1. 从“信号处理”到“信号创造”为什么我们需要信号产生电路在电子系统里我们经常听到“信号处理”这个词比如放大、滤波、调制解调。但一个更根本的问题是这些被处理的信号最初是从哪里来的无论是你手机里的时钟信号收音机里接收的载波还是实验室里调试用的正弦波、方波它们都不是凭空出现的。这些信号的“源头”就是信号产生电路。如果说信号处理电路是电子系统的“大脑”和“四肢”负责运算和执行那么信号产生电路就是系统的“心脏”它提供着维持系统有序工作的节拍和能量。没有稳定、准确的信号源后续的一切处理都无从谈起系统就会陷入混乱。因此掌握信号产生电路是理解一个完整电子系统如何从无到有运作起来的关键一步也是从“会使用电路”到“会设计电路”的重要跨越。信号产生电路的核心任务是在没有外部输入信号激励的情况下自行产生并输出具有特定频率、波形和幅度的周期性电信号。它利用电路自身的正反馈和选频特性将电路内部的噪声或扰动“放大”并“塑造”成我们需要的规则信号。这就像给一个钟摆一个初始的微小扰动通过其自身的机械结构和重力作用它就能持续、规律地摆动起来。本章我们将深入几种最经典、应用最广泛的信号产生电路不仅弄懂它们怎么工作更要明白为什么这样设计以及在实践中如何让它们稳定、可靠地运行。2. 正弦波振荡器纯净信号的源泉正弦波是电子世界中最基本、最“纯净”的波形它只包含单一频率成分。产生正弦波的电路我们称之为正弦波振荡器。它的设计哲学非常巧妙将一个放大器和一个具有选频特性的反馈网络连接起来构成一个正反馈环路并满足特定的幅度和相位条件电路就能自激产生振荡。2.1 振荡的起振与平衡巴克豪森准则为什么电路能自己“振”起来这需要满足两个核心条件合称为巴克豪森准则。幅度条件环路增益的模值必须大于等于1。即|AF| 1。这里A是放大器的开环增益F是反馈网络的反馈系数。|AF|是信号绕环路一周后的总增益。如果小于1信号每循环一次就衰减一点最终会消失。只有大于等于1信号才能维持甚至增长。相位条件环路的总相移必须是2π的整数倍。即φ_A φ_F 2nπ (n0, 1, 2...)。这保证了反馈回来的信号与放大器输入端的原始信号是同相的形成了正反馈从而不断加强振荡。在实际电路中起振时要求|AF| 1让振荡幅度能够从噪声中建立起来。随着幅度增大放大器会进入非线性区或通过额外的自动增益控制电路其增益A会下降最终在某个幅度下达到|AF| 1的平衡状态输出幅度就此稳定。这个从1到1的过程就是振荡器的稳幅过程。注意很多初学者会混淆“放大”和“振荡”。负反馈放大器追求稳定极力抑制变化而正反馈振荡器恰恰需要利用“不稳定”将微小的扰动培育成稳定的振荡。理解这两种反馈的根本对立是掌握振荡器原理的钥匙。2.2 RC桥式正弦波振荡器低频信号的经典选择当我们需要产生几赫兹到几百千赫兹的相对低频正弦波时LC谐振回路会变得非常笨重电感L很大此时RC桥式振荡器又称文氏电桥振荡器就成了理想选择。它利用RC网络来实现选频。核心原理它的反馈网络是一个RC串并联选频网络。这个网络有一个特性在某个特定频率f0 1/(2πRC)下其反馈系数F达到最大值1/3且相移为0度。如果我们搭配一个电压放大倍数A 3理论上刚好满足AF1相移也为0度的同相放大器就能在频率f0处满足巴克豪森准则产生正弦振荡。电路构成与实操要点 一个典型的RC桥式振荡器包含两部分放大环节通常由集成运放构成同相比例放大器其增益A 1 Rf/R1。为了满足起振条件理论上应使A略大于3。实践中Rf常采用一个具有正温度系数的热敏电阻或普通电阻与二极管稳幅电路结合。起振时热敏电阻阻值小A 3随着振荡幅度增大流过热敏电阻的电流增大使其温度升高、阻值变大从而降低增益A最终自动稳定在A ≈ 3实现稳幅。