三点式振荡电路介绍

1、三点式振荡电路定义：三点式振荡器是指 LCLC 回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的反馈型振荡器。三点式振荡电路用电感耦合或电容耦合代替变压器耦合，可以克服变压器耦合振荡器只适宜于低频振荡的缺点，是一种广泛应用的振荡电路，其工作频率可从几兆赫到几百兆赫。1 1、三点式振荡器的构成原则图 5 5-20-20 三点式振荡器的原理图图 5 5-20-20 是三点式振荡器的原理电路（交流通路）为了便于分析，图中忽略了回路损耗，三个电抗元件Xbe、Xce和XM构成了决定振荡频率的并联谐振回路要产生振荡，对谐振网络的要求：？必须满足谐振回路的总电抗Xbe+Xce+X“=0,回路呈现纯阻性。g

2、gg g反馈电压uf f作为输入加在晶体管的 b b、e e 极，输由 u uo o加在晶体管的c c、e e 之间，共身寸组态为反相放大器，放大器的的输由电压 u：与输入电压u：(即 u：)反相，而反馈gggg电压 uf又是 uo在Xbc、Xbe支路中分配在Xbe上的电压。要满足正反馈，必须有Xbe-Xbe八可知必有0成立，即Xbe和Xce必须是同性质电抗，而XceXbc=-(Xbe+Xce)必为异性电抗。综上所述，三点式振荡器构成的一般原则：(1)为满足相位平衡条件，与晶体管发身寸极才目连be(XbeXbc)Xceceu：(5.3.1)(5.3.1)为了满足相位平衡条件,uf和 uo必须反

3、相，由式(5.3.1)5.3.1)的两个电抗元件Xbe、Xce必须为同性，而不与发射极相连的电抗元件Xbc的电抗性质与前者相反，概括起来“射同基反”。 此构成原则同样适用于场效应管电路， 对应的有“源同栅反”。(2)(2)振荡器的振荡频率可利用谐振回路的谐振频率来估算。若与发射极相连的两个电抗元件4，、工，为容性的，称为电容三点式振荡器，也称为考比兹振荡器(Colpitts),(Colpitts),如图 5 5-21(a)-21(a)所示；若与发射极相连的两个电抗元件X“、X。,为感性的，称为电感三点式振荡器，也称为哈特莱振荡器(Hartley)(Hartley)，如图 521521(b)(b

4、)所示。图 5 52121 电容三点式与电感三点式振荡器电路原理图13( (a a) )C Colpittsolpittsc3(b)Hartley(b)Hartley三点式振荡器的性能分析1 1 电容三点式振荡器一考毕兹（ColpittsColpitts）振荡器图 1 1 给由两种电容三点式振荡器电路。图中*和Re为分压式偏置电阻，（3）S图 1 1 电容三点式振荡器电路图（a）电路中，三极管发射极通过CE交流接地，是共射组态；图（b）电路中，三极管基极通过心交流接地，是共基组态。组态不同，但都满足“射同基反”的构成原则，即与发射极相连的两个电抗性质相同，不与发射极相连的是性质相异的电抗。高频

5、耦合和旁路电容（Cb、Cc和CE）对于高频振荡信号可近似认为短路，旁路和耦合电容的容值至少要比回路电容值大一个数量级以上。L、Ci和C2构成并联谐振回路，Ci和C2称为回路电容（也工作电容）。2 2 电容三点式振荡器电路的起振条件以图 5 5-22-22（b b）所示共基组态的电容三点式电路为例分析起振条件。（a a）高频交流等效电路画高频振荡回路之前应仔细分析每个电容与电感的作用，应处理好以下问题：画高频振荡回路时，小电容是工作电容，大电容是耦合电容或旁路电容，小电感是工作电感，大电感是高频扼流圈。画等效电路时保留工作电容与工作电感，将耦合电容与旁路电容短路，高频扼流圈开路，直流电源与地短路

6、，通常高频振荡回路是用于分析振荡频率的，一般不需画由偏置电阻。判断工作电容和工作电感，一是根据参数值大小。电路中数值最小的电容（电感）和与其处于同一数量级的电容（电感）均被视为工作电容（电感），耦合电容与旁路电容的数值往往要大于工作电容几十倍以上，高频扼流圈的电感数值远远大于工作电感；二是根据所处的位置。旁路电容分别与晶体管的电极和交流地相连，旁路电容对偏置电阻起旁路作用；耦合电容通常在振荡器负载和晶体管电路之间， 起到高频信号耦合及隔直流作用。这两种电容对高频信号都近似为短路。工作电容与工作电感是按照振荡器组成法则设置的。高频扼流圈对直流和低频信号提供通路，对高频信号起阻隔作用。图 1 1(

