高頻電感三點式正弦波振蕩器課件

1、目錄摘要 I1緒論 12正弦波振蕩器 22.1 反饋振蕩器產(chǎn)生振蕩的原因及其工作原理 22.2平衡條件 32.3起振條件 32.4穩(wěn)定條件 43電感三點式振蕩器 53.1三點式振蕩器的組成原則 53.2電感三點式振蕩器 53.3 振蕩器設(shè)計的模塊分析 64 仿真與制作 104.1仿真 .104.2分析調(diào)試 115心得體會 18參考文獻(xiàn) 19摘要反饋振蕩器是一種常用的正弦波振蕩器，主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反饋放大器組成。按照選頻網(wǎng)絡(luò)所采用元件的不同，正弦波振蕩器可分為LC振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型。本文介紹了高頻電感三點式振蕩器電路的原理及設(shè)計，電感三點式容易起振，調(diào)

2、整頻率方便，變電容而不影響反饋系數(shù)。正弦波振蕩器在各種電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。例如，無線發(fā)射機(jī)中的載波信號源，接收設(shè)備中的本地振蕩信號源，各種測量儀器如信號發(fā)生器、頻率計、fT測試儀中的核心部分以及自動控制環(huán)節(jié)，都離不開正弦波振蕩器。根據(jù)所產(chǎn)生的波形不同，可將振蕩器分成正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩大類。前者能產(chǎn)生正弦波，后者能產(chǎn)生矩形波、三角波、鋸齒波等。本文將簡單介紹一種利用一款名為Multisim 11.0的軟件作為電路設(shè)計的仿真軟件，電容電感以及其他電子器件構(gòu)成的高頻電感三點式正弦波振蕩器。電路中采用了晶體三極管作為電路的放大器，電路的額定電源電壓為5.0 V，電流為13 mA，電路

3、可輸出輸出頻率為8 MHz（該頻率具有較大的變化范圍）。關(guān)鍵詞：高頻、電感、振蕩器 I1緒論在現(xiàn)代社會中，信息傳遞的作用日益變的重要。這就要求我們改進(jìn)信息傳遞的方式，從而使信息的傳遞更加迅速，更加準(zhǔn)確，更加安全。無線電通信的發(fā)展，信息加密技術(shù)的改進(jìn)這些為迅速準(zhǔn)確的通信帶來了便利。毋庸置疑，無線電技術(shù)帶來了信息交流方面的一次偉大變革。在本課程設(shè)計中，著眼于無線電通信的基礎(chǔ)電路LC正弦振蕩器的分析和研究。通過對電感反饋式三端振蕩器的分析、討論。以求得到一些對實際應(yīng)用電路有幫助的結(jié)論。在課程設(shè)計中，使用的仿真軟件為multisim11.0。該軟件提供了功能強(qiáng)大的電子仿真設(shè)計界面和方便的電路圖和文件管

4、理功能。能夠讓使用者全面的收集電路的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而有助于對電路進(jìn)行改進(jìn)。常用正弦波振蕩器主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反饋放大器組成， 這就是反饋振蕩器。按照選頻網(wǎng)絡(luò)所采用元件的不同， 正弦波振蕩器可分為 LC 振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型。其中 LC 振蕩器和晶體振蕩器用于產(chǎn)生高頻正弦波。正反饋放大器既可以由晶體管、場效應(yīng)管等分立器件組成，也可以由集成電路組成。LC振蕩器中除了有互感耦合反饋型振蕩器之外，其最基本的就是三端式（又稱三點式）的振蕩器。而三點式的振蕩器中又有電容三點式振蕩器和電感三點式振蕩器這兩種基本類型。本文所要介紹的正是電感三點式振蕩器。2正弦波振蕩器振蕩

