电容反馈式振荡电路.doc

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计（论 文）辽 宁 工 业 大 学高频电子线路课程设计（论文）题目：电容反馈振荡电路电路的设计 院（系）：电子与信息工程学院专业班级：电子062 学 号：060304056 学生姓名：杨萍 指导教师：赵光 教师职称：教授 起止时间：2009.7.42009.7.13 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室：通信教研室学 号060304056学生姓名杨萍专业班级电子062课程设计（论文）题目电容反馈振荡器电路设计课程设计（论文）任务设计内容：1用EWB仿真，设计一个电容反馈振荡器2能够观察输出的振荡波形。3测量其振荡频率。4分析电路并计算其频率是否与所测的频率相同。设计参数：振荡频率5MHZ左右设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日目 录第1章电 容反馈式振荡电路设计方案论证1.1电容反馈式振荡电路的应用意义31.2设计的要求及技术指标31.3 设计方案论证41.4 总体设计方案框图4第2章 电容反馈式振荡电路各单元电路设计2.1 电容反馈式振荡电路工作原理设计及分析52.2 改进型容反馈振荡电路32.3设计电路并画出电路图42.4电路的仿真62.5电容反馈式振荡电路的参数计算13第3章电容反馈式振荡电路的率稳定度3.1频率准确度和频率稳定度143.2提高频率稳定度的措施14第4章 设计总结15参考文献16附录：器件清单第1章 电容反馈式振荡电路设计方案论证1.1电容反馈式振荡电路的应用意义振荡器是不需要外信号激励，自身将直流电能转换为交流电能的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。例如，无线电发明初期所用的火花发射机、电弧发生器等，都是振荡器。但是用电子管、晶体管等器件与L、C、R等元件组成的振荡器则完全取代了以往所有产生振荡的方法，因为它有如下优点：晶体管振荡器的优点：1)它将直流电能转变为交流电能，而本身静止不动，不需作机械转动或移动。如果用高频交流发电机，则其旋转速度必须很高，最高频率也只能达50kHz，但却需要很坚实的机械构造。 2)它产生的是“等幅振荡”，而火花发射机等产生的是“阻尼振荡”。 3)使用方便，灵活性很大，它的功率可自毫瓦级至几百千瓦，工作频率则可自极低频率(例如每分钟几个周波)至微波波段。 电容反馈式振荡器的用途十分广泛，可满足业余调频广播和调频无线耳机的要求。如ZN2001型调频立体声无线耳机的发射部分就采用了改进后的电容三点式振荡电路。各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等，其核心部分都离不开正弦波振荡器。功率振荡器在工业方面（例如感应加热、介质加热等）的用途也日益广阔。1.2设计的要求及技术指标设计内容：1用EWB仿真，设计一个电容反馈振荡器2能够观察输出的振荡波形。3测量其振荡频率。4分析电路并计算其频率是否与所测的频率相同。设计参数：振荡频率5MHZ左右设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。1.3设计方案论证根据要求，电容反馈式电路在不考虑晶体管电抗效应的情况下，振荡频率近似等于回路的谐振频率。在回路处于谐振状态时，回路呈纯阻性。电容反馈式电路要求一套由两个或两个以上的储能元件组成的振荡回路，这里我们把与发射极相连的两个支路的电抗性质定为容性，反馈电压取自电容，而另一个支路则呈现感性。同时还要有一个能量来源，可以补充由振荡回路电阻所产生的能量损失，这里这个能量来源是直流电源。当然必不可少的控制设备可以使电源功率在正确的时候补充电路的能量损失，以维持等幅振荡，这就是正反馈网络。1.4总体设计方案框图及分析电路由放大电路、选频网络、正反馈网络组成。总体设计方案框图如下：VfV0Vi正反馈网络放大电路选频网络第2章 电容反馈式电路设计2.1电容反馈式电路工作原理及分析电容反馈式振荡电路的基本电路就是通常所说的三端式（又称三点式）的振荡器，即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路，如图11所示。