三点式振荡电路介绍.docx

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1、三点式振荡电路时间：2021.03.02创作：欧阳数定义：三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的 三个电极分别连接而组成的反馈型振荡器。三点式振荡电路用电感耦合或电容耦合代替变压器耦合 可以克服变压器耦合振荡器只适宜于低频振荡的缺点，是 一种广泛应用的振荡电路，其工作频率可从几兆赫到几百 兆赫。1、三点式振荡器的构成原则图5 20三点式振荡器的原理图图5 20是三点式振荡器的原理电路（交流通路）为 了便于分析，图中忽略了回路损耗，三个电抗元件be cebc构成了决定振荡频率的并联谐振回路。要产生振荡，对谐振网络的要求：？必须满足谐振回路的总电抗Xbe + xce + xbc = o，回路

2、呈现 纯阻性。反馈电压j作为输入加在晶体管的b、e极，输出u.加在晶体管的c、e之间，共射组态为反相放大器，放大器的的输出电压“o与输入电压U i （即/ ）反 相，而反馈电压Uf又是U在Xbc、Xbe支路中分配在Xe上的电压。要满足正反馈，必须有U =Xbeu =- XbeUf TXb：TXbJ o r （5.3.1） 为了满足相位平衡条件，Uf和Uo必须反相，由式X 、八 be 0X即Xbe和Xe必须是同性（5.3.1）可知必有 ce 成立， 质电抗，而Xbc=-（Xbe +七）必为异性电抗。综上所述，三点式振荡器构成的一般原则:（1） 为满足相位平衡条件，与晶体管发射极相连的两个电抗元件

3、be、Xce必须为同性，而不与发射 极相连的电抗元件Xbc的电抗性质与前者相反，概 括起来“射同基反”。此构成原则同样适用于场效 应管电路，对应的有“源同栅反”（2）振荡器的振荡频率可利用谐振回路的谐振频率来估算。若与发射极相连的两个电抗元件X be、X ce为容性的称为电容三点式振荡器，也称为考比兹振荡器（Colpitts）,如图 5 21 （a）所示；若与发射极相连的两个电抗元件Xbe、X为感性的，称 为电感三点式振荡器，也称为哈特莱振荡器（Hartley），如 图5 21 （b）所示。图5 21电容三点式与电感三点式振荡器电路原理图 三点式振荡器的性能分析1电容三点式振荡器一考毕兹（Co

4、lpitts）振荡器图1给出两种电容三点式振荡器电路。图中Rb、Rb2和Re 为分压式偏置电阻，图1电容三点式振荡器电路图（a）电路中，三极管发射极通过匕交流接地，是共射组 态图（b）电路中，三极管基极通过交流接地，是共基组 态组态不同，但都满足“射同基反”的构成原则，即与发射 极相连的两个电抗性质相同，不与发射极相连的是性质相 异的电抗。高频耦合和旁路电容（Cb、C和CE ）对于高频振荡信号可近似 认为短路，旁路和耦合电容的容值至少要比回路电容值大 一个数量级以上。L、。1和。2构成并联谐振回路，1和称为回路电容（也工作电容）。2电容三点式振荡器电路的起振条件以图5 22 （b）所示共基组态

5、的电容三点式电路为例分 析起振条件。（a）高频交流等效电路画高频振荡回路之前应仔细分析每个电容与电感的作用， 应处理好以下问题：画高频振荡回路时，小电容是工作电容，大电容是耦合 电容或旁路电容，小电感是工作电感，大电感是高频扼 流圈。画等效电路时保留工作电容与工作电感，将耦合 电容与旁路电容短路，高频扼流圈开路，直流电源与地 短路，通常高频振荡回路是用于分析振荡频率的，一般 不需画出偏置电阻。判断工作电容和工作电感，一是根据参数值大小。电路 中数值最小的电容（电感）和与其处于同一数量级的电容 （电感）均被视为工作电容（电感），耦合电容与旁路电容 的数值往往要大于工作电容几十倍以上，高频扼流圈的

6、 电感数值远远大于工作电感；二是根据所处的位置。旁路电容分别与晶体管的电极和交流地相连，旁路电容 对偏置电阻起旁路作用；耦合电容通常在振荡器负载和晶体管电路之间，起到高 频信号耦合及隔直流作用。这两种电容对高频信号都近似为短路。工作电容与工作电感是按照振荡器组成法则设置的。高频扼流圈对直流和低频信号提供通路，对高频信号起 阻隔作用。图1（b）的交流等效电路图5 24（a）电容三点式交流等效电路（b）起振条件和振荡频率起振条件包括振幅条件和相位条件。起振的相位条件已由“射同基反”满足。判断能否起振要解决的关键问题就是推出反馈放大器的环 路增益T （加。T（沁）二 AF = T（）eT（s）。振荡