5、器是一種能自動地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號能量的轉(zhuǎn)換電路。與放大器的區(qū)別：無需外加激勵信號，就能產(chǎn)生具有一定頻率、波形和振幅的交流信號。由晶體管等有源器件和具有某種選頻能力的無源網(wǎng)絡(luò)組成。正弦波振蕩器按工作原理可分為反饋式振蕩器與負(fù)阻式振蕩器兩大類。反饋式振蕩器是在放大器電路中加入正反饋，當(dāng)正反饋足夠大時，放大器產(chǎn)生振蕩，變成振蕩器。所謂產(chǎn)生振蕩是指這時放大器不需要外加激勵信號，而是由本身的正反饋信號來代替外加激勵信號的作用。負(fù)阻式振蕩器則是將一個呈現(xiàn)負(fù)阻特性的有源器件直接與諧振電路相接，產(chǎn)生振蕩。2.1 反饋振蕩器產(chǎn)生振蕩的原因及其工作原理反饋型振蕩器是通過正反饋聯(lián)接方式實現(xiàn)

6、等幅正弦振蕩的電路。這種電路由兩部分組成，一是放大電路，二是反饋網(wǎng)絡(luò)。圖2.1所示為反饋振蕩器構(gòu)成方框圖及相應(yīng)電路。由圖可知，當(dāng)開關(guān)S在 1 的位置，放大器的輸入端外加一定頻率和幅度的正弦波信號，這一信號經(jīng)放大器放大后，在輸出端產(chǎn)生輸出信號，若&經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)并在反饋網(wǎng)絡(luò)輸出端得到的反饋信號 & 與不僅大小相等，而且相位也相同，即實現(xiàn)了正反饋。若此時除去外加信號，將開關(guān)由 1 端轉(zhuǎn)接到 2 端，使放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，那么，在沒有外加信號的情況下，輸出端仍可維持一定幅度的電壓輸出，從而實現(xiàn)了自激振蕩的目的。圖2.1 反饋振蕩器的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖為了使振蕩器的輸出為一個固定頻率的正弦波，圖 2

7、.1 所示的閉合環(huán)路內(nèi)必須含有選頻網(wǎng)絡(luò)，使得只有選頻網(wǎng)絡(luò)中心頻率的信號滿足與相同的條件而產(chǎn)生自激振蕩，對其他頻率的信號不滿足與相同的條件而不產(chǎn)生振蕩。 選頻網(wǎng)絡(luò)可與放大器相結(jié)合構(gòu)成選頻放大器，也可與選頻網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合構(gòu)成選頻反饋網(wǎng)絡(luò)。2.2平衡條件振蕩器的平衡條件即為 也可以表示為 即為振幅平衡條件和相位平衡條件。平衡狀態(tài)下，電源供給的能量正好抵消整個環(huán)路損耗的能量，平衡時輸出幅度將不在變化：振幅平衡條件決定了振蕩器輸出信號振幅的大??；環(huán)路只有在某一特定的頻率上才能滿足相位平衡條件：相位平衡條件決定了振蕩器輸出信號頻率的大小。2.3起振條件振蕩器在實際應(yīng)用時不應(yīng)有外加信號，而應(yīng)是一加上電后即產(chǎn)生輸

8、出；振蕩的最初來源是振蕩器在接通電源時不可避免地存在的電沖擊及各種熱噪聲。振蕩開始時激勵信號很弱，為使振蕩過程中輸出幅度不斷增加，應(yīng)使反饋回來的信號比輸入到放大器的信號大，即振蕩開始時應(yīng)為增幅振蕩。 由 可知， 稱為自激振蕩的起振條件，也可寫為 分別稱為起振的振幅條件和相位條件，其中起振的相位條件即為正反饋條件。2 2.4穩(wěn)定條件振蕩器的穩(wěn)定條件分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。(1)振幅穩(wěn)定條件 要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點必須具有阻止振幅變化的能力。具體來說，就是在平衡點附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅增大時，環(huán)路增益將減小，從而使振幅減小。(2)相位穩(wěn)定條件 振蕩器的相位平衡條件是T（0）。 在

9、振蕩器工作時, 某些不穩(wěn)定因素可能破壞這一平衡條件。如電源電壓的波動或工作點的變化可能使晶體管內(nèi)部電容參數(shù)發(fā)生變化, 從而造成相位的變化, 產(chǎn)生一個偏移量。 由于瞬時角頻率是瞬時相位的導(dǎo)數(shù), 所以瞬時角頻率也將隨著發(fā)生變化。為了保證相位穩(wěn)定, 要求振蕩器的相頻特性T（）在振蕩頻率點應(yīng)具有阻止相位變化的能力。具體來說, 在平衡點=0附近, 當(dāng)不穩(wěn)定因素使瞬時角頻率增大時, 相頻特性T（0）應(yīng)產(chǎn)生一個-, 從而產(chǎn)生一個-, 使瞬時角頻率減小。3 3電感三點式振蕩器 3.1三點式振蕩器的組成原則 基本電路就是通常所說的三端式(又稱三點式)的振蕩器，即LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接而成的