选频与反馈网络即RC串并联网络。两个R和两个C的值通常相等。振荡频率f0 1/(2πRC)。通过切换不同阻值、容值的电阻电容可以粗调频率范围若使用双联电位器同时调节两个R则可实现频率的连续细调。常见问题与调试经验不起振首先检查电源和运放是否正常工作。然后测量放大倍数是否足够A是否略大于3。如果使用普通电阻而非热敏电阻很可能因增益过大导致输出饱和方波或增益不足无法起振。务必检查反馈网络连接是否正确确保是正反馈。波形失真输出正弦波顶部或底部被削平说明稳幅环节失效放大器进入饱和区。应检查稳幅用热敏电阻或二极管是否损坏或尝试微调Rf/R1的比例减小增益裕量。频率不准理论公式f0 1/(2πRC)是理想情况。实际中运放的输入输出阻抗、RC元件的精度和温漂都会影响频率。对于要求不高的场合选用1%精度的金属膜电阻和涤纶/CBB电容即可。对于高精度需求则需要考虑使用更精确的元件和电路补偿。3. LC正弦波振荡器高频世界的统治者当工作频率进入射频范围几百千赫兹以上RC网络的选频特性变差Q值低而LC并联谐振回路凭借其高Q值、良好的选频特性成为首选。LC振荡器种类繁多其核心都是用LC谐振回路决定振荡频率f0 ≈ 1/(2π√LC)并通过互感或电容分压等方式实现正反馈。3.1 三种经典拓扑考毕兹、哈特莱与西勒电容三点式振荡器考毕兹振荡器电路识别在LC回路中两个电容C1, C2串联其连接点交流接地通过电源或大电容三极管的三个极c, b, e分别接在电感L和两个电容C1、C2的三个端点上。工作原理利用电容C1和C2的分压作为反馈。反馈系数F C1/(C1C2)。振荡频率f0 ≈ 1/(2π√L*C_T)其中C_T是C1、C2的串联值以及电路分布电容的总和。特点与适用由于反馈取自电容对高次谐波阻抗小因此输出波形好谐波成分少。但调整频率时调节L或C会同时改变反馈系数F可能影响起振和波形因此常用于固定频率或窄带可调场合。电感三点式振荡器哈特莱振荡器电路识别在LC回路中电感L带有中间抽头三极管的三个极分别接在电感的两端和抽头上。工作原理利用电感抽头进行分压反馈。反馈系数F约等于抽头两侧电感匝数比。振荡频率f0 ≈ 1/(2π√L*C)其中L是电感的总电感量。特点与适用电路简单易于起振。调节频率方便用一个可变电容并联在回路上即可。但由于反馈取自电感对高次谐波阻抗大因此输出波形较差谐波丰富。常用于对波形纯度要求不高的场合。改进型电容三点式振荡器西勒振荡器与克拉泼振荡器痛点基本考毕兹振荡器中三极管的极间电容Cbe, Cbc, Cce直接并联在谐振电容C1、C2上。这些极间电容会随温度、电压变化导致振荡频率不稳定。克拉泼振荡器在电感L支路中串联一个小电容C0。此时谐振频率主要由L和C0决定f0 ≈ 1/(2π√L*C0)。C1和C2取值远大于C0它们主要起分压反馈作用三极管极间电容的影响被大大减弱。频率稳定性提高但可调范围变窄。西勒振荡器在克拉泼电路基础上再在电感L两端并联一个可变电容Cv。这样频率f0 ≈ 1/(2π√L*(C0Cv))。通过调节Cv可以在较大范围内改变频率同时由于C1、C2很大三极管参数的影响依然较小。西勒电路是实践中应用最广泛的LC振荡器之一尤其在需要频率可调的射频信号源中。3.2 实操中的核心起振条件与频率稳定度起振条件对于三极管LC振荡器起振的幅度条件可归结为三极管的跨导gm必须大于某个最小值gm_min而gm_min由反馈系数F和回路等效负载等决定。设计时要保证静态工作点设置合理使gm足够大。通常可以通过微调偏置电阻或发射极电阻来优化。频率稳定度这是衡量振荡器性能的关键指标。影响频率稳定的因素包括元件参数温漂电感L、电容C的值随温度变化。