從零學(xué)運放—12震蕩電路

震蕩電路相對于來說是電路中比較難的一種電路。下面系統(tǒng)性的講一下，以及怎么放分析。

1、施密特方波震蕩器

比如Api74HC14就是個施密特觸發(fā)器，下圖就是Api74HC14的內(nèi)部等價框圖

下邊是這個芯片的極限參數(shù)

它最大輸入電壓是7伏，里邊都是一些非門，它的輸入是施密特性質(zhì)的，那么我們供電是5伏，假如說高于3伏才輸出為0，低于1伏才能輸出為1，這個叫施密特觸發(fā)器。

因為我們普通的非門假如5伏供電的話，2.5伏附近高于2.5伏輸出為0，低于2.5伏輸出為1，做為一個反相器來說。普通反相器是有個確定的點的，高于某個值輸出為低，低于某個值輸出為高，有一個不確定的點，這個點是比較模糊的。但是施密特恰好相反，它的高是必須搞于某一個高點它輸出為0，低必須低于某一個低點它輸出1，所以說高和低之間有一個重疊區(qū)。

下圖是一個施密特震蕩電路

這種特性的電路呢，0和1都有個門限，有交錯并且是保持前一個狀態(tài)的門限，那它是怎么實現(xiàn)的呢？

比如上圖左邊電路的施密特觸發(fā)器，它是5伏的，我們假設(shè)3伏為高電平輸入，1伏為低電平輸入我們來分析一下，剛開始電容上電壓為0，于是0輸入進去低于1伏，輸出為1高電平5伏，5伏通過反饋電阻給電容充電，充電充到1伏，充到1伏沒用它不能切換，它要繼續(xù)往上充充到3伏，超過3伏它才能切換，3伏之后輸出一個0低電平，0之后反饋到電容上，電容放電，一直放到低于1伏又開始逆轉(zhuǎn)有輸出為高電平5伏，就是這么個原理。

0、1、0、1......這樣一個方波。那么我們要想控制高電平和低電平的時間我們可以通過改變電阻大小和電容大?。▽I(yè)點就是調(diào)節(jié)頻率），如果想控制占空比的話電阻處可以串連兩路二極管（一路正向、一路反相），類似于下邊的電路二極管的連接方式。

施密特觸發(fā)器是比較常用的產(chǎn)生一個脈沖方波的電路，因為它很簡單。手機上以前需要一個三兆多的一個時鐘給迷笛音樂的時鐘，當時想到了這個最簡單的方法就是用這個施密特觸發(fā)器的方式，

手機上有個一個專用的小芯片很小的單路的施密特觸發(fā)器，那么再加上外部的一個電容和電阻就搞定了，所以說電路非常簡單，

但是這個方案后來被否定了，原因是手機上別人打進電話來的時候會導(dǎo)致手機的電壓會波動（電池電壓），波動之后導(dǎo)致LDO輸出的電壓會低一點，施密特電路工作頻率跟供電電壓有極大關(guān)系，電壓稍微一低聲音就能夠聽的出來，聲音會有些不對勁，因為聲音對頻率是很敏感的，所以用它做為聲音的時鐘并不是很理想，因為頻率太不穩(wěn)定了（受電源電壓影響）。

上邊的電路是NE555時機電路，數(shù)字電路。也就是說單片機沒有發(fā)展起來之前這個時機電路是非常常用的，比如弄個定時啊，它實際上就是多功能的施密特觸發(fā)器，可以構(gòu)成很多功能，可以看到第一個圖的左邊電路的RC和NE555電路的RC，其實它內(nèi)部也是非門電路，它還可以通過各種組合實現(xiàn)很多功能的，所以NE555是最著名的一個時機電路，有單片機之后現(xiàn)在用的很少了。

2、運放構(gòu)成的施密特振蕩器

這個圖在理想運放的時候已經(jīng)講過，它就是用運放構(gòu)成了一個施密特觸發(fā)器，實現(xiàn)一個脈沖輸出。

上圖所框之處構(gòu)成了門限，高要高于2/3，低要低于1/3構(gòu)成這樣類似于施密特這樣的震蕩電路，上邊的二極管和電阻實現(xiàn)了高電平的時寬和低電平的時寬。

