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振蕩器電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
振蕩器電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

電路形式的選擇

實(shí)際設(shè)計(jì)中首先分析振蕩器工作的頻率，根據(jù)其頻率值決定選取 LC 振蕩器或是 RC 振蕩器或是負(fù)阻振蕩器或其它形式等。再者根據(jù)

對(duì)輸出頻率的穩(wěn)定度決定采用振蕩電路的形式，如 clapper 、 ciller 、晶體諧振器、溫補(bǔ)晶體等等。具體情況具體對(duì)待。文中對(duì)于 Rc 振蕩器僅僅例舉了最常用的文氏橋電路。 RC 振蕩器種類(lèi)很多，總的說(shuō)來(lái)屬于反饋振蕩器。利用 RC 器件對(duì)相位的控制，以及與運(yùn)放相結(jié)合，可以組合出多種形式的振蕩器以及輸出多種波形。

3 . 2 . 3 . 2 有源器件的選取

從原則上講來(lái)，有放大能力的有源器件，以及運(yùn)放都可以用來(lái)組成振蕩器。選擇的依據(jù)以工作頻率為主。一般說(shuō)來(lái)單管振蕩器的振蕩

頻率比運(yùn)放組成的振蕩器工作頻率高得多。當(dāng)使用單管組成振蕩器時(shí)，管子的特征頻率 Ft>(2~10)f0 , f0 是工作頻率。使用運(yùn)放時(shí)，運(yùn)放的增益帶寬積 BW 應(yīng)該大于兩倍的工作頻率。當(dāng)所需輸出頻率在幾 KHz 以下時(shí)往往采用運(yùn)放比較合適，輸出頻率在幾 MHz 和幾十 MHz 以上時(shí)采用單管振蕩器比較合適，當(dāng)輸出頻率在幾十 GHz 時(shí)采用負(fù)阻振蕩器比較合適，此時(shí)的振蕩回路往往采用微波諧振腔。

3 . 2 . 4 振蕩器調(diào)試時(shí)的注意點(diǎn)

振蕩器調(diào)試的主要內(nèi)容是振蕩頻率、輸出波形、振幅、穩(wěn)定度等。它們之間往往相互影響，調(diào)試時(shí)必須有清晰的振蕩器原理，在理論

指導(dǎo)下全局考慮。如：振幅大時(shí)輸出波形失真也會(huì)比較大，當(dāng)這兩個(gè)指標(biāo)互相矛盾時(shí)調(diào)節(jié)方向就應(yīng)該轉(zhuǎn)移到減小反饋系數(shù)或改變反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決。對(duì)于工作于高頻段的振蕩器，在調(diào)試時(shí)還應(yīng)該特別注意儀器和環(huán)境對(duì)振蕩回路的影響。測(cè)試儀器的探頭輸入電容將改變回路特性，影響振蕩頻率以及反饋系數(shù)，必要時(shí)可以考慮用串聯(lián)小電容以及采用高阻探頭來(lái)解決。

3 . 2 . 4 . 1 寄生振蕩的產(chǎn)生原因與消除

寄生振蕩指非符合設(shè)計(jì)目的而出現(xiàn)的，因電路的寄生參數(shù)而形成的正反饋而發(fā)生的電路的一種異常振蕩狀態(tài)。寄生振蕩可以在任何有

源電路中發(fā)生，電路中一旦發(fā)生了寄生振蕩，就會(huì)影響電路的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電路的設(shè)計(jì)功能完全失效。

3 . 2 . 4 . 2 共用電源內(nèi)阻藕合振蕩

回路共用電源的幾種形式：

1.不經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的整流供電；

2.經(jīng)過(guò)線(xiàn)性穩(wěn)壓后供電；

3.整流或者穩(wěn)壓后經(jīng)過(guò) LC 或者 RC 去藕濾波給前級(jí)電路供電。

直接由線(xiàn)性穩(wěn)壓電路作為總供電電源時(shí)，“電源”具有很低的低頻內(nèi)阻，電路出現(xiàn)低頻寄生藕合的機(jī)會(huì)比較少。若為去除回路間高頻

