三点式振荡器

1、改进型电容三点式振荡电路的设计摘要高频信号发生器主要用来向各种电子设备和电路提供高频能量或高 频标准信号，以便测试各种电子设备和电路的电气特性。高频信号发生器主要是产生高频正弦振荡波，故电路主要是由高频 振荡电路构成。振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电 子设备中。为此,振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路，也是从事电 子技术工作人员必须要熟练掌握的基本电路。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 FeCb进行了制 板和焊接。使用实验要

2、求的电源和频率计进行验证，实现了设计目标。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，而与晶体管集电极一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fosc可近似认为等于谐振回路的固有振荡频率fo，即osc(1)式中c近似等于G与c2的串联值(2)GCC1 C2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

3、1-2所示。图1-2分析起振条件的小信号等效电路1#由图1-2分析可知，振荡器的起振条件为:(3)1 1 gm (g L g e) gL ng nn式中 gLRL ReO,ge#Reo为LC振荡回路的等效谐振电阻;电路的反馈系数C1kf 二 n ：C1C2(4)#kf并由式（3）看出，由于晶体管输入电阻re对回路的负载作用，反馈系数 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。kf的取值一般在 0.10.5 之间。图1所示的振荡器，由于晶体管

4、各电极直接和振荡回路元件L、G、C2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

5、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f 0为：反馈系数F为: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

6、振荡 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I c0.5mA-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Ci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。N J1

7、nF1(nF2 . *7 3冲3W1H宀：51QuH2N2222AC7IDDpF ： ： ： QR55.1kQ：:图2-1考毕兹振荡器理论计算振荡器的频率为:2 二 LC= 7MHZ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。时间 O.DOQs 2.00Q u$ 2.00

8、0 u$jSit_A0.000 2.290 VZ.230V时间轴比例1200ns/Cw比例2 忖XI5ZS |oYffiS oFTF加栽I时打丽I I AC I o |Bc通道ET IDT b |B| 电平 oV类型庄弦标准自动无|Ext Tngger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。45R3 3kQC5 300uH=Z10nF：:R224: n （3-10） f0 （f0为振荡器的中心 频率）。fT咼则管子的咼频性能好，晶体管内部相移小，有利于稳频。在咼频工 作时，振荡器的增益仍较大，易于起振。本次课

9、设选用9014 NPN型号的晶体管, 满足了振荡器的频率和功率要求。324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

10、F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/81/2。因振荡器的工作频率为：f _102 二 LC当LC振荡时，fo=4MHzL = 10卩H本电路中，则回路的谐振频率fO主要由C4、C6决定，即一 一12二.LC2二LGC4)有1C4C6-157pf4兀午2L取 C4 =75pf，C6=82pf，因要遵循 C2，C3C4,C6, C2/C3=1/81/2 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

11、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3-2C4C5ClR2Q11C7C3C6R6LI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top Overlay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FeCI3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。4 结论按照 PCB 电路板相应的位置接入 +

12、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 3.84.2MHz 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p或介入