CN111934621A - 一种适用于小负载情况的振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于小负载情况的振荡器，其以三点式振荡器结构为整体框架，但其放大部分为包含一个场效应管T 1与一个三极管T 2的两级放大电路，其中三极管T 2的集电极作为本振荡器的输出端，将负载电阻设置于三极管T 2的集电极与地之间，而本振荡器的反馈信号取自三极管T 2的发射极。本发明的结构能够克服现有技术中下一级电路单元输入电阻会影响振荡器振荡特性的缺点，负载电阻取值的不同将不会影响振荡器的起振条件和振荡频率，由此解决了现有振荡器无法适用于小负载情况的难题。

Description

一种适用于小负载情况的振荡器
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种适用于小负载情况的振荡器。
背景技术
在电子电路中，正弦波振荡器所产生的信号需要通过输入阻抗传送至下一级电路单元。一般而言，下一级电路单元输入阻抗的取值不仅会影响传送到下一级电路单元的信号大小，更为关键的是，下一级电路单元输入阻抗的存在，还会影响振荡器的起振条件和振荡频率，使振荡器的振荡情况产生偏移。下一级电路单元的输入阻抗越小，这种影响就越大，使振荡器的起振条件和振荡频率与初始设计时不考虑负载阻抗（即负载阻抗为无穷大）的情况相对比，会产生比较明显的变化，并且这种变化随着小负载电阻取值的不同而各不相同。相比之下，在负载阻抗较大时，可以将其视为无穷大，而无视其具体电阻值的差别，在分析及应用时通常可统一地归结为单一的标准应用状态。综上所述，输入负载为小电阻的情况已经严重偏离了常用振荡器设计时所考虑的一般应用情况，而且在常用振荡器中，这种小负载电阻的情况下其取值的不同所造成的状态差别之大也已经无法再归结为某个新的单一状态，一致性极差。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种适用于小负载情况的振荡器解决了现有技术中振荡器与下一级电路单元连接时，下一级电路单元的输入阻抗取值会影响振荡电路起振条件和振荡频率的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种适用于小负载情况的振荡器，包括场效应管T 1、三极管T 2、电抗元件X 1、电抗元件X 2、电抗元件X 3和负载电阻R L ；
所述电抗元件X 1设置于三极管T 2的发射极与地之间，所述电抗元件X 2设置于场效应管T 1的栅极与地之间，所述电抗元件X 3设置于场效应管T 1的栅极与三极管T 2的发射极之间；所述场效应管T 1与三极管T 2构成两级放大电路，其漏极与三极管T 2的基极连接；将所述三极管T 2的集电极作为所述振荡器的输出端，并将负载电阻R L 设置于三极管T 2的集电极与地之间以去除负载电阻取值对振荡器振荡特性的影响。
进一步地，所述场效应管T 1的栅极与地之间还设置有场效应管源极偏置电阻R G ，其漏极与地之间设置有电阻R D ，其源极接地。
进一步地，所述三极管T 2的基极与地之间设置有基极偏置电阻R B ，其发射极与地之间还设置有交流反馈电阻
Figure 85077DEST_PATH_IMAGE001
。
进一步地，所述电抗元件X 1与电抗元件X 2的电抗特性相同，所述电抗元件X 3的电抗特性与电抗元件X 1及电抗元件X 2的电抗特性相反。
进一步地，所述振荡器的电路结构为交流通路。
本发明的有益效果为：
（1）本发明构建了一种适用于小负载情况的振荡器，将从三极管T 2的集电极获取的振荡器输出信号抽离反馈环路，同时振荡器的反馈信号取自三极管T 2的发射极，使本电路仍然能够成为一个具有良好反馈闭环的振荡器。
（2）本发明通过将输出信号抽离反馈环路，能够使环路增益不受下一级电路单元输入电阻的影响，负载电阻取值的不同将不会影响振荡器的起振条件和振荡频率，使振荡器具备了不受外电路影响的一致性和稳定性。
（3）本发明的结构能够克服现有技术中下一级电路单元输入电阻会影响振荡器振荡特性的缺点，解决了现有振荡器无法适用于小负载情况的难题。
附图说明
图1为本发明提出的一种适用于小负载情况的振荡器的电路图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
如图1所示，一种适用于小负载情况的振荡器，包括场效应管T 1、三极管T 2、电抗元件X 1、电抗元件X 2、电抗元件X 3和负载电阻R L ；
