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[电路/定理] 考毕子振荡电路及一些派生出的振荡电路

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 楼主| 发表于 2017-9-10 21:23 | 显示全部楼层 |返回版面||阅读模式
本帖最后由 maychang 于 2017-9-10 21:36 编辑

考毕子振荡电路及一些派生出的振荡电路

考毕子振荡电路
几乎任何一本模拟电路教科书上都会讲到三点式LC振荡电路。三点式LC振荡电路有两种,分别是考毕子振荡电路(三点电容式)和哈特莱振荡电路(三点电感式)。图(01)中,左边是考毕子振荡电路的交流通路,右边是哈特莱振荡电路的交流通路。注意:仅仅是交流通路,电源和直流通路均未画出。
图(01)
考毕子电路的特点是两支电容,集电极和基极分别接两支电容的两端,发射极接两支电容的联接点。哈特莱电路的特点是两支电感(两电感之间可以没有互感),集电极和基极分别接两支电感的两端,发射极接两支电感的联接点。在三极管基极、发射极和集电极这个三角形中,只有上述两种电路可以产生振荡,这个三角形中电感和电容的其它组合,都不满足产生振荡的相位条件。
图(02)
图(02)是一种典型的考毕子振荡电路。如果把构成谐振回路的C1、C2和L1遮住,Cb也遮住不看,电阻R1、R2和Re是典型的分压加发射极反馈偏置电路(例如:康华光,电子技术基础 模拟部分第四版,103页。第五版,134页)。

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eyuge2 打赏了 1.00 元 2017-09-13

     

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 楼主| 发表于 2017-9-10 21:24 | 显示全部楼层 |返回版面
本帖最后由 maychang 于 2017-9-10 21:39 编辑

图(02)的交流通路如图(03)。因图(02)中电容Cb的电容量足够大,容抗相当小,三极管Q1基极可视为接地。去掉R1、R2和Re不看,即得到图(03)。和图(01)左边对照,两图完全相同,恰恰就是考毕子振荡电路。所以,图(02)是可能产生振荡的。
图(03)
初学者也许会问:L1一端接集电极,另一端接电源正端,怎么成了接地了?
这是因为我们使用的直流电源近似于电压源,对交流来说,电源端和地线等电位。所以接电源正端和接地是一回事。
当然,交流通路图(03)与图(01)左边相同,这只是图(02)电路产生振荡的必要条件而非充分条件。要使图(02)产生振荡,除交流通路正确外,还需要给三极管正确的偏置(R1、R2和Re以及电源电压决定了三极管的静态工作点),谐振回路中C1和C2的比值合适(此比值决定反馈系数),三极管参数能够保证在振荡频率上良好放大,等等。这些条件都满足,图(02)电路才可以产生振荡。但是,如果交流通路不正确,例如图(03)电路中电容C1改成一支电感,那么连必要条件都不满足,这个电路不可能产生振荡。


石英晶体电抗特性

石英晶体,搞电子的都不会陌生。图(04)和图(05)是两种不同封装的石英晶体外形。
石英晶体内部构造则如图(06)所示。石英晶体被磨成薄薄的一片,其厚度决定了晶体的谐振频率。晶体片越薄,其谐振频率越高。晶体两面镀有银层。晶体薄片靠弹性金属丝支撑,同时金属丝与银镀层焊接作为引出电极。




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 楼主| 发表于 2017-9-10 21:24 | 显示全部楼层 |返回版面
本帖最后由 maychang 于 2017-9-10 21:49 编辑


图(04)


图(05)


(06)









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 楼主| 发表于 2017-9-10 21:24 | 显示全部楼层 |返回版面
本帖最后由 maychang 于 2017-9-10 21:53 编辑

图(07)是石英晶体的电抗特性曲线(定性曲线,并非准确曲线)。图中横轴上方为感抗值,横轴下方为容抗值。图中可见,仅在fsfp很小的频率范围内(fsfp相差约千分之一数量级),石英晶体表现为一个电感,其余频率范围均表现为电容。
fsfp这个很小的频率范围内,石英晶体的感抗变化很大,可知其等效电感量也变化很大。这一点与普通绕线电感完全不同。由普通电感的电感量计算公式可知,普通绕线电感的感抗是与频率成正比的,在频率-感抗直角坐标系中表现为一条通过原点的直线。
还要注意:图(07)曲线是实际测量的结果,真实地反映了石英晶体的特性。

图(07)
绝大多数石英晶体振荡电路中,石英晶体是作为一个电感使用的。把石英晶体当做一个电感使用来代替图(01)中的三个电感,就可以构成三种石英晶体振荡电路。

图(08)


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 楼主| 发表于 2017-9-10 21:24 | 显示全部楼层 |返回版面
本帖最后由 maychang 于 2017-9-10 21:59 编辑

