使用跨导放大器创建具有特定频率的振荡器

作者：Xavier Ramus  德州仪器

由于寄生或环路增益问题，在处理高速放大器时，经常会出现烦人的振荡。我们可以预测振荡的频率范围，但无法锁定特定频率。那么，如何创建具有特定频率的振荡器呢？
创建方法多种多样。很多振荡器电路都基于晶体管，但也有一些适合使用运算放大器。这里我们将使用运算跨导放大器 (OTA) 来创建线性振荡器。跨导是电压向电流的转换，可表示为 mA/V 或 S (Siemens)。如欲了解有关 OTA 的更多详情，敬请查阅 OPA861 产品说明书或我编写的、题为《解密运算跨导放大器》的应用手册。
理解 OTA 的一种简单方法是将其看成三端自偏置双向晶体管，包括 B 输入、E 输入／输出以及 C 输出端。这里使用的命名法主要强调与晶体管的相似之处。B 输入端与双极晶体管的基本功能相同，E 相当于发射极，C 相当于集电极。E 输入／输出可根据电路配置，用作输入或输出。
因此，B 输入是高阻抗，E 输入为低阻抗，可提供支持gm 跨导增益 (mA/V) 的输出阻抗，而 C 输出则为高阻抗。


图 1：并行 LC 振荡器
振荡频率的计算公式为 。
RC 将得出 Q 因数或谐振频率周围的扩散宽度结果，而 RE 将得出增益结果。注意：增益电阻器是 E 输入内部阻抗与外部增益电阻之和。
同样，别忘了在计算谐振频率时考虑 C 输出端、B 输入端以及缓冲器输入节点上的寄生电容，并将 Cosc 作为主项。
在这里开发的电路通过 OPA860 实施，该器件完美整合了一个高速 OTA 和一个闭环缓冲器。为得到下图 2 所示结果，我们选择了以下组件：
RC = 100W (5%)
RE = 24W (5%)
Losc = 12nH (5%)
Cosc = 1nF（X7R 陶瓷 = ±15%）
由于各种组件容差问题，我们预计振荡频率将介于约 41.8MHz 和约 51.6MHz 之间。我们依据组件容差测量室温频率为 43.1MHz。


图 2：谐振频率随温度变化而变化
为获得以上情节，将整个 PCB 插入加热炉，使所有组件一起漂移。整体中心频率变化来自独立 LC 元件。OTA 跨导增益也会变化，但由于其随温度变化而变化，因此增益也会改变。如果增益变得不足，振荡就会停止。
必须做一些改进才能最大限度降低谐振频率的温度依赖性。可使用校准。如果是在室温下使用，该电路可通过监控振荡来测量系统的电容或电感变化。随着系统电容或电感的变化，谐振频率也会发生改变，提供变化元件的相对测量值。
如果您的电路存在振荡问题并希望获得更多有关应对办法的更多详情，敬请查看我的博客文章“高增益、高带宽：该电路为什么振荡”。