为负值。由于自动增益控制的作用，波形保持着明显的一致性，而与频率无关，在 25 MHz 以上频率时有些微的圆形拐角，主要原因是杂散电容引起的。只有 LC 电路的非接地端才产生一个完美的正弦波。由于两只晶体管主要工作在 B 类方式，其电压和电流波形都有截止失真，当供电电压升高时，工作状态向 C 类转化。你可以从 LC 电路中直接提取出正弦波，但负载阻抗的变化会影响工作频率。 　　另一方面，控制两只晶体管增益的负直流反馈可以防止调谐电路上负载阻抗的大范围变化对振幅造成重大影响，除非 LC 电路的 Q 值降到非常低。另外还可以增加一个缓冲级，并从 LC 电路提取一个真正的正弦波，付出的代价是增加了复杂性和元件数量。但该电路原本是用于雷达标记发生器，此时，恒定的输出振幅要比波形重要得多。