由图可见，除晶体管外还有三个电抗元件X1、X2、X3，它们构成了决定振荡器频率的并联谐振回路，同时构成了正反馈所需的网络，为此根据振荡器组成原则，三端式振荡器有两种基本电路，如图11所示。图11中X1和X2为容性，X3为感性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电容元件完成的，称电容反馈振荡器，也称为考比兹振荡器。 在三点式振荡器的实用电路中，晶体管可以接成共射组态，也可接成共基组成。目前，较为常见的是接成共射组态的电容三点式振荡电路。图12为电容式的原理电路和它的交流等效电路。图中，Rb1、Rb2、Re为分压式直流偏置电阻，在开始振荡前这些电阻决定了静态工作点，当振荡产生以后，由于晶体管的非线性及工作在截止状态，基极、发射极电流将发生变化，这些电阻又起自偏压作用从而限制和稳定了震荡的幅度大小；CE为旁路电容，Cc、Cb为隔直电容，保证起振时具有合适的静态工作点及交流通路。图中LC为高频扼流线圈，可以防止集电极交流信号从电源入地，LC的交流电阻很大，可以视为开路，但直流电阻很小，可为集电极提供直流通路。LC1C2回路为振荡电路，从回路中引出三个端点分别与晶体管的三个极相连，反馈电压从回路元件C2上取出，故称为电容反馈三点式振荡器。图12电容三点式振荡器 电容反馈式振荡器符合一般振荡器三点式电路的组成原则，所以满足相位平衡条件，只要它满足AuFu1的起振条件，就能够起振。可以证明，其起振条件为 式中， gm为晶体管的跨导； Fu为反馈系数； gie为晶体管的输入电导； goe为晶体管的输出电导； g、L为晶体管的等效负载电导； 上式右边第一项表示输入电阻对振荡的影响，gie和Fu越大，越不容易起振，这是因为他们对回路有一定的加载作用，使g、L增大。上式右边第二项表示输出电导和负载电导对振荡的影响，Fu越大，输出电导和负载电导越小，越容易起振。可见，Fu的选择要综合考虑，Fu一般在0.1到0.5之间取值。根据反馈系数Fu的定义，可知电容三点式振荡器反馈系数Fu可由下式求出： 式中，为振荡回路电流。若要考虑晶体管的输入电容和输出电容，则振荡器的晶体管与振荡回路之间采用部分接入的方式，接入系数为 改变振荡器的接入系数，就可以改变晶体管与振荡回路的耦合程度，从而改变放大器的增益及输出电压幅度。振荡器的振荡频率的公式为式中 通过上面的分析，可以得出电容反馈三点式振荡器有以下的特点：1） 振荡波形较好因为这种振荡器的反馈电压取自电容，而电容对高次谐波呈现低阻，使反馈电压中的谐波成分少，也就使输出电压中的谐波成分少，即输出电压失真小。2） 频率稳定性较好从振荡频率的表达式可以看出，如果考虑晶体管输入电容和输出电容，引起f0的变化主要是因为晶体管输入和输出电容受到各种影响而改变。若适当提高C1、C2的则C0和 Ci变化对频率的影响会大为减小，从而提高了频率稳定性。当然，C1、C2的取值还应该受到振荡频率的限制。3） 改变频率不方便因为若用可变电容器来改变振荡频率，在调节频率的同时，会引起反馈系数 Fu 和接入系数Pce的改变，从而引起频率覆盖宽度和输出电压幅值的改变。因此，这种电路常用作固定频率振荡器。2.2 改进型电容反馈三点式电路2.2.1串联改进电容反馈三点式电路克拉波电路电容反馈三点式电路是一种性能优良的振荡电路。但它有两个主要缺点：一是不能作频率可调的振荡器；二是不稳定输入和输出电容影响振荡器的频率稳定性，虽然可以适当地提高C1、C2以减小输入电容 Ci和输出电容C0的影响，但改变C1、C2要受到振荡频率的限制，还可能对反馈系数和接入系数产生影响，因此其频率稳定性不可能达到很高。为了克服这两个缺点，提出了改进型的电容反馈三点式电路。图1-3（a）为串联改进型电容反馈式电路，又称克拉波电路，图(b)是其交流等效电路。由图可以看出，改进的方法很简单，本图只是在振荡回路的电感支路上串联了一个小电容C3。 克拉波电路的振荡回路总电容为 当C3C1，C3C2时，CC3。因此振荡器的振荡频率为 可见，C1、C2对振荡频率的影响大大减小，振荡频率主要由C3决定。而不稳定电容 三端式振荡器有两种基本电路，C0和 Ci均并联在C1和C2上，对振荡频率的影响就更小了，且C1和C2越大，C0和 Ci的影响就越小，振荡器的频率稳定性就越好。但当C1和C2很大时，会导致晶体管与振荡回路间的接入系数减小，使晶体管的等效负载和振荡幅度降低。接入系数由下式决定: 振荡器的反馈系数为 可见，可以通过调节C3来改变振荡频率f0而不影响反馈。同时，也可改变C1和C2的比例来调节反馈系数而不影响振荡频率。