7、器起振的振幅条件览-,推导环路增益T（沁）时，需将闭合环路断开。断开点的选择T （js ）并不影响表达式的推导，断开点的选择一般以便于分析为准则，通常选择在输入端， 环路断开后的等效电路（在这部分将给出一系列推导T（js）的等效电路）本题在图5 24所示的X处断开，断开点的右面加环路的输入电压。，断开点的左面应接入自左向右看进去的输入欧阳数创编阻抗Z，如下图（a）所示。图中是并联谐振回路、Ci*C2的谐振电阻，Re0眼oscLQ0，式中。0为回路固有品质因素。可见由断开处向右看进去的输入阻抗Z = R / r / j C， e ebe兀 将共基组态的晶体管用混合型等效电路表示当振荡频率远小于管

8、子的特征频率广时，可忽略 rce和 c，得到如图5 25（b）所示的晶体管等 效电路。 可画出断开环路后的等效电路如下图（c）所示。图中虚线框内是晶体管共基极组态的简化等效电路，e为共基放大器的输入电阻，r(5.3.2Ar = J b? n r = (1+ P) rrbe为发射结电阻，为共射组态时晶体管的低频放大倍r数。因为在放大区，发射结总是正偏的，所以，此通常 很小，一般在几百欧以下。P 而。gLgm - （1+B）re将输出回路的等效电路简化为如图5 25（d），以便求出基本放大器的增益A和反馈系数F，最终得到环路增益T（ OSC）。图中C2 = C2 + Cbe，输入阻抗对谐振回路的接

9、入系数C n =1C2 + c 2通 常Te 1令，即可求得振幅起振的条件:T (o) = AF = ngm 1gL + gi(5.3.4)1 - ,、 1 , (g + n 2 g ) = g + ngn L i n L ioscg上式可改写为ma）(5.3.5g1m 1(5.3.5 b) 由图5 25（c）可知，2gi是g i经电容分压器折算集 电极输出回路上的电导值。谐振回路谐振时，集电极输出回路的总电导为g + 2gi，回路谐振时，放大器的电压增益Ag. mL i ， n是接入系数，也就是反馈系数。如何设置电路参数，满足振幅起振条件？ 由式（5.3.5 b）可知，要满足振幅起振条件应增

10、大A和F，但增大F （ F = 12），2gi也随之增大，必将造成A减小;反之，减小F ，虽能提高A ，但不能增因此要使T （TS OSC）较大，必须合理选择F值。1般要求1Oosc的取值一般为提高三极管集电极电流ICQ，可增大但是CQ不宜过大，否则，gm，从而提高（1、g. （ J = gm）em会过大造成回路有载品质因数过低，影响振荡频率稳定度。一般 叫 取值。通常选 用T 5Lc，RL O，反馈系数F取值适当，般都能满足振幅起振条件。（3 ）工程估算法求起振条件和谐振频率 通过上述分析可知，采用工程估算法，可大大简化起振条 件的分析。现将基本步骤归纳如下: 选择断开点，画出推导T（加）的

11、高频等效电路; 求出谐振回路的osc （近似由谐振回路决定）； 将输入阻抗中部分接入电阻折算到集电极输出回路 中。求出谐振回路谐振时基本放大器的增益A和反馈系数尸（通常就是接入系数），便可得到振幅起振条A 输出电压 输入电导A =输入电压输出回路电导件；其中,口反馈电压VF , . .= f输出电压诺o3电感三点式振荡器一哈特莱（Hartely ）振荡器图5 26电感三点式振荡器电路图（a）中，三极管发射极通过匕交流接地，是共射组态； 图（b）中，三极管基极通过匕交流接地，是共基组态。 尽管两个振荡电路的组态不同，但都满足“射同基反”的 构成原则，即与发射极相连的两个电抗性质相同，不与发 射极

12、相连的是性质相异的电抗。电路简单分析：图中bC B2和互为分压式偏置电阻，B C和 E为高频耦合和旁路电容，对于高频R振荡信号可近似认为短路，C为集电极限流电阻，R L为 输出负载电阻，、1 L2构成并联谐振回路。电感三点式振荡器电路的起振条件前面电容三点式振荡器是以共基组态为例进行分析的， 电感三点式将以图5 26 （a）所示共射组态为例分析 因电感三点式振荡器应用较少，尤其在集成电路中更为少见，故只对其进行简单分析，给出一些结论作为参考。(a) 交流等效电路图5 27共射电感三点式交流等效电路(b) 起振条件和振荡频率共射组态的晶体管的等效电路将共射组态的晶体管用Y参数等效电路表示。当振荡

