晶体振荡器的设计.

1.课程设计的目的 (3)

2.课程设计的内容 (3)

3.课程设计原理 (3)

4.课程设计的步骤或计算 (5)

5.课程设计的结果与结论 (11)

6.参考文献 (16)

一、设计的目的

设计一个晶振频率为20MHz，输出信号幅度≥5V（峰-峰值），可调的晶体振荡器

二、设计的内容

本次课程设计要求振荡器的输出频率为20Mhz，属于高频范围。所以选择LC振荡器作为参考对象，再考虑输出频率和振幅的稳定性，最终选择了克拉泼振荡器。通过ORCAD 的设计与仿真，Protel绘制PCB版图，得到了与理论值比较相近的结果，这表明电路的原理设计是比较成功的，本次课程设计也是比较成功的。

三、设计原理

1．振荡器的概述

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，还需要有在没有激励信号的情况下产生周期性振荡信号的电子线路，这种电子线路就是振荡器。

振荡器是一种能量转换器，它不需要外部激励就能自动地将直流电源共给的功率转换为制定频率和振幅的交流信号功率输出。振荡器一般由晶体管等有源器件和某种具有选频能力的无源网络组成。

振荡器的种类很多，根据工作原理可分为反馈型振荡器和负阻型振荡器，根据所产生的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器；根据选频网络可分为LC振荡器﹑晶体振荡器﹑RC振荡器等。

2．振荡器的振荡条件

反馈型振荡器的原理框图如下：

图1.1 反馈型振荡器的原理框图

如图1，放大器的电压放大倍数为K(s)，反馈网络的电压反馈系数为F(s)，则闭环电压放大倍数Ku(s)的表达式为[1]：

K u (s)=

)

()

(s Us s Uo ( 1—1) 由 K(s)=

)

()

(s Ui s Uo (1—2) F(s)=)

()(s Uo s i U ' (1—3)

U i(s)=U s (s)+)(s i U ' (1—4)

得 K u (s)=

)()(1)(s F s K s K -=)

(1)

(s T s K - (1—5)

其中T(s)=K(s)F(s)=

)

()

(s Ui s i U ' (1—6) 称为反馈系统的环路增益。用s=j ω带入就得到稳态下的传输系数和环路增益。由式(1—5)可知，若在某一频率ω=ω1上T(j ω)，Ku （j ω）将趋近于无穷大，这表明即使没有外加信号，也可以维持振荡输出。因此自激振荡的条件就是环路增益为1，即

T(j ω)=K(j ω)F((j ω)=1 (1—7) 通常称为振荡器的平衡条件。

由式(1—6)还可知|T(j ω)|>1，|)(ωj i U '|>|Ui (j ω)|,形成增幅振荡。 |T(j ω)|<1, |)(ωj i U '|<|Ui (j ω)|,形成减幅振荡。 综上，正弦波振荡器的平衡条件为：

T(j ω)=K(j ω)F((j ω)=1

也可表示为|T(j ω)|=KF=1 (1—8a)

T ?=?K+?F=2n π n=0,1,2,3…… (1—8b) 式(1—8a)和(1—8b)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。

起振条件

振幅起振条件：|T(j ω)|=KF>1

相位起振条件：T ?=?K+?F=2n π n=0,1,2,3…… 稳定条件：

振幅稳定条件：

Ui T

??|Ui=UiA <0 相位稳定条件：Ui

K

??| Ui=UiA <0

四、设计的步骤或计算

方案的确定

方案一：RC 桥式振荡电路：

图2.1 RC 桥式振荡电路

[2]