综上所述，串联改进型电容三点式电路是一个频率可调，且频率稳定度高的振荡电路。但它依然存在以下缺点：（1） C1、C2如果过大，振荡幅度就太低。（2） 当减小C3以提高f0时，振荡幅度显著下降，当C3减小到一定程度时，可能停振。因此，f0的提高受到限制。（3） 该电路用作频率可调的振荡器时，所调波段内幅度不平稳，因为改变C3可以调节频率时，会引起接入系数Pce变化，从而引起放大器等效负载改变，进而引起输出电压幅度改变。这样使得振荡器的频率不可能在很宽的范围内调节，即频率覆盖范围小。2.2.2 并联改进型电容反馈式电路西勒电路 图1-4（a）表示另一种改进型的电容反馈三点式电路，称为西勒电路。图 1-4（b）为其交流等效电路。它是在克拉波电路的基础上，在回路电感L上并联了一个小电容 C4 ，通常C3和C4均远远小于C1和C2，可以通过改变C4来调节振荡频率f0。振荡回路总电容的计算公式为 式中 当C3C1，C3C2时，C3。而 因此，可以得出振荡器的振荡频率为 振荡器的反馈系数计算公式为 接入系数的计算公式为 当改变C4调节振荡频率f0时,反馈系数和接入系数均不受影响，因而使波段内输出信号的幅度平稳性大为改善。需要说明的是，C3不能选得过大，否则，振荡频率主要由C3 和 L决定，导致C4的可调范围小，限制了振荡频率的可调范围。此外，这种电路之所以稳定性高，就是靠在电路中串有容值小于C1、C2的C3来实现的，若C3值过大，该电路也会失去频率稳定度高的优点。但C3值也不能太小，因为C3越小，接入系数越小，使振荡幅度也随之变小。 由于西勒电路频率稳定性好，振荡频率可以较高，做可变频率振荡器时其频率覆盖范围宽，波段范围内幅度比较平稳，因此在短波、超短波通信机、电视机等高频设备中得到非常广泛的应用。2.3设计电路，并画出电路图2.4电路的仿真 根据设计的要求，调制信号的电路图和波形如下：输出电路的波形如下图所示：2.5 电容反馈式电路单元电路的参数计算（1） 忽略输入、输出电容：（2）有公式（2）得出其理论反馈系数为： (3)有公式（4）得出其理论接入系数为：(4)由公式（5）得出其理论振荡频率值为： 第3章 电容反馈式振荡电路的率稳定度3、1 频率准确度和频率稳定度 一个振荡器除了它的输出信号要满足一定的幅度和频率外，还必须保证输出信号的幅度和频率的稳定，而频率稳定度更为重要。评价振荡器频率的主要指标有两个，即准确度和稳定度。频率准确度是指振荡器实际工作频率与谐振频率之间的偏差，即 频率稳定度通常定义为在一定时间间隔内，振荡器频率的相对偏差的最大值。即 频率稳定度= 按照时间间隔长短不同，通常可分为下面三种频率稳定度。长期频率稳定度：一般指一天以上乃至几个月内振荡频率的相对变化量。这种变化量主要取决于有源器件、电路元件的老化特性。短期频率稳定度：一般指一天以内振荡频率的相对变化量，它主要与温度、电源电压变化和电路参数不稳定因素有关。瞬时频率稳定度：一般指秒或毫秒内振荡频率的相对变化量。这种频率变化一般都具有随机性质并伴随相位的随机变化，这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰所引起。3、2提高频率稳定度的措施3、2、1减小外界因素的变化 a)减小温度变化对振荡频率的影响，将振荡器置于恒温槽内，保持温度的恒定。 b)采用高稳定直流稳压源来减小电源电压的波动带来晶体管工作点电压化。 c) 采用金属屏蔽罩减小外界磁场的变化而引起电感量的变化 d) 采用减震器可减小由于机械振动而引起电感、电容值的变化。3、2、2提高谐振回路的标准性 a)采用参数稳定的回路电感器和电容器。 b) 采用温度补偿法。 c)改进安装工艺。第4章 设计总结通过这次课程设计，提高了我独立思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我分为两个步骤来完成：构思设计过程，软件仿真。 在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的编程可以行得通，但实际运行后，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解各个知识点，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我从根本上了解了很多很多知识点，并且对于它们在实际中的应用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东