3、自激式方波振蕩器

這是一個最經(jīng)典的一個震蕩電路——自激式方波振蕩電路，也叫多諧振蕩發(fā)生器。

使用在27MHz的遙控器，遙控飛機啊、遙控汽車啊上的震蕩電路就用這個電路做的，還有一些推挽式電路，以前經(jīng)常做一些逆變器，推挽式電路的驅(qū)動也用它做的。這個電路比較有意思，因為是全對稱的，大家都不知道怎么分析，下面我們分析下這個電路。

我們假設(shè)這個電路基本是對稱的，但是基本對稱不完全對稱，因為所有東西你做成完全對稱是不可能的，

假如VT1三極管的放大倍數(shù)略大于VT2（條件），VT1的BE結(jié)，低是0伏的話，那么基極就是0.7伏，基極對應(yīng)的電阻下方電壓是固定的，當開機的時候，R2或者R3設(shè)置的偏置讓三極管微微的打開，R1向下的通路有個很小的電流就可以了，R2和R3的電阻不能太大，一般就是33K，也就是三極管的基極電流不能太大，B和C點的電壓是一定的我們認為是0.7伏（因為PE結(jié)），

剛開始電容上是沒電的，所以一開始的時候B和C點電壓是0.7，由于剛開始電容沒電，所以A點也是0.7伏，D點也是0.7伏，C點有一定的電流下來，讓VT1有略微的導(dǎo)通，B點也一樣，略微導(dǎo)通，

由于電路不可能完全對稱，加入VT1放大倍數(shù)比VT2大一點點，那么VT1先導(dǎo)通一點點，那么A點電壓會比D點電壓更早的低，低一點會反饋到B點（因為電容電壓不能突變），于是B點電壓會低導(dǎo)致VT2基極電壓變低，那么VT2三極管處于截止狀態(tài)，那么D點的電壓由于三極管截止，會迅速給C點和D點間電容充電，

當充滿電的過程中，同時D點通過電容耦合到C點，那么VT1的三極管持續(xù)導(dǎo)通，讓A點電壓保持低。讓VT2繼續(xù)截止，形成一個閉環(huán)的死鎖（自激過程）。當D點充電到電源電壓之后，自激死鎖就失效了，因為D點電壓達到了電源電壓電容飽和了那么C點和D點電壓等電勢了就沒有電流了，所以VT1的基極電流小了，小了就開始逆轉(zhuǎn)，導(dǎo)致VT1截止，那么A點電壓開始升高，那么通過電容耦合到B點，使VT2開始緩慢導(dǎo)通，使D點開始電壓降低，最終也是跟D點一樣A點達到電源電壓，那么A點和B點又是等電勢C1電容飽和狀態(tài)，沒有電流流過，之后就是反復(fù)這樣的動作產(chǎn)生出了方波。

那么這個電路雖然看著是對稱的，但是器件的制作工藝的差異，都有誤差的特點來產(chǎn)生不對稱的效果，放大倍數(shù)不一樣之后就有先充電和先到電源電壓高點，然后再靠電容兩邊等電勢沒有電流產(chǎn)生導(dǎo)致反轉(zhuǎn)（三極管截止），使另一個點電壓變高，相應(yīng)的對邊三極管導(dǎo)通，使對端的電壓再降低這樣的一個反復(fù)過程。

這個自激震蕩電路當死鎖之后，在電阻給電容的充電時間保證三極管狀態(tài)