需选用温度系数小的绕线电感、云母或NP0/C0G材质的电容。有源器件参数变化三极管/场效应管的极间电容、工作点漂移。采用克拉泼、西勒等电路结构可以削弱其影响。负载变化后级电路负载的变动会“拉扯”谐振回路改变其等效Q值和谐振频率。加入缓冲级如射极跟随器、源极跟随器是隔离负载、提高频率稳定性的标准操作。电源电压波动电源纹波会影响有源器件的工作点。需要对电源进行良好的滤波和稳压。在PCB布局时LC谐振回路元件应尽量靠近连线短而粗以减少寄生电感和电容。整个振荡电路部分最好用金属屏蔽罩隔离防止辐射干扰和外界干扰。4. 石英晶体振荡器精度与稳定的终极答案当普通LC振荡器的频率稳定度10^-3~10^-5量级无法满足要求时比如在通信系统、数字时钟中我们就需要石英晶体振荡器。石英晶体是一种压电材料其物理特性决定了它拥有极其稳定且高Q值的谐振特性。4.1 晶体的等效模型与两个谐振点石英晶体可以等效为一个复杂的RLC电路动态电感Lq模拟晶体振动的惯性数值很大毫亨级。动态电容Cq模拟晶体的弹性数值很小0.001pF级。动态电阻Rq模拟振动时的摩擦损耗数值很小几欧到几百欧。静态电容C0电极、支架等形成的寄生电容几皮法。这个等效电路有两个谐振频率串联谐振频率fs当Lq、Cq、Rq支路发生串联谐振时阻抗最小约等于Rq呈纯电阻性。fs 1/(2π√(Lq*Cq))。并联谐振频率fp当整个等效电路发生并联谐振时阻抗最大。fp fs * √(1 Cq/C0)由于Cq C0所以fp仅略高于fs。在fs和fp之间的狭窄频带内晶体呈现感性这是晶体用作振荡器时最常见的工作区域。4.2 晶体振荡器电路皮尔斯振荡器最常用的晶体振荡电路是皮尔斯振荡器它本质上是电容三点式振荡器考毕兹的变种将电感L替换为石英晶体。工作模式电路让晶体工作在其感性区fs与fp之间。此时晶体相当于一个高Q值的电感与外部电容C1、C2构成电容三点式振荡回路。振荡频率由晶体的等效电感和外部电容共同决定但极其接近晶体本身的串联谐振频率fs因为晶体的“牵引”能力极强。负载电容CL这是一个关键概念。它是指从晶体两端向电路看进去的总等效电容对于皮尔斯电路CL ≈ (C1*C2)/(C1C2) C_strayC_stray为分布电容。晶体制造商给出的标称频率通常是在指定负载电容如12pF, 18pF, 20pF下测得的。设计电路时必须使电路的实际负载电容等于晶体要求的负载电容否则输出频率会产生偏差。实操建议C1和C2通常选用相同值的高质量瓷片或云母电容。它们的取值决定了负载电容CL。反馈电阻跨接在放大器输入输出端如反相器两端用于为放大器提供直流偏置使其工作在线性放大区。其值通常在1MΩ到10MΩ之间。驱动电平指晶体消耗的功率。过高的驱动电平会损坏晶体或导致频率长期漂移。应通过串联一个限流电阻或调整C1/C2的比例来控制。一般CMOS反相器构成的振荡电路驱动能力较强需要特别注意。5. 非正弦波产生电路方波、三角波与锯齿波除了纯净的正弦波数字系统、开关电源等领域更需要边沿陡峭的方波、线性变化的三角波和锯齿波。这类电路通常基于滞回比较器施密特触发器和积分电路的组合通过电容的充放电来产生不同的波形。5.1 方波发生器最简单的自激振荡一个运放构成的滞回比较器加上一个RC反馈网络就能产生方波。工作原理假设输出为高电平Vcc它通过电阻R向电容C充电电容电压Uc上升。当Uc上升到比较器的上门限电压Uth时比较器翻转输出变为低电平-Vcc或0V。输出变低后电容C开始通过R放电或反向充电Uc下降。当Uc下降到下门限电压Uth-时比较器再次翻转输出变高。如此周而复始形成振荡。振荡周期计算关键在于计算电容电压在Uth-和Uth之间充放电的时间。