7、b)(b)的交流等效电路图 5 524(a)24(a)电容三点式交流等效电路(b)(b)起振条件和振荡频率起振条件包括振幅条件和相位条件。起振的相位条件已由“射同基反”满足。判断能否起振要解决的关键问题就是推由反馈放大器的环路增益T(jCO)o,-j()T(j)=AFnT(osc)ejT()0gg振荡器起振的振幅条件T(WOSC)=AF=AF1推导环路增益一 3 3）时，需将闭合环路断开。断开点的选择并不影响 T T（j j ）表达式的推导，断开点的选择一般以便于分析为准则，通常选择在输入端，环路断开后的等效电路（在这部分将给由一系列推导T（a a）的等效电路）本题在图 5 5-24-24 所

8、示的X处断开，断开点的右面加环路的输入电压 I,I,断开点的左面应接入自左向右看进去的输入阻抗Zi i,如下图（a a）所示图中Reo是并联谐振回路L、Ci和C2的谐振电阻,ReooscLQo,式中Qo为回路固有品质因素。可见由断开处向右看进去的输入阻抗Zi=Re/re/jChieeberbee=(1)re当振荡频率远小于管子的特征频率fT时，可忽略r rbb、r和Cbc,得到如图 5 525(b)25(b)所示的晶体管等效电路。c(0图中虚线框内是晶体管共基极组态的简化等效电路re为共基放大器的输入电阻将共基组态的晶体管用混合型等效电路表示可画由断开环路后的等效电路如下图(c)c)所示b，e

9、为发射结电阻，P为共射组态时晶体管的低频放大倍数。因为在放大区，发射结总是正偏的，所以，rb，e通常很1丁Pi,gm(跨导gc)一re而共基放大器的输入电阻re=26mV(。)IEQ(mA)将输由回路的等效电路简化为如图5-25(d),以便求生基本放大器的增益 A A 和反馈系数 F F, ,最终得到环路增益T(osc)o图中 C2=C2+Cb3,输入阻抗乙对谐振回路的接入系数CIn-C C2c c2，1Vf二一 Vfn1111通常re 1 1, ,即可求得振幅起振的条件:ngngmT(T(osc) ); ;AFAF 二m1 1g gLg gi(5.3.4(5.3.4) )1,21上式可改与为

10、gm-(gLngj=gLngnn(5.3.5a)(5.3.5a)n-gm-1gLngi(5.3.5b)(5.3.5b)，.2一.、由图 5 52525(c)可知，ngi是gi经电容分压器折算集电极输由回路上的电导值。2谐振回路谐振时，集电极输由回路的总电导为 g gL+ngngi,回路谐振时，放大器的电压增益Agm(gL(gL+ +n n2gJgJ，n n 是接入系数，也就是反馈系数。如何设置电路参数，满足振幅起振条件？由式(5.3.5b)(5.3.5b)可知，要满足振幅起振条件应增大A和 F F, ,2(F=n),ngi也随 n 增大，必将造成A减小；反之，减小F,虽能提高A，但不能增大 T

11、 T3 3osc) ), ,因此要使T(sc)较大，必须合理选择F值。一般要求11T(osc)为 3 35,5,F F的取值一般为 820820 另外，提高三极管集电极电流ICQ,可增大gm,从而提高A，但1是CQ不宜过大，否则，giG；=gm)会过大，造成回路 r re有载品质因数过低，影响振荡频率稳定度。一般ICQ取值1g5mAo通常选用f fT 5f5fosc,RL 1 1K Kc c，反馈系数 F F 取值适当，一般都能满足振幅起振条件。（3 3）工程估算法求起振条件和谐振频率通过上述分析可知，采用工程估算法，可大大简化起振条件的分析。现将基本步骤归纳如下：选择断开点，画由推导 T T