藕合而采用了不合適的 RC 或者 LC 濾波器，那么有可能產(chǎn)生比較大的低頻藕合。因?yàn)樵诘皖l頻率上，電容器的阻抗增加，去藕濾波器的去藕作用減弱。后級(jí)電路的工作電流在電源內(nèi)阻上產(chǎn)生壓降，經(jīng)過(guò)去藕濾波器藕合到電路前級(jí)，同時(shí)還附加一定的相移。如果各級(jí)電路不是直接藕合，那么經(jīng)由電源系統(tǒng)的藕合電路還將產(chǎn)生附加相移。這樣，再加上供電電路固有的內(nèi)部反饋環(huán)路，有可能使電路滿(mǎn)足振蕩條件而發(fā)生 IHz 以下的超低頻寄生振蕩。消除這種有害現(xiàn)象的方法是：增加 RCL 的值或者進(jìn)行它們的參數(shù)調(diào)整以破壞其相位條件。最終破壞振蕩條件，使電路進(jìn)入穩(wěn)定。

通過(guò)公用電源除了低頻寄生振蕩外還有可能形成 MHz 量級(jí)的高頻寄生振蕩。產(chǎn)生這種振蕩的原因有如下幾種情況：

1.線(xiàn)性穩(wěn)壓集成電路的內(nèi)阻隨著工作頻率的增加而增加，因?yàn)榉�(wěn)壓器內(nèi)部誤差調(diào)整電路的增益隨工作頻率的升高而降低。

2．電源濾波電容器的封裝電感感抗隨工作頻率升高而升高； 3．電源供電電路的引線(xiàn)電感的存在。

在計(jì)算電源濾波器時(shí)，往往采用 CLC "∏"型濾波器加上一個(gè)或數(shù)個(gè)大容量的擔(dān)或者電解電容。應(yīng)特別注意的是，∏型濾波器同時(shí)是一

個(gè)很好的諧振回路，它的諧振頻率不應(yīng)該接近或與電路的工作頻率相等，否則就會(huì)失去濾波作用，大大增加寄生振蕩的機(jī)會(huì)。在 PCB 設(shè)計(jì)中，對(duì)于僅僅需要相同電壓的回路，因公用電源而連接起來(lái)，并無(wú)信號(hào)的輸入輸出關(guān)系，那么應(yīng)對(duì)其電源、地進(jìn)行隔離，分割是比較有效的方法，可以消除有害的公共阻抗。對(duì)于濾波良好的回路，其電源、地的交流電位應(yīng)是相同或相異極小的。

3 . 2 . 4 . 3 器件寄生藕合

器件之間的寄生雜散藕合有電場(chǎng)藕合、磁場(chǎng)互感藕合等等。兩個(gè)靠近的器件之間往往同時(shí)存在靜電場(chǎng)以

及互感藕合。尤其對(duì)于包含有磁性材料的器件，磁互感會(huì)更加嚴(yán)重，如果它們之間的距離不能被放置得很遠(yuǎn)，那么使兩者的磁場(chǎng)正交排布可以比較容易解決問(wèn)題。縮短器件的體積和引線(xiàn)更加有利于減小電場(chǎng)藕合。在具有弱信號(hào)以及高增益的 PCB 上，電路布局務(wù)求輸入、輸出端的最大距離處理。若因受到體積限制而不能做到最遠(yuǎn)排布時(shí)，應(yīng)做好各部分的屏蔽處理。電場(chǎng)屏蔽材料應(yīng)選用高導(dǎo)電率的材料如銅箔或者鋁材等等，靜電屏蔽應(yīng)該接至電路的交流地。磁屏蔽應(yīng)選用磁導(dǎo)率高的材料。磁屏蔽的效果不但與材料的導(dǎo)磁率高低有關(guān)，還與屏蔽層的厚度、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

3 . 2 . 4 . 4 器件引線(xiàn)、極間電容、接地電容構(gòu)成的寄生振蕩器

這些情況往往會(huì)因器件分布參數(shù)的存在而構(gòu)成頻率達(dá)幾百兆的振蕩器，用低速的示波器無(wú)法觀(guān)察到振蕩的存在（因探頭影響了振蕩回路而停振），用一些間接的方法可以觀(guān)察：如器件的接法正確、無(wú)損壞，但工作異常，電流失控、溫度出奇地偏高，用萬(wàn)用表筆接觸器件引腳會(huì)改變器件的工作電流等。這些都間接地表明了器件存在寄生振蕩。消除這類(lèi)振蕩的方法是減小分布參數(shù)：采用體積更小的器件、縮短引線(xiàn)、改變器件在 PCB 上的排布等。這樣處理后，寄生振蕩回路的頻率升高，當(dāng)頻率高至器件的截止頻率外時(shí)，寄生振蕩會(huì)因?yàn)闊o(wú)法滿(mǎn)足正反饋條件而消失。當(dāng)因 PCB 布局限制而使得無(wú)法縮短器件之間的引線(xiàn)時(shí)，可以在引線(xiàn)中串聯(lián)消振電阻，降低引線(xiàn)的 Q 值，其最終效果是降低了振蕩電路的增益，可以有效地消除寄生振蕩。從消除寄生振蕩有效性的角度看，消振電阻的阻值越大越有利于消除寄生振蕩，但阻值過(guò)大了就會(huì)對(duì)正常信號(hào)形成衰減，需根據(jù)實(shí)際情況選取折中的值。

