穩(wěn)定振幅的LC振蕩器
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設計師嘗試用許多電路拓撲來實現(xiàn)這些設計目標，有些還是非常復雜的，但有一種有源器件的基本特性能夠幫助設計師從一個簡單振蕩電路那里獲得可接受的性能。圖 1 顯示的是一個基本 LC 振蕩器配置。放大器作為一個非反相的壓控電流源運行。LC 電路將放大器的輸出電流 IOUT 轉換為電壓 VIN，并將其加到放大器的輸入端。公式 1 示出了振蕩的有效條件：
在此公式中，AO 代表總電壓放大率，RD 表示 LC 電路在諧振頻率處的動態(tài)電阻。在實際電路中，RD 的值依賴于 LC 電路的特性，因此可以在一個寬的范圍內作選擇。另外，公式 1 亦假設為一個理想放大器，即其特性與頻率無關。
從圖 1 和公式 1 可以看到存在的基本設計問題：如果電路在寬頻率范圍內的運行需要使用具有寬變化范圍的RD值的多個 LC 電路，則放大器的特性也必須能在寬范圍內調整。你可以調整放大率來滿足最差 LC 電路對增益的限制條件，而在過驅動條件下依靠器件的非線性來降低放大倍數(shù)。但是，過驅動放大器的輸入、輸出差分電阻可以降低到只有最理想高阻值的一小部分。其次，大量非線性失真會損害頻率的穩(wěn)定性。另外，這些影響在很大程度上取決于放大器的電源電壓，如果供電電壓隨負載變化，也會造成頻率穩(wěn)定性的惡化。
在圖1所示放大器框中不同的振蕩電路使用了不同的設計。常見的共射或共源晶體管級有兩個嚴重的缺點：首先，它是一個反相放大器；其次，其輸出不是一個好的電流源，特別是當嚴重過驅動時。避免這些問題的辦法包括采用變壓器耦合或在 LC 電路上提供阻抗匹配的抽頭，兩種方法都會使設計復雜化，而且也只能解決部分問題。
圖 2 所示是另一種振蕩器拓撲，它采用兩只級聯(lián)的非反相放大器，A1 和 A2，作為電壓-電流變換器（壓控電流源）。在電路中，耦合電阻器 RS 將放大器 A1 的輸出電流 IIN 變換為電壓 VIN，并驅動第二級 A2。調諧電路的動態(tài)電阻將 A2 的輸出電流變換為輸出電壓 V22，并將其反饋至 A1 的輸入端，完成正反饋回路。公式 2 是總環(huán)路放大率 ATOTAL：
式中，RD=QωL，RD是諧振頻率為 ω 時 LC 電路的動態(tài)電阻，Q 是 LC 電路的品質因數(shù)，A1 和 A2 分別是兩個放大級的等效電壓放大率，而 |y21S1| 和 |y21S2| 則是兩個放大級差分正向轉移導納的實數(shù)部分。對于自振蕩，公式 1 的基本條件 ATOTAL > 1 必須適用于 LC 電路動態(tài)電阻 RD 的所有取值。理論上，這一條件沒有問題，但實際應用中卻會出現(xiàn)電路必須在下列條件運行的情況：電感和電容大范圍可調的 LC 振蕩器；大范圍的調諧電路品質因數(shù) Q（主要由電感確定）；條件 A 與 B 任意組合下的恒定振幅輸出；以及最可能的頻率穩(wěn)定度與供電電壓、負載的關系。
多數(shù) LC 振蕩器電路都不能完全滿足這些要求。一些振蕩器電路可以順序地滿足一些要求，但沒有一種可以在電路復雜性不超過合理限度下滿足所有要求。圖 3 電路從 V22 獲得一個外部 DC 控制信號，控制電壓―電流的變換效率，即 A1 和 A2 的放大系數(shù)。為兩個放大級增加放大控制可以顯著提高控制的效率。除了起振和持續(xù)振蕩的初始正反饋以外，可以在振蕩電路中增加一個間接負反饋通道，以限制 V22 的幅度。為滿足最初的設計目標，放大器塊 A1 和 A2 應呈現(xiàn)出壓控輸入-輸出特性，并應具備線性控制的放大特性（圖 4），而不應變換信號的相位，而且應該幾乎沒有輸入電流。另外，為仿真一個電流源，A2 應呈現(xiàn)盡可能高的差分輸出內阻。
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適用于兩個放大級的最佳有源器件選定為N溝道的中級BF245B JFET，該器件在柵源電壓為0V、漏源電壓為15V時，其漏電流為5mA。圖5顯示了最終電路，其中Q2作為共漏放大器A2，Q1則是共柵放大器A1。
Q1的柵源結點對調諧電路上的交流電壓V22進行整流。圖5中的耦合電容器C4是圖3中直流恒壓電容器CS的兩倍，因為它的基電極通過調諧線圈 L 的低直流阻抗接地。DC控制電壓通過電阻器R2驅動Q2的柵極。電容器C2將Q2的柵極接地，提供交流信號通道，而Q2工作在共柵連接下，因為Q1的源極驅動Q2的源極。為減少由于負載變動導致的頻率變化，與 Q1 漏極串聯(lián)的一只相對較小阻值的電阻器 R4，將輸出與電路的頻率確定元件隔離開來。另外，L 和 C 的一個引腳接地。
圖 6a 和 6b 的波形顯示，即使 L 和 C 的取值相差較多時，調諧電路上的電壓也沒有產生明顯的變化。在 8V 至 30V 的供電電壓范圍內，調諧電路上的電壓保持在 3% 的恒定。即使當頻率低至5kHz或高至50MHz時，輸出電壓也保持有相同或更好的振幅穩(wěn)定性（圖 6c）。而且除L和C以外，無需調整任何無源元件值。減少R4的值會產生更小的輸出電壓，從而進一步減小了工作頻率上負載變化的影響。
在地電勢下，VOUT平坦部分，即頂部的 DC 電平復位，由于負供電電壓的原因，波形為負值。由于自動增益控制的作用，波形保持著明顯的一致性，而與頻率無關，在 25 MHz 以上頻率時有些微的圓形拐角，主要原因是雜散電容引起的。只有 LC 電路的非接地端才產生一個完美的正弦波。由于兩只晶體管主要工作在 B 類方式，其電壓和電流波形都有截止失真，當供電電壓升高時，工作狀態(tài)向 C 類轉化。你可以從 LC 電路中直接提取出正弦波，但負載阻抗的變化會影響工作頻率。
另一方面，控制兩只晶體管增益的負直流反饋可以防止調諧電路上負載阻抗的大范圍變化對振幅造成重大影響，除非 LC 電路的 Q 值降到非常低。另外還可以增加一個緩沖級，并從 LC 電路提取一個真正的正弦波，付出的代價是增加了復雜性和元件數(shù)量。但該電路原本是用于雷達標記發(fā)生器，此時，恒定的輸出振幅要比波形重要得多。
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