給大家分享一下關(guān)于LC振蕩電路。LC振蕩器的類(lèi)型有很多，例如：哈特利振蕩器、Colpitts 振蕩器、克拉普振蕩器等

什么是LC振蕩電路?

LC 振蕩電路是指由電感 L 和電容 C 組成選頻網(wǎng)絡(luò)，用于產(chǎn)生高頻正弦波信號(hào)的電路。

在許多情況下，LC 振蕩電路也稱(chēng)為振蕩器電路、諧振電路、諧振電路或調(diào)諧電路。

常見(jiàn)的 LC 正弦波振蕩電路有變壓器反饋式 LC 振蕩電路和電感三點(diǎn) LC 振蕩電路和電容三點(diǎn) LC 振蕩電路。

LC 振蕩電路的輻射功率與振蕩頻率的四次方成正比，允許振蕩 LC 電路輻射足夠強(qiáng)的電磁波，必須提高振蕩頻率，電路呈開(kāi)路形式。

LC 振蕩器使用一個(gè)振蕩電路(包括一個(gè)電感和一個(gè)電容)，它提供所需的正反饋以維持電路中的振蕩。顧名思義，在這個(gè)電路中，一個(gè)充電的電容( C) )連接到一個(gè)未充電的電感( L )，如下圖所示。

LC諧振電路

上面顯示的電路是一個(gè) LC 諧振電路，該電路包含一個(gè)完全充電的電容和一個(gè)完全斷電的電感，該電感的電阻必須盡可能低(理想情況下為零)。

如果將充電的電容連接到電阻，則電容的能量將被電阻器消耗，電流最終會(huì)停止流動(dòng)。

但在這種情況下，這個(gè)電容(存儲(chǔ)電能)連接到一個(gè)電阻非常低的電感(存儲(chǔ)磁能)。因此，隨著電感開(kāi)始從電容中獲取能量，它開(kāi)始通電，并且其能量增加，這反過(guò)來(lái)又使電容放電。

當(dāng)電感完全通電時(shí)，電容失去所有能量。電感將通過(guò)存儲(chǔ)在其中的能量開(kāi)始為電容充電。從電容到電感以及從電感到電容的能量轉(zhuǎn)移繼續(xù)進(jìn)行。

這種從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備的持續(xù)能量轉(zhuǎn)移就是常說(shuō)的 LC 振蕩，下圖為L(zhǎng)C振蕩器原理動(dòng)圖。

LC振蕩電路原理動(dòng)畫(huà)

LC振蕩電路原理作用

當(dāng)一個(gè)完全通電的電容連接到一個(gè)斷電的電感時(shí)，整個(gè)電路的所有能量都只在電容上，而電感的能量為零。

我們將存儲(chǔ)在電容中的能量(電能)表示為 (U_E)，將存儲(chǔ)在電感中的能量(磁能)表示為 (U_B)。下圖描述了LC振蕩電路圖原理。

LC振蕩電路原理圖

電流開(kāi)始從電容流向電器，電感開(kāi)始通電，電開(kāi)始放電。電感的能量開(kāi)始增加，電容的能量開(kāi)始減少。下圖描述了LC振蕩電路圖原理。

電路圖下方的條形圖顯示，此時(shí)，電感中存儲(chǔ)的能量有一半等于電容的能量，這意味著電容已將一半的能量轉(zhuǎn)移到了電感中。

LC振蕩電路原理圖

現(xiàn)在，一旦電容完全放電，電容的所有能量都將轉(zhuǎn)移到電感。因此，全部電能都轉(zhuǎn)化為磁能。下圖描述了LC振蕩電路圖原理。

LC振蕩電路圖原理圖

由于電容完全放電并且電感完全通電，現(xiàn)在電感將以相同方向的電流開(kāi)始對(duì)電容充電。下圖描述了LC振蕩電路圖原理。

現(xiàn)在電感已經(jīng)將一半的能量轉(zhuǎn)移到了電容上。

LC振蕩電路圖原理

最后，電容將再次充滿(mǎn)電，電感將完全通電。但是現(xiàn)在電容的不同之處在于它的極性是相反的。下圖描述了LC振蕩電路圖原理。

因此，如果電流再次從電容開(kāi)始在電路中流動(dòng)，它將以相反的方向流動(dòng)。由于電路中的電流現(xiàn)在具有相反的電流，我們可以說(shuō)它已經(jīng)完成了交流周期的前半部分并開(kāi)始了后半部分。

LC振蕩電路圖原理

因此，當(dāng)整個(gè)周期完成時(shí)，電容和電感都將完全充電兩次。

基本 LC 振蕩電路

下圖的電路由一個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈 L 和一個(gè)電容 C 組成。

電容以靜電場(chǎng)的形式儲(chǔ)存能量，并在其極板上產(chǎn)生電位(靜電壓)，而感應(yīng)線(xiàn)圈以電磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)存能量。通過(guò)將開(kāi)關(guān)置于位置 A ，電容充電至直流電源電壓 V。當(dāng)電容充滿(mǎn)電時(shí)，開(kāi)關(guān)切換到位置B。

