LC振荡器设计与仿真

LC正弦振荡器设计与仿真

一、设计任务

设计一个LC正弦振荡器，使其产生4

的正弦信号。设计任务要求：

f MHZ

（1）完整的设计思路，并画出电路图；

（2）运用multisim进行仿真分析，并测出其仿真波形。

（3）进行频谱分析，测出其频谱分量；

二、设计思路

1.正弦振荡器的基本原理

振荡器为在不需外加输入信号便能产生输出信号的振荡器。振荡器按其工作原理可分为反馈式振荡器和负阻式振荡器。我们设计振荡器时利用的是前者类型振荡器。

所谓正弦振荡器就是输入直流信号，振荡器输出交流的具有某个特定的频率的正弦信号。正弦振荡器的应用大致可分为两类：一类为频率的输出，另一类为功率的输出所谓的频率的输出，是指用正弦波振荡器产生准确而稳定的频率信号。其在无线电通信、广播、电视发射机中用来产生所需要的载波；在功率输出应用中，正弦波振荡器用作高频功率源，如工业用高频加热设备和医用医疗的电疗仪器。在这类应用中，高效的输出大功率是主要的要求。

一般来说，振荡器工作要求满足一定的平衡、稳定和起振条件，这通过设置电路参数来满足要求。

另外更具振荡的条件，振荡器应包括放大器、选频网络和反馈网络。

2.LC正弦振荡器电路的构成原则

凡是采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器成为LC正弦波振荡器。

LC振荡电路形式很多，按反馈网络的形式可分为变压器耦合反馈式、电感或电容反馈式振荡电路两种。

常用的LC正弦振荡器如变压器耦合振荡器、三端式振荡器；其中三端式振荡器又可分为电感三端式和电容三端式振荡器。变压器耦合振荡器采用LC谐振回路作为选频网络，并利用变压器耦合电路作为反馈网络。其相位平衡条件是依靠变压器初、次级绕组线圈具有合适的同名端来保证的。

另外比较有名的LC振荡电路为克拉拔振荡器和席勒振荡器。其提出是基于振荡器的放大器中的晶体管基间的寄生参量（如基间电容、基间电阻）都与电压、环境温度等因素有关，晶体管寄生参量的影响必然影响着振荡器的稳定性下降。为了减小晶体管的寄生参量的影响，为此就提出了克拉拔振荡器和席勒振荡器。其出发点就是减小晶体管各端极间的接入系数p。本设计采用席勒振荡器。

2.LC正弦振荡器的设计

克拉拔振荡器

R14k¦¸

R2

10.3k¦¸

R32k¦¸

R44.7k¦¸

Q1

2N3904

VCC 15V VCC

C1

10nF

2

C2400pF C3

800pF

L120uH

4

C6

100pF

Key=A

15%

1R5100kΩ

8

图1 克拉拔振荡器原理图

克拉拔振荡器与电容反馈三端式电路的区别在于其在电感之路中串入了一个小电容6C 。由于6C 比较小，因此回路的总电容6C C ≈,则振荡器工作振荡频率

6

1

g LC ω≈

由此g ω主要由6C 决定。

当且由20,15L H C pF μ==则

612

11

9.46200*10*5*10

g MHZ LC ω--==≈

对其进行multisim 仿真：

图2 克拉拔振荡器的仿真波形

图3.克拉拔仿真的频率

图4.克拉拔电路输出频谱分析

但是随着6C 的减小，随着克拉拔电路的稳定性提高了，但是其起振条件越来越难满足。

席勒振荡电路

为了克服克拉拔电路的缺点，因此提出来席勒电路。其在克拉拔电路基础上，在回路电感L 两端并联一个电容7C 。其中76C C >>则。正弦振荡器的工谐振荡频率：

767

1

1

()o L C C LC ω=

≈

+ 振荡器的工作频率：0g ωω=。它的改变可以通过调整7C 来实现。7C 改变，而6C 不变，接入的系数不变，从而振荡器的工作频率范围展宽，稳定性也得以提高。

3.具体振荡器的设计

由上分析，要设计工作频率为4MHZ 的振荡器，我们选择设计席勒振荡器。由66020,224*108*10L H f μωπππ===*=则：

72

1C L ω=

=79.15 pF.

R14k¦¸

R210.3k¦¸

R32k¦¸

R44.7k¦¸

Q1

2N3904

VCC 15V VCC

C1

10nF

2

C2400pF C3800pF

L120uH 4

XSC5

A B

Ext Trig

+

+

_

_

+_

0XFC1

123

C6

10pF

Key=A

10%

1R5100kΩ

XSA1

T

IN C4

100pF

Key=A

70%

5

图5.席勒振荡器电路原理图

图6 席勒振荡器产生固定4MHZ 的振荡波形

图7 频率计测得振荡器输出的频率

图8.频谱仪测得振荡器输出信号的频谱综上所述，忽略系统误差，设计完成要求。