晶體振蕩器的設(shè)計(jì)

1、1. 課程設(shè)計(jì)的目的32. 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容33課程設(shè)計(jì)原理 34. 課程設(shè)計(jì)的步驟或計(jì)算55. 課程設(shè)計(jì)的結(jié)果與結(jié)論116. 參考文獻(xiàn)16飛設(shè)計(jì)的目的設(shè)計(jì)一個(gè)晶振頻率為20MHz輸出信號(hào)幅度5V （峰-峰值），可調(diào)的晶體振蕩器二、設(shè)計(jì)的內(nèi)容本次課程設(shè)計(jì)要求振蕩器的輸出頻率為 20Mhz，屬于高頻范圍。所以選擇LC振蕩器 作為參考對(duì)象，再考慮輸出頻率和振幅的穩(wěn)定性，最終選擇了克拉潑振蕩器。通過ORCAD 的設(shè)計(jì)與仿真，Protel繪制PCB版圖，得到了與理論值比較相近的結(jié)果，這表明電路的原 理設(shè)計(jì)是比較成功的，本次課程設(shè)計(jì)也是比較成功的。三、設(shè)計(jì)原理1 .振蕩器的概述在電子線路中，除了要有對(duì)各種

2、電信號(hào)進(jìn)行放大的電子線路外，還需要有在沒有激勵(lì) 信號(hào)的情況下產(chǎn)生周期性振蕩信號(hào)的電子線路，這種電子線路就是振蕩器。振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，它不需要外部激勵(lì)就能自動(dòng)地將直流電源共給的功率轉(zhuǎn)換 為制定頻率和振幅的交流信號(hào)功率輸出。振蕩器一般由晶體管等有源器件和某種具有選頻 能力的無源網(wǎng)絡(luò)組成。振蕩器的種類很多，根據(jù)工作原理可分為反饋型振蕩器和負(fù)阻型振蕩器，根據(jù)所產(chǎn)生 的波形可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器；根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)可分為L(zhǎng)C振蕩器、晶體振蕩器、RC振蕩器等。2. 振蕩器的振蕩條件反饋型振蕩器的原理框圖如下：放大器%）圖1.1反饋型振蕩器的原理框圖如圖1,放大器的電壓放大倍數(shù)為K(s)，反饋網(wǎng)

3、絡(luò)的電壓反饋系數(shù)為F(s)，則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Ku(s)的表達(dá)式為：(1 1)由K(s)=Uo(s)Ui(s)(1 2)F(s)=Ui(s)Uo(s)(1 3)Ui(s)=U(s)+ U i(s)(1 4)得K (s)=K(s)- K(s)(1 5)u(s) =1 K(s)F(s)"1 T(s)其中T(s)=K(s)F(s)= U i(s)(1 6)Ui(s)稱為反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益。用s=j帶入就得到穩(wěn)態(tài)下的傳輸系數(shù)和環(huán)路增益。由式(15)可知，若在某一頻率=1上T(j )，Ku(j )將趨近于無窮大，這表明即使沒有外加信號(hào)，也可以維持振蕩輸出。因此自激振蕩的條件就是環(huán)路增益為1,即

4、T(j )=K(j)F(j)=1(1 7)通常稱為振蕩器的平衡條件。由式(1 6)還可知|T(j )|>1, |Ui(j)|>|Ui (j )|,形成增幅振蕩。|T(j )|<1, |Ui(j)|v|Ui (j )|,形成減幅振蕩。綜上，正弦波振蕩器的平衡條件為：T(j )=K(j)F(j)=1(1 8a)也可表示為|T(j )|=KF=1T = K+ F=2nn=0,1,2,3(1 8b)式(1 8a)和(1 8b)分別稱為振幅平衡條件和相位平衡條件起振條件振幅起振條件：|T(j )|=KF>1相位起振條件：T = K+ F=2n穩(wěn)定條件：振幅穩(wěn)定條件： | Ui=U