对于对称方波输出高低电平时间相等其周期T 2RC * ln[(1β)/(1-β)]其中β是反馈系数由分压电阻决定。若Uth -Uth-则公式可简化为T 2RC * ln(3)当采用特定电阻比例时。实操要点为了获得对称的方波需要保证电容充放电的时间常数一致。这要求运放的正负输出电平幅度对称且充放电回路对称。通常会在输出端加两个背靠背的稳压二极管进行限幅以获得稳定且对称的高低电平。5.2 三角波与锯齿波发生器方波积分的艺术三角波发生器可以看作一个方波发生器加上一个积分器。方波发生器的输出作为积分器的输入。当输入为恒定的正电平时积分器输出线性下降负向斜坡。当输入为恒定的负电平时积分器输出线性上升正向斜坡。将积分器的输出反馈回方波发生器滞回比较器的输入端作为其比较阈值。这样积分器输出的三角波电压达到比较器的上下门限时就会触发比较器翻转从而改变积分器的输入方向形成闭环自激产生三角波。方波和三角波的频率相同。锯齿波发生器的原理与三角波类似但关键在于使电容的充放电时间常数相差巨大。例如利用二极管单向导电性使充电回路经过一个较小的电阻快充放电回路经过一个较大的电阻慢放这样产生的就是上升沿很陡、下降沿很缓的锯齿波。通过交换二极管方向可以得到下降沿陡峭的负向锯齿波。波形质量的关键——积分器的精度运放选择积分器要求运放具有低偏置电流、低失调电压和高开环增益以减小积分误差。FET输入型运放是很好的选择。积分电容应选择漏电流小、介质吸收效应弱的电容如聚丙烯CBB电容或聚苯乙烯电容。电解电容不适合。复位电路在实际应用中为了防止积分器因微小失调而饱和通常需要增加一个并联在积分电容上的大电阻或MOSFET开关作为直流反馈通路提供复位功能。6. 压控振荡器用电压“调频”压控振荡器是一种其输出信号频率随输入控制电压线性变化的振荡器是锁相环、频率调制、电压-频率转换等电路的核心。6.1 压控振荡器的实现思路变容二极管调频的LC/VCO这是最直观的方法。在LC振荡器如西勒电路的谐振回路中用变容二极管替代部分或全部调谐电容。变容二极管的结电容Cj会随其反向偏压Vctrl变化。这样控制电压Vctrl改变Cj从而改变谐振频率f0。这种VCO线性度较好但调频范围受变容二极管电容变化范围限制。张弛振荡器型VCO以方波/三角波发生器为基础。例如在方波发生器中用压控电流源替代固定的充电电阻。控制电压Vctrl决定电流源电流I的大小。电容的充电速度dV/dt I/C因此充放电时间随之改变振荡频率f与I即Vctrl成正比。这种VCO调频范围宽但输出波形相位噪声通常比LC型大。6.2 关键性能指标与选型考量调频线性度输出频率f与控制电压Vctrl的关系曲线是否是一条直线。非线性会引入失真。调频灵敏度Kvco单位控制电压引起的频率变化量单位通常是 MHz/V。它决定了VCO对控制电压的响应速度。调频范围在指定的控制电压范围内输出频率能够变化的最大范围。相位噪声衡量输出信号频谱纯净度的关键指标。在频域上表现为载波两侧的噪声边带。对于通信系统低相位噪声至关重要。LC振荡器特别是采用高Q值谐振腔如介质谐振器、晶体的VCO相位噪声性能优于张弛振荡器。推频效应电源电压变化对输出频率的影响。需要设计稳定的供电电路来抑制。在实际工程中对于高达数百MHz乃至GHz的射频VCO通常直接选用集成的VCO模块或芯片。这些芯片内部集成了振荡电路、变容二极管、缓冲放大器甚至分频器并提供了优化的电源去耦和屏蔽性能远优于自行搭建的分立电路。选型时需仔细阅读数据手册关注其频率范围、调谐电压、相位噪声、功耗和输出功率等参数是否满足系统要求。
从振荡原理到电路实践：详解信号产生电路的设计与应用