穩(wěn)定，這個保持時間長短就是它的半周期，那么兩個合起來就是一個周期。

所以這個電路必須有自激、保持、反轉(zhuǎn)（進入飽和態(tài)）這幾個過程。

其中，基極的偏置電阻不能太大，否則會出現(xiàn)輸出低電平到不了底，會有一些反彈，這會導(dǎo)致在一些場合不適合

若偏置電阻太小，導(dǎo)致三極管完全導(dǎo)通，兩邊都導(dǎo)通，就無法起振

以前這個電路用的很多，現(xiàn)在很少用了

4、雙管自激升壓電路

上邊這個電路捕魚機一般用這個電路，電蚊拍也是這個電路，還有些電警棍升壓。這個電路是典型的把6伏升成220伏的小功率電路。它的原理跟自激式方波震蕩電路原理差不多，也是雙管，只是把電容換成了電感（變壓器）來處理了。

我們來分析下，電感6腳接的是6伏的電源，假設(shè)剛開機的時候，通過R75的偏置（三極管的偏置電流）通過6腳到7腳給三極管提供電流，Q8和Q7不可能完全對稱，于是導(dǎo)致一邊多一點一邊少一點，于是8、9、10處產(chǎn)生的磁場不能完全抵消，于是在5、6、7感應(yīng)出7腳正5腳負的，這個感應(yīng)恰好又加速Q(mào)8三極管飽和導(dǎo)通Q7飽和截止，這就是個自激過程，

接下來就是個穩(wěn)態(tài)過程，那么9腳的主電流會通過6腳開始注入，電壓加在電感上了，6伏完全加在了8和9的線圈上，于是電流緩慢增長，增長到一定程度進入到電路飽和（因為1、有線損，2、MOS管有壓降），當電流不能再繼續(xù)增長的時候，那么1、2、3、4的感應(yīng)電就沒有了，只有電流能繼續(xù)增長才能有感應(yīng)，飽和有兩種飽和（1、回路電阻飽和（電阻引起的飽和可能性不大），2、磁飽和，主要是變壓器，U2是變壓器（EE25型）是磁飽和），那么飽和的時候感應(yīng)不到5、6、7這邊來，于是就沒有感應(yīng)電了（沒有正反饋過程），那么Q8是電流大，Q7電流小，Q8飽和導(dǎo)通，Q7截止的，于是它不可能變成飽和了，于是Q8進入退出飽和（從飽和進入放大狀態(tài)），Q7進入放大狀態(tài)（從截止進入放大狀態(tài)），于是開始逆轉(zhuǎn)，因為9到8這個回路上電流要變小，于是就感應(yīng)出上負下正的電，于是開始交換。

所以這個電路也是用了不對稱性，產(chǎn)生一個漏磁，漏磁通過反饋回來補償Q8和Q7一個是加速飽和導(dǎo)通，一個是截止（自激過程）；

之后6伏點加在9腳之后電感上電流是不能突變的，電流緩慢斜波式增長上去，增長到一定程度之后，一般來說都是進入磁飽和，電流增長變壓器磁場也在增強，磁場增強到一定程度進入磁飽和，磁場增加到頂點，于是導(dǎo)致5、6、7處感應(yīng)的電沒有信號了，于是Q8退出飽和（飽和進入放大）、Q7退出截止（截止進入放大），也就是開始逆轉(zhuǎn)；

那么磁場感應(yīng)方向開始相反，上正下負的一個點了，電流變小之后磁場開始逆轉(zhuǎn)，根據(jù)倫茨定理續(xù)流。暫穩(wěn)態(tài)就是6伏電給電感充磁的過程（電流上升過程）。

5、正弦波振蕩器條件

*閉環(huán)增益大于1

*反饋相位滿足N*360度N是大于等于0的，一般是0倍或者是1倍。

*有一個選頻網(wǎng)絡(luò)（非必須，但必要），一般用晶振來選頻，因為沒有選頻網(wǎng)絡(luò)的話，頻率會亂跳。所以它是非必須，但是是必要的，因為我們網(wǎng)絡(luò)當中需要一個穩(wěn)定的頻點。

現(xiàn)在正弦波振蕩電路是主流用的比較多的，開關(guān)式的脈沖自激振蕩電路用的非常少，因

為單片機興起了。

5.1、正弦波一

上圖左側(cè)電路是一個比較常用的振蕩器，有一個石英晶體（13.56M、12M之類的），帶&符號的是反相器（7404之類的），反相器間加了一個隔直電容，反相器并聯(lián)個電阻，