12、（心）的高频等效电路；求生谐振回路的-c（近似由谐振回路决定）；将输入阻抗中部分接入电阻折算到集电极输由回路中。F求由谐振回路谐振时基本放大器的增益 A A 和反馈系数 F F（通常就是接入系数 n n）, ,便可得到振幅起振条件；其中输出电压输入电导反馈电压VfA=F=输入电压输出回路电导输出电压Vo3 3 电感三点式振荡器一哈特莱（HartelyHartely）振荡器图 5 52626 电感三点式振荡器电路出）图（a a）中，三极管发射极通过CE交流接地，是共射组态;图（b b）中，三极管基极通过CB交流接地，是共基组态。尽管两个振荡电路的组态不同，但都满足“射同基反”的构成原则，即与发射

13、极相连的两个电抗性质相同，不与发射极相连的是性质相异的电抗。电路简单分析：图中RB1、RB2和RE为分压式偏置电阻，CB、C0和CE为高频耦合和旁路电容，对于高频振荡信号可近似认为短路，RC为集电极限流电阻，RL为输由负载电阻，C、L1和L2构成并联谐振回路。电感三点式振荡器电路的起振条件前面电容三点式振荡器是以共基组态为例进行分析的， 电感三点式将以图 5 5-26(a)-26(a)所示共射组态为例分析因电感三点式振荡器应用较少，尤其在集成电路中更为少见，故只对其进行简单分析，给由一些结论作为参考。(a)(a)交流等效电路图 5 52727 共射电感三点式交流等效电路(b)(b)起振条件和振

14、荡频率共射组态的晶体管的等效电路将共射组态的晶体管用 Y Y 参数等效电路表示。当振荡频率远小于管子的特征频率fT时，可忽略晶体管正向传输导纳的相移，yfe可近似等于晶体管的跨导 g gm,电路中忽略了晶体管的内部反馈， 即y=e=0,不考虑晶体管输入和输由电容的影响，得共射组态的晶体管用 Y Y 参数等效电路图 5 528(a)28(a)给由高频微变等效电路。(b)图中虚线框内是晶体管共射极组态的简化等效电路gie为共射放大器的输入电导，g ge为输由电导，ggggL= =g g0+ +gQgQ 为输由负载回路等效电导，其中go为谐振回路谐振电导振荡电路的反馈系数反馈电压VfL2+MF=2输

15、出电压VoL1+ML2一、一一一一F F= =(Li与 L?N间无互感)LiF取值过小，不易起振；F过大，管子的输入阻抗会对谐振回路的Q值及频率稳定性产生不良影响，并使振荡波形失真，严重时致使电路无法起振。为了兼顾振荡的起振条件图 5 5-28(b)-28(b)为断开环路后的等效电路,(11与12之间有互感)1111和各项质量指标，通常取Too o2 2放大器增益的幅值输出电压VgA=m输入电压Vig22其中g二二goegLng-ien为接入系数，其值等于反馈系数。振幅起振条件AF1,gmgmAFAF 二n n= =n n1 12g g 三 g goeg gLng gie上式可改写为1gmng

16、ie(goe9L)n振荡频率的近似计算式为电容三点式的优点由于反馈电压取自电容，而电容对晶体管的非线(5.3.6)(5.3.6)(5.3.7)(5.3.7)式中L=L1L22M4 4 三点式振荡器性能比较M为L1与L2的互感1 1性产生的高次谐波呈现低阻抗，能有效地滤除高次谐波，因而输曲波形好。晶体管的极间电容与回路电容并联，可并入回路电容中考虑。若直接用极间电容代替回路电容，工作频率可大大提局。其缺点是反馈系数与回路电容有关。如果用改变电容的方法来调整振荡频率，将改变反馈系数，甚至可能造成电路停振。电感三点式是通过改变电容的来调整频率， 基本上不会影响反馈系数F Fo o但是电路能够振荡的最

17、高频率较低，因为电感三点式电路中，晶体管的极间电容与回路电感并联，高频工作时，可能会改变支路电抗特性，破坏相位平衡条件而无法振荡。另外，由于反馈电压取自电感，而电感线圈对高次谐波呈高阻抗，使输由中含有较大的谐波电压，导致输由波形失真较大，波形较差。5 5 克拉泼（ClappClapp）振荡电路因为考比兹（CouttsCoutts）振荡器存在不足，有必要对其进行改进，所以产生了一一克拉泼（ClappClapp）振荡电路考比兹（CouttsCoutts）振荡器虽然有电路简单，波形好的优点，在许多场合得到应用，但从提高振荡器频率稳定性的角度考虑，电容三点式振荡器存在以下需要完善的不足之处。原因： 晶