发布时间：2026/7/30 14:44:20
1. 从“信号处理”到“信号创造”为什么我们需要信号产生电路在电子系统里我们经常听到“信号处理”这个词比如放大、滤波、调制解调。但一个更根本的问题是这些被处理的信号最初是从哪里来的无论是你手机里的时钟信号收音机里接收的载波还是实验室里调试用的正弦波、方波它们都不是凭空出现的。这些信号的“源头”就是信号产生电路。如果说信号处理电路是电子系统的“大脑”和“四肢”负责运算和执行那么信号产生电路就是系统的“心脏”它提供着维持系统有序工作的节拍和能量。没有稳定、准确的信号源后续的一切处理都无从谈起系统就会陷入混乱。因此掌握信号产生电路是理解一个完整电子系统如何从无到有运作起来的关键一步也是从“会使用电路”到“会设计电路”的重要跨越。信号产生电路的核心任务是在没有外部输入信号激励的情况下自行产生并输出具有特定频率、波形和幅度的周期性电信号。它利用电路自身的正反馈和选频特性将电路内部的噪声或扰动“放大”并“塑造”成我们需要的规则信号。这就像给一个钟摆一个初始的微小扰动通过其自身的机械结构和重力作用它就能持续、规律地摆动起来。本章我们将深入几种最经典、应用最广泛的信号产生电路不仅弄懂它们怎么工作更要明白为什么这样设计以及在实践中如何让它们稳定、可靠地运行。2. 正弦波振荡器纯净信号的源泉正弦波是电子世界中最基本、最“纯净”的波形它只包含单一频率成分。产生正弦波的电路我们称之为正弦波振荡器。它的设计哲学非常巧妙将一个放大器和一个具有选频特性的反馈网络连接起来构成一个正反馈环路并满足特定的幅度和相位条件电路就能自激产生振荡。2.1 振荡的起振与平衡巴克豪森准则为什么电路能自己“振”起来这需要满足两个核心条件合称为巴克豪森准则。幅度条件环路增益的模值必须大于等于1。即|AF| 1。这里A是放大器的开环增益F是反馈网络的反馈系数。|AF|是信号绕环路一周后的总增益。如果小于1信号每循环一次就衰减一点最终会消失。只有大于等于1信号才能维持甚至增长。相位条件环路的总相移必须是2π的整数倍。即φ_A φ_F 2nπ (n0, 1, 2...)。这保证了反馈回来的信号与放大器输入端的原始信号是同相的形成了正反馈从而不断加强振荡。在实际电路中起振时要求|AF| 1让振荡幅度能够从噪声中建立起来。随着幅度增大放大器会进入非线性区或通过额外的自动增益控制电路其增益A会下降最终在某个幅度下达到|AF| 1的平衡状态输出幅度就此稳定。这个从1到1的过程就是振荡器的稳幅过程。注意很多初学者会混淆“放大”和“振荡”。负反馈放大器追求稳定极力抑制变化而正反馈振荡器恰恰需要利用“不稳定”将微小的扰动培育成稳定的振荡。理解这两种反馈的根本对立是掌握振荡器原理的钥匙。2.2 RC桥式正弦波振荡器低频信号的经典选择当我们需要产生几赫兹到几百千赫兹的相对低频正弦波时LC谐振回路会变得非常笨重电感L很大此时RC桥式振荡器又称文氏电桥振荡器就成了理想选择。它利用RC网络来实现选频。核心原理它的反馈网络是一个RC串并联选频网络。这个网络有一个特性在某个特定频率f0 1/(2πRC)下其反馈系数F达到最大值1/3且相移为0度。如果我们搭配一个电压放大倍数A 3理论上刚好满足AF1相移也为0度的同相放大器就能在频率f0处满足巴克豪森准则产生正弦振荡。电路构成与实操要点 一个典型的RC桥式振荡器包含两部分放大环节通常由集成运放构成同相比例放大器其增益A 1 Rf/R1。为了满足起振条件理论上应使A略大于3。实践中Rf常采用一个具有正温度系数的热敏电阻或普通电阻与二极管稳幅电路结合。