所述电抗元件X 1设置于三极管T 2的发射极与地之间，所述电抗元件X 2设置于场效应管T 1的栅极与地之间，所述电抗元件X 3设置于场效应管T 1的栅极与三极管T 2的发射极之间；所述场效应管T 1与三极管T 2构成两级放大电路，其漏极与三极管T 2的基极连接；将所述三极管T 2的集电极作为所述振荡器的输出端，并将负载电阻R L 设置于三极管T 2的集电极与地之间以去除负载电阻取值对振荡器振荡特性的影响。
在本实施例中，场效应管T 1采用N沟导增强型MOS场效应管，也可以选用其他类型的场效应管，三极管T 2采用NPN管，也可以替换为PNP管。
所述场效应管的T 1栅极与地之间还设置有场效应管源极偏置电阻R G ，其漏极与地之间设置有电阻R D ，其源极接地。
所述三极管T 2的基极与地之间设置有基极偏置电阻R B ，其发射极与地之间还设置有交流反馈电阻
Figure 3355DEST_PATH_IMAGE002
。
所述电抗元件X 1与电抗元件X 2的电抗特性相同，所述电抗元件X 3的电抗特性与电抗元件X 1及电抗元件X 2的电抗特性相反。
所述振荡器的电路结构为交流通路。
在上述结构和条件下，本发明的电路工作原理如下。
从场效应管T 1的栅极电压V gs 开始，通过电路变量的递推关系，可以求出反馈电压V f ，由此写出环路增益T(jω)，继而分析起振条件和振荡频率。场效应管T 1源极偏置电阻R G 通常较大，在交流分析中可不予考虑。
在栅极电压V gs 的作用下，可根据栅极电压V gs 获取场效应管T 1的漏极电流
Figure 278216DEST_PATH_IMAGE003
为：
Figure 699970DEST_PATH_IMAGE004
其中，g m表示场效应管的跨导。
当场效应管T 1的漏极电流
Figure 903550DEST_PATH_IMAGE003
进行分流后，三极管T 2所获得的基极电流I b 为：
Figure 43544DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 623561DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 165401DEST_PATH_IMAGE007
表示三极管的共射输入电阻，
Figure 539881DEST_PATH_IMAGE008
表示三极管的共射电流放大倍数，
Figure 370434DEST_PATH_IMAGE009
表示电阻
Figure 613197DEST_PATH_IMAGE002
与电抗X 1、电抗X 2和电抗X 3混联的等效阻抗（即X 2与X 3串联后，再与X 1和
Figure 386374DEST_PATH_IMAGE002
一起并联），
Figure 56390DEST_PATH_IMAGE003
表示场效应管T 1的漏极电流。
电路设计时，可通过适当选取
Figure 46342DEST_PATH_IMAGE002
的值，容易实现
Figure 827217DEST_PATH_IMAGE010
，在此基础上，可得：
Figure 219015DEST_PATH_IMAGE011
通过三极管T 2基极电流I b 获取三极管T 2的发射极电流
Figure 59932DEST_PATH_IMAGE012
为：
Figure 537181DEST_PATH_IMAGE013
在三极管T 2发射极电流
Figure 121746DEST_PATH_IMAGE012
的作用下，其所获得的发射极输出电压
Figure 132165DEST_PATH_IMAGE014
为：
Figure 143983DEST_PATH_IMAGE015
将电压
Figure 842949DEST_PATH_IMAGE014
通过电抗X 2和电抗X 3进行分压，得到电抗X 2上所获得的反馈电压V f 为：
Figure 231205DEST_PATH_IMAGE016
根据上述递推关系，可以得到环路增益T(jω)的表达式为：
Figure 332016DEST_PATH_IMAGE017
或将环路增益T(jω)的表达式写为：
Figure 514736DEST_PATH_IMAGE018
根据
Figure 966577DEST_PATH_IMAGE019
，可将环路增益T(jω)的表达式整理为：
Figure 892945DEST_PATH_IMAGE020
