LC晶体振荡器的设计

通信电子线路

课程设计

题目：LC晶体振荡器设计

姓名：上官小红

学号：2012050050087

院别：物理与机电工程学院专业：电子信息工程专业

年级班级：2012 级1班

指导教师：张鸿辉讲师

2014年6月13日

目录

一、概述

二、技术指标

三、系统框图

四、电路分析

五、电路工作原理及设计说明

六、总电路图设计

七、设计总结及心得体会

八、参考文献

一、概述

在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期信号的电子电路，这种在无需外加激励信号的

情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为振荡器。

LC振荡电路就是用电感L和电容C组成的一个选频网络的振荡电路，这个振荡电路用来产生一种高频正弦波信号。常见的LC振荡电路有好多种，比如变压器反馈式、电感三点式及电容三点式，它们的选频网络一般都采用LC并联谐振回路。这种振荡电路的辐射功率跟振荡频率的四次方成正比，如果要想让这种电路向外辐射足够大的电磁波的话，就必须提高其振荡频率，而且还必须是电路具备开放的形式。LC振荡电路之所以有振荡，是因为该电路通过运用电容跟电感的储能特性，使得电磁这两种能量在交替转化，简而言之，由于电能和磁能都有最大和最小值，所以才有了振荡。当然，这只是一个理想情况，现实中，所有的电子元件都有一些损耗，能量在电容和电感之间转化是会被损耗或者泄露到外部，导致能量不断减小。所以LC振荡电路必须要有放大元件，这个放大元件可以是三极管，也可以是集成运放或者其他的东西。有了这个放大元件，这个不断被消耗的振荡信号就会被反馈放大，从而我们会得到一个幅值跟频率都比较稳定的信号

二、技术指标

主要元件参数

振荡频率：?。=12MHz

振荡波形：正弦波

电源电压：+12V

频率稳定度：

h f f /10/6

0max -≤? 高频管型号：3DG6C

三、系统框图

若振荡器中要维持等幅的自激振荡，基本放大器输入端的反馈信号必须和原输人信号幅度必须相等，同时相位也应相同。AF=1就是产生自激振荡时A 、F 应满足的基本数学条件。其中A 和F 是频率的函数，一般也可以表示为复数形式。复数乘积AF=1的涵义就是振荡器电路的环路放大倍数等于l , 同时复数的相位值等于2n π，其中n=0,士1, 士2，士3，…。总之，产生自激振荡既要满足幅度条件，也要满足相位条件。假若AF<1,则Xf ＜Xi ，则振荡幅度越来越小，最终将导致振荡电路停振。这也从反面说明了，只有AF ≥1，电路才能起振并能维持振荡。

图1 自激振荡器方框图

图2 正弦波振荡器框图

四、电路分析

由我们所学过的知识知道，构成一个振荡器必须具备下列一些最基本的条件：

（1）任何一个振荡回路，包含两个或两个以上储能元件。在这两个储能元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。接收和释放能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。

（2）电路中必须要有一个能量来源，可以补充由振荡回路电阻所产生的损耗。在电容三点式振荡器中，这些能量来源就是直流电源。

（3）必须要有一个控制设备，可以使电源在对应时刻补充电路的能量损失，以维持等幅震荡。这是由有源器件（电子管，晶体管或集成管）和正反馈电路完成的。

对于本次课程设计，所用的最基本原理如下： （1）振荡器起振条件为AF>1。

（2）振荡器的平衡条件包括两个方面的内容：振幅稳定和相位稳定 。 我们可以假设横坐标是振荡电压，而纵坐标分别是放大倍数K 和反馈系数F ，假设因为某种情况使电压增长，这时K.F<1，振荡就会自动衰减。反之，若电压减少，出现KF>1的情况，振荡就会自动增强，而又回到平衡点。由此可知结论为：在平衡点，若K 曲线斜率小于0，则满足振荡器的振幅稳定条件。 反馈式正弦波振荡器有RC 、LC 和晶体振荡器三种形式，电路主要由放大网络、选频回路和反馈网络三个部分构成。本实验中，我们研究的主要是LC 三点式振荡器。所谓三点式振荡器，是晶体管的三个电极（B 、E 、C ），如图3：

根据相位平衡条件，图3(a)中构成振荡电路的三个电抗元件，X 1、X 2必须为同性质的电抗，X 3必须为异性质的电抗，若X 1和X 2均为容抗，X 3为感抗，则为电容三点式振荡电路（如图3 (b)）；若X 2和X 1均为感抗，X 3为容抗，则为电感三点式振荡器（如图3(c)）。由此可见，为射同余异。 共基电容三点式振荡器的基本电路如图4：

1

1

(a )

(b )

(c )

图4 共基电容三点式振荡器

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， 反馈系数F 为：12

C

F C 。

五、电路工作原理及设计说明

石英晶体的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值 (等效于L/C)，因而它的品质因数Q 高达10000~500000的范围内。等效电路中元件的典型参数为：Co 分布电容很小：几pF ～几十pF ，L ：几十mH ～几百mH ，C 动态电容：0.0002 pF ～0.1pF 。如图五所示。由等效电路可知，石英晶体有两个谐振频率，即

图5 石英晶体的符号、等效电路和电抗特性

（1）L-C-R支路串联谐振

（2）当f>fs时，L-C-R支路呈感性，与Co产生并联谐振。

由于Co>>C，故fP≈fS.