5、iA<0Ui相位穩(wěn)定條件：| Ui=UiA <0Uin=0,1,2,3四、設(shè)計(jì)的步驟或計(jì)算方案的確定方案一：RC橋式振蕩電路:由圖知，在 =0=1/RC時(shí)，經(jīng)RC選頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\(yùn)放同相端的電壓 V f與V o同相,即有f=0和a+ f=0。這樣，放大電路和由Z1、Z2組成的反饋網(wǎng)絡(luò)剛好形成正反饋系 統(tǒng)，可以滿足相位平衡條件，因而有可能振蕩再考慮振幅振蕩條件，所為建立振蕩，就是要使電路自激，從而產(chǎn)生持續(xù)的振蕩，將直 流電源的能量變?yōu)榻涣餍盘?hào)輸出。對(duì)于 RC振蕩電路來說，直流電源即使能源。那么自激 的因素又是什么呢？由于電路中存在噪聲，它的頻譜分布很廣，其中也包括=0=1/RC這樣一個(gè)

6、頻率成分。這種微弱的信號(hào)經(jīng)過放大，通過正反饋的選頻網(wǎng)絡(luò)，使輸出幅度越來 越大，最后受電路中非線性元件的控制，使振蕩幅度自動(dòng)穩(wěn)定下來，開始時(shí)，Av=1+R f/R1略大于3,達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí)，Av =3, F v=1/3( = 0=1/RC)。方案二：LC選頻放大電路：基本電路就是通常所說的三端式(又稱三點(diǎn)式)的振蕩器，即LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體 管的三個(gè)電極分別連接而成的電路，如圖所示。IcX3圖2.2三端式振蕩器的組成根據(jù)諧振回路的性質(zhì)，諧振時(shí)回路應(yīng)呈純電阻性，因而有X, X2 X30一般情況下，回路Q值很高，因此回路電流遠(yuǎn)大于晶體管的基極電流？b 、集電極電流？ c以及發(fā)射極電流?e,故

7、由圖5 5有U jX2 IU c jX,l因此X1、 X2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件。LC振蕩器按其反饋網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為互感耦合振蕩器、電感反饋式振蕩器和電容反饋式振蕩器三種類型。(1) 互感耦合振蕩器3互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)正反饋的，耦合線圈同名端的正確位置的放置，選擇合適的耦合量 M，使之滿足振幅起振條件很重要?；ジ旭詈险袷幤饔腥N形式：調(diào)基電路、調(diào)集電路和調(diào)發(fā)電路，這是根據(jù)振蕩回路是 在集電極電路、基極電路和發(fā)射極電路來區(qū)分的。Rb1Rb2圖2.3調(diào)基電路振蕩器調(diào)基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時(shí)，振幅比較平衡。由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回路的

8、 Q值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個(gè)電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合。Vcc圖2.4調(diào)集電路振蕩器調(diào)集電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，而且幅度較大，諧波成分較小圖2.5調(diào)發(fā)電路振蕩器由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低， 為了避免過多地影響回路的 Q值，故在調(diào) 基和調(diào)發(fā)這兩個(gè)電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合?；ジ旭詈险袷幤髟谡{(diào)整反饋（改變M）時(shí)，基本上不影響振蕩頻率。但由于分布電容的 存在，在頻率較高時(shí)，難于做出穩(wěn)定性高的變壓器。因此，它們的工作頻率不宜過高，一 般應(yīng)用于中、短波波段。（2）電感反饋三端式LC振蕩（哈特萊電路）哈特萊電路的優(yōu)點(diǎn)：1L1、L2之間有互感，反饋較強(qiáng)，容易起振。2振

