三點式振蕩電路介紹

1、三點式振蕩電路定義：三點式振蕩器是指 LC回路的三個端點與晶體管的 三個電極分別連接而組成的反饋型振蕩器。三點式振蕩電路用電感耦合或電容耦合代替變壓器耦合，可 以克服變壓器耦合振蕩器只適宜于低頻振蕩的缺點，是一種 廣泛應(yīng)用的振蕩電路，其工作頻率可從幾兆赫到幾百兆赫。1、三點式振蕩器的構(gòu)成原則圖5 20三點式振蕩器的原理圖圖5 20是三點式振蕩器的原理電路（交流通路）為了 便于分析，圖中忽略了回路損耗，三個電抗元件Xbe、Xce和Xbc構(gòu)成了決定振蕩頻率的并聯(lián)諧振回路。要產(chǎn)生振蕩，對諧振網(wǎng)絡(luò)的要求：？必須滿足諧振回路的總電抗 Xbe - Xce ' Xbc =0，回路呈現(xiàn)純阻 性。Du反

2、饋電壓Uf作為輸入加在晶體管的 b、e極，輸出U。加 在晶體管的c、e之間，共射組態(tài) 為反相放大器，放大 hLLL器的的輸出電壓Uo與輸入電壓Ui （即Uf ）反相，而反饋LL電壓Uf又是Uo在Xbc、Xbe支路中分配在Xbe 上的電壓。要滿足正反饋，必須有LUfXbeXeXbc)U0X - 入be Uo Xce(531)為了滿足相位平衡條件,L LUf和Uo必須反相，由式（5.3.1）可知必有紐0成立，即XceXbe和Xce必須是同性質(zhì)電抗，而Xbc （Xbe Xce）必為異性電抗。綜上所述，三點式振蕩器構(gòu)成的一般原則：（1）為滿足相位平衡條件，與晶體管發(fā)射極相連的兩個電抗元件Xbe、Xce

3、必須為同性， 而不與發(fā)射極相連的電抗元件Xbc的電抗性質(zhì)與前者相反，概括起來“射同基 反”。此構(gòu)成原則同樣適用于場效應(yīng)管電路，對應(yīng) 的有“源同柵反”。(2)振蕩器的振蕩頻率可利用諧振回路的諧振頻率來估算。若與發(fā)射極相連的兩個電抗元件X be、X ce為容性的，稱為電容三點式振蕩器，也稱為考比茲 振蕩器(Colpitts)，如圖5 21(a)所示；若與發(fā)射極相連的兩個電抗元件Xbe、Xce為感性的，稱為電感三點式振蕩器，也稱為哈 特萊振蕩器(Hartley)，如圖5 21 (b)所 示。TC2h dbC1 和1_-(a) ColpittsLiC3(b) Haitley圖5 21電容三點式與電感三

4、點式振蕩器電路原理圖三點式振蕩器的性能分析1電容三點式振蕩器一考畢茲（Colpitts ）振蕩器圖1給出兩種電容三點式振蕩器電路圖中Rbi、Rb2和Re為分壓式偏置電阻，Re心嶺V(a>+%圖1電容三點式振蕩器電路圖（a）電路中，三極管發(fā)射極通過Ce交流接地，是共射組態(tài);圖（b）電路中，三極管基極通過Cb交流接地，是共基組態(tài)。組態(tài)不同，但都滿足 “射同基反”的構(gòu)成原則，即與發(fā)射極相連的兩個電抗性質(zhì)相同，不與發(fā)射極相連的是性質(zhì)相異的 電抗。高頻耦合和旁路電容（Cb、Cc和Ce ）對于高頻振蕩信號可近似 認為短路，旁路和耦合電容的容值至少要比回路電容值大一 個數(shù)量級以上。L、G和C2構(gòu)成并聯(lián)

5、諧振回路，Ci和c2稱為回路電容（也工作電容）。2電容三點式振蕩器電路的起振條件以圖5 22 （b）所示共基組態(tài)的電容三點式電路為例分析 起振條件。（a）高頻交流等效電路畫高頻振蕩回路之前應(yīng)仔細分析每個電容與電感的作用，應(yīng)處理好以下問題：畫高頻振蕩回路時，小電容是工作電容，大電容是耦合電 容或旁路電容，小電感是工作電感，大電感是高頻扼流 圈。畫等效電路時保留工作電容與工作電感，將耦合電容與旁路電容短路，高頻扼流圈開路，直流電源與地短路， 通常高頻振蕩回路是用于分析振蕩頻率的，一般不需畫出偏置電阻。判斷工作電容和工作電感，一是根據(jù)參數(shù)值大小。電路中數(shù)值最小的電容（電感）和與其處于同一數(shù)量級的電容

