自激振荡的应用分析
自激振荡的应用分析
( 安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011)
摘要：自激振荡电路广泛应用于信号产生电路中，有关它的应用和消除方法是电子电路中的热门话题。本文从自激振荡的工作原理出发，详细分析了自激振荡在RC振荡电路和LC振荡电路中的工作原理，最后讨论了自激振荡的抑制方法。
关键词：自激振荡，RC自激振荡，LC自激振荡，自激振荡的消除
1引言
自激振荡常用于正弦波发生器、交流控制信号等。自激振荡的应用于许多电路，如正弦波振荡器广泛用于各种电子设备中，在模拟电子技术中属于必不可少的一种元件。它是一种不需要输入信号控制就能自动地将直流能量转换为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路。常见的自激振荡电路如RC振荡电路和LC振荡电路。RC振荡电路中，RC网络既是选频网络又是正反馈电路中的一部分。该电路特点是电路简单，经济但稳定性不高。相比之下还有LC振荡电路，LC振荡器的选频网络是LC谐振回路，它们的振荡频率都比较高，LC振荡电路的特点是频率范围宽，容易起振，但频率稳定性不高。
本文从自激振荡的产生原理入手，进而讨论其抑制方法及应用。正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。它的频率范围很广，可以从一赫兹以下到几百兆赫兹以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。
2自激振荡的概念和形成条件以及自激振荡的稳定
自激振荡就是电路中有一部分信号从输出端反馈到输入端，反馈回的信号加强了电路的振荡。下面以常见的负反馈放大电路和正反馈放大电路为例解释一下自激振荡[1]。
Xo
图1负反馈放大电路
Xo
图2正反馈放大电路
比较图1和图2就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了。由于振荡电路的X =0，所以i X =f X 。由于正、负号的改变，有反馈的放大倍数为：
输入信号
i
F
A A A 1f 正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。正弦波发生电路组成有：放大电路、正反馈电路、选频网络、稳幅电路。为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R 、C 和L 、C 等电抗性元件组成。
正弦波振荡器广泛用于各种电子设备中，在模拟电子技术中属于必不可少的一种元件。它是一种不需要输入信号控制就能自动地将直流能量转换为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路。正弦波振荡器是自激振荡的一个非常重要的应用。根据傅里叶级数的定义可以知道，任何周期性的激励电压都可以分解成许多不同频率的正弦时间函数之和，再根据自激振荡的原理，只有频率为一特定值0f 的正弦波才能够通过电路的正反馈系统（反馈系统本身可能为负反馈系统，但由于电容的存在，反馈信号与输入信号同相）增强自身，其余频率的信号都逐渐衰减到零。由于想要的正弦波信号为一稳定信号，因此在正弦波振荡器中加入了稳幅环节，其中，在分立元件组成的放大电路中，晶体管的非线性特性能够满足这个条件。最后当电路达到稳定时，1A F g g
。
产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。只不过负反馈放大电路中如图2所示是由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈如图3所示。在振荡电路中加的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移。
（1）产生自激振荡必须同时满足两个条件：
1）幅度平衡条件|AF|=1
2）相位平衡条件2A F n （n=0,1,2,3···）其中，A 指基本放大电路的增益（开环增益），F 指反馈网络的反馈系数
同时起振必须满足|AF|略大于1的起振条件基本放大电路必须由多级放大电路构成，以实现很高的开环放大倍数，然而在多级放大电路的级间加负反馈，信号的相位移动可能使负反馈放大电路工作不稳定，产生自激振荡。负反馈放大电路产生自激振荡的根本原因是A （环路放大倍数）附加相移.单级和两级放大电路是稳定的，而三级或三级以上的负反馈放大电路，只要有一定的反馈深度，就可能产生自激振荡，因为在低频段和高频段可以分别找出一个满足相移为180度的频率（满足相位条件），此时如果满足幅值条件|AF|=1，则将产生自激振荡。因此对三级及三级以上的负反馈放大电路，必须采用校正措施来破坏自激振荡，达到电路稳定工作目的。
（2）检查电路是否稳定工作的方法
方法一：根据AF 的幅频和相频波特图来判断。设LAF=20lg|AF|(dB)
1）当 Δφ=-180°时(满足相位条件)：若LAF<0，则电路稳定；若LAF≥0 (满足幅度条件)，则自激。
2）当|AF|=1，即LAF=0dB 时(满足幅度条件)：若|Δφ|<180，移相不足，不能自激；若|Δφ|≥180°，满足相位条件，能自激。
3）LAF=0时的频率为f0,Δφ=180°时的频率为f ，当f0用上述三个判据中任何一个判断均可，需要注意的是，当反馈网络为纯电阻时，反馈系数F 为实数，AF 的波特图与A 的波特图成为相似形。为简