9、蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容 C的大小即可。3而且C的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。電路的缺點(diǎn)：1振蕩波形不好，因?yàn)榉答侂妷菏窃陔姼猩汐@得，而電感對(duì)高次諧波呈高阻抗，因此 對(duì)高次諧波的 反饋較強(qiáng)，使波形失真大；2電感反饋三端電路的振蕩頻率不能做得太高，這是因?yàn)轭l率太高，L太小且分布參數(shù)的影響太大。（3）電容反饋三端振蕩器（考畢茲電路）圖2.7電容反饋三端振蕩器考畢茲電路的優(yōu)點(diǎn)：1電容反饋三端電路的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好2電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電容量，就可以減小不穩(wěn)定因素對(duì)振蕩頻 率的影響。3電容三端電路的工作頻率可以做得較高，可直接利用振蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工

10、作頻率可做到幾十 MHz到幾百M(fèi)Hz的甚高頻波段范圍。 電路的缺點(diǎn)：調(diào)C1或C2來改變振蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。但只要在L兩端并上一個(gè)可變電容器，并令C1與C2為固定電容，則在調(diào)整頻率時(shí)，基本上不會(huì)影響反饋系數(shù)。最終方案:由上我們可以看出RC和LC振蕩電路的原理是基本相同的，不同的一點(diǎn)是 RC振蕩 電路常用來產(chǎn)生1-1MHZ的范圍內(nèi)的低頻信號(hào)，而LC振蕩電路常用來產(chǎn)生1M以上的高 頻信號(hào)，本次課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)是 7MHZ的振蕩器，屬于高頻范圍，所以應(yīng)選擇 LC振 蕩器。再比較三種LC振蕩器的優(yōu)缺點(diǎn)，我們可以發(fā)現(xiàn)電容反饋三端振蕩器可以產(chǎn)生波失真 小，輸出頻率高并且穩(wěn)定的波形。所以電容反饋三

11、端振蕩器為最終的確定的電路。并且選圖2.8克拉潑振蕩器取電容三點(diǎn)式的改進(jìn)型電路，即克拉潑振蕩器。其電路圖 如下:電路參數(shù)的確定1晶體管的選擇：從頻率的角度出發(fā)，應(yīng)選擇fT較高的晶體管，這樣的晶體管內(nèi)部相移較小。通常選擇fT（310）flmax。同時(shí)希望電流放大系數(shù)大些，這樣即容易振蕩，也便于減小晶體管喝回路之間的耦合。雖然不要求振蕩器中晶體管輸出多大的功率，但考慮到穩(wěn)頻等因素，晶體 管的管功率應(yīng)該留有足夠的余量。2直流饋電線路的選擇為保證振蕩器起振的振幅條件，起始工作點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在線性放大區(qū)；從穩(wěn)頻出發(fā)，穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)該在截止區(qū)而不應(yīng)該在飽和區(qū)，否則回路的有載品質(zhì)因數(shù)Ql將會(huì)下降。所以，通常應(yīng)將晶體管

12、的靜態(tài)偏置點(diǎn)設(shè)置在小電流區(qū)，電路采用自偏壓。對(duì)于小功率晶體管，集電 極靜態(tài)電流約為14mA3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)該盡可能大，但C過大不利于波段工作；電感L也 應(yīng)盡可能大，但L過大后，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)合 理的選擇C, L。在短波范圍，C一般取幾十至幾百皮發(fā)，L 一般去0.1至幾十微亨。4反饋回路元件的選擇1 cQ26mV為了保證振蕩器有一定的穩(wěn)定振幅以及容易起振，在靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)該選擇YRF =3 5當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)確定后，Yf的值就一定，對(duì)于小功率晶體管課近似認(rèn)為Yf=gm=反饋系數(shù)的大小應(yīng)在下列范圍內(nèi)選擇F=0.1 0.5R1、R2