3 . 2 . 4 . 5 負(fù)反饋轉(zhuǎn)變成正反饋

在前述的情況中，產(chǎn)生寄生振蕩的正反饋環(huán)是指在設(shè)計(jì)之外因非意料因素而形成的振蕩。而我們

這里強(qiáng)調(diào)的是針對(duì)某功能需求而設(shè)計(jì)的負(fù)反饋環(huán)路，因設(shè)計(jì)的反饋類(lèi)型是負(fù)反饋，自然不需要振蕩。但若閉環(huán)增益過(guò)高，同時(shí)環(huán)內(nèi)放大器級(jí)數(shù)有三級(jí)以上，那么由于器件本身以及其它相移的積累，很容易使得環(huán)路對(duì)某些頻率來(lái)說(shuō)變成了正反饋，若同時(shí)閉環(huán)增益也滿(mǎn)足條件，那么就會(huì)在電路中激發(fā)起振蕩，這是我們?cè)O(shè)計(jì)目的之外的，也可以說(shuō)是寄生振蕩。在這種情況下，可以在反饋環(huán)內(nèi)的某一級(jí)增加頻率補(bǔ)償元件。一般說(shuō)來(lái)，將頻率補(bǔ)償器件介入頻帶最窄的一級(jí)可以最容易破壞自激的相位條件，對(duì)于器件內(nèi)部相移無(wú)法估算的情況，可以在實(shí)際調(diào)試中更換補(bǔ)償器件值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 . 2 . 4 . 6 寄生振蕩的判別

在一個(gè)設(shè)計(jì)不好的電路中往往同時(shí)存在電路噪聲與寄生振蕩，只有正確判斷出了寄生振蕩才可以采取有效的方法來(lái)消除它，因此我們因該首先將噪聲與寄生振蕩區(qū)別開(kāi)。常見(jiàn)干擾的特點(diǎn)如下：

( A ）電源傳導(dǎo)噪聲。對(duì)于 50Hz 市電經(jīng)過(guò)一、二 次變換而獲得的直流電源說(shuō)來(lái)，往往會(huì)有 50HZ 、 50Hz 諧波、 DC / DC 轉(zhuǎn)換的幾百KHZ的噪音、市電負(fù)載變化引起的隨機(jī)起伏噪聲等，這些信號(hào)在電路上主要表現(xiàn)為共模干擾，在經(jīng)過(guò)不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)體后也可以轉(zhuǎn)化為差模干擾，對(duì)增益模塊產(chǎn)生很大影響。



( B ）器件本聲的噪聲。這些指器件的熱噪聲、散彈噪聲、接觸不良產(chǎn)生的微放電噪聲等等。這些噪聲的波形都有隨機(jī)性，雜亂無(wú)章

，沒(méi)有周期性，不易優(yōu)化，但可以通過(guò)選擇器件來(lái)解決。

( C ）空間電磁噪聲。意指在被測(cè)電路的周?chē)�存在電磁輻射源，它的輻射信�?hào)被回路接收到，并被放大，影響電路的正常運(yùn)行。這可

以通過(guò)判斷周邊電磁環(huán)境或進(jìn)屏蔽室操作來(lái)判斷。

寄生振蕩的特點(diǎn)：

( A ）絕大部分寄生振蕩是周期性的，可以在示波器上看出清晰的周期性波形；

( B ）若電路中的寄生反饋很強(qiáng)，電路會(huì)出現(xiàn)間歇振蕩，但仍然是周期性的；

( C ）絕大部分的因分布參數(shù)引起的寄生振蕩的回路 Q 值不高，因此很少寄生振蕩的波形是完美的正弦波，失真都很?chē)?yán)重，振蕩波形

很容易受測(cè)試儀器以及電路接觸導(dǎo)體的影響。

( D ）有些寄生振蕩幅度很小，疊加在有用信號(hào)上，但其頻率往往比有用信號(hào)高很多。這里僅僅列出了寄生振蕩的一般規(guī)律，對(duì)于實(shí)

際電路，寄生振蕩情況比較隨機(jī)，我們應(yīng)將普遍規(guī)律應(yīng)用到具體事物上進(jìn)行分析，具體情況具體對(duì)待，不能拘泥于規(guī)范意識(shí)中。