振荡电路(Oscillator Circuit)是用于产生特定频率和振幅的正弦波形或非正弦波形的电路。整句话有些拗口,简单来说:震荡电路就是可以产生正弦波形的电路。想要构成振荡电路,需要由三个基本功能单元共同构成:振荡器、放大器、反馈器。
比较常见的是LC振荡电路和RC振荡电路,因为最近在看《半导体发展史话》,其中提到了人类历史上第一枚集成电路芯片,顺着这个话题看下去,Jack·Kilby先生最初制造的三个基础电路之一,便是RC震荡电路。于是对RC振荡电路产生了兴趣,希望能够深入的了解一下。
RC振荡电路的组成方式比较多,其中使用元件数量最少、原理相对最简单的是RC相移振荡电路,即RC Phase Shift Oscillator Circuit,它仅需少量的RC网络、以及一颗开关管,即可实现稳定的震荡输出。
例如以下电路,仅需使用电阻和电容构成的RC相移网络(3组),在9V直流电压源驱动下,便可以产生固定频率的振荡输出(正弦波输出):
上图是比较常见的RC Phase Shift Oscillator电路,使用的是NPN开关管,但是Jack·Kilby当初设计的时候使用的是PNP开关管,这其中的差异和原因暂时并不重要,无论使用NPN还是PNP,先将基本的电路画出来、有个感性的认知便可以了。
Jack Kilby的发明所刊发的论文是 US3138743A,在其中提到了使用集成电路半导体生产工艺制作的几个电路图。在这篇论文所提及的几个应用电路中,最简单、最具代表性的便是RC振荡器。
但是这份发明专利看上去有一些吃力,主要是其中的电路图并不是我们今天熟悉的绘制方法。虽然图8.b和图8.c仔细看还是能够看出原理图的线框,但其中的符号对于初学者而言却有一些陌生,看似认识、其实与标准画法都有一些差异,它对相关电路的画法如下:
将上面的原文8.c重新绘制一下,大概是下面这个样子。这个RC振荡电路和今天比较成熟的振荡电路有一些差异,例如和本文上面所画不同,在 Jack Kilby 的论文中使用的是 PNP 开关管、而如今主流的则多是使用 NPN,或者在今天更多的则是使用 MOS 管、或直接使用放大器作为核心放大部分。
不过具体使用什么核心器件进行放大,本质上都是相似的。我想只要对其中一个细致深入的学习明白,其他的相似电路也就能够较快掌握了。所以接下来,我将对这个电路进行更详细的研究、学习。