6、 （電 感）均被視為工作電容（電感）,耦合電容與旁路電容的數(shù) 值往往要大于工作電容幾十倍以上，高頻扼流圈的電感數(shù)值遠遠大于工作電感；二是根據(jù)所處的位置。旁路電容分別與晶體管的電極和交流地相連，旁路電容對偏置電阻起旁路作用；耦合電容通常在振蕩器負載和晶體管電路之間，起到高頻信號耦合及隔直流作用。這兩種電容對高頻信號都近似為短路。工作電容與工作電感是按照振蕩器組成法則設(shè)置的。高頻扼流圈對直流和低頻信號提供通路,對高頻信號起阻隔作用。圖1 (b)的交流等效電路圖5 24( a)電容三點式交流等效電路(b)起振條件和振蕩頻率起振條件包括振幅條件和相位條件。起振的相位條件已由“射同基反”滿足。判斷能否起

7、振要解決的關(guān)鍵問題就是推出反饋放大器的環(huán)路增益T(j )。T(j )= AF = T( °sc)ejT()。F=AF>1:振蕩器起振的振幅條件 T代osc )二A推導(dǎo)環(huán)路增益TjJ時，需將閉合環(huán)路斷開。斷開點的選擇并 不影響T(j )表達式的推導(dǎo)，斷開點的選擇一般以便于分 析為準則，通常選擇在輸入端， 環(huán)路斷開后的等效電路(在這部分將給出一系列推導(dǎo)T(j )的等效電路)本題在圖5 24所示的X處斷開，斷開點的右面加環(huán)路的 輸入電壓y，斷開點的左面應(yīng)接入自左向右看進去的輸入阻 抗Zi，如下圖(a)所示圖中Reo是并聯(lián)諧振回路L、Ci和 C2的諧振電阻，Reo oscLQo，式中Q

8、o為回路固有品質(zhì)因素?？梢娪蓴嚅_處向右看進去的輸入阻抗Zi = Re/re/ j Cbe將共基組態(tài)的晶體管用混合型等效電路表示。當振蕩頻率遠小于管子的特征頻率fT時，可忽略rbb、rce和Cbc，得到如圖5 25（ b）所示的晶體管等效電路?？僧嫵鰯嚅_環(huán)路后的等效電路如下圖（c）所示圖中虛線框內(nèi)是晶體管共基極組態(tài)的簡化等效電路re為共基放大器的輸入電阻，e =be = （1 九）rb e為發(fā)射結(jié)電阻，：為共射組態(tài)時晶體管的低頻放大倍數(shù)。因為在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)總是正偏的，所以，b e通常很小，一般在幾百歐以下。而'=gmbe,gm1> 八 1, gm(跨導(dǎo)gcP re而共基放大器的輸

9、入電阻re= 26mv(0)I EQ (mA)將輸出回路的等效電路簡化為如圖5 25(d)，以便求出基本放大器的增益A和反饋系數(shù)F，最終得到環(huán)路增益T ( OSC)。圖中C2二C2 Cbe，輸入阻抗 Zi對諧振回路的接入系數(shù)n 二C2C2通常Re，所以有：1 ren由圖5 25 (d)可簡化為圖(e),| +' 1L rC；0-(a)vT(e圖中的電導(dǎo) G其中g(shù)L =1RLgi1 2=n gireRlRLReO圖中的電納式中GC2c1 C2C1C2C C (其中1 2-C2Cb e C2 )gmVi由圖（e ）可知Vf = g+ jB （電壓=電流電阻）而 Vf = nVf其中Vf為集

10、電極回路兩端的電壓，如圖（d）所示反饋系數(shù)T(j )=MmG jB環(huán)路增益Mm1g9i j( c )0 L當回路發(fā)生諧振時， T（j ）分母的虛部為零，即可得到振 蕩器的振蕩角頻率為：(533)令T （）1，即可求得振幅起振的條件:fAF 血1(534)1 2 1上式可改寫為 gm ；(gL ngi；gL ngi ( 5.3“)(535Vnr1b)2由圖5 25 (c)可知，n gj是gi經(jīng)電容分壓器折算集電 極輸出回路上的電導(dǎo)值。2諧振回路諧振時，集電極輸出回路的總電導(dǎo)為gL n gi ，回路諧振時，放大器的電壓增益 Agm(gL n2gi)，n是接入系數(shù)，也就是反饋系數(shù)。如何設(shè)置電路參數(shù)，