充電的電容現(xiàn)在并聯(lián)在感應(yīng)線(xiàn)圈上，因此電容開(kāi)始通過(guò)線(xiàn)圈自行放電。隨著通過(guò)線(xiàn)圈的電流開(kāi)始上升， C兩端的電壓開(kāi)始下降。

這種上升的電流在線(xiàn)圈周?chē)⒘艘粋€(gè)電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)抵抗了這種電流的流動(dòng)。當(dāng)電容 C 完全釋放了最初存儲(chǔ)在電容中的能量時(shí)，C 作為靜電場(chǎng)現(xiàn)在存儲(chǔ)在感應(yīng)線(xiàn)圈中，L 作為線(xiàn)圈繞組周?chē)碾姶艌?chǎng)。

由于現(xiàn)在電路中沒(méi)有外部電壓來(lái)維持線(xiàn)圈內(nèi)的電流，因此隨著電磁場(chǎng)開(kāi)始崩潰，電流開(kāi)始下降。在線(xiàn)圈中感應(yīng)出一個(gè)反電動(dòng)勢(shì) ( e = -Ldi/dt )，使電流保持在原始方向上流動(dòng)。

該電流以與其原始電荷相反的極性為電容 C 充電。C 繼續(xù)充電，直到電流減小到零，線(xiàn)圈的電磁場(chǎng)完全崩潰。

LC振蕩電路

最初通過(guò)開(kāi)關(guān)引入電路的能量已返回到電容，電容上再次具有靜電電壓電位，盡管它現(xiàn)在具有相反的極性。電容現(xiàn)在開(kāi)始通過(guò)線(xiàn)圈再次放電，并重復(fù)整個(gè)過(guò)程。當(dāng)能量在電容和電感之間來(lái)回傳遞時(shí)，電壓的極性會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生交流型正弦電壓和電流波形。

此過(guò)程形成 LC 振蕩電路的基礎(chǔ)，理論上這種來(lái)回循環(huán)將無(wú)限期地繼續(xù)。然而，事情并不完美，每次能量從電容 C 傳輸?shù)?a target="_blank">電感器 L 并從L傳輸回 C 時(shí)，都會(huì)發(fā)生一些能量損失，隨著時(shí)間的推移，振蕩衰減為零。

如果不是因?yàn)殡娐穬?nèi)的能量損失，這種在電容 C 到電感 L 之間來(lái)回傳遞能量的振蕩作用將無(wú)限期地持續(xù)下去。電能在直流或電感線(xiàn)圈的實(shí)際電阻中、電容的電介質(zhì)中以及電路的輻射中丟失，因此振蕩穩(wěn)定地減小，直到它們完全消失并且過(guò)程停止。

在實(shí)際的 LC 電路中，振蕩電壓的幅度在每半個(gè)振蕩周期都會(huì)減小，最終會(huì)消失到零。然后將振蕩稱(chēng)為“阻尼”，阻尼量由電路的質(zhì)量或 Q 因子決定。

LC振蕩電路--阻尼振蕩

振蕩電壓的頻率取決于LC諧振電路中的電感值和電容值。我們現(xiàn)在知道，諧振電路中要發(fā)生諧振，必須有一個(gè)頻率點(diǎn)，即X C 的值，容抗與X L的值相同，感抗 ( X L = X C ) 和因此，這將相互抵消，只留下電路中的直流電阻來(lái)阻止電流流動(dòng)。

LC振蕩電路--共振頻率

如果我們現(xiàn)在將電感的感抗曲線(xiàn)放在電容容抗曲線(xiàn)的頂部，使兩條曲線(xiàn)在相同的頻率軸上，交點(diǎn)將為我們提供諧振頻率點(diǎn)，( ? r或ωr ) 如下圖所示。

LC振蕩頻率

其中：? r以赫茲為單位，L以亨利為單位，C以法拉為單位。

那么發(fā)生這種情況的 LC 振蕩頻率公式如下：

LC振蕩頻率公式

然后通過(guò)簡(jiǎn)化上述等式，我們得到調(diào)諧LC電路中諧振頻率? r的最終等式：

LC振蕩電路--LC 振蕩頻率公式

LC頻率振蕩公式

L 是以亨利為單位的電感

C 是以法拉為單位的電容

? r 是以赫茲為單位的輸出頻率

這個(gè)等式表明，如果L或C減小，頻率就會(huì)增加。該輸出頻率通常以 ( ? r ) 的縮寫(xiě)形式給出，以將其標(biāo)識(shí)為“諧振頻率”。

為了保持 LC 諧振電路中的振蕩，我們必須替換每個(gè)振蕩中損失的所有能量，并將這些振蕩的幅度保持在恒定水平。因此，替換的能量量必須等于每個(gè)循環(huán)期間損失的能量。

如果替換的能量太大，幅度會(huì)增加，直到發(fā)生電源軌削波。或者，如果被替換的能量太小，幅度最終會(huì)隨著時(shí)間的推移而減小到零，并且振蕩會(huì)停止。