10、電路，如圖3.1所示。X1、X2、X3三個電抗元件構(gòu)成了決定振蕩頻率的并聯(lián)諧振回路，同時也構(gòu)成了正反饋所需的反饋網(wǎng)絡(luò)。 根據(jù)諧振回路的性質(zhì)，諧振時回路應(yīng)呈純電阻性，因而有三個電抗元件不能同時為感抗或容抗，必須由兩種不同性質(zhì)的電抗元件組成。三端式振蕩器能否振蕩的原則：（1）X1和 X2的電抗性質(zhì)相同； （2）X3與X1、 X2的電抗性質(zhì)相反。即射同余異，源同余異。3.2電感三點式振蕩器 X1和X2為感性，X3為容性，滿足三端式振蕩器的組成原則，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電感元件完成的，稱為電感反饋振蕩器，也稱為哈特萊(Hartley)振蕩器。圖 3.2是兩種基本的三端式振蕩器 (a) 電容反饋振蕩器;(b)

11、電感反饋振蕩器 上圖是電感反饋振蕩器電路的(a) 實際電路；(b) 交流等效電路；(c) 高頻等效電路 電感反饋振蕩器中，電感通常是繞在同一帶磁芯的骨架上，它們之間存在互感，用M表示。同電容反饋振蕩器的分析一樣，振蕩器的振蕩頻率可以用回路的諧振頻率近似表示，即 式中的L為回路的總電感， 由相位平衡條件分析，振蕩器的振蕩頻率表達(dá)式為 式中的gL與電容反饋振蕩器相同，表示除晶體管以外的電路中所有電導(dǎo)折算到CE兩端后的總電導(dǎo)。振蕩頻率近似用回路的諧振頻率表示時其偏差較小，而且線圈耦合越緊，偏差越小。4電感反饋式三端振蕩器優(yōu)點(1)容易起振 (2)調(diào)整頻率方便，變電容而不影響反饋系數(shù)。缺點(1) 振蕩

12、波形不夠好，高次諧波反饋較強(qiáng)，波形失真較大。 (2) 不適于很高頻率工作。3.3 振蕩器設(shè)計的模塊分析如圖所示即為此次設(shè)計的主要模塊振蕩電路模塊。 圖 振蕩電路模塊原理圖與前面的對振蕩器電路的分析一樣，圖3.2中的R1、R2和R3均為電路的偏置電阻，C1、C2分別為旁路電容和隔直流電容，而C1、L1和L2的連接方式也符合電感三點式振蕩器的原則，因此整個電路就構(gòu)成了設(shè)計所需要的振蕩電路。由振蕩器的原理可以看出，振蕩器實際上是一個具有反饋的非線性系統(tǒng)，精確計算是很困難的，而且也是不必要的。因此，振蕩器的設(shè)計通常是進(jìn)行一些設(shè)計考慮和近似估算，選擇合理的線路和工作點，確定元件的參數(shù)值，而工作狀態(tài)和元件

13、的準(zhǔn)確數(shù)值需要在調(diào)試中最后確定。設(shè)計時一般都要考慮一下一些問題：晶體管的選擇從穩(wěn)頻的角度出發(fā)，應(yīng)選擇較高的晶體管，這樣的晶體管內(nèi)部相移較小。通常選擇(310)。同時希望電流放大系數(shù)大些，這既容易振蕩，也便于減小晶體管和回路之間的耦合。算然不要求振蕩器中的晶體管輸出多大的功率，但考慮到穩(wěn)頻等因素，晶體管的額定功率也應(yīng)有足夠的余量。因此，在本次設(shè)計中將會 選取2N2222作為振蕩電路的三極管。該三極管的集電極電流最大值為800mA，在25時其功率可達(dá)到0.5W，最大集電極電壓可達(dá)30V，足夠滿足此次設(shè)計的各方面要求。2直流饋電線路的選擇為保證振蕩器起振的振幅條件，起振工作點應(yīng)設(shè)置在線性放大區(qū)；從穩(wěn)