便起见，通常只画出A 的波特图进行研究。因为F 为已知(或可求)，20lg(1/F)是一条水平线，它与A 的幅频波特图相交于一点，这交点满足|A|=1/F ，即|AF|=1(对应于20lg|AF|=0)，根据交点处的相位小于-180°就能判断稳定与否。
方法二：只根据幅频特性，无需相频特性的判别法。
因为20lg|AF|=0时，Δφ=-180°产生自激。幅度条件改写成：20lg|A|+20lg|F|=0。即：20lg|A|-20lg1/|F|=0，20lg|A|= 20lg1/|AF|≈20lg|Af|。因此，自激条件又可描述为，当Δφ=-180°时，如果开环增益近似等于闭环增益将自激。而开环增益的-20dB/dec 段，对应于Δφ=-45°～- 135，-40dB/dec 段对应于Δφ=-135°～- 225°。所以在开环幅频特性的波特图上，直接画闭环增益曲线，并令两者相交，若交于-20dB/dec 段对电路稳定，交于-40dB/dec 段时，电路可能自激。
（3）影响电路稳定性的主要因素
1）极点数越多越不稳定，单极点不会自激；两个极点的电路若不考虑寄生参数的影响也不会自激，但寄生参量实际上是存在的，因此有可能产生自激；三个极点的电路可能产生自激。
2）极点频率越相互靠近，频率特性下降得就越快，就越容易产生自激。各极点重合时，稳定性最差。
3）负反馈越深，越容易满足自激的幅度条件，电路越容易自激。
（4）防止高频自激的原则
1）尽量采用单级或两级负反馈。单级负反馈肯定稳定，两级负反馈即使不稳定也容易通过补偿消除自激。
2）各级放大电路的参数尽量分散，使极点拉开。
3）限制负反馈深度，这是不得已的消极方法。
无论采用哪种措施，其目的都是使开环频率特性穿过0dB 时的斜率尽量为-20dB/dec ，以保证电路可靠地工作。如果穿越 0dB 时的斜率为-40dB/dec ，电路可能稳定，也可能不稳定，这主要看后面极点的影响及寄生参数的情况。即使稳定，相位裕度也很小。若以-60dB/dec 的斜率穿越0dB 线，则系统一定不稳定。因此说，消除自激的指导思想是：希望极点数少些，极点频率拉开些，-20dB/dec 段长些。
由上述条件可以知道，反馈越深，越容易产生自激振荡。基本放大电路中，单级和两级放大电路是稳定的，而三级或三级以上的负反馈放大电路，只要有一定的反馈深度，就可能产生自激振荡。
（5）振荡的建立与稳定
实际上，振荡不需要上述假设就可建立起来。
接通电源的瞬间，总会有通电瞬间的电冲击、电干扰、晶体管的热噪声等，尽管这些噪声很微弱，也不是单一频率的正弦波，但却是由许多不同频率的正弦波叠加组合而成的。在不断放大→反馈→选频→放大→反馈→选频…的过程中，振荡就可以自行建立起来。这个过程可简述为：
电干扰→放大→选频→正反馈→放大→选频→正反馈→…
显然，建立过程中，每一次反馈回来的信号都比前一次大。那么，振荡输出会不会无休止的增长呢？晶体管是一个非线性元件，只有在线性区才会有放大作用。开始振荡时，信号较小，工作在线性区，u A 正常值，正反馈，使1u u A F ；当信号增大到进入非线性区时，输出信号产生削波失真，在信号的一个周期的部分时间内才有放大作用，平均放大量要减小，u u A F 也随之下降，当降到1u u A F 时，输出和反馈的振幅不再增长，振荡就稳定下来了。可见，稳幅的关键在于晶体管的非线性特性。所以：
起振条件： 1u u A F
稳定条件（平衡条件）： 1u u A F
3自激振荡的应用
自激振荡的原理可用于各种机械装置。如专利号为2的汽油机自激振荡直流互激振荡交流点火电源。正弦波振荡器可用于函数信号发生器，输出信号可作为模拟电子电路的测试信号和控制信号。此外，正弦波振荡器还可应用于测量、遥控、通信、广播、自动控制、热处理和超声波电焊、高频感应加热等加工设备之中。
（1）RC 振荡电路
Uf
图3 RC 振荡电路
图3所示为RC 振荡电路。该电路输出功率小、频率低。RC 桥式正弦波振荡电路的主要特点是采用RC 串并联网络作为选频和反馈网络。因此我们必须先了解它的频率特性，然后再分析这种正弦振荡电路的工作原理。
RC 串并联网络如图4所示。RC 串并联选频网络的选频特性：选出单一频率信号，用正反馈信号作为输入信号。 如图4所示电路的阻抗可定义为：2223O
f j CR R j C U R C j CR R j C j CR j CR U R j C
g g ，当012f f RC 时，O U g 与f U g 同相。3O f U U g
g 此时只需满足输出信号与反馈信号同相且1||3F g 即可满足电路产生稳定正弦振荡的条件。
+
_+
_R1
V1
图4 RC 串并联电路
RC 串并联网络幅频响应如图5所示。
0.110w/w 0
10.1
0.20.3
0.4
F F
图5 RC 串并联网络频率响应
RC 串并联网络相频响应如图6所示。
w/w 00.110
30
60
9030
---60
90f
图6 RC 串并联网络相频响应
低频等效电路如图7所示。在电路中集成运放作为一个完整的器件来对待，集成运放主要用于频率不高的场合。
+
_+_V1
图7低频等效电路
RC 串并联网络低频等效电路中的一个幅频响应如图8所示。
w/w 0
0.1
10
0.10.2
0.3
0.4
F F 图8 RC 串并联网络频率效应
RC 串并联网络的相频响应如图9所示。 w/w 0
0.110
30
60
9030
---6090
f
图9 RC 串并联网络相频效应
高频等效电路如图
10所示。
+_
+
_V1
图10高频等效电路
高频等效电路中RC 串并联网络响应如图12所示。它是高频等效电路中的一个幅频响应。