替代這種損失能量的最簡(jiǎn)單方法是從 LC 諧振電路獲取部分輸出，將其放大，然后再次將其反饋回 LC 電路。

基本晶體管 LC 振蕩器電路

上述過(guò)程可以使用電壓放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，該電壓放大器使用運(yùn)算放大器、FET 或雙極晶體管作為其有源器件。然而，如果反饋放大器的環(huán)路增益太小，所需的振蕩衰減為零，如果太大，波形就會(huì)失真。

為了產(chǎn)生恒定的振蕩，必須精確控制反饋到 LC 網(wǎng)絡(luò)的能量水平。然后，當(dāng)幅度試圖從參考電壓向上或向下變化時(shí)，必須有某種形式的自動(dòng)幅度或增益控制。

為了保持穩(wěn)定的振蕩，電路的總增益必須等于 1 或 1。再少一點(diǎn)，振蕩就不會(huì)開(kāi)始或消失到零，再多一點(diǎn)振蕩就會(huì)發(fā)生，但幅度將被電源軌削波，從而導(dǎo)致失真。如下圖所示。

晶體管 LC振蕩電路

雙極晶體管用作 LC 振蕩器放大器，調(diào)諧 LC 諧振電路用作集電極負(fù)載。另一個(gè)線(xiàn)圈L2連接在晶體管的基極和發(fā)射極之間，其電磁場(chǎng)與線(xiàn)圈L的電磁場(chǎng)“相互”耦合。

基本晶體管 LC 振蕩器電路工作原理

兩個(gè)電路之間存在“互感”，一個(gè)線(xiàn)圈電路中流動(dòng)的變化電流通過(guò)電磁感應(yīng)在另一個(gè)電路中感應(yīng)出電位電壓(變壓器效應(yīng))，因此在調(diào)諧電路中發(fā)生振蕩，電磁能量從線(xiàn)圈轉(zhuǎn)移 L 到線(xiàn)圈 L2，并且在晶體管的基極和發(fā)射極之間施加與調(diào)諧電路中頻率相同的電壓。以這種方式，必要的自動(dòng)反饋電壓被施加到放大晶體管。

可以通過(guò)改變兩個(gè)線(xiàn)圈 L 和 L2 之間的耦合來(lái)增加或減少反饋量。當(dāng)電路振蕩時(shí)，它的阻抗是電阻性的，集電極和基極電壓相差 180 度。為了保持振蕩(稱(chēng)為頻率穩(wěn)定性)，施加到調(diào)諧電路的電壓必須與調(diào)諧電路中發(fā)生的振蕩“同相”。

因此，我們必須在集電極和基極之間的反饋路徑中引入一個(gè)額外的 180 度相移。這是通過(guò)以相對(duì)于線(xiàn)圈L的正確方向纏繞L2的線(xiàn)圈來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而為我們提供振蕩器電路的正確幅度和相位關(guān)系，或者通過(guò)在放大器的輸出和輸入之間連接相移網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

因此，LC 振蕩器是更常見(jiàn)的“正弦振蕩器”或“諧波振蕩器”。LC 振蕩器可以產(chǎn)生高頻正弦波，用于射頻 (RF) 類(lèi)型的應(yīng)用，晶體管放大器是雙極晶體管或 FET。

諧波振蕩器有許多不同的形式，因?yàn)橛性S多不同的方法來(lái)構(gòu)建 LC 濾波器網(wǎng)絡(luò)和放大器，最常見(jiàn)的是哈特利振蕩器、Colpitts 振蕩器、克拉普振蕩器、Armstrong 振蕩器等。有的已經(jīng)詳細(xì)講過(guò)了，大家可以點(diǎn)擊下方標(biāo)題直接跳轉(zhuǎn)。

LC 振蕩電路示例

一個(gè) 200mH 的電感和一個(gè) 10pF 的電容并聯(lián)在一起，形成一個(gè) LC 振蕩回路。計(jì)算振蕩頻率。

可以從上面的例子中看到，通過(guò)減小電容C 或電感 的值，L 將具有增加 LC 振蕩電路振蕩頻率的效果。

LC振蕩電路的優(yōu)點(diǎn)

高相位穩(wěn)定性 LC 振蕩電路在高頻下產(chǎn)生良好的穩(wěn)定性。

低噪聲，這是由于反饋網(wǎng)絡(luò)中的電感和電容。

高品質(zhì)因數(shù) 與其他振蕩器相比，LC 振蕩器具有高品質(zhì)因數(shù)。

LC振蕩電路的缺點(diǎn)

溫度的變化會(huì)影響元件，例如晶體管、電容、電阻、電源電壓和電路的電感。

振蕩器的工作頻率不是恒定，這是由于電路中涉及的各種組件。

如果反饋電路中的任何組件發(fā)生變化，工作頻率可能會(huì)發(fā)生變化。

它不適用于低頻。在低頻時(shí)，電容和電感不能很好地工作并在電路中產(chǎn)生不穩(wěn)定。