根据上述环路增益T(jω)的表达式，从而分析电路的起振条件和振荡频率，具体分析如下。
振荡电路的起振条件为环路增益T(jω)>1，首先要求环路增益为实数，由于X 1、X 2和X 3都是电抗元件，其阻抗均为虚数，故环路增益表达式的第二个因子X 2/( X 2+ X 3)为实数，因此要求环路增益表达式的第三个因子也为实数。第三个因子中分子为实数，分母的第二项和第三项都是实数，而分母的第一项为虚数，所以分母的第一项应为零，即
Figure 349727DEST_PATH_IMAGE021
。
根据上述条件，可将环路增益T(jω)化简为：
Figure 968927DEST_PATH_IMAGE022
此环路增益应为正数，故要求电抗元件X 1和电抗元件X 2的电抗特性相同（同为感性元件或同为容性元件），而电抗元件X 3的电抗特性应与电抗元件X 1和电抗元件X 2的电抗特性相反。
可以选取电阻
Figure 970381DEST_PATH_IMAGE002
的值满足
Figure 575806DEST_PATH_IMAGE023
，在此情况下，环路增益T(jω)最终简写为：
Figure 510264DEST_PATH_IMAGE024
本发明振荡电路的起振条件为：
Figure 175732DEST_PATH_IMAGE025
从以上分析可知，虽然本振荡电路中负载电阻的取值对三极管T 2集电极的对地电压会产生影响，但是此电压不会对反馈量的大小造成影响。从电路结构来看，本振荡电路的集电极输出端能够获得来自反馈环路的信号激励，但此输出端的输出信号并不会回到反馈环路中，而是被抽离反馈环路，不让它影响整个反馈环路的性能。从环路增益的计算过程来看，每一步的计算均不涉及负载电阻，所以通过环路增益得到的振荡频率与起振条件与负载电阻无关。
综上所述，本振荡电路通过独到的结构设计，使得反馈环路的组成在根本上摆脱了负载电阻的影响，而反馈环路所产生的振荡信号仍然可以有效地传输至下一级电路。负载电阻取值的不同对振荡器的起振条件和振荡频率没有影响，对于负载电阻为小电阻的情况，本振荡电路有着独特的应用价值。
本发明的有益效果为：
（1）本发明构建了一种适用于小负载情况的振荡器，将从三极管T 2的集电极获取的振荡器输出信号抽离反馈环路，同时振荡器的反馈信号取自三极管T 2的发射极，使本电路仍然能够成为一个具有良好反馈闭环的振荡器。
（2）本发明通过将输出信号抽离反馈环路，能够使环路增益不受下一级电路单元输入电阻的影响，负载电阻取值的不同将不会影响振荡器的起振条件和振荡频率，使振荡器具备了不受外电路影响的一致性和稳定性。
（3）本发明的结构能够克服现有技术中下一级电路单元输入电阻会影响振荡器振荡特性的缺点，解决了现有振荡器无法适用于小负载情况的难题。
本方案的起振条件与三极管T 2的参数基本无关，从而使三极管T 2的选择范围较大。

Claims (5)

1.一种适用于小负载情况的振荡器，其特征在于，包括场效应管T 1、三极管T 2、电抗元件X 1、电抗元件X 2、电抗元件X 3和负载电阻R L ；
所述电抗元件X 1设置于三极管T 2的发射极与地之间，所述电抗元件X 2设置于场效应管T 1的栅极与地之间，所述电抗元件X 3设置于场效应管T 1的栅极与三极管T 2的发射极之间；所述场效应管T 1与三极管T 2构成两级放大电路，其漏极与三极管T 2的基极连接；将所述三极管T 2的集电极作为所述振荡器的输出端，并将负载电阻R L 设置于三极管T 2的集电极与地之间以去除负载电阻取值对振荡器振荡特性的影响。
2.根据权利要求1所述的适用于小负载情况的振荡器，其特征在于，所述场效应管 T 1的栅极与地之间还设置有场效应管源极偏置电阻R G ，其漏极与地之间设置有电阻R D ，其源极接地。
3.根据权利要求1所述的适用于小负载情况的振荡器，其特征在于，所述三极管T 2的基极与地之间设置有基极偏置电阻R B ，其发射极与地之间还设置有交流反馈电阻
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
4.根据权利要求1所述的适用于小负载情况的振荡器，其特征在于，所述电抗元件X 1与电抗元件X 2的电抗特性相同，所述电抗元件X 3的电抗特性与电抗元件X 1及电抗元件X 2的电抗特性相反。
5.根据权利要求1所述的适用于小负载情况的振荡器，其特征在于，所述振荡器的电路结构为交流通路。
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