18、体管的极间电容直接和谐振回路电抗元件并联， 极间电容 （即结电容）是随环境温度、电源电压和电流变化的不稳定参数，它的变化会导致谐振回路谐振频率的变化，因为振荡器的振荡频率基本上由谐振回路的谐振频率决定，回路谐振频率的不稳定，将直接影响振荡器频率的稳定性。结果：三点式振荡电路的频率稳定性不高。一般在1。/量级,为提高频率稳定度，必须设法减小晶体管极间电容的不稳定性对振荡器频率稳定度的影响，改进的方法：串联改进型电容三点式振荡器一克拉泼（ClappClapp）振荡电路。图 5 52828 克拉泼振荡电路图（a a）给由克拉泼振荡器的实用电路，与普通电容三点式（CouttsCoutts）电路相比，其

19、区别仅在于 b-cb-c 间的电感支路串入一个小电容C3,满足C C3C CC C3C C2,这就是串联改进型电路命名的来由。图（b b）是其高频等效电路。克拉泼振荡电路的组态:图中输入端（反馈接入端）与发射极相连，输出回路与集电极相连，基极通过旁路电容Cb接地，所以电路为共基组态用于分析振荡频率的简化等效电路图 5 5-29-29m该电路满足“射同（Ci、C2）基反（L、C3串联呈现感抗）。振荡频率的分析振荡频率由选频回路决定，选频回路由，Ci（=Ci+Cce）,C2（=C2+Cbe）和C3串联，再与L并联构成。谐振回路的总电容111+C2C3C1CceC2CbeC3注意：串联电容的总电容取

20、决于小电容，而并联电容的总电容取决于大电容振荡器的振荡频率结论：由式（5.3.85.3.8）可知：当满足C3C2,C1时，fosc满足C3C1Cce，C3C2Cbe，所以有CC3fosc-1 12vLCv2vLCv1 12 2 二飞LCLC3(5.3.8)(5.3.8)几乎不受晶体管极间电容（即输入输由电容）的影响，C3越小，晶体管极间电容对振荡频率的影响就越小。电路的频率稳定性就越好。实际电路设计中谐振回路中元件的取值规则根据需要的振荡频率确定L、C3的值，C1、C2的取值应远大于C3。仅从振荡频率的稳定度考虑，C3越小越好,但C3过小会影响振荡器的起振。计算晶体管对输由回路的接入系数（VI

21、CVIC）计算该接入系数的目的是计算晶体管输由回路的等效电阻，以便计算放大器的增益。由图 5 53030 可知，晶体管输由回路的两个端点 c c、b b 对谐振回路 A A、B B 两端的接入系数11+C1C2注：对谐振回路的接入系数以电感为基准UcbUABC1c(5.3.9)(5.3.9)C1C2C3C3(C1C2)C3=RLJ（是共基放大器的等效负载）j共基放大器的增益A环路增益T（。）=无法起振将RL折算到输由回路 C C、b b 两端，对应的阻抗为RLC3(CiC2)结论：由式（5.3.105.3.10）可知,对改善振荡器的稳定性有力谐振回路 A A、B B 两端的等效电阻RL=RLR

22、e0,it2、/RL=niRL=(一1C1C2)2RL(5.3.10)(5.3.10)图 5-305-30 接入系数与等效负载计算示意图对于 ColpittsColpitts 振荡器而言，其共基电路的等效负载就是RLClappClapp 振荡电路是以牺牲环路增益的方法来换取回路振荡频率稳定性能的改善。综上分析，ClappClapp 振荡电路有以下几点不足：i）在减小C3以提高振荡频率fosc的同时，使环路增益减小，减小到一定程度会导致电路无法起振，这就限制了振荡频率fosc的提高；ii）ClappClapp 振荡电路不适合作波段振荡器。波段振荡器要求振荡频率在一定区间内可调，且输由信号的振荡幅值基本保持不变。由于 ClappClapp 电路是通过改变C3来调节振荡频率的，根据式（5.3.105.3.10）可知，C3的改变，导致RL”变化，致使共基电路的增益变化，最终导致输由信号的幅值发生变化，使所调波段频率范围内输由信号的幅度不平稳。所以 ClappClapp 电路可以调节的频率范围不够宽，只能用作固定foscmax振荡器或波段覆盖系数（=）较小的可变频率振荡器。foscmin般 ClappClapp 电路的波段覆盖系数为 1.21.21.31.36 6 西勒（SeilerSeiler）振荡电路在对 ClappClapp 振荡电路的不足之处进行改进的