电容三点式振荡电路

fo
1 2 L(C 3 C 4)
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。
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：
f0 1 2 LC 7 MHZ
3
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。
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
f osc 1 2 LC
（1）
式中 C 近似等于 C1 与 C2 的串联值
C
C1C2 C1 C2
（2）
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： 1 1 g m ( g ' L g ' e ) g ' L nge n n 式中
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 f osc 可近似认为等 于谐振回路的固有振荡频率 f o ，即
因：
R b1
VCC VBQ VBQ
Rb 2
Rb1
12V 2.7V 12 K 41.3K 2.7V
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 9014 NPN 型号的晶体管，
（3）
gL'
1 1 , ge RL // Re 0 re
Re 0 为 LC 振荡回路的等效谐振电阻；
电路的反馈系数
kf n
C1 C1 C2
（4）
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 k f 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。 k f 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、 C1 、 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
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 f o 为：
f0 1 2 LC
当 LC 振荡时，f0=4MHz
1 2 LC
L＝10μH
1 2 L(C 3 C 4 )
本电路中，则回路的谐振频率 fo 主要由 C4、C6 决定，即
f
有
C4 C6
1 4 f 2 L
2
157 pf
Байду номын сангаас
取 C4 =75pf，C6=82pf，因要遵循 C2，C3>>C4,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。
3.2 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
9
1 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
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。
11
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 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。
4
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：
10
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：
Re Rc
β=100
12 6 3K 2
U CC U CEQ I CQ
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 因： IBQ=ICQ/β 则： UEQ =2mA×1K=2V IBQ =2mA/100=0.02mA
则：
一般取流过 Rb2 的电流为 5-10IBQ , 若取 10IBQ VBQ VBQ VEQ 0.7 因： R b 2 I BQ 则 ： R 2.7V 13.5K 取标称电阻 12KΏ。 b2 0.2
fo
1 2
C1 C2 LC1C2
反馈系数 F 为：
F
C1
C2
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