13、频率远小于管子的特征频率fT时，可忽略晶体管正向传输导纳 的相移， 佐可近似等于晶体管的跨导 ”，电路中忽略了晶体管的内部反馈，即七e ，不考虑晶体管输入和 输出电容的影响，得共射组态的晶体管用Y参数等效电路图5 28(a)给出高频微变等效电路。图5 28(b)为断开环路后的等效电路，(b)图中虚线框内是晶体管共射极组态的简化等效电路,ie为共射放大器的输入电导，Le为输出电导，g (g = g + g )O OOjl.a r r t|tAtV 工乙,rL L 0 L为输出负载回路等效电导，其中 0为谐振回路谐振电导。振荡电路的反馈系数（L1与乙2之间有互感）F =反馈电压=匕=L2 + M

14、输出电压 L MF = L（L1与L2之间无互感）1取值过小，不易起振；F过大，管子的输入阻抗会对2谐振回路的 值及频率稳定性产生不良影响，并使振荡波形失真，严重时致使电路无法起振。为了兼顾振荡的起振条件和各项质量指标，通常取8 2。放大器增益的幅值A =输出电压=匕=g输入电压v_*gf = oe + g: + n2为接入其中况建系数，其值等于反馈系数。振幅起振条件AF1,AF = m n = m n1g g + g+ n goe Lie上式可改写为gng +_（g + g ）m ie n oe L（5.3.6）振荡频率的近似计算式为1w = o jLc（5.3.7）式中 L = L + L

15、2 + 2MM为LL2的互感4三点式振荡器性能比较电容三点式的优点 由于反馈电压取自电容，而电容对晶体管的非线性产生的 高次谐波呈现低阻抗，能有效地滤除高次谐波，因而输出 波形好。晶体管的极间电容与回路电容并联，可并入回路 电容中考虑。若直接用极间电容代替回路电容，工作频率 可大大提高。其缺点是反馈系数与回路电容有关。如果用改变电容的方 法来调整振荡频率，将改变反馈系数，甚至可能造成电路 停振。电感三点式是通过改变电容的来调整频率，基本上不会影 响反馈系数F。但是电路能够振荡的最高频率较低，因为 电感三点式电路中，晶体管的极间电容与回路电感并联， 高频工作时，可能会改变支路电抗特性，破坏相位平

16、衡条 件而无法振荡。另外，由于反馈电压取自电感，而电感线 圈对高次谐波呈高阻抗，使输出中含有较大的谐波电压， 导致输出波形失真较大，波形较差。5克拉泼（Clapp）振荡电路因为考比兹（Colpitts）振荡器存在不足，有必要对其进行 改进，所以产生了一一克拉泼（Clapp）振荡电路考比兹（Colpitts）振荡器虽然有电路简单，波形好的优 点，在许多场合得到应用，但从提高振荡器频率稳定性的 角度考虑，电容三点式振荡器存在以下需要完善的不足之 处。原因：晶体管的极间电容直接和谐振回路电抗元件并联， 极间电容（即结电容）是随环境温度、电源电压和电流变 化的不稳定参数，它的变化会导致谐振回路谐振频率

17、的变 化，因为振荡器的振荡频率基本上由谐振回路的谐振频率 决定，回路谐振频率的不稳定，将直接影响振荡器频率的 稳定性。结果：三点式振荡电路的频率稳定性不高。一般在10 -3量 级，为提高频率稳定度，必须设法减小晶体管极间电容的 不稳定性对振荡器频率稳定度的影响，改进的方法：串联改进型电容 三点式振荡器一克拉泼 （Clapp）振荡电路。图5 28克拉泼振荡电路图（a）给出克拉泼振荡器的实用电路，与普通电容三点式（Colpitts）电路相比，其区别仅在于b-c间的电感支路串入一个小电容3，满足。3 C1，C3 V C2，这就是串联改进型电路命名的来 由。图（b）是其高频等效电路。 克拉泼振荡电路的

18、组态：图中输入端（反馈接入端）与发射极相连，输出回路与集C电极相连，基极通过旁路电容 万接地，所以电路为共基组态。 用于分析振荡频率的简化等效电路图5 29该电路满足“射同（C 1、C 2）基反（、1串联呈现 感抗）。 振荡频率的分析振荡频率由选频回路决定，选频回路由 C= C +C）,C（=C +C） C11 况 22 be和 3串联，再与L并联构成。谐振回路的总电容C C + C , C C + C , 满足 31 c 32 be所以有C丁 C3注意：串联电容的总电容取决于小电容，而并联电容的总 电容取决于大电容。振荡器的振荡频率f11/ RR(5.3.8)sc2k L2k LC2 V 3