图(08)是一种常见的石英晶体振荡电路。如果用一个电感替代图(08)中的石英晶体Y1,并且去掉图中的直流通路,仅看交流通路,图(08)和图(02)几乎是完全一样的。不同之处仅在于图(02)中电感L1既是谐振回路的一部分,又通过三极管Q1集电极电流的直流成份。图(08)中晶体不能通过直流,所以使用一支电阻R3让晶体管集电极直流成份通过。图(08)的交流通路和图(02)相同,所以图(08)可以说是从考毕子振荡电路变化而来的一种石英晶体振荡电路。
当然,利用石英晶体在很窄范围内呈现电感性,并且电感量在此狭窄的频率范围内变化非常大的特点,还可以变化出多种石英晶体振荡电路。
在图(07)中我们可以看到:石英晶体在fsfp频率范围内表现为一个电感,而且电感量变化很大。那么,图(08)的石英晶体振荡电路到底振荡于哪个频率?该石英晶体的电感量是多大?
图(08)电路振荡于这样一个频率:石英晶体在该频率下的等效电感量与电容C1和C2(包括分布电容)构成的谐振回路,其固有频率恰是此频率。显然,振荡频率必定位于图(07)所示的fsfp之间。显然,石英晶体上标注的频率只是一个范围,实际振荡频率与标称频率之间存在差异,且与电容C1和C2容量有关。石英晶体说明书中一般要规定电容(称负载电容)的数值。
所以,稍微改变电容C1或C2,可以稍微改变图(08)电路的振荡频率,但变化不大,大约可以变化万分之一、二的样子。电容C1或C2变化不能太大,变化太大了就会不满足反馈系数的要求,使振荡电路停振。在常见的32768Hz时钟晶体振荡电路中,电容C2常用可调电容,用稍微改变电容量的方法来校准振荡频率,使其分频后走时准确,减小走时误差。


不可行的石英晶体振荡电路
图(09)
如果为了提高电源电压利用率,把图(08)中集电极电阻R3换成图(09)中的电感(扼流圈)L1,会发生什么?

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把Cb改成晶体Y,工作在串联谐振模式就可以吧  发表于 2017-9-11 13:01
     

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 楼主| 发表于 2017-9-10 21:25 | 显示全部楼层 |返回版面
本帖最后由 maychang 于 2017-9-10 22:07 编辑

图(09)的交流通路如图(10)。

图(10)
从图(10)中我们可以看到,该电路可能振荡于两个频率。一个接近于石英晶体的标称频率,此时石英晶体等效于一个电感,和图(08)一样。L1电感量通常比较大,现在与石英晶体等效电感并联。我们还知道石英晶体等效电感量并不确定,在fsfp之间变化很大。那么,石英晶体等效电感与L1电感并联后再与电容C1C2构成谐振回路,谐振回路固有频率仍可落到fsfp之间,该电路就振荡在这个频率上,正如图(08)中改变C1C2容量会稍微改变振荡频率一样。
但是,图(09)电路从图(10)可知,也可能振荡在电感L1与电容C1和C2构成的谐振回路固有频率附近。此时由图(07)可知,石英晶体等效于一个相当小的电容,与C1和C2并联。此等效电容对振荡频率当然有影响,但此等效电容通常比C1C2小得多,对振荡频率影响相当小。
这种不确定振荡频率的振荡电路,当然不可行。“不可行”的意思,是振荡频率不确定而不应该在实际电路中使用,并不是说该电路不能产生振荡。
进一步考察,如果石英晶体损坏会怎样?比如说石英晶体虚焊、晶体片碎裂、镀层脱落……等等。此时显然该电路很可能振荡于由电感L1和电容C1、C2确定的频率上,此频率几乎可以肯定与石英晶体标称频率不同。
再进一步考虑,如果该电路用于产生单片机时钟会怎样?实际上当然不会用这样的电路产生单片机时钟,因为单片机在芯片内几乎都有一个反相放大器,外部有两支引脚,使用者只要把石英晶体和两支小电容接到这两支引脚上,两支电容中间接地即可。但通用CPU如英特尔的8088直到80486,甚至Zilog公司的Z80,都是需要外部时钟输入的。之所以举单片机的例子,无非是本坛网友对单片机熟悉罢了。
如果时钟频率不对,与石英晶体标称频率不同,单片机通常还可以一条一条指令地执行,但串口通讯必定不能正常发送和接收,因为波特率与设计值对不上。经验不多的工程师就会怀疑:“232芯片是不是有问题?”或者“485芯片是不是有问题?”很少有人会怀疑到石英晶体上。对石英晶体,多数工程师只是观察一下,有波形就好,更何况单片机仍可以执行指令。



