对振荡电路的一些理解

红灯记

接触振荡电路已经有了几个月了，自觉对它的运作原理有了一些理性上的理解，在这里，我试图从理论上把振荡电路简要“解释”清楚。

首先，当给电路送上直流电时（即接通直流电源），就几乎可以立马在示波器上看到有标准的余弦波出现！直流“无缘无故”地瞬间“变换成”交流！是不是有点怪呢？要说明这个问题，我觉得还得跨学科阐明。由信号系统理论可以得出结论：突变的电流（类似冲击）包含有很宽的频谱分量（类似白噪声）。恰好，在给振荡电路上电一瞬间，晶体管电流是由零突然增加（注：这篇文章以晶体管振荡电路为例）。好了，至少从这一点出发，可以知道那个费解的余弦波的频率是从哪里来的了。

但是，不是说具有很宽的频谱分量吗？那这个“特定”的余弦波为什么刚好是这个频率呢？一般的振荡电路在晶体管的某一极有一个LC或者RC回路。那就是了，示波器上显现出的那个余弦波的频率就是由它确定的。

但又为什么是这样的呢？我思考了两、三个月才想明白（呵呵，我的反应比较慢），这又得从Fourier级数说起。接通电源那一瞬间，根据级数理论可知集电极电流可以分解为直流、基波和各次谐波分量。即：

ic=Ic0+Ic1*coswt+Ic2*cos2wt+...+Icn*cosnwt+...

在这些电流分量通过LC或者RC回路时，由电路分析理论中的谐振性质可以得知，只有频率等于谐振频率的成分才可以产生较大的输出电压，而其他频率成分不会或者只是产生很小的压降，因此只有该谐振频率产生较大压降，并通过反馈网络产生出较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入端，进行放大、反馈，不断地循环下去，就出现了示波器显示屏上的那个漂亮的余弦波！

我再解释一下它最终是怎么达到平衡的。我们知道放大器进行小信号放大时必须工作在晶体管的线性放大区，但在振荡电路中，随着正反馈使得输入信号幅度的增加，放大器逐渐由放大区进入截止区或饱和区，进入非线性状态，此时环路增益将下降（晶体管饱和压降的缘故）。当环路增益等于1时，振荡器达到平衡状态，进行等幅值振荡。可以得出结论：振荡器的最终平衡是由放大器的非线性特性带来的。同时由于放大器的非线性，只要电路设计合理，振幅和相位的稳定一般很容易达到。

由上可知，振荡器电路只要接通直流电源就行了。从这个意义上来说，振荡器又是直流与交流的变换器！

后记：到了现在，我觉得自己还是缺乏对振荡电路的感性认识和把握，希望能早一天对它有一个比较自然的理解（现在理解的有点牵强）。
本文由电子工程专辑博主“duke_zhou”原创