給大家分享一下關(guān)于LC振蕩電路。LC振蕩器的類型有很多，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，用于產(chǎn)生高頻正弦波信號的電路。

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

常見的 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 LC 振蕩電路和電容三點 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 電路輻射足夠強的電磁波，必須提高振蕩頻率，電路呈開路形式。

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

LC諧振電路

上面顯示的電路是一個 LC 諧振電路，該電路包含一個完全充電的電容和一個完全斷電的電感，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，電流最終會停止流動。

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

當電感完全通電時，電容失去所有能量。電感將通過存儲在其中的能量開始為電容充電。從電容到電感以及從電感到電容的能量轉(zhuǎn)移繼續(xù)進行。

這種從一個設備到另一個設備的持續(xù)能量轉(zhuǎn)移就是常說的 LC 振蕩，下圖為LC振蕩器原理動圖。

LC振蕩電路原理動畫

LC振蕩電路原理作用

當一個完全通電的電容連接到一個斷電的電感時，整個電路的所有能量都只在電容上，而電感的能量為零。

我們將存儲在電容中的能量(電能)表示為 (U_E)，將存儲在電感中的能量(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

電流開始從電容流向電器，電感開始通電，電開始放電。電感的能量開始增加，電容的能量開始減少。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，電感中存儲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始對電容充電。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始在電路中流動，它將以相反的方向流動。由于電路中的電流現(xiàn)在具有相反的電流，我們可以說它已經(jīng)完成了交流周期的前半部分并開始了后半部分。

LC振蕩電路圖原理

因此，當整個周期完成時，電容和電感都將完全充電兩次。

基本 LC 振蕩電路

下圖的電路由一個感應線圈 L 和一個電容 C 組成。

電容以靜電場的形式儲存能量，并在其極板上產(chǎn)生電位(靜電壓)，而感應線圈以電磁場的形式儲存能量。通過將開關(guān)置于位置 A ，電容充電至直流電源電壓 V。當電容充滿電時，開關(guān)切換到位置B。

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

這種上升的電流在線圈周圍建立了一個電磁場，該電磁場抵抗了這種電流的流動。當電容 C 完全釋放了最初存儲在電容中的能量時，C 作為靜電場現(xiàn)在存儲在感應線圈中，L 作為線圈繞組周圍的電磁場。

由于現(xiàn)在電路中沒有外部電壓來維持線圈內(nèi)的電流，因此隨著電磁場開始崩潰，電流開始下降。在線圈中感應出一個反電動勢 ( e = -Ldi/dt )，使電流保持在原始方向上流動。

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，線圈的電磁場完全崩潰。

LC振蕩電路

最初通過開關(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)在開始通過線圈再次放電，并重復整個過程。當能量在電容和電感之間來回傳遞時，電壓的極性會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生交流型正弦電壓和電流波形。

此過程形成 LC 振蕩電路的基礎，理論上這種來回循環(huán)將無限期地繼續(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，都會發(fā)生一些能量損失，隨著時間的推移，振蕩衰減為零。

如果不是因為電路內(nèi)的能量損失，這種在電容 C 到電感 L 之間來回傳遞能量的振蕩作用將無限期地持續(xù)下去。電能在直流或電感線圈的實際電阻中、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程停止。

在實際的 LC 電路中，振蕩電壓的幅度在每半個振蕩周期都會減小，最終會消失到零。然后將振蕩稱為“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，必須有一個頻率點，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阻止電流流動。

LC振蕩電路--共振頻率

如果我們現(xiàn)在將電感的感抗曲線放在電容容抗曲線的頂部，使兩條曲線在相同的頻率軸上，交點將為我們提供諧振頻率點，( ? 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

然后通過簡化上述等式，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

這個等式表明，如果L或C減小，頻率就會增加。該輸出頻率通常以 ( ? r ) 的縮寫形式給出，以將其標識為“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循環(huán)期間損失的能量。

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

替代這種損失能量的最簡單方法是從 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

上述過程可以使用電壓放大器來實現(xiàn)，該電壓放大器使用運算放大器、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)絡的能量水平。然后，當幅度試圖從參考電壓向上或向下變化時，必須有某種形式的自動幅度或增益控制。

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，振蕩就不會開始或消失到零，再多一點振蕩就會發(fā)生，但幅度將被電源軌削波，從而導致失真。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載。另一個線圈L2連接在晶體管的基極和發(fā)射極之間，其電磁場與線圈L的電磁場“相互”耦合。

基本晶體管 LC 振蕩器電路工作原理

兩個電路之間存在“互感”，一個線圈電路中流動的變化電流通過電磁感應在另一個電路中感應出電位電壓(變壓器效應)，因此在調(diào)諧電路中發(fā)生振蕩，電磁能量從線圈轉(zhuǎn)移 L 到線圈 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，必要的自動反饋電壓被施加到放大晶體管。

可以通過改變兩個線圈 L 和 L2 之間的耦合來增加或減少反饋量。當電路振蕩時，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額外的 180 度相移。這是通過以相對于線圈L的正確方向纏繞L2的線圈來實現(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，或者通過在放大器的輸出和輸入之間連接相移網(wǎng)絡來實現(xiàn)。

因此，LC 振蕩器是更常見的“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) 類型的應用，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，因為有許多不同的方法來構(gòu)建 LC 濾波器網(wǎng)絡和放大器，最常見的是哈特利振蕩器、Colpitts 振蕩器、克拉普振蕩器、Armstrong 振蕩器等。有的已經(jīng)詳細講過了，大家可以點擊下方標題直接跳轉(zhuǎn)。

LC 振蕩電路示例

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

可以從上面的例子中看到，通過減小電容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

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

溫度的變化會影響元件，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，工作頻率可能會發(fā)生變化。

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