浅谈自激振荡的应用
浅谈自激振荡的应用
褚银菲
（宜兴技师学院 江苏 宜兴 214206）
【摘要】：本文通过对自激振荡现象和自激振荡条件的剖析，阐述了自激振荡电路的稳定措施和在负反馈放大器中自激振荡的消除方法，以便能正确认识并合理应用和处理自激振荡，从而提高电路的性能。
【关键词】：自激振荡 稳定 消除
Discusses the Self-sustained Oscillation Shallowly on the Application
Chu Yinfei
(YiXing Technicians College ,YiXing ,JiangSu ,214206)
Abstract: This article is based on the analysis of self-sustained oscillation phenomenon and self-sustained oscillation condition. It elaborates the stable measure of self-sustained oscillation circuits and the eliminating method of self-sustained oscillation in the negative-feedback amplifier.So we can understand corretly, apply and process reasonably self-sustained oscillation. Thus we can enhance the electric circuit's performance.
Keywords: self-sustained oscillation stabilize eliminate
自激振荡在无线电通讯、广播电视、工业上的高频感应炉、超声波发生器、自动控制、仪表测量、半导体接近开关等方面都具有广泛的用途；许多电子电器中，更存在着各种各样的振荡电路，例如收音机中本机振荡器、录音机中的超音频振荡器、彩色电视机中的副载波压控振荡器以及各种仪表中的振荡电路应用等；但在放大电路中由于电路存在附加相移或内阻太大等原因引起的自激振荡，会破坏系统的正常工作。因此，我们很有必要全面地、深入地了解关于自激振荡形成的条件，以便在现实生活中更好地利用自激振荡，而在有些电路中则能更好地避免自激振荡，使系统更好地工作。
一、自激振荡的现象
自激振荡是在无外加输入信号时，仍有一定频率和幅度的输出电压，电路将直流电能转变为交流电能的现象。振荡电路工作时不需外界输入信号的，那怎会有输出呢？其本质是电路将输出信号的全部或一部分通过一定的方式送回到输入端代替输入信号，从而形成电路的工作循环过程，其工作过程可如图1所示。
图1
（其中A为基本放大器的放大系数，F为反馈网络的反馈系数）
二、自激振荡的条件
在自激振荡中，输入信号是靠反馈网络把输出端的信号通过正反馈引回到输入端的，必须保证，而、,即自激振荡的条件可以总结为，这个条件包含幅值平衡条件和相位平衡条件，二者缺一不可。
幅值平衡条件（简称幅值条件）：
在自激振荡开始时，，随着振荡的建立，当输出信号的幅值达到一定程度后，放大环节的非线性器件接近甚至进入饱和区或截止区，这时放大电路的增益A就会随着降低，最后达到时，振荡幅度便不再增大，而稳定某一振荡振幅，从到是振荡建立的过程。因此幅值平衡条件实质是由电路参数所决定的，要求电路必须处于正常放大状态，然后利用放大元件的非线性特性实现稳幅振荡。
相位平衡条件（简称相位条件）：