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 楼主| 发表于 2017-9-10 21:25 | 显示全部楼层 |返回版面
本帖最后由 maychang 于 2017-9-10 22:13 编辑

显然,这样的电路故障会给工程师带来很大的困惑。这样的电路不应该使用。在分立件振荡电路中,把电感直接与石英晶体交流并联的作法,尽量避免。


可行的石英晶体振荡电路
若是要石英晶体损坏时振荡电路不能产生振荡,其实也很容易。图(11)就是这样的石英晶体振荡电路。
图(11)
从图(11)中我们可以看到,与图(09)不同之处在于:石英晶体接到了三极管的集电极与基极之间,电容C2移动到了基极与地线之间,电容C1移动到了与电感L1并联,三极管发射极经一支比较大的电容Ce接地。
电感L1和电容C1构成一个并联谐振回路,其固有频率也就是谐振频率必须稍低于石英晶体的标称频率,这一点很重要。
从前面的叙述中我们知道:电感L1和电容C1并联后上端接电源,但因电源两端交流等电位,所以这种接法交流通路等于电感L1和电容C1接在三极管集电极和地之间。
图(12)

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 楼主| 发表于 2017-9-10 21:25 | 显示全部楼层 |返回版面
本帖最后由 maychang 于 2017-9-10 22:35 编辑

这里有必要讲两句题外的话。图(12)左边是和图(11)一样的石英晶体振荡电路,右边是三极管集电极上的并联谐振回路。A、B两端施加信号,如果A、B两端信号频率高于LC并联谐振回路频率,那么从A、B两端看此谐振回路呈现电容性;如果A、B两端信号频率低于LC并联谐振回路频率,那么从A、B两端看此谐振回路呈现电感性。而且电感量和电容量的变化可以相当大。电感L1和电容C1并联,且其谐振频率稍低于石英晶体标称频率。那么,在石英晶体标称频率上,电感L1和电容C1构成的并联谐振回路呈现出电容性。因为在电感L1和电容C1构成的并联谐振回路固有频率上,感抗与容抗相等,那么在外加信号频率高于该谐振回路固有频率时,容抗小而感抗大,流过电容的电流绝对值大于流过电感的电流绝对值,从三极管集电极看过去,总电流为容性。所以,电感L1和电容C1相当于一支小电容接在三极管集电极和地线之间。
三极管发射极与地之间有一支较大的电容Ce,可以认为交流通路三极管发射极接地。
由此我们可以知道:图(11)的交流通路为图(12)。图(12)中,标注C1&L1的电容,就是电感L1和电容C1构成的并联谐振回路在石英晶体标称频率上的等效电容。
如果把图(12)中的石英晶体换成一支电感,那么图(12)和图(01)左边的考毕子振荡电路完全相同。可见图(12)也是由考毕子振荡电路变化出来的石英晶体振荡电路。
图(11)电路在石英晶体损坏时是不会产生振荡的。如果石英晶体损坏,那么三极管集电极与基极之间只有三极管集电极与基极的分布电容,不满足图(01)中两种电路中任何一种,故不能产生振荡。
图(11)电路在电感L1和电容C1构成的并联谐振回路固有频率低于石英晶体标称频率时,也不能产生振荡,因为此时L1和C1构成的并联谐振回路表现出电感性。如果要产生振荡,必须三极管基极到地是电感性,这样才能够与石英晶体(在fsfp之外表现出电容性)构成哈特莱电路而产生振荡。
图(11)电路,以及其它石英晶体接在反相放大器输出与输入之间的振荡电路,往往被称为皮尔斯(Pierce)电路。


结语
在集成电路时代,像图(09)或者图(11)那样的振荡电路,没有人再使用了。
图(13)
现在都是把振荡电路的放大器部分做到芯片当中,外接的元件往往只有一支石英晶体和两支电容,例如图(13)所示的单片机振荡电路。芯片内部就是一个已经偏置好的反相放大器。有些芯片甚至连这两支电容都做到了芯片里面。此电路石英晶体损坏后是不会产生振荡的。
直到目前,电感是无法集成到芯片里面的。图(09)或者图(11)中的电感都是作为单端放大器中三极管集电极电流通路,要取消这个电感也很容易:把放大器的输出级做成推挽形式即可。这正好符合集成电路的要求:尽量少用电阻和电容,多用管子。因为电阻和电容占用芯片面积比管子大得多。而分立元器件电路则要求尽量少用管子,因为管子比电阻贵。
但是,分立元器件时代电路设计的一些原则,在集成电路时代仍然应该遵循。例如,工作状态不确定的电路不能使用,石英晶体损坏后电路不应该产生其它频率的振荡。这可以看作是电路可靠性的问题。

全部Word文档在下面:

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发表于 2017-9-10 21:45 | 显示全部楼层 |返回版面
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发表于 2017-9-10 22:19 | 显示全部楼层 |返回版面
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发表于 2017-9-10 22:22 | 显示全部楼层 |返回版面
从9月5日晚到今天9月10日晚,这篇小文花了整整5天时间才出炉,本该1小时内完成!
文章大致内容和我3天前预测的差不多,不过大家可以顺便做个练习,就是用手机浏览器看本贴,要关闭图片浏览模式,即只能看见文字,看不见图片!
然后猜图片内容!!!到7楼为止的12个图片,我能猜出来11个!
     