11、滿足振幅起振條件？由式(535 b)可知，要滿足振幅起振條件應(yīng)增大 A和F， 但增大 F ( F = n)，n2gi也隨之增大，必將造成 A減 ??；反之，減小 F，雖能提高 A，但不能增大Twe)， 因此要使T( 0Se)較大，必須合理選擇F值。一般要求1 口 1T( ose)為35, F的取值一般為8 2。另外，提 高三極管集電極電流Icq，可增大gm，從而提高 A，但 是Icq不宜過大，否則，gi(十 gm)會過大，造成回路re有載品質(zhì)因數(shù)過低，影響振蕩頻率穩(wěn)定度。一般丨。0取值1U 5mA。通常選用匸5fosc，rl TQ，反饋系數(shù)F取值適當，一般都能滿足振幅起振條件（3）工程估算法求起

12、振條件和諧振頻率 通過上述分析可知，采用工程估算法，可大大簡化起振條件 的分析。現(xiàn)將基本步驟歸納如下:選擇斷開點，畫出推導(dǎo) T（j.）的高頻等效電路;求出諧振回路的-osc （近似由諧振回路決定）；將輸入阻抗中部分接入電阻折算到集電極輸出回路中。求出諧振回路諧振時基本放大器的增益A和反饋系數(shù)F（通常就是接入系數(shù)n），便可得到振幅起振條件；其中A=輸出電壓輸入電壓 輸出回路電導(dǎo)輸入電導(dǎo)反饋電壓_ Vf 輸出電壓 Vo3電感二點式振蕩器一哈特萊（Hartely）振蕩器圖5 26電感三點式振蕩器電路*eiQIF圖（a）中，三極管發(fā)射極通過Ce交流接地，是共射組態(tài);圖（b）中，三極管基極通過 Cb交流

13、接地，是共基組態(tài)。盡管兩個振蕩電路的組態(tài)不同，但都滿足“射同基反”的構(gòu) 成原則，即與發(fā)射極相連的兩個電抗性質(zhì)相同，不與發(fā)射極 相連的是性質(zhì)相異的電抗。電路簡單分析：圖中 Rbi、Rb2和Re為分壓式偏置電阻， Cb、Cc和CE為高頻耦合和旁路電容，對于高頻振蕩信 號可近似認為短路，Rc為集電極限流電阻， Rl為輸出負載電阻，C、L1 和 L2構(gòu)成并聯(lián)諧振回路。電感三點式振蕩器電路的起振條件前面電容三點式振蕩器是以 共基組態(tài)為例進行分析的， 電感三點式將以圖5 26（ a）所示共射組態(tài)為例分析 因電感三點式振蕩器應(yīng)用較少，尤其在集成電路中更為少 見，故只對其進行簡單分析，給出一些結(jié)論作為參考。（

14、a）交流等效電路圖5 27共射電感三點式交流等效電路（b）起振條件和振蕩頻率共射組態(tài)的晶體管的等效電路將共射組態(tài)的晶體管用 丫參數(shù)等效電路表示。當振蕩頻率遠 小于管子的特征頻率 fT時，可忽略晶體管正向傳輸導(dǎo)納的 相移，yfe可近似等于晶體管的跨導(dǎo)gm，電路中忽略了晶體管的內(nèi)部反饋，即 丫=0，不考慮晶體管輸入和輸出電 容的影響，得共射組態(tài)的晶體管用丫參數(shù)等效電路+ J1圖5 28（ a）給出高頻微變等效電路。b(a)圖5 28 （ b）為斷開環(huán)路后的等效電路，1 05ie /j "2# 匕 £ L2 > vf111s11JI 、e(b)圖中虛線框內(nèi)是晶體管共射極組態(tài)

15、的簡化等效電路5gie為共射放大器的輸入電導(dǎo)，g°e為輸出電導(dǎo)，gL（gL二g° 9l）為輸出負載回路等效電導(dǎo)，其中g(shù) 0為諧振回路諧振電導(dǎo)振蕩電路的反饋系數(shù)（與L2之間有互感）反饋電壓_ Vf _ L2 + M 輸出電壓V。 LMF二區(qū)（與L2之間無互感）LiF取值過小，不易起振； F過大，管子的輸入阻抗會對諧 振回路的Q值及頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，并使振蕩波形 失真，嚴重時致使電路無法起振。為了兼顧振蕩的起振條件1 n 1和各項質(zhì)量指標，通常取 -u 2 放大器增益的幅值輸出電壓Vl= gm2n gie輸入電壓V g-其中 gg°e gLn為接入系數(shù)，其值等于