19、结论：由式（5.3.8）可知：当满足 32， 1f时， sc几乎不受晶体管极间电容（即输入输出电容）的影响，C 3越小，晶体管极间电容对振荡频率的影响就越小。电路的 频率稳定性就越好。实际电路设计中谐振回路中元件的取值规则根据需要的振荡频率确定L C,的值，1、2的取CC值应远大于3。仅从振荡频率的稳定度考虑， 3越小C越好，但3过小会影响振荡器的起振。计算晶体管对输出回路的接入系数（VIC）计算该接入系数的目的 是计算晶体管输出回路的等效电 阻，以便计算放大器的增益。由图5 30可知，晶体管输出回路的两个端点c、b对谐 振回路A、B两端的接入系数11+ sC sC _1厂寸 上+上+ L =

20、 1 + C1C2SC1SC2SC3C3(C1+ 5.3.9)注：对谐振回路的接入系数以电感为基准。图5 30接入系数与等效负载计算示意图R = R / R谐振回路A、B两端的等效电阻L Le0，将Rl折算到输出回路c、b两端，对应的阻抗为LR ” =n 2 RL 1 L=(1 +1-CC1 2C3(C1 + C2)2 RL(5.3.10)结论：由式（5.3.10）可知，n对改善振荡器的稳定性有力C3 ；|n R I （是共基放大器的等效负载） LJn共基放大器的增益人n环路增益T（ ） n无法起振对于Colpitts振荡器而言，其共基电路的等效负载就是Rl。Clapp振荡电路是以牺牲环路增益

21、的方法来换取回路 振荡频率稳定性能的改善。综上分析，Clapp振荡电路有以下几点不足：i）在减小C 3以提高振荡频率的同时，使环路增益减 小，减小到一定程度会导致电路无法起振，这就限制了振荡频率fosc的提高；ii） Clapp振荡电路不适合作波段振荡器。波段振荡器要求振荡频率在一定区间内可调，且输出信号 的振荡幅值基本保持不变。由于Clapp电路是通过改变 3 来调节振荡频率的，根据式（5.3.10）可知， 3的改变， 导致Rl变化，致使共基电路的增益变化，最终导致输出 信号的幅值发生变化，使所调波段频率范围内输出信号的 幅度不平稳。所以Clapp电路可以调节的频率范围不够=丁 osc ma

22、x宽，只能用作固定振荡器或波段覆盖系数（ fosc min ）较 小的可变频率振荡器。一般Clapp电路的波段覆盖系数为 1.21.3。6西勤（Seiler）振荡电路在对Clapp振荡电路的不足之处进行改进的基础，产生了 西勒电路。图（a）给出Seiler振荡电路的实用电路，Seiler电路是在克拉泼电路中的电感L两端并联了一个可 变小电容4,且满足 1、 2远大于 3，这就是并联改进 型电路命名的来由。图（b）是其高频等效电路。Seiler振荡电路的回路总电容C Z由C1, C2, C3串联，再与C 4并联构成。1CL C4 +111 C3 + C4+CC振荡器的振荡频率113=（5.3.1

23、2）。芦它JL（C3 + C4）晶体管c、b两端对谐振回路A、B两端的接入系数图5 32计算接入系数与等效负载的结构示意图结论：晶体管c、b两端对谐振回路A、B两端的接入系数 与Clap电路的完全相同。由图5 32可知，晶体管c、b两端（输出回路的两个端 点）对谐振回路A、B两端的接入系数与式（5.3.9）表示 的完全相同。当通过调节 4来改变振荡频率时，不会影响回路的接入C系数，也就是说，通过调节4来改变振荡频率时，输出回R路cb端的等效负载L不会随之变化，共基电路增益 也保持不变，所以在波段范围内输出信号的幅值基本保持 不变，振幅的稳性较好。且调谐电容C 4直接与电感乙并 联，所以对回路的谐振频率影响较大，使西勒电路的调谐 带宽较Clap电路大。Seiler电路可用作波段振荡器，其 波段覆盖系数可达1.61.8左右。另外，通过减小C 4来提 高振荡频率时，不会影响环路增益和振荡器的起振，因 此，Seiler电路适合于更高频段的振荡器。时间：2021.03.02创作：欧阳数