电容三点式振荡电路

改进型电容三点式振荡电路的设计本次课设设计了改进型电容三点式高频振荡器，介绍了设计步骤，比较了各种设计方法的优缺点，总结了不同振荡器的性能特征。使用Protel2004DXP制作PCB板，并使用环氧树脂铜箔板和FeCl3进行了制板和焊接。使用实验要求的电源和频率计进行验证，实现了设计目标。关键词：电容三点式、西勒电路、Protel、印制电路板1实验原理1.1振荡的原理三点式LC正弦波振荡器的组成法则（相位条件）是：与晶体管发射极相连的两个电抗元件应为同性质的电抗，而与晶体管集电极—基极相连的电抗元件应与前者性质相反。图1-1所示为满足组成法则的基本电容反馈LC振荡器共基极接法的典型电路。当电路参数选取合适，满足振幅起振条件时，电路起振。当忽略负载电阻、晶体管参数及分布电容等因素影响时，振荡频率oscf可近似认为等于谐振回路的固有振荡频率of，即12oscfLC（1）式中C近似等于1C与2C的串联值1212CCCCC（2）1图1-1电容反馈LC振荡器由图1-1所画出的分析起振条件的小信号等效电路如图1-2所示。图1-2分析起振条件的小信号等效电路由图1-2分析可知，振荡器的起振条件为：eLeLmnggnggng'''1)(1（3）式中'011,//LeLeeggRRr0eR为LC振荡回路的等效谐振电阻；电路的反馈系数112fCknCC（4）由式（3）看出，由于晶体管输入电阻er对回路的负载作用，反馈系数fk并不是越大越容易起振，反馈系数太大会使增益A降低，且会降低回路的有载Q值，使回路的选择性变差，振荡波形产生失真，频率稳定性降低；所以，在晶体管参数一定的情况下，可以调节负载和反馈系数，保证电路起振。fk的取值一般在0.1—0.5之间。图1所示的振荡器，由于晶体管各电极直接和振荡回路元件L、1C、2C并联，而晶体管的极间电容（主要是结电容）又随外界因素（如温度、电压、电流等）的变化而变化，因此振荡器的频率稳定性不够高。为了提高振荡器的频率稳定性，实际中更多的采用能够减小晶体管与回路之间耦合的改进型电容反馈振荡2器。1.2电容三点式振荡器电容三点式振荡器的基本电路如图1-3所示图2-1电容三点式振荡器由图可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于是得到单一频率的振荡信号输出。该振荡器的振荡频率of为：121212oCCfLCC反馈系数F为：12CFC若要它产生正弦波，必须满足F=1/2-1/8，太小不容易起振，太大也不容易起振。一个实际的振荡电路，在F确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡3管的静态电流值。但是如静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真，严重时，甚至使振荡器停振。所以在实用中，静态电流值一般ICO=0.5mA-4mA。电容三点式振荡器的优点是：1）振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高。工作频率可以做得较高，可达到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。2改进型电容三点式振荡电路设计电容三点式课分为三种：考毕兹振荡器、克拉泼振荡器、西勒振荡器。2.1考毕兹振荡器电容三点式振荡器（又称考毕兹振荡器）如图2-1所示。图2-1考毕兹振荡器理论计算振荡器的频率为：MHZLCf72104观察到的振荡波形如图2-2所示从波形看出其震荡极不稳定，测试其波形频率为f6.5MHz调解C1C2改变频率时，反馈系数也改变。由于极间电容对反馈振荡器的回路电抗均有影响，所以对振荡器频率也会有影响。而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以电容三点式振荡器的频率稳定度不高。为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，即克拉泼电路和西勒电路。图2-2考毕兹振荡器输出信号波形2.2串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路)电容三点式改进型“克拉泼振荡器”如图2-3所示。5图2-3克拉泼振荡电路电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C3，串联于电感L支路。功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频率的稳定度得以提高。因为C3为可调电容远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C3。电路的振荡频率为：31/2ofLC与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感L支路上串联一个电容。但它有以下特点：1、振荡频率改变可不影响反馈系数；2、振荡幅度比较稳定。3、电路中C3为可变电容，调整它即可在一定范围内调整期振荡频率。但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4；为此，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器。观察到的振荡波形如图2-4所示6图2-4克拉波振荡器输出信号波形改进后的电路波形比原电容三点式振荡器稳定度高了很多，这是因为晶体管一部分接入的形式与回路连接，接入系数p越小，耦合越弱。减弱了晶体管对回路的影响。2.3西勒振荡器电容三点式的改进型“西勒振荡器”如图2-5所示7图2-5西勒振荡器电路特点是在克拉泼振荡器的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。电路的振荡频率为：特点：1.振荡幅度比较稳定；2.