為什么有個電阻呢，實際上反相器是個非門，非門其實就是運放的反相輸入嗎，當并上一個電阻之后讓反相器進入到線性工作狀態(tài)。

非門本身用于0或1輸入，輸出0或1，我如果把頭和尾接起來就是輸入0.5輸出也0.5了可以這么理解，就是一個反相放大器的作用，增益比較高的一個反相放大器。

反相器和電阻就是一個反相放大器，實現(xiàn)180度相位移動，對稱又一個反相器也是180度，那么兩個加一起就是360度的相位移動，就是高輸出低，低再輸出到高實現(xiàn)了360度的相位差。然后經(jīng)過晶振的選頻網(wǎng)絡(luò)，比如說12M的話，那么12M就直通過去了，這樣就實現(xiàn)了一個振蕩器。

為什么中間有個0.05uF的小電容呢，隔直，如果沒有的話第一個非門輸出的信號點會影響后面輸入的平衡點，因為直接接的話如果有個直流分量在，直流會影響后面的非門輸入，隔直就是為了讓它每一路都進入最好的放大狀態(tài)。有些不同的電路要調(diào)節(jié)不同的值（電阻和電容），阻值太大也不行，太小也不行，太大或者太小會讓等價運放的放大倍數(shù)降低，那么取合適值是比較關(guān)鍵的。

上圖右側(cè)電路和左側(cè)電路前半部是等價的，之后后面多了一個非門。

這個電路以前在紅外檢測38KHz中常用。這個電路很好用的，大量用過3.579545MHz的sam時鐘上。

5.2、正弦波二

上圖是三點式電容振蕩器，三點式電容振蕩器是最常用最常用的一個震蕩電路了，我們在射頻中大量使用。圖中就是典型的射頻震蕩電路。三極管集電極負載（Rc）取出一個信號，接到右側(cè)的CLC電路中就構(gòu)成了電容三點式振蕩器，等效圖就是右邊的電路。

5.2.1、單片機時鐘電路

T三極管我們可以把它等效成一個非門，三極管輸入信號（基極），輸出信號（集電極），輸入高，輸出就低，輸入低輸出就高，所以是反相的（非門）。那么我們把它等效為一個運放，如下圖。

反相輸入運放，這個電路圖我們在變下位置，如下圖

反相輸入運放，構(gòu)成180度相位移動，那么后續(xù)電路網(wǎng)絡(luò)再構(gòu)成一個180度，那么就實現(xiàn)了360度相位移動了，那就滿足了震蕩，這都是正弦波的。

我們來看下滿足的條件是什么。假如說CLC里的功過頻率跟IOC回路諧振我們看下會怎樣。

看作諧振的話，在諧振的時候，電感可以把一邊的電容的電搬移到另一個電容，相反一樣，一會電容上的能量轉(zhuǎn)化給電感，然后電感上的能量再轉(zhuǎn)化給另一端的電容，反過來同理，方向恰好相反。

我們的電容當以地為中心點的時候我們可以看到，電容兩邊恰好是相反的，比如默認都是0值的話，當把左邊的電容電荷移到右邊去，那么左邊就出現(xiàn)了負電荷，右邊成為正電荷，當把右邊的電荷移到左邊，那么右邊就成負電荷了，左邊就正電荷了，恰好相反。所以這兩個電容當諧振的時候，兩邊電容恰好相差180度。

所以說非門構(gòu)成一個180度的相位差，CLC又構(gòu)成了180度的相位差，于是實現(xiàn)了360度的相位移動又反饋回來。

為什么說正弦波震蕩電路呢，因為相位差360度等價于我輸出信號又當做原始的信號來用，有個替代關(guān)系。

就是輸出信號跟輸入信號是一樣的，反饋回來，所以說可以進行穩(wěn)態(tài)的工作。這個東西等價于什么呢，好比說一個物體在不受到力的作用的情況下，我們可以很容易想象到它是靜止的，實際上這是錯誤的，沒有受到力作用的時候它應(yīng)該是勻速直線運動，它不是靜止的。