反馈信号要代替输入信号，除了满足幅值条件外，还必须保证反馈信号和输入信号要同相位，即放大电路的相移和反馈网络的相移之和为2nπ（或者说相移为180°的偶数倍），其中n为整数。如RC移相振荡器，基本放大电路在很宽的频率范围内其相移是180°，而一级RC电路移相在0°～90°，两级RC电路最大相移可达180°，但在180°时，超前移相RC网络的频率必然很低，滞后移相RC网络的频率必然很高，此时输出电压接近于零，不能满足幅值平衡条件，所以实际应用中至少要用三级RC移相电路，三级RC移相电路的相移在0°～270°，保证RC移相电路的相移也达到180°，从而保证放大电路和移相电路的相移之和为360°或0°。因此相位平衡条件实质是由电路结构决定的，反馈网络的作用就是形成正反馈，实现反馈信号和输入信号同相位。
负反馈放大器中的自激振荡条件验证：
在负反馈放大器中，其引入反馈后的闭环放大倍数可表示为：，当时其闭环放大倍数，即放大电路处于自激振荡状态，由此可得出负反馈放大电路的自激振荡条件为，也可分解为幅值平衡条件——和相位平衡条件——=（2n+1）π（n为整数）。与前者相比较，其自激振荡相位条件正好相差一个负号，是因为在推导闭环放大倍数的公式时已经将反馈信号视为负值，所以就多出一个负号，分解出的相位条件实质指的是附加相移（2n+1）π，若再加上原来的相移π，就成了π的偶数倍，即总的相移与前者相同。
若要使两者统一，那么对负反馈的闭环放大倍数计算公式可作如下推导：将原来的负反馈直接视为反馈，其净输入信号，输出信号，反馈信号，则，从而得出。当产生自激振荡时，即时，，和自激振荡电路中的振荡条件完全一致，也就是说负反馈放大电路中产生自激振荡和自激振荡电路中的振荡本质是相同的。
三、自激振荡的稳定
频率稳定度是衡量自激振荡稳定性好坏的重要质量指标，如果这个指标达不到所要求的标准，在实际应用中就会产生一系列问题。在常见的自激振荡电路中，石英晶体振荡器的频率稳定度较高，可达到10-8～10-10数量级，分析其特性，其频率稳定度高的原因可归纳为：一是石英晶体的物理化学性质性能都十分稳定，因此，它的等效谐振回路有很高的标准性（谐振回路的标准性指外界因素变化时它保持固有谐振频率不变的能力）；二是它具有正、反压电效应，而且在谐振频率附近，其等效参数L很大，C很小，内阻r也不高。所以它的Q值能够达到数百万量级；三是在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频率附近，有极陡峭的电抗特性曲线，因此对频率的补偿能力超强。结合石英晶体的特点以及电路的结构特性，要提高自激振荡电路的频率稳定度，可采取如下措施：
减少外界因素的影响：
引起振荡频率不稳定的主要原因是外界因素的变化，这些外界因素包括温度、电源电压、大气压力、空气湿度、磁场、电场及负载阻抗变化等，因此可采用如下方法对振荡器进行稳频:
1)为了减小温度变化对频率稳定度的影响，可将振荡器放置在恒温箱中，保持温度恒定。
2)为了减小电源电压波动对频率稳定度的影响，振荡器电源应采取必要的稳压措施。
3)为了减小负载的影响，应减小负载对回路的耦合，可以在负载与回路之间加射极跟随器等措施。
4)为了减小周围电、磁场变化可采取屏蔽措施, 使振荡回路不受外界电、磁场影响。
5) 减小机械振动的有效办法是在振荡器的外壳上安装减振装置。
2.提高电路抗外界因素变化影响的能力：
振荡器的频率主要取决于谐振回路的参数，同时与晶体管的参数也有关，这些参数不可能固定不变，因此造成了振荡频率的不稳定。提高频率稳定度的主要措施有以下几点:
1）提高振荡回路标准性。为提高振荡回路标准性，必须减小L和C的相对变化量。措施是采用高稳定度的集总电容、电感，减小不稳定的寄生量及其在 L、C 中的比重，采用温度补偿。电感和部分寄生参量有正值的温度系数，选用有负温度系数的陶瓷电容器，且负温度系数值合适，可补偿正系数变化，使△f大大减小。
2）选取合理的电路形式。如与电容三点式电路比较，克拉泼电路（如图2）的特点是在回路中增加了一个与Ｌ串联的小电容 ，若不考虑晶体管输入、输出电容的影响。因为 C3远远小于C1或C2，所以C1 、C2 、C3三个电容串联后的等效电容，于是振荡频率，近似只与C3、L有关，而几乎与C1和C2无关。
3. 减少晶体管的影响：