13、、Rc Re 的值分根據(jù)上述內(nèi)容，再結(jié)合工程上一些元器件的標(biāo)稱值，先確定 別為：24K、56K、3K、1K。1"V-根據(jù)克拉潑振蕩器振蕩頻率公式：1 0=77=' LC LC 3要使振蕩器的速出頻率f=10MHZ取 L=10 H C3=100pF五、設(shè)計(jì)的結(jié)果與結(jié)論1.電路圖的設(shè)計(jì)(1)利用ORCA軟件設(shè)計(jì)出電路圖，并對(duì)所設(shè)計(jì)電路工作原理進(jìn)行分析調(diào)用orcad/capture cis所繪制的電路圖如下：圖4.1克拉潑振蕩器電路圖2.電路的仿真在4.1所繪制的電路圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電路的后處理以后，調(diào)用ORCAD/Pspice軟件進(jìn)行電路的模擬。根據(jù)電容三點(diǎn)式電路的組成特點(diǎn)我們可

14、以知道輸出信號(hào)應(yīng)當(dāng)是從集電極輸出。經(jīng)過如下的設(shè)置：由上圖的設(shè)置我們可以看出，以下進(jìn)行的是時(shí)域的分析輸出波形為集電極電壓隨時(shí)間 的變化信號(hào)。圖 4.3 克拉潑振蕩器的時(shí)域輸出波形圖從上圖我們可以看到在時(shí)間軸上輸出波形開始時(shí)幾乎為零，慢慢的變大，最后趨于 穩(wěn)定，這就是振蕩器從起振到最后穩(wěn)定的一個(gè)過程。除了時(shí)域我們更關(guān)心的是振蕩器的輸出頻率問題，下面經(jīng)過傅里葉變換，我們可以看到頻域波形.SCHEMATIC1-Bdcj - PSpice A/D I cm-zda-SCHEMATC l_zda (de tWe) Cirdut read m 血已 checked. crtrwsC a1 cul &

15、t Li u. pa jut fear Tt atv; a Ari'S 山泌” ej ; Hl*± fc*l nd At sd.Ar訕嚴(yán)花Tr-irisi *nt Ari-klyzis zirizshedJl lulftlioji c*npj#l»Fa « 叩=1.91. Tina = ID DOE -0G訶二10豎 Eol隊(duì) 衛(wèi)心uJFlT 詢f JQa C'QE-OCiocs mi圖4.4克拉潑振蕩器的頻域輸出波形從上圖我們可以看處輸出的信號(hào)中，信號(hào)主要集中在10Mhz之間，諧波成分幾乎為零，這nr和通過公式1= - lc3計(jì)算出的理論值是很接

16、近的，所以仿真是比較成功的。3. PCB版圖的繪制利用protel軟件，先畫出電路原理圖，經(jīng)過電器規(guī)則檢查無誤后，生成PCBK圖,然后經(jīng)過自動(dòng)布線，生成如下的 PCB:InF1KC3 30pFNPNlOOpF 24K3KUDDC1 R11 10c|H100pF56K LCJ"圖4.5克拉潑振蕩器的PCB版圖4. 收獲、體會(huì)和建議為期兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，通過這次設(shè)計(jì)讓我更好的掌握了常用元件的識(shí)別和測(cè)試;熟悉了元件的結(jié)構(gòu)及掌握了各元件的工作原理和其具體的使用方法。更加深刻地理解課本 知識(shí)。 在此次做課程設(shè)計(jì)的過程中，我深深地感受到了自己所學(xué)到知識(shí)的有限和自身的 不足，以及理論和實(shí)踐的巨大差距。另外通過課設(shè)我更進(jìn)一步地熟悉了晶體管的應(yīng)用，鞏固了模數(shù)電和電路方面的知識(shí)，起到了溫故知新的作用，此外我還學(xué)會(huì)了兩種電路設(shè)計(jì)與仿真軟件ORCA和Protel的使用，這真是一大收獲。最重要的是：在這次課程設(shè)計(jì)中，我對(duì)兩種電路設(shè)計(jì)軟件ORCA和Protel的使用經(jīng)歷了從陌生到熟悉的過程，在這個(gè)過程中，通過自己的摸索和與同學(xué)們的交流，我攻克了 許多難題一步一步地學(xué)會(huì)了兩種軟件的使用，這讓我深刻體會(huì)了獨(dú)立思考和與人合作的重 要性，在