從震蕩角度來講，一個震蕩來說它沒有受到外力作用的時候它就應(yīng)該一直保持震蕩下去。同樣一個正弦波過來，進入上邊電路運放負相端，經(jīng)過環(huán)路整個放大為1的時候它的輸出信號再回到它輸入信號（輸出信號與自己原來的信號相差360度的情況下）其實就是自己，就是下一個周期的自己，那么這樣整個回路的穩(wěn)定工作的，其實就是把自己重新放大了一下，這時增益必須為1。

實際真正震蕩電路，穩(wěn)態(tài)之后整個回路的放大倍數(shù)為1的，不會大于1的；那么起始的時候那么整個回路的放大倍數(shù)必須大于1，因為我們知道一個回路里邊，運放會移相180度，但實際上比180度略多一點點的，而后續(xù)CLC電路實現(xiàn)移相180度，加入增益大于1的話，剛開始可以工作，之后因為增益大于1運放本身相位導(dǎo)致信號超過180度，最后逼著CLC電路相位移動小于180度，就是它不是恰好工作在諧振點上，可能偏一點，那么整個回路合起來之后呢，相位相差360度同時把增益降下來，實際上CLC損失了增益，

這里邊運放的增益比較高，比如5倍、10倍，讓CLC降低增益，利用CLC的相位偏移值來把增益降低，于是最后整個環(huán)路增益為1。

5.2.2、單片機時鐘

上邊5.2.1講的電路，實際上我們來看下單片機，上圖左圖（51單片機），一個腳是XTAL1（晶體1腳）、一個腳是XTAL2（晶體2腳），之間接個晶體，然后對地并上2個30pF的電容，右圖就是它的等效圖。那么右圖晶振上半部就是單片機內(nèi)部的一個等效電路，U1-A其實就是單片機內(nèi)部的一個反相器（非門），然后并了一個電阻（1M附近吧，內(nèi)部電阻），外部加一個左邊的電路就馬上變成一個三點式電容震蕩電路了，那么右邊的圖其實就是跟下圖是等價的

電路中晶體就看作一個電感。那么三點式電容震蕩電路理解透那么振蕩電路就理解了。

6、電感電容移相特性

U=Li/t => U=jωL*I

I=Cu/t => I=jωC/U

分析震蕩其實就是分析電容電感，尤其是電容。

我們知道電感的公式電壓等于電感乘以電流對時間的微分（U=Li/t），也就是說電流跟時間的關(guān)系，那么記這個公式，假如我們的信號源是正弦波的話那么得到的公式就是電壓等于截歐米伽電感乘以電流啦（U=jωL*I）,那么這里的jωL其實就是阻抗，這個j就是移相90度，實際上這個i/t微分一下就是△i/△t，其實就是一階微分，得到就是相位90度的移相，相位90度移相是針對于正弦波來說的，這個要清楚；

那么恰好相反，電容的公式是I=Cu/t。我們對電感來說電壓注進去電能變成磁能，這是個充磁的過程（電能變磁能）；那么對于電容來說，是電流充進去最后變成一個電能，所以說是磁變電的一個過程（磁能變電能）。電容那么就是電壓對時間微分的話，就是I=jωC*U了。

6.1、RC電路仿真

那么上圖我們是以電容為例講的，V2是個正選波的信號源，對電阻和電容進行充放電仿真一下（用pspice仿真的），我們看下V點和I點的三個點的三條錢的正弦波情況。如下圖

上圖振幅比較大的是源信號（5伏），振幅其次的是過了電阻之后電容上的電壓，振幅最小的是通過整個回路的電流。這個圖我們看到，都是從零時刻開始，電流、電容上電壓、電源上電壓是同相位的，通過幾個周期之后，相位就不是同相位了，那么我們可以看到電流超前電壓90度，同時我們看到電流相位也超前電壓源相位，所以有電容存在的時候電流超前電壓90度，注意這是指正弦波穩(wěn)態(tài)條件下講，離開這一點沒有任何意義的。