起振时热敏电阻阻值小A 3随着振荡幅度增大流过热敏电阻的电流增大使其温度升高、阻值变大从而降低增益A最终自动稳定在A ≈ 3实现稳幅。选频与反馈网络即RC串并联网络。两个R和两个C的值通常相等。振荡频率f0 1/(2πRC)。通过切换不同阻值、容值的电阻电容可以粗调频率范围若使用双联电位器同时调节两个R则可实现频率的连续细调。常见问题与调试经验不起振首先检查电源和运放是否正常工作。然后测量放大倍数是否足够A是否略大于3。如果使用普通电阻而非热敏电阻很可能因增益过大导致输出饱和方波或增益不足无法起振。务必检查反馈网络连接是否正确确保是正反馈。波形失真输出正弦波顶部或底部被削平说明稳幅环节失效放大器进入饱和区。应检查稳幅用热敏电阻或二极管是否损坏或尝试微调Rf/R1的比例减小增益裕量。频率不准理论公式f0 1/(2πRC)是理想情况。实际中运放的输入输出阻抗、RC元件的精度和温漂都会影响频率。对于要求不高的场合选用1%精度的金属膜电阻和涤纶/CBB电容即可。对于高精度需求则需要考虑使用更精确的元件和电路补偿。3. LC正弦波振荡器高频世界的统治者当工作频率进入射频范围几百千赫兹以上RC网络的选频特性变差Q值低而LC并联谐振回路凭借其高Q值、良好的选频特性成为首选。LC振荡器种类繁多其核心都是用LC谐振回路决定振荡频率f0 ≈ 1/(2π√LC)并通过互感或电容分压等方式实现正反馈。3.1 三种经典拓扑考毕兹、哈特莱与西勒电容三点式振荡器考毕兹振荡器电路识别在LC回路中两个电容C1, C2串联其连接点交流接地通过电源或大电容三极管的三个极c, b, e分别接在电感L和两个电容C1、C2的三个端点上。工作原理利用电容C1和C2的分压作为反馈。反馈系数F C1/(C1C2)。振荡频率f0 ≈ 1/(2π√L*C_T)其中C_T是C1、C2的串联值以及电路分布电容的总和。特点与适用由于反馈取自电容对高次谐波阻抗小因此输出波形好谐波成分少。但调整频率时调节L或C会同时改变反馈系数F可能影响起振和波形因此常用于固定频率或窄带可调场合。电感三点式振荡器哈特莱振荡器电路识别在LC回路中电感L带有中间抽头三极管的三个极分别接在电感的两端和抽头上。工作原理利用电感抽头进行分压反馈。反馈系数F约等于抽头两侧电感匝数比。振荡频率f0 ≈ 1/(2π√L*C)其中L是电感的总电感量。特点与适用电路简单易于起振。调节频率方便用一个可变电容并联在回路上即可。但由于反馈取自电感对高次谐波阻抗大因此输出波形较差谐波丰富。常用于对波形纯度要求不高的场合。改进型电容三点式振荡器西勒振荡器与克拉泼振荡器痛点基本考毕兹振荡器中三极管的极间电容Cbe, Cbc, Cce直接并联在谐振电容C1、C2上。这些极间电容会随温度、电压变化导致振荡频率不稳定。克拉泼振荡器在电感L支路中串联一个小电容C0。此时谐振频率主要由L和C0决定f0 ≈ 1/(2π√L*C0)。C1和C2取值远大于C0它们主要起分压反馈作用三极管极间电容的影响被大大减弱。频率稳定性提高但可调范围变窄。西勒振荡器在克拉泼电路基础上再在电感L两端并联一个可变电容Cv。这样频率f0 ≈ 1/(2π√L*(C0Cv))。通过调节Cv可以在较大范围内改变频率同时由于C1、C2很大三极管参数的影响依然较小。西勒电路是实践中应用最广泛的LC振荡器之一尤其在需要频率可调的射频信号源中。3.2 实操中的核心起振条件与频率稳定度起振条件对于三极管LC振荡器起振的幅度条件可归结为三极管的跨导gm必须大于某个最小值gm_min而gm_min由反馈系数F和回路等效负载等决定。设计时要保证静态工作点设置合理使gm足够大。通常可以通过微调偏置电阻或发射极电阻来优化。频率稳定度这是衡量振荡器性能的关键指标。