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发表于 2017-9-10 22:32 | 显示全部楼层 |返回版面

粗略浏览了下文字内容,出于职业敏感性,看见不少"集成电路",楼主没有任何IC设计训练,估计连教科书都没看过,就妄加评论,这是主动往抢口上撞???

例如:" 直到目前,电感是无法集成到芯片 里面的。 ",,,这个目前,指的是50年前吧?

不懂的东西,建议请教相关领域的专业人士,不要做在电脑前胡思乱想!
     

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发表于 2017-9-11 01:02 | 显示全部楼层 |返回版面
本帖最后由 不亦心 于 2017-9-11 01:09 编辑
xukun977 发表于 2017-9-10 22:32
粗略浏览了下文字内容,出于职业敏感性,看见不少"集成电路",楼主没有任何IC设计训练,估计连教科书都没 ...

这么用心的文章,给你一个小时还真敲不出来。。。。
前50年有点过了吧,
真正集成电感的商用集成电路面世才几年?
nH,数uH级别的电感确实有集成到芯片内部的,再稍微大那么一丢丢都不会有人这么干,就连nH,数uH级别的集成都少之又少
所以" 直到目前,电感是无法集成到芯片 里面的。 "这句话并不算错。
国内集成电路近年是有点起色,但都是什么货色大家都清楚,不要说的那么神乎其神
电源方案,可批量订做供货。
QQ红红白黑。TEL:绿灰灰紫紫绿
     

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发表于 2017-9-11 05:35 | 显示全部楼层 |返回版面
不亦心 发表于 2017-9-11 01:02
这么用心的文章,给你一个小时还真敲不出来。。。。
前50年有点过了吧,
真正集成电感的商用集成电路面世 ...

"确实有",只要是在2017年9月10日之前有的就行了,谢谢你替我反驳楼主!
至于电感能做多大,品质如何,那是另外一个话题了!

     

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发表于 2017-9-11 06:14 | 显示全部楼层 |返回版面
新来的网友可能不知道,这篇"用心的文章",是为我而准备的,是在(点评"你好,放大器"一书)一贴中约定的!

此贴内容我在4天前就预测到了,唯一没有预测到的是:
我原贴说是RFC咋就不行?楼主据此说我不懂晶振和考毕兹原理!
一听这话,我还以为照我说的,电路就不能震荡了呢!于是9月6日准备好了反驳材料,弄个震荡波形看看!
谁知楼主这个帖子也说能震荡,那我准备的材料就毫武之地了!
能振就好,心中一块石头落地!谁知此贴搞了个"不确定震荡"?!!


恕我孤陋寡闻,请教楼主:是谁,在哪,什么时间,规定晶振电路中晶振损坏后,电路必须熄火,不能震荡的???


如果这个规定必须强制执行,工程师麻烦了,他必须设计个频率测量仪来检测振荡器输出,一旦超出范围立马切断振荡器电源等,使之彻底熄火!

     

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发表于 2017-9-11 07:08 | 显示全部楼层 |返回版面

" 显然,石英晶体 上标注的频率只是一个范围, "

标注频率就是一个数值,就一个数值谈何"范围"???

例如我就说个2,这个2指明了一个范围?范围是多大?


这篇帖子扯淡地方太多,我来用台式机欣赏欣赏!


     

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发表于 2017-9-11 07:35 | 显示全部楼层 |返回版面

5L说:石英晶体说明书中一般要规定电容(称负载电容)的数值!

原来C1和C2是查说明中负载电容确定的,长见识了!
     

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发表于 2017-9-11 07:37 | 显示全部楼层 |返回版面

“稍微改变电容C1或C2,可以稍微改变图(08)电路的振荡频率,但变化不大,大约可以变化万分之一、二的样子。”

我一看[稍稍】二字,顿时紧张,以为后果很严重,但后面一句几乎是平率不变,心情才平复。
一惊一乍的写作技巧。
     

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发表于 2017-9-11 07:43 | 显示全部楼层 |返回版面

6L说:“从图(10)中我们可以看到,该电路可能振荡于两个频率。一个。。。。”

既然是两个,我想下文中一定有“另一个”,找啊找啊找,找半天也没找到。。。
     

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发表于 2017-9-11 07:57 | 显示全部楼层 |返回版面
赞!推倒容易、建设难。
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