图6 外接可调电容

，如图六所示，在实际应用中，通常串入一个用于校正振荡频率的小电容C

S

图电路的电抗为X'，则

令上式中的分子为零得（串联谐振）：

CS一般采用微调电容，使fs'在fs和fP之间的一个狭窄的范围内调整。

将上式展开成幂级数的形式，并考虑到C<<（C0+CS），则

因为Co（几pF～几十pF），C（0.0002pF～0.1pF），CS>C，所以振荡频率的相对变化量很小。

六、总电路图设计

本实验所选择的电路为C—B型并联电路，如下图7所示：

12MHZ并联型石英晶体振荡器及交流等效电路

选择晶体管和石英晶体。

根据设计要求，按公式?max=

?T ≥(2∽10)?

H

=（24∽120MHz）

选择高频管3DG6C型晶体管作为振荡管。查手册其参数如下：?

T

=250MHz；?≥

40，取? =50；NPN型通用；额压：20V；Icm=20mA；Po= 0.1W；?

?≈?

T

/ ?=5 MHz。

石英谐振器可选用HC-49S系列，其性能参数为：

标称频率?。=12 MHz；工作温度：-40℃~+85℃；25℃时频率偏差：士3×10-6士30×10-6；串联谐振电阻：60Ω；负载电容：C L=10PF,激励功率：0.01~0.1mW。确定静态Q点及各元件值

根据手册查的：选取3DG6C的静态特性曲线工作点为：

I

E

=2mA, Uce=0.6Vcc=0.6×12=7.2V；

取Uc=0.8Vcc=0.8×12=9.6V；Ue=0.2Vcc=0.2×12=2.4V

则有 Rc=（Vcc-Uc）/ I

E

=（12-9.6）/0.002=1.2KΩ

Re= Ue/ I

E

=2.4/0.002=1.2 KΩ

取RB2=5Re=6 KΩ

RB1={（Vcc-Ue）/Ue}×RB2=24 KΩ

根据实际的标称电阻值，取Rc、Re、RB1、RB2取精度为1%的金属膜电阻

Rc= Re= 1.2KΩ；RB1= 24 KΩ，RB2=6.2 KΩ；

求C1\C2\Ct的电容值

在计算时，由下式计算的值

=26 ?/ I

E

=650Ω

根据C1×C2=

()2

2

2

'Re 1f r b e w f ββ

????+?? ???????

=50/{（2π×12×106

）×650×

1200[1+( ?/??)2]?}= 4341.3(PF)2

根据负载电容的定义，对于图九所示的电路可以得出 C L =1/[(1/C1,2)+1/Ct]

式中，C1，2为C1与C2相串联的电容值，由上式可得

C1,2= Ct C L / （Ct- C L ） 若取Ct=30pF （一般Ct 应略大于负载电容值），则

C1,2= Ct C L / （Ct- C L ）=（30×10）/（30-10）=15 pF 由反馈系数F=C1/C2和C1,2=C1C2/C1-C2两式联立解，并取F=1/2 则C1=C1,2(1+F)=22.5 pF C2=C1,2(1+1/F)=45 pF

根据电容量的标称值，取C1、C2为聚苯乙烯电容， C1=20pF, C2=40pF ，C1× C2=20×40=800(PF)2≤4341.3(PF)2

可见该值远小于由C1×C2乘机的极限值，故该电路满足起振条件。

七、设计总结及心得体会

通过设计LC 晶体振荡器电路，使我的动手能力和经验有了一定程度的提高。我更好地了解了石英晶体的结构和特性。

刚拿到设计题目时一头雾水，不知道该怎样去实现设计的要求。于是便拿起教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，对设计有了初步的思路。

有了方案还不够，还要去论证其可行性，前四天都是在网上和图书馆中查资料，论证电路的可行性。在这方面我们进行了深刻的探讨，加深了我们对其更好的理解和认识。

由于知识水平有限，这次设计存在很多不完善之处，同时也深刻地意识到自己在设计方面能力的欠缺，以往都是只学习原理，对设计方面的知识了解不多，而我们这专业要求最重要的就是实践能力。以后我要多看专业书，多做些实际电路以加强这方面的锻炼。

八、参考文献

1、稻叶保《振荡电路的设计与应用》科学出版社

2、李银华《电子线路设计指导》北京航天航空大学出版社

2005年 6月

3、谢自美《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社 2003

年10月

4、张肃文《高频电子线路》高等教育出版社 2004年11月

5、高吉祥《高频电子线路设计》电子工业出版社2007年05月

6、赵声衡/赵英《晶体振荡器》科学出版社 2008年05月