半導體器件 - 振盪器

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振盪器是一種產生正弦波振盪（稱為正弦波振盪器）的電子電路。它將直流電源的輸入能量轉換為特定頻率和已知幅度的週期性波形的交流輸出能量。振盪器的特徵在於它保持其交流輸出。

下圖顯示了一個即使在沒有外加輸入訊號的情況下也能反饋訊號的放大器。正弦波振盪器本質上是一種反饋放大器，其中對電壓增益A_v和反饋網路β提出了特殊的要求。

考慮上圖的反饋放大器，其中反饋電壓V_f = βV_O提供整個輸入電壓

$V_i = V_f = \beta V_0 = A_V\beta V_i$ (1)

$V_i = A_V\beta V_i$ 或 $(1 - A_V\beta)V_i = 0$ (2)

如果要產生輸出電壓，則輸入電壓不能為零。因此，為了使V_i存在，等式（2）要求

$(1 - A_V\beta) = 0$ 或 $A_V\beta = 1$ (3)

等式（3）被稱為“巴克豪森準則”，它說明了振盪的兩個基本要求：

• 放大器和反饋環路周圍的電壓增益（稱為環路增益）必須為單位，或 $A_V\beta = 1$。

• V_i和V_f之間的相移（稱為環路相移）必須為零。

如果滿足這兩個條件，則上圖的反饋放大器將持續產生正弦波輸出波形。

現在讓我們詳細討論一些典型的振盪器電路。

移相振盪器

遵循反饋電路基本原理的振盪器電路是移相振盪器。下圖顯示了一個移相振盪器。振盪的要求是環路增益(βA)應大於單位，輸入和輸出之間的相移應為360^o。

反饋來自RC網路的輸出回到放大器輸入。運算放大器放大器級提供初始180度相移，而RC網路引入額外的相移。在特定頻率下，網路引入的相移正好為180度，因此環路將為360度，反饋電壓與輸入電壓同相。

反饋網路中RC級的最小數量為三個，因為每個部分提供60度的相移。RC振盪器非常適合音訊頻率範圍，從幾個週期到大約100 KHz。在較高頻率下，網路阻抗變得非常低，以至於它可能會嚴重載入放大器，從而將其電壓增益降低到所需的最小值以下，並且振盪將停止。

在低頻下，負載效應通常不是問題，並且所需的大電阻和電容值很容易獲得。使用基本的網路分析，振盪頻率可以表示為

$$f = \frac{1}{2\pi RC \sqrt{6}}$$

維恩電橋振盪器

一個實用的振盪器電路使用運算放大器和RC電橋電路，振盪頻率由R和C元件設定。下圖顯示了維恩電橋振盪器電路的基本版本。

注意基本的電橋連線。電阻器R₁和R₂以及電容器C₁和C₂構成頻率調整元件，而電阻器R₃和R₄構成反饋路徑的一部分。

在這個應用中，電橋的輸入電壓(V_i)是放大器的輸出電壓，電橋的輸出電壓(V_o)反饋到放大器的輸入。忽略運算放大器輸入和輸出阻抗的負載效應，電橋電路的分析結果為

$$ \frac{R_3}{R_4} = \frac{R_1}{R_2} + \frac{C_2}{C_1} $$

和

$$ f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{R_1C_1R_2C_2}} $$

如果R₁ = R₂ = R且C₁ = C₂ = C，則所得振盪頻率為

$$ f_o = \frac{1}{2\pi RC} $$

哈特利振盪器

下圖顯示了哈特利振盪器。它是最常見的射頻電路之一。它通常用作通訊廣播接收機中的本地振盪器。共射極連線中的雙極結型電晶體是電壓放大器，並由由R₁、R₂、R_E組成的通用偏置電路偏置。發射極旁路電容(C_E)增加了這個單電晶體級的電壓增益。

集電極電路中的射頻扼流圈(RFC)在射頻頻率下充當開路，並防止射頻能量進入電源。諧振電路由L₁、L₂和C組成。振盪頻率由L₁、L₂和C的值決定，並由LC諧振電路的諧振頻率決定。此諧振頻率表示為

$$ f_o = \frac{1}{2\pi \sqrt{L_TC}} $$

如果負載很大且振盪頻率不受影響，則可以透過電容耦合從集電極獲取輸出訊號。

壓電性

許多天然晶體物質都表現出壓電特性，其中最重要的物質是石英、羅謝爾鹽和電氣石。當在這些材料上施加正弦波電壓時，它們會以施加的電壓頻率振動。

另一方面，當壓縮這些材料並使其承受機械應力以振動時，它們會產生等效的正弦波電壓。因此，這些材料被稱為壓電晶體。石英是最流行的壓電晶體。

晶體振盪器

晶體振盪器的電路圖如下所示。

此處的晶體充當調諧電路。晶體的等效電路如下所示。

晶體振盪器具有兩個諧振頻率：串聯諧振頻率和並聯諧振頻率。

串聯諧振頻率

$$ f_s = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC}} $$

並聯諧振頻率

$$ f_p = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC_T}} $$

由於C/Cm非常小，這兩個諧振頻率幾乎相同。在上圖中，晶體連線以在並聯諧振模式下工作。

電阻器R₁、R₂、R_E和電晶體一起構成放大器電路。電阻器R₁和R₂提供穩定的直流偏置電壓。電容器(C_E)提供發射極電阻(R_E)的交流旁路，而RFC為振盪器產生的頻率提供高阻抗，以便它們不會進入電源線。

晶體與電容器C₁和C₂並聯，當其阻抗最大時，允許從集電極到發射極的最大電壓反饋。在其他頻率下，晶體阻抗較低，因此產生的反饋太小而無法維持振盪。振盪器頻率穩定在晶體的並聯諧振頻率。