由图知，在ω=ω0=1/RC 时，经RC 选频网络传输到运放同相端的电压V f 与V

o 同相，

即有?f=0和?a+?f=0。这样，放大电路和由Z1、Z2组成的反馈网络刚好形成正反馈系

统，可以满足相位平衡条件，因而有可能振荡。

再考虑振幅振荡条件,所为建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡，将直流电源的能量变为交流信号输出。对于RC 振荡电路来说，直流电源即使能源。那么自激的因素又是什么呢？由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中也包括ω=ω0=1/RC 这样一个频率成分。这种微弱的信号经过放大，通过正反馈的选频网络，使输出幅度越来越大，最后受电路中非线性元件的控制，使振荡幅度自动稳定下来，开始时，Av=1+R f/R1

略大于3，达到稳定平衡状态时，A

v =3,F v=1/3(ω=ω0=1/RC)。

方案二：LC 选频放大电路：

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, 如图所示。

图2.2 三端式振荡器的组成

根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性, 因而有

一般情况下, 回路Q 值很高, 因此回路电流远大于晶体管的基极电流 ?b 、集电极电

流 ? c 以及发射极电流 ?e, 故由图5 ─ 5有

因此X 1、 X 2应为同性质的电抗元件。

LC 振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。

(1)互感耦合振荡器[3]

互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，耦合线圈同名端的正确位

I .

3

321=++X X X ?

?

??-==I

jX U I jX U c 12

置的放置，选择合适的耦合量M ，使之满足振幅起振条件很重要。

互感耦合振荡器有三种形式：调基电路、调集电路和调发电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射极电路来区分的。

图2.3 调基电路振荡器

调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较平衡。

由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q 值，故在调基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。

图2.4 调集电路振荡器

调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成分较小。

图2.5 调发电路振荡器

由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q 值，故在调基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。

R R

CC

R R

互感耦合振荡器在调整反馈(改变M)时，基本上不影响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段。

(2)电感反馈三端式LC 振荡(哈特莱电路)

图2.6 电感反馈式振荡电路

哈特莱电路的优点：

1L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振。 2振荡频率调节方便，只要调整电容C 的大小即可。 3而且C 的改变基本上不影响电路的反馈系数。 电路的缺点：

1振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的 反馈较强，使波形失真大；

2电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这是因为频率太高，L 太小且分布参数的影响太大。

(3)电容反馈三端振荡器(考毕兹电路)

图2.7 电容反馈三端振荡器

考毕兹电路的优点：

1电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。

C ＋V CC

V CC

2电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频

率的影响。

3电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振荡管的输出、输入电容作为

回路的振荡电容。它的工作频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。

电路的缺点：

调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。

最终方案：

由上我们可以看出RC和LC振荡电路的原理是基本相同的，不同的一点是RC振荡电路常用来产生1---1MHZ的范围内的低频信号，而LC振荡电路常用来产生1M以上的高频信号，本次课程设计的技术指标是7MHZ的振荡器，属于高频范围，所以应选择LC振荡器。

再比较三种LC振荡器的优缺点，我们可以发现电容反馈三端振荡器可以产生波失真小，输出频率高并且稳定的波形。所以电容反馈三端振荡器为最终的确定的电路。并且选取电容三点式的改进型电路，即克拉泼振荡器。其电路图

如下：

图2.8 克拉泼振荡器

电路参数的确定

1晶体管的选择：

从频率的角度出发，应选择f T 较高的晶体管，这样的晶体管内部相移较小。通常选择f T >(3～10)f 1max 。同时希望电流放大系数β大些，这样即容易振荡，也便于减小晶体管喝回路之间的耦合。虽然不要求振荡器中晶体管输出多大的功率，但考虑到稳频等因素，晶体管的管功率应该留有足够的余量。

2直流馈电线路的选择

为保证振荡器起振的振幅条件，起始工作点应设置在线性放大区；从稳频出发，稳定状态应该在截止区而不应该在饱和区，否则回路的有载品质因数Q L 将会下降。所以，通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路采用自偏压。对于小功率晶体管，集电极静态电流约为1～4mA 。

