高频课程设计-正弦波电容三点式振荡器.doc

摘要本设计介绍了以电容三点式振荡器为基础，以变容二极管为核心的LC正弦波压控振荡器的设计过程。电路中选频网络由电感L和电容C组成，为了达到振荡频率变化范围，使用了变容二极管，同时振荡电路的晶体管2SC1815具有放大作用，从而使电路能够得到足够的放大效果，更好的观察输出结果。又由于负载的变动，会影响到振荡频率。因此，经由缓冲放大器后再与负载连接。所以这里又使用了缓冲放大器为使用高输入阻抗的射随器。系统采用了控制电压从而改变电容的方法，即改变变容二极管两端电压从而控制电容的方法，最后实现LC正弦波振荡器的基本功能。设计中主要用到了多种方法的论证与比较，最后选择其中的比较合适的电路进行实际的设计，因此可以使设计方案得到更优的完善，且得到设计预期的结果。关键词：电容三点式振荡器，变容二极管，2SC1815。Abstract The design introduced to the inductive three-point oscillator as the basis, the core varactor VCO LC sine wave design process. Selected frequency network circuit inductor L and capacitor C by the composition, in order to achieve the oscillation frequency range, the use of varactor diodes, transistors 2SC1815 oscillation circuit also has a zoom function, so that the circuit can be enlarged enough to effect a better observation of the output results. Also, because the load changes, will affect the oscillation frequency. Therefore, through the buffer amplifier and then connected with the load. So here they use the buffer amplifier with high input impedance for the emitter-follower. System uses a control voltage to change the capacitance method, which changes the voltage across the varactor diode to control the capacitance method, the final realization of the basic functions of LC sinusoidal oscillator. Design of the main arguments used in a variety of methods and comparison, the final choice of which circuit is more suitable for practical design, the design can be better improved, and by design the desired results. Keywords: inductive three-point oscillator, varactor, 2SC1815. II1绪论在通信技术等领域，正弦波振荡器应用非常广泛，如发射机中正弦波振荡器提供指定频率的载波信号，在接收机中作为混频所需的本地振荡信号或作为解调所需的恢复载波信号等。另外，在自动控制及电子测量等其他领域，正弦波振荡器也有广泛的应用。因此，研究正弦波振荡器的发生原理很有意义。常见的正弦波振荡器按工作原理可分为反馈型振荡器和负阻型振荡器等；根据选频网络所使用的元件可分为LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器等。着眼于无线通信基础电路的研究，了解并掌握一定的LC振荡器显得很有必要。本设计在分析了电容三点式振荡器、电感三点式振荡器及改进型电容反馈型振荡器后，分析出通过电压变化控制正弦波频率变化的方案。正弦波压控振荡器正式基于这个原理产生的，所以本次设计在正弦波振荡器的改进基础上更进一步加深并拓展了LC振荡电路的应用。本次设计的核心部分变容二极管也是在研究分析后通过仿真进行确定的，在考虑了变容二极管的性能后选定合适的型号。2 原理分析及方案选择2.1 VCO原理分析在LC振荡器决定振荡频率的LC回路中，使用电压控制电容器（变容管），可以在一定的频率范围内构成电调谐振荡器。这种包含有压控元件作为频率控制器件的振荡器成为压控振荡器。它还广泛用于频率调制器、锁相环路，以及无线电发射机和接收机中。在压控振荡器中，振荡频率应只随加在变容管上的控制电压而变化，但在实际电路中，振荡器也加在变容二极管两端，这使得振荡频率在一定程度上也随振荡幅度而变化，这是不希望的。为了减小振荡频率随振荡幅度的变化，应尽量减小振荡器的输出振荡电压幅度，并使变容管工作在较大的固定直流偏压（如大于1V）上。下图给出了压控振荡器线路原理图，这是一个电容反馈式振荡器。决定频率的回路元件为L1、C1、C2和变容二极管D1所呈现的电容Cj。 