振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8；所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。频率稳定度是振荡器的一项十分重要技术指标，它表示在一定的时间范围内或一定的温度、湿度、电压、电源等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡器的频率稳定度越高。改善振荡频率稳定度，从根本上来说就是力求减小振荡频率受温度、负载、电源等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此改善振荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率不变的能力，这就是所谓的提高振荡回路的标准性。提高振荡回路标准性除了采用稳定性好和高Q的回路电容和电感外，还可以采用与正温度系数电感作相反变化的具有负温度系数的电容，以实现温度补偿作用。输出信号的幅值、频率等用实时监测法测试，信号波形如图2-6所示，调整C6、C3观测震荡信号的波形和频率变化。12(34)ofLCC8图2-6西勒振荡器输出信号波形93改进型电容三点式电路设计3.1电路选择从以上的讨论，分析不同振荡电路的性能指标及电路复杂程度。采用西勒振荡电路，因为西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器的相同，由于改变频率主要通过C4完成的，C4的改变并不影响接入系数p，所以波段内输出较平稳。而且C4改变，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大，可达1.6~1.8。3.2原理图设计图3-1改进型电容三点式振荡电路原理图3.2.1电路结构总的电路结构如图3-1所示。电路由三部分组成101三极管放大器；（起能量控制作用）2正反馈网络；（由三点式回路组成）3选频网络；（由三点式回路的谐振特性完成选频功能）。3.2.2静态工作点的设置合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。－般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间选取，故本实验电路中：选ICQ=2mAVCEQ=6Vβ=100则有为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1KΩ则Rc＝2KΩ因：UEQ=ICQ·RE则：UEQ=2mA×1K=2V因：IBQ=ICQ/β则：IBQ=2mA/100=0.02mA一般取流过Rb2的电流为5-10IBQ,若取10IBQ因：BQBQbIVR27.0EQBQVV则：取标称电阻12KΏ。因：3.2.3选管由于高频振荡器的振荡频率较高，在选管时应注意选超高频小功率三极管。特征频率fT也要比音频振荡管的要求高。通常选fT(3-10)f0(f0为振荡器的中心频率)。fT高则管子的高频性能好，晶体管内部相移小，有利于稳频。在高频工作时，振荡器的增益仍较大，易于起振。本次课设选用9014NPN型号的晶体管，KIUURRCQCEQCCce32612KVRb5.132.07.2221bBQBQCCbRVVVRKKVVVRb3.41127.27.212111满足了振荡器的频率和功率要求。3.2.4振荡回路元件的确定回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp为宜。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/8—1/2。因振荡器的工作频率为：当LC振荡时，f0=4MHzL＝10μH本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C4、C6决定，即)(212143CCLLCf有取C4=75pf，C6=82pf，因要遵循C2，C3C4,C6，C2/C3=1/8—1/2的条件，故取C2=680pf，则C3=680pf。对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电容进行微调即可。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。例如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极；如为基级接地，则应从发射极输出。3.3印制PCB电路板使用Protel2004DXP完成原理图的设计之后，可以生成PCB电路板，本电路板采用自动布线设计，电路板见图3-2。pfLfCC157412264LCf21012图3-2改进型电容三点式振荡电路PCB图3.3.1转印、腐蚀、焊接电路板在Protel中选择：文件页面设置高级topOverlay隐藏所有元件。将生成的线路图（图3-3）按照1：1的比例打印在转印纸上。图3-3印制线路图使用热转印机将图3-3印制在环氧树脂铜箔板上，使用FeCl3溶液进行腐蚀。腐蚀之后按照焊点打孔，之后按照元件位置焊接相应元件。134结论按照PCB电路板相应的位置接入+12V电源，在C7的一端接频率计，观察频率计的读数，可发现振荡频率在3.8~4.2MHz附近浮动，在误差允许范围内符合本电路设计的4MHz的设计要求。振荡电路接通电源后，有时不起振，或者在外界信号强烈触发下才起振（硬激励），在波段振荡器中有时只在某一频段振荡，而在另一频段不振荡等。所有这些现象无非是没有满足相位平衡条件或振幅平衡条件。如果在全波段内不振荡，首先要看相位平衡条件是否满足。对三端振荡电路要看是否满足对应的相位平衡判断标准。此外，还要在振幅平衡条件所包含的各种因素中找原因。1、静态工作点选的太小。2、电源电压过低，使振荡管放大倍数太小。3、负载太重，振荡管与回路间耦合过紧，回路Q值太低。4、回路特性阻抗ρ或介入系数pce太小，使回路谐振阻抗RO太低。5、反馈系数kf太小，不易满足振幅平衡条件。但kf并非越大越好，应适当选取。有时在某一频段内高频端起振，而低