14、頻出發(fā)，穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)該在截至區(qū)，而不應(yīng)在飽和區(qū)，否則回路的有載品質(zhì)因數(shù)將降低。所以，通常應(yīng)將晶體管的靜態(tài)偏置點設(shè)置在小電流區(qū)，電路應(yīng)采用自偏壓。對于小功率晶體管，集電極電流約為14mA。3振蕩回路元件的選擇從穩(wěn)頻出發(fā)，振蕩回路中電容C應(yīng)盡可能大，但C過大，不利于波段工作，因此，前頁圖3.2中各電容均選為0.1uF已經(jīng)可以滿足電路的設(shè)計要求。而電感L原本也應(yīng)盡可能大，但L大后，體積大，分布電容大，L過小，回路的品質(zhì)因數(shù)過小，因此應(yīng)該合理選擇L的大小。根據(jù)此次設(shè)計的要求，輸出頻率為8MHz，由計算公式 （式中L=L1+L2+2M,M為L1和L2之間的互感）以及反饋系數(shù)的要求，按照圖3.2中所示選取L

15、1=2.2uH,L2=0.5uH應(yīng)該能夠滿足設(shè)計的要求。 4 仿真與制作4.1仿真在課程設(shè)計中，使用的仿真軟件為multisim9.0。該軟件提供了功能強(qiáng)大的電子仿真設(shè)計界面和方便的電路圖和文件管理功能。能夠讓使用者全面的收集電路的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而有助于對電路進(jìn)行改進(jìn)。仿真電路如圖：取電感L1，L2的值為2.2UH ,1UH,只要開環(huán)增益A1,即可起振。若使振蕩頻率f=8MHz，有公式=1/得，此時電感C=50PF。 為保證三極管能夠正常放大，要合理設(shè)置靜態(tài)偏置，取R1=8k，R2=3 k，Vb=R2/（R1+R2）,Ve=Vb-0.7,Ve=5V,VeVbVc,發(fā)射級正偏，集電極反偏，三極管處

16、于放大區(qū)。仿真示波器顯示如圖：4.2分析調(diào)試由仿真波形可見，電感電感三點式振蕩器存在一定的失真，這是由其本身的缺點造成的。由于晶體管存在極間電容，對電感反饋振蕩器，極間電容與回路電感并聯(lián)，在頻率高時極間電容影響大，有可能使電抗的性質(zhì)改變，電感反饋振蕩器的工作頻率不能過高；電容反饋振蕩器，其極間電容與回路電容并聯(lián)，不存在電抗性質(zhì)改變的問題，工作頻率可以較高。振蕩器在穩(wěn)定振蕩時，晶體管工作在非線性狀態(tài)，在回路中除有基波電壓外還存在少量諧波電壓（其大小與回路Q值有關(guān)）。對電容反饋振蕩器，由于反饋是由電容產(chǎn)生的，所以高次諧波在電容上產(chǎn)生的反饋壓降較小；而對電感反饋振蕩器，反饋是由電感產(chǎn)生的，所以高次諧波在電感上產(chǎn)生的反饋壓降較大，因此電容反饋振蕩器的輸出波形比電感反饋振蕩器的輸出波形要好。5改變電容能夠調(diào)整振蕩器的工作頻率。電容反饋振蕩器在改變頻率時，反饋系數(shù)也將改變，會影響振蕩器的振幅起振條件，故電容反饋振蕩器一般工作在固定頻率；電感反饋振蕩器在改變頻率時，并不影響反饋系數(shù)，工作頻帶較電容反饋振蕩器的寬。但電感反饋振蕩器的工作頻帶不會很寬，因為改變頻率將改變回路的諧振阻抗，可能使振蕩器停振。5心得體會通過本次課程設(shè)計，我們從中學(xué)到很多東西，提高了我們的邏輯思維能力，使我們在高頻電路的分析與設(shè)計上有了很大的進(jìn)步。電路