图2.1 压控振荡器线路 压控振荡器的主要性能指标为压控灵敏度和线性度。压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量，用S表示，即： 下图示出了一压控振荡器的频率控制电压特性，一般情况下，这种特性是非线性的，非线性程度与变容二极管变容指数及电路形式有关。 图2.2 压控振荡器的频率与控制电压关系2.2方案选择2.2.1 LC振荡器组成原则基本电路就是通常所说的三端式的振荡器，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，如下。由图可见，除晶体管外，还有三个电抗元件X1、X2、X3，它们构成了决定振荡频率的并联谐振回路，同时也构成了正反馈所需的反馈网络，为此三者必须满足一定的关系。图2.3三点式振荡器原理图根据谐振回路的性质，谐振时回路应呈纯电阻性，因而有 三个电抗元件不能同时为感抗或容抗，必须由两种不同性质的电抗元件组成。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 İb、集电极电流 İ c以及发射极电流 İe，故由图4-5有 在不考虑晶体管参数（输入电阻、极间电容等）的影响并假设回路谐振时， 应与 同相；因此X1、 X2应为同性质的电抗元件。 三端式振荡器能否振荡的原则： （1）X1和 X2的电抗性质相同； （2）X3与X1、 X2的电抗性质相反。三端式振荡器有两种基本电路，如图4-6所示。图4-6 (a)中X1和X2为容性，X3为感性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电容元件完成的，称为电容反馈振荡器，也称为考必兹(Colpitts)振荡器。 图 2.4两种基本的三端式振荡器(a) 电容反馈振荡器; (b) 电感反馈振荡器 图2.4中X1和X2为感性，X3为容性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电感元件完成的，称为电感反馈振荡器，也称为哈特莱(Hartley)振荡器。2.2.2电容反馈振荡器 下图为电感反馈式振荡器原理图 图 2.5电感反馈式振荡器原理图高频等效电路如下 图2.6高频等效通路原理图电感反馈振荡器中，电感通常是绕在同一带磁芯的骨架上，它们之间存在互感，用M表示。同电容反馈振荡器的分析一样，振荡器的振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示，即 式中的L为回路的总电感，由图4-9有 由相位平衡条件分析，振荡器的振荡频率表达式为 式中的gL与电容反馈振荡器相同，表示除晶体管以外的电路中所有电导折算到CE两端后的总电导。振荡频率近似用回路的谐振频率表示时其偏差较小，而且线圈耦合越紧，偏差越小。工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响，反馈系数的大小为 由起振条件分析，同样可得起振时的gm应满足 电容反馈振荡器与电感反馈振荡器比较1）两种线路都简单，容易起振。电感反馈振荡器靠改变线圈抽头位置来改变反馈值F；而电容反馈振荡器需要改变C1、C2的比值。2）由于晶体管存在极间电容，对电感反馈振荡器，极间电容与回路电感并联，在频率高时极间电容影响大，有可能使电抗的性质改变，电感反馈振荡器的工作频率不能过高；电容反馈振荡器，其极间电容与回路电容并联，不存在电抗性质改变的问题，工作频率可以较高。2.2.3 电感反馈式振荡器图 4-8(a)是一电容反馈振荡器的实际电路，图(c)是其交流等效电路。 图2.7电容反馈振荡器原理图(a) 实际电路; (c) 高频小信号等效电路图 4-8(c)是图 4-8(a)的高频小信号等效电路，由于起振时晶体管工作在小信号线性放大区，可用小信号Y参数等效电路进行分析。为方便起见，等效时作了相应简化：（1）忽略晶体管内部反馈的影响，Yre=0；（2）晶体管输入电容、输出电容很小，可以忽略它们的影响，也可以将它们包含在回路电容C1、C2中，不单独考虑；（3）忽略晶体管集电极电流ic对输入信号ub的移相作用，Yfe用跨导gm表示，gL表示除晶体管以外的电路中所有电导折算到CE两端后的总电导。 当忽略晶体管结电容的影响后 其中B=0时符合相位条件，据此可解出振荡频率1。令即 其中C为回路的总电容，且式(4-23)中第二项远小于第一项，振荡器的振荡频率可以近似用回路的谐振频率表示，即 当不考虑gie的影响时，反馈系数的大小为 所以将gie折算到放大器输出端，有 放大器总的负载电导gL为起振条件为：电容反馈振荡器与电感反馈振荡器比较（1）振荡器在稳定振荡时，晶体管工作在非线性状态，在回路中除有基波电压外还存在少量谐波电压（其大小与回路Q值有关）。对电容反馈振荡器，由于反馈是由电容产生的，所以高次谐波在电容上产生的反馈压降较小；而对电感反馈振荡器，反馈是由电感产生的，所以高次谐波在电感上产生的反馈压降较大，因此电容反馈振荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好。（2）改变电容能够调整振荡器的工作频率。电容反馈振荡器在改变频率时，反馈系数也将改变，会影响振荡器的振幅起振条件，故电容反馈振荡器一般工作在固定频率；电感反馈振荡器在改变频率时，并不影响反馈系数，工作频带较电容反馈振荡器的宽。但电感反馈振荡器的工作频带不会很宽，因为改变频率将改变回路的谐振阻抗，可能使振荡器停振。 