影响频率稳定的因素包括元件参数温漂电感L、电容C的值随温度变化。需选用温度系数小的绕线电感、云母或NP0/C0G材质的电容。有源器件参数变化三极管/场效应管的极间电容、工作点漂移。采用克拉泼、西勒等电路结构可以削弱其影响。负载变化后级电路负载的变动会“拉扯”谐振回路改变其等效Q值和谐振频率。加入缓冲级如射极跟随器、源极跟随器是隔离负载、提高频率稳定性的标准操作。电源电压波动电源纹波会影响有源器件的工作点。需要对电源进行良好的滤波和稳压。在PCB布局时LC谐振回路元件应尽量靠近连线短而粗以减少寄生电感和电容。整个振荡电路部分最好用金属屏蔽罩隔离防止辐射干扰和外界干扰。4. 石英晶体振荡器精度与稳定的终极答案当普通LC振荡器的频率稳定度10^-3~10^-5量级无法满足要求时比如在通信系统、数字时钟中我们就需要石英晶体振荡器。石英晶体是一种压电材料其物理特性决定了它拥有极其稳定且高Q值的谐振特性。4.1 晶体的等效模型与两个谐振点石英晶体可以等效为一个复杂的RLC电路动态电感Lq模拟晶体振动的惯性数值很大毫亨级。动态电容Cq模拟晶体的弹性数值很小0.001pF级。动态电阻Rq模拟振动时的摩擦损耗数值很小几欧到几百欧。静态电容C0电极、支架等形成的寄生电容几皮法。这个等效电路有两个谐振频率串联谐振频率fs当Lq、Cq、Rq支路发生串联谐振时阻抗最小约等于Rq呈纯电阻性。fs 1/(2π√(Lq*Cq))。并联谐振频率fp当整个等效电路发生并联谐振时阻抗最大。fp fs * √(1 Cq/C0)由于Cq C0所以fp仅略高于fs。在fs和fp之间的狭窄频带内晶体呈现感性这是晶体用作振荡器时最常见的工作区域。4.2 晶体振荡器电路皮尔斯振荡器最常用的晶体振荡电路是皮尔斯振荡器它本质上是电容三点式振荡器考毕兹的变种将电感L替换为石英晶体。工作模式电路让晶体工作在其感性区fs与fp之间。此时晶体相当于一个高Q值的电感与外部电容C1、C2构成电容三点式振荡回路。振荡频率由晶体的等效电感和外部电容共同决定但极其接近晶体本身的串联谐振频率fs因为晶体的“牵引”能力极强。负载电容CL这是一个关键概念。它是指从晶体两端向电路看进去的总等效电容对于皮尔斯电路CL ≈ (C1*C2)/(C1C2) C_strayC_stray为分布电容。晶体制造商给出的标称频率通常是在指定负载电容如12pF, 18pF, 20pF下测得的。设计电路时必须使电路的实际负载电容等于晶体要求的负载电容否则输出频率会产生偏差。实操建议C1和C2通常选用相同值的高质量瓷片或云母电容。它们的取值决定了负载电容CL。反馈电阻跨接在放大器输入输出端如反相器两端用于为放大器提供直流偏置使其工作在线性放大区。其值通常在1MΩ到10MΩ之间。驱动电平指晶体消耗的功率。过高的驱动电平会损坏晶体或导致频率长期漂移。应通过串联一个限流电阻或调整C1/C2的比例来控制。一般CMOS反相器构成的振荡电路驱动能力较强需要特别注意。5. 非正弦波产生电路方波、三角波与锯齿波除了纯净的正弦波数字系统、开关电源等领域更需要边沿陡峭的方波、线性变化的三角波和锯齿波。这类电路通常基于滞回比较器施密特触发器和积分电路的组合通过电容的充放电来产生不同的波形。5.1 方波发生器最简单的自激振荡一个运放构成的滞回比较器加上一个RC反馈网络就能产生方波。工作原理假设输出为高电平Vcc它通过电阻R向电容C充电电容电压Uc上升。当Uc上升到比较器的上门限电压Uth时比较器翻转输出变为低电平-Vcc或0V。输出变低后电容C开始通过R放电或反向充电Uc下降。当Uc下降到下门限电压Uth-时比较器再次翻转输出变高。如此周而复始形成振荡。