超前90度這個概念是相對正弦波來講的

若換成電壓是斜波(RCC開關(guān)電源)，那么電流永遠是一條直線，那就不存在超前概念。還有鋸齒波。

所謂超前滯后，首先是周期性波形

我們常說的電容電感的阻抗概念，ωL，或者1/ωc,這個概念是存在條件限制的

比如RCC的開關(guān)電源

ωL，1/ωc這類阻抗的計算，條件是穩(wěn)態(tài)的正弦波下

若脫離穩(wěn)態(tài)的正弦波，談什么ωL，是不存在意義的

還必須要講穩(wěn)態(tài)

很多東西，都是有它的條件的，但是，時間久了，習(xí)慣了，往往就忽略了其邊界條件了

我一般喜歡記住其本源的東西

比如電容

就記住I= du*C d是微分，dU，就是微小的電壓變化

這個公式不完整，應(yīng)該是

dQ = dU*C

對他們?nèi)‰妷旱奈⒎?，就?/p>

I =C*dU/(dT)這是微觀，宏觀就是I= C*U / T

題外話，自己去了解下下邊的東西

迷笛音樂的時鐘

這個迷笛，是指MIDI

也就是和鉉鈴聲

最早的手機，是從MIDI開始的

之后是ADPCM播放，再是MP3

之后才是視頻MP4

這么進化的

ADPCM，做成假MP3，天天的鳳凰傳奇

6.2、電容電流超前電壓90度

電容的電流超前電壓90度，那么對于電感來說呢，是電壓超前電流90度了唄。電容我們可以這么想，其實很簡單，電容是電流注入進去電壓才能上來（磁能轉(zhuǎn)電能），電流注入進去所以說是電流在前電壓在后，可以這么理解。那么電感呢，電壓注入進去，然后電流出來（電能轉(zhuǎn)磁能），所以說電壓超前電流90度，可以這么理解。

7、文氏橋震蕩電路

文氏橋震蕩電路，以前也是比較多的一個，現(xiàn)在基本上沒人用了，還是單片機興起的原因，但是道理我們要懂的。

文氏橋震蕩電路其實就是利用零相位，因為我們上邊三點式震蕩電路講的都是360度相位，現(xiàn)在這個電路是零相位的。

它是正相放大，然后反饋回來，我們不考慮延時的話就是零相位反饋回來的，那么左邊的CRCR構(gòu)成了一個選頻網(wǎng)絡(luò)還要保證它是個零相位，我們來看下是不是零相位。

反饋回來信號經(jīng)過電容，電流超前電壓90度，好信號過電容相位是超前的90度的，那么經(jīng)過R電阻到正相端我們就是獲取一個電壓，實際上電壓就是落后下邊電容90度，一個超前一個落后所以又變?yōu)?相位了；因為上邊是串聯(lián)的電容，下邊是并聯(lián)的電容，串聯(lián)和并聯(lián)恰好相反，串聯(lián)電流是超前反饋回來的，那么并聯(lián)處呢，因為我們獲取的是電壓值，所以說是落后90度，那么超前90過來抵消掉，恰好是0度。考慮到運放有個延時，因為反饋回路接近0度的話，因為選頻網(wǎng)絡(luò)，它工作在一個放大倍數(shù)當中，因為有一些相位的延時，選頻網(wǎng)絡(luò)做一個衰減那么這個閉環(huán)回路放大倍數(shù)恰好為1了。

文氏橋電路就是為了整個相位回路為0的。

8、RC震蕩電路

RC震蕩電路我們看到，（a電路圖）它是反相輸入運放的，那么反相輸入相位相差180度，經(jīng)過一級RC相位差60度，二級RC相位差120度，三級RC相位差180度，反相滯后型的，恰好和運放反相輸入的180度加一起正好360度，因為電容式接地的，接地就是滯后。

（b電路圖）就是超前型的相位補償。

我們可以看到相位補償，可以使用超前（相位變成0度回來）也可以使用滯后（相位變成個360度回來）兩種方式。

到此本章內(nèi)容結(jié)束！