2.2.4方案确立由于电容反馈振荡器具有工作频率高、波形好等优点，所以在这里采用电容三点式振荡器构成振荡的基本回路。由于极间电容对电容反馈振荡器及电感反馈振荡器的回路电抗均有影响，所以对振荡频率也会有影响。而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以上述两种电路的频率稳定度不高。为了提高频率稳定度，需要对电路作改进以减小晶体管极间电容对回路的影响，这种情况下，可以采用减弱晶体管与回路之间耦合的方法，由此得到两种改进型电容反馈振荡器1. 克拉泼(Clapp)振荡器图2.8是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路 。用电感L和可变电容C3的串联电路代替原电容反馈振荡器中的电感，且C3<<C1、C2。只要L和C3串联电路在振荡频率上等效为一电感，电路即满足三端式振荡器的构成原则，且属于电容反馈式振荡器。 图 2.8克拉泼振荡器电路(a) 实际电路； (b) 交流等效电路由图2.8可知，回路的总电容为 回路总电容C由C3决定，而极间电容与C1、C2并联，对总电容影响很小；并且C1、C2只是回路的一部分，晶体管以部分接入的形式与回路连接，减弱了晶体管与回路之间的耦合。接入系数：假设回路的谐振电阻为R0，等效到晶体管两端的负载电阻为谐振器的振荡频率为反馈系数为克拉泼振荡器主要用于固定频率或波段范围较窄的场合，其频率覆盖系数（最高工作频率与最低工作频率之比）一般只有1.21.3。2. 西勒(Siler)振荡器 图4-11是西勒振荡器的实际电路和交流等效电路。其电路结构的主要特点是与电感L并联一可变电容C4。 图 4-11 西勒振荡器电路(a) 实际电路; (b) 交流等效电路图4-11中C4用于改变振荡器的工作波段，C3对工作频率起微调作用。回路的总电容为 振荡器的振荡频率为 西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器相同，工作频率的改变主要通过调整C4完成，并不影响接入系数，波段内输出幅度较平稳。适用于较宽波段工作，其频率覆盖系数可达1.61.8。综合以上比较，因为要求达到10MHz13MHz的正弦波，频率波段范围小，故采用克拉波振荡电路作为基本电路。3 电路设计为了达到电路设计要求，在确定克拉波电容反馈振荡器的基础上，再加入核心部件变容二极管及一定的电压输入，通过电路调节，即可达到要求。电路设计分两部分，第一部分为压控振荡的第一级，电路图如下：图3.1 压控振荡器第一级输出电路图由图可知，电阻R1、R2、R3构成基极偏置回路，调节变阻器R3可以保证合适的静态工作点，达到振荡器起振的基本要求。电容C2、C3、C4、电感L2和变容二极管D1构成振荡回路。在满足C4<C2，C3的基础上，回路电容为频率所以调节变容二极管两端电压可以改变CD，从而控制频率的变化。第二部分为压控振荡的输出级，电路图如下： 图3.2 压控振荡器第二级输出电路图在第一级输出波形达到要求的情况下，只需要在第二级加一个射极跟随器作为输出缓冲级，即可达到接负载的目的。4.总电路设计综合以上分析，在满足设计要求的情况下，将两级电路连接起来，在第一级和第二级之间加一个电容作为隔着耦合电容，接在第一级的输出级和第二级输入之间。总电路图如下： 图3.1总电路图偏置电阻参数如图所示，其中L1起到扼流圈的作用，基极偏置电压满足要求。在电路中，加入一个射极跟随器，使电压增益几乎为1；输入阻抗高；输出阻抗低；失真系数低。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大，使输出信号保持一定的数值。级间耦合电容均为100pF；通过C5连接正反馈电路。5调试与总结通过Multisim仿真软件进行仿真调试，最后得到符合要求的正弦波，仿真波形如下： 图5.1 仿真波形图通过实物调试的波形与仿真波形很接近，能很好地显示出预期的波形图，且失真不大。6.设计心得与体会在本次课程设计中，我从各方面的设计和构思中学到了许多知识，了解到理论和实践结合的难度。结合模电中所学的基础知识，理解振荡电路的工作原理为设计提供了很多方便。对于电路的设计过程我以为电容三点式振荡器的设计很难，设计比较烦琐，有静态工作点的要求，各电阻、电容值的设计，还有好多要求，看起来十分复杂。后来通过查资料，才了解到先要计算好各电阻的值，再根据各电容的作用，确定电容的值，画出电路图，一切都会变得简单。经过这次课程设计，让我对前面的路有了更多的信心，因为在这个过程中，我学到了不少实用的东西，对于高频电子电路有了更深层次的掌握，并且提高了独立解决问题的能力。虽然最后出来的波形还是不很稳定。但在调试的过程中又学习了不少高频电路方面的知识，所以收获很大。参考文献1吴友宇模拟电子技术基础武汉：清华大学出版社，2008.112曾兴雯、刘乃安.高频电路原理与分析.北京：化学工业出版社，20063沈伟慈，等.高频电路.西安：电子科技大学出版社，20094吴大正，等.信号与系统分析.北京：高等教育出版社，20095 张宪、何宇斌.电子线路制作指导.北京：化学工业出版社，2006附录：元件清单元件器件明细高频小功率管2SC18152个变容二极管ZA8201个二极管1N40072个发光二极管1个电位器（5k）1个电位器（10k）1个电解电容22uF1个瓷片电容 0.1uF（104）1个瓷片电容10nF3个瓷片电容680nF1个贴片电容100pF1个贴片电容220pF1个贴片电容47pF1个固定电阻（1K）2个固定电阻（4.7K）2个固定电阻（1.8K）1个固定电阻（22K）1个电感（1mH）2个17