3振荡回路元件的选择

从稳频出发，振荡回路中电容C 应该尽可能大，但C 过大不利于波段工作；电感L 也应尽可能大，但L 过大后，体积大，分布电容大，L 过小回路的品质因数过小。因此应合理的选择C ，L 。在短波范围，C 一般取几十至几百皮发，L 一般去0.1至几十微亨。

4反馈回路元件的选择

为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振，在静态工作点应该选择

Y f R L F '=3～5

当静态工作点确定后，Y f 的值就一定，对于小功率晶体管课近似认为

Y f =g m =

m V

I cQ 26

反馈系数的大小应在下列范围内选择

F=0.1～0.5

根据上述内容，再结合工程上一些元器件的标称值，先确定R1 、R 2、Rc 、Re 的值分别为：24K Ω、56K Ω、3K Ω、1K Ω。

根据克拉泼振荡器振荡频率公式：ω1≈ω0= =

要使振荡器的速出频率f=10MHZ

取L=10H μ C3=100pF

LC 13

1

LC

五、设计的结果与结论

1．电路图的设计[4]

（1）利用ORCAD软件设计出电路图，并对所设计电路工作原理进行分析。调用orcad/capture cis所绘制的电路图如下：

图4.1 克拉泼振荡器电路图

2．电路的仿真

在4.1所绘制的电路图的基础上，进行电路的后处理以后，调用ORCAD/Pspice软件进行电路的模拟。

根据电容三点式电路的组成特点我们可以知道输出信号应当是从集电极输出。经过如下的设置：

图4.2 仿真前的设置

由上图的设置我们可以看出，以下进行的是时域的分析输出波形为集电极电压随时间的变化信号。

图4.3 克拉泼振荡器的时域输出波形图

从上图我们可以看到在时间轴上输出波形开始时几乎为零，慢慢的变大，最后趋于稳定，这就是振荡器从起振到最后稳定的一个过程。

除了时域我们更关心的是振荡器的输出频率问题，下面经过傅里叶变换，我们可以看

到频域波形.

4.3PCB 版图的绘制

图4.4 克拉泼振荡器的频域输出波形

从上图我们可以看处输出的信号中，信号主要集中在10Mhz 之间，谐波成分几乎为零，这

和通过公式 1= 计算出的理论值是很接近的，所以仿真是比较成功的。

3.PCB 版图的绘制[6]

利用protel 软件，先画出电路原理图，经过电器规则检查无误后，生成PCB 版图，

3

1

LC

然后经过自动布线，生成如下的PCB:

图4.5 克拉泼振荡器的PCB版图

4.收获、体会和建议

为期两周的课程设计结束了，通过这次设计让我更好的掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了元件的结构及掌握了各元件的工作原理和其具体的使用方法。更加深刻地理解课本

知识。在此次做课程设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限和自身的不足，以及理论和实践的巨大差距。

另外通过课设我更进一步地熟悉了晶体管的应用，巩固了模数电和电路方面的知识，起到了温故知新的作用，此外我还学会了两种电路设计与仿真软件ORCAD和Protel的使用，这真是一大收获。

最重要的是：在这次课程设计中，我对两种电路设计软件ORCAD和Protel的使用经历了从陌生到熟悉的过程，在这个过程中，通过自己的摸索和与同学们的交流，我攻克了许多难题一步一步地学会了两种软件的使用，这让我深刻体会了独立思考和与人合作的重要性，在以后的学习工作中必须要加强这两种能力。

六、参考文献

[1]曾兴雯等，高频电路原理与分析.西安电子科技大学出版社,2004.01

[2]康华光,电子技术基础模拟部分.高等教育出版社,2006.01

[3]张肃文,高频电子线路[M].高等教育出版社，2007.11

[4]贾新章等,电子电路CAD技术----基于OrCAD9.2.西安电子科技大学出版社，2002

[5]贾新章等,OrCAD/Capture CIS 9实用教程.西安电子科技大学出版社，2000

[6]吉雷,Protel 99从入门到精通.西安电子科技大学出版社,2000.10