晶体管的极间电容将影响频率稳定度，在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另外，应选择fT 较高的晶体管，fT 越高，高频性能越好，可以保证在工作频率范围内均有较高的放大能力，电路易于起振； 而且fT 越高, 晶体管内部相移越小。一般可选择fT > (3～10)f1max , f1max 为振荡器最高工作频率。
提高谐振回路的品质因数：
从相位稳定条件可知，要使相位稳定，回路的相频特性应具有负的斜率，斜率越大，相位越稳定。根据LC回路的特性，回路的Q值越大，回路的相频特性斜率就越大，即回路的Q值越大，相位越稳定，从相位与频率的关系可知，此时的频率也越稳定。
四、自激振荡的消除
负反馈放大器中自激振荡现象是客观存在的，严重时会导致系统工作的失灵，因此我们应理性地根据自激振荡的条件，采取妥善措施予以消除。根据负反馈放大器中产生自激振荡的原因不同，可以采取不同的电路，下面就常见的一些电路作下介绍。
相位补偿电路：
对于一个负反馈放大器，避免产生自激振荡的方法就是要设法破坏自激振荡的相位条件和振幅条件。利用减小反馈系数的方法可以破坏其振幅条件，但是会影响负反馈放大器性能指标的改善，因此要设法破坏其相位条件，故可采用相位补偿电路。
1）电容或RC滞后补偿电路——在负反馈放大器中接入C或RC，以形成高频旁路或高频负反馈，对高频信号进行相移，从而破坏自激振荡的条件，如图3所示。
(a)电容滞后补偿电路 (b)RC滞后补偿电路
图3
2）密勒效应补偿电路——将电容或RC滞后补偿电路跨接在放大电路中，构成电压并联负反馈，选用的电容值可小一些，但折合到A2输入端的等效电容值却很大，即利用很小的电容就可实现消振，且便于集成化，如图4所示。
图4
3）超前补偿电路——其指导思想是设法将0dB点的相位向前移，破坏其相位条件。如图5所示比例运算电路中Rf两端并联一个电容，以改变反馈网络的频率特性。
图5
电源退耦电路：
在实际电路工作时，电源VCC总有一定的内阻，而负反馈放大器的信号包含直流和交流两种成分，由于交流成分的影响，当这信号通过电源时，电源电压的大小就会不断变化。这样，对于多级放大器而言前后级之间就存在相互干扰，当后级信号通过电源反馈到前级时，如果正好形成正反馈，就可能会使放大器无法正常工作而出现自激现象。为了减小这些干扰，通常在各级放大器之间加有电源退耦电路，如图6所示。图中的R和C组成阻容滤波电路，通过R分取电源内阻上的电压，减小反馈强度；接着由于C交流接地，阻断了内阻上的电压信号反馈回前级的输入端，以此消除自激振荡的目的。
图6
用一只电容大的电解电容器作退耦电容器，滤除低频的作用是非常理想的，但因电解电容器是用铝箔卷绕成的，必定存在一定的自身电感，这个电感会形成对高频的阻力。因此要想很好地滤除高频信号，还可以在电容大的电解电容器上并联上一只自身电感非常小而且电容也比较小的云母电容器或瓷介电容器C1，如图7，为高频电流提供良好的通路，这样就可以在从低频到高频很宽的范围内达到良好的滤波和退耦作用。
图7
另外，在设计电路时要考虑元件的排列和位置，装配时走线应合理恰当，不能错综交叉；引出线要分开，引线和连线要尽量缩短，以免线路产生互感和杂散电容；将输入、输出变压器互相垂直放置并远离，或给元件加上屏蔽，这样也可以消除自激振荡。
随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术、电力电子技术和自动控制技术也得到了迅速发展，而自激振荡电路作为现代器件的重要组成部分，更与人们的生活紧密相关，因此正确认识并合理应用和处理自激振荡对提高电路的性能是十分重要的。
参考文献：
1．童诗白，《模拟电子技术基础》，高等教育出版社，2001年
2．李雅轩，《模拟电子技术》，西安电子科技大学出版社，2006年7月第2版
3．乜国荃，《负反馈电路中的自激振荡和正弦波振荡》，青海师专学报，2002年第5期
浅谈自激振荡的应用.doc
