兩個(gè)晶體管能如何實(shí)現(xiàn)高效正弦波振蕩？

在電子設(shè)計(jì)中，振蕩器是一個(gè)重要的組件，廣泛應(yīng)用于信號(hào)發(fā)生、無(wú)線通信和音頻設(shè)備中。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的正弦波振蕩器往往需要運(yùn)算放大器或復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)。

然而，是否可以僅用兩個(gè)晶體管就輕松實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效的正弦波振蕩器呢?本文將介紹一種僅使用兩個(gè)晶體管、少量無(wú)源元件以及簡(jiǎn)單反饋機(jī)制的正弦波振蕩器設(shè)計(jì)，并分析其工作原理和性能。

電路結(jié)構(gòu)與原理

本文介紹的振蕩器電路如圖1所示。它由兩個(gè)主要部分組成：一個(gè)基于晶體管Q1的多反饋帶通濾波器(MFBF)和一個(gè)基于晶體管Q2的反相放大器。其中，多反饋帶通濾波器負(fù)責(zé)設(shè)定振蕩頻率，而反相放大器提供增益以維持振蕩。

多反饋帶通濾波器(Q1部分)

Q1及其周圍的電路構(gòu)成了多反饋帶通濾波器。該濾波器的中心頻率由無(wú)源元件(電阻和電容)決定，其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

濾波器的頻率計(jì)算公式在大多數(shù)電子學(xué)教材中都可以找到(假設(shè)C1 = C2 = C)：

其中，R3的阻值決定了濾波器的中心頻率，而R2和R1的比值決定了濾波器的增益，具體公式為：

通常，這種濾波器使用運(yùn)算放大器構(gòu)建，但在本設(shè)計(jì)中，利用晶體管Q1實(shí)現(xiàn)了同樣的功能。雖然晶體管開環(huán)增益有限，但在適當(dāng)?shù)念l率范圍內(nèi)仍然可以滿足振蕩條件。

反相放大器(Q2部分)

由Q2構(gòu)成的反相放大器為濾波器提供信號(hào)增益，同時(shí)確?；芈房傁嘁七_(dá)到360°。Q2的增益由R8和R7的比值決定，具體公式為：

為了防止信號(hào)過(guò)載并保持正弦波的形狀，R8與二極管D1、D2一起構(gòu)成了一個(gè)限幅電路。當(dāng)信號(hào)幅值超過(guò)一定閾值時(shí)，二極管導(dǎo)通，限制電壓幅度，從而保證輸出信號(hào)穩(wěn)定。

振蕩原理分析

在濾波器的中心頻率處，濾波器的相移為180°，而Q2的反相特性又引入了額外的180°相移，使回路總相移為360°。同時(shí)，由于Q2提供了足夠的增益，回路增益大于1，滿足巴克豪森振蕩條件，電路即可產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波輸出。

需要注意的是，濾波器的無(wú)源元件決定了中心頻率。通過(guò)調(diào)整R3的阻值，可以改變振蕩器的頻率范圍。本設(shè)計(jì)中，R3的調(diào)整范圍為1kΩ到6kΩ，對(duì)應(yīng)的輸出頻率范圍為498 Hz至1230 Hz。

性能表現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)表明，該振蕩器電路具有良好的穩(wěn)定性和較低的失真。輸出信號(hào)的失真度約為1%，且輸出幅值相對(duì)穩(wěn)定。在電源電壓從9V變化到12V時(shí)，振蕩頻率僅變化約2Hz，而輸出幅值從0.80 Vpp變化到0.86 Vpp，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗干擾能力。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)，這款僅使用兩個(gè)晶體管的振蕩器電路實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的正弦波輸出，充分展現(xiàn)了電子設(shè)計(jì)中以簡(jiǎn)馭繁的藝術(shù)。這種電路設(shè)計(jì)不僅簡(jiǎn)潔實(shí)用，也為振蕩器領(lǐng)域提供了新的思路，尤其適合對(duì)成本和元件數(shù)量有所限制的應(yīng)用場(chǎng)景。

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