来自 hg平台 2018-08-13 15:23 的文章

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。