振荡周期计算关键在于计算电容电压在Uth-和Uth之间充放电的时间。对于对称方波输出高低电平时间相等其周期T 2RC * ln[(1β)/(1-β)]其中β是反馈系数由分压电阻决定。若Uth -Uth-则公式可简化为T 2RC * ln(3)当采用特定电阻比例时。实操要点为了获得对称的方波需要保证电容充放电的时间常数一致。这要求运放的正负输出电平幅度对称且充放电回路对称。通常会在输出端加两个背靠背的稳压二极管进行限幅以获得稳定且对称的高低电平。5.2 三角波与锯齿波发生器方波积分的艺术三角波发生器可以看作一个方波发生器加上一个积分器。方波发生器的输出作为积分器的输入。当输入为恒定的正电平时积分器输出线性下降负向斜坡。当输入为恒定的负电平时积分器输出线性上升正向斜坡。将积分器的输出反馈回方波发生器滞回比较器的输入端作为其比较阈值。这样积分器输出的三角波电压达到比较器的上下门限时就会触发比较器翻转从而改变积分器的输入方向形成闭环自激产生三角波。方波和三角波的频率相同。锯齿波发生器的原理与三角波类似但关键在于使电容的充放电时间常数相差巨大。例如利用二极管单向导电性使充电回路经过一个较小的电阻快充放电回路经过一个较大的电阻慢放这样产生的就是上升沿很陡、下降沿很缓的锯齿波。通过交换二极管方向可以得到下降沿陡峭的负向锯齿波。波形质量的关键——积分器的精度运放选择积分器要求运放具有低偏置电流、低失调电压和高开环增益以减小积分误差。FET输入型运放是很好的选择。积分电容应选择漏电流小、介质吸收效应弱的电容如聚丙烯CBB电容或聚苯乙烯电容。电解电容不适合。复位电路在实际应用中为了防止积分器因微小失调而饱和通常需要增加一个并联在积分电容上的大电阻或MOSFET开关作为直流反馈通路提供复位功能。6. 压控振荡器用电压“调频”压控振荡器是一种其输出信号频率随输入控制电压线性变化的振荡器是锁相环、频率调制、电压-频率转换等电路的核心。6.1 压控振荡器的实现思路变容二极管调频的LC/VCO这是最直观的方法。在LC振荡器如西勒电路的谐振回路中用变容二极管替代部分或全部调谐电容。变容二极管的结电容Cj会随其反向偏压Vctrl变化。这样控制电压Vctrl改变Cj从而改变谐振频率f0。这种VCO线性度较好但调频范围受变容二极管电容变化范围限制。张弛振荡器型VCO以方波/三角波发生器为基础。例如在方波发生器中用压控电流源替代固定的充电电阻。控制电压Vctrl决定电流源电流I的大小。电容的充电速度dV/dt I/C因此充放电时间随之改变振荡频率f与I即Vctrl成正比。这种VCO调频范围宽但输出波形相位噪声通常比LC型大。6.2 关键性能指标与选型考量调频线性度输出频率f与控制电压Vctrl的关系曲线是否是一条直线。非线性会引入失真。调频灵敏度Kvco单位控制电压引起的频率变化量单位通常是 MHz/V。它决定了VCO对控制电压的响应速度。调频范围在指定的控制电压范围内输出频率能够变化的最大范围。相位噪声衡量输出信号频谱纯净度的关键指标。在频域上表现为载波两侧的噪声边带。对于通信系统低相位噪声至关重要。LC振荡器特别是采用高Q值谐振腔如介质谐振器、晶体的VCO相位噪声性能优于张弛振荡器。推频效应电源电压变化对输出频率的影响。需要设计稳定的供电电路来抑制。在实际工程中对于高达数百MHz乃至GHz的射频VCO通常直接选用集成的VCO模块或芯片。这些芯片内部集成了振荡电路、变容二极管、缓冲放大器甚至分频器并提供了优化的电源去耦和屏蔽性能远优于自行搭建的分立电路。选型时需仔细阅读数据手册关注其频率范围、调谐电压、相位噪声、功耗和输出功率等参数是否满足系统要求。