16、反饋系數(shù)振幅起振條件 AF 1,gmgm即AFn廠n 1g°e+ gL + n gie上式可改寫為(536 )gmngie丄（g°e gL）n振蕩頻率的近似計算式為osc(537 )式中L二LL2 2MM為L與L2的互感4三點式振蕩器性能比較電容三點式的優(yōu)點由于反饋電壓取自電容，而電容對晶體管的非線性產(chǎn)生的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，能有效地濾除高次諧波，因而輸出波形 好。晶體管的極間電容與回路電容并聯(lián)，可并入回路電容中 考慮。若直接用極間電容代替回路電容，工作頻率可大大提 高。其缺點是反饋系數(shù)與回路電容有關(guān)。如果用改變電容的方法 來調(diào)整振蕩頻率， 將改變反饋系數(shù)， 甚至可能造成電

17、路停振電感三點式是通過改變電容的來調(diào)整頻率，基本上不會影 響反饋系數(shù)F。但是電路能夠振蕩的最咼頻率較低，因為電 感三點式電路中，晶體管的極間電容與回路電感并聯(lián)，高頻 工作時，可能會改變支路電抗特性，破壞相位平衡條件而無 法振蕩。另外，由于反饋電壓取自電感，而電感線圈對咼次 諧波呈咼阻抗，使輸出中含有較大的諧波電壓，導(dǎo)致輸出波 形失真較大，波形較差。5 克拉潑（ Clapp ）振蕩電路因為考比茲 （Colpitts） 振蕩器存在不足，有必要對其進行改 進，所以產(chǎn)生了 克拉潑（ Clapp ）振蕩電路 考比茲 （Colpitts） 振蕩器雖然有電路簡單，波形好的優(yōu) 點，在許多場合得到應(yīng)用，但從提咼

18、振蕩器頻率穩(wěn)定性的角 度考慮，電容三點式振蕩器存在以下需要完善的不足之處。 原因： 晶體管的極間電容直接和諧振回路電抗元件并聯(lián)，極 間電容（即結(jié)電容）是隨環(huán)境溫度、電源電壓和電流變化的 不穩(wěn)定參數(shù)，它的變化會導(dǎo)致諧振回路諧振頻率的變化，因 為振蕩器的振蕩頻率基本上由諧振回路的諧振頻率決定，回路諧振頻率的不穩(wěn)定，將直接影響振蕩器頻率的穩(wěn)定性。結(jié)果：三點式振蕩電路的頻率穩(wěn)定性不高。一般在13量級，為提高頻率穩(wěn)定度，必須設(shè)法減小晶體管極間電容的不穩(wěn)定性對振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響，改進的方法：串聯(lián)改進型電容三點式振蕩器一克拉潑（Clapp ）振蕩電路。圖5 28克拉潑振蕩電路圖（a）給出克拉潑振蕩器的實

19、用電路，0)與普通電容三點式（Colpitts） 電路相比，其區(qū)別僅在于b-c間的電感支路串入一個小電容C3，滿足C3 ： " C1）C3 ： " C2，這就是串聯(lián)改進型電路命名的來由。圖（b）是其咼頻等效電路。&0 R 克拉潑振蕩電路的組態(tài): 圖中輸入端（反饋接入端）與發(fā)射極相連，輸出回路與集電 極相連，基極通過旁路電容 Cb接地，所以電路 為共基組態(tài) 用于分析振蕩頻率的簡化等效電路圖5 29該電路滿足“射同（C1、C2 ）基反（L、C3串聯(lián)呈現(xiàn)感 抗）。 振蕩頻率的分析 振蕩頻率由選頻回路決定，選頻回路由G （- C1 c）C （ =C + 2Cb Ce 串串聯(lián)

20、，再與 L并聯(lián)構(gòu)成。諧振回路的總電容丄 1C3 C1Cce11+ C2 CbeC3滿足C3C1 Cce,C3C2所以有CC3注意：串聯(lián)電容的總電容取決于小電容，而并聯(lián)電容的總電容取決于大電容。振蕩器的振蕩頻率1(538)2 LC3結(jié)論：由式（）可知：當滿足C3 C2,C1時，fosc幾乎不受晶體管極間電容 （即輸入輸出電容） 的影響，C3越 小，晶體管極間電容對振蕩頻率的影響就越小。電路的頻率 穩(wěn)定性就越好。實際電路設(shè)計中諧振回路中元件的取值規(guī)則 根據(jù)需要的振蕩頻率確定 L、C3的值，Ci、C2的取值應(yīng)遠大于C3。僅從振蕩頻率的穩(wěn)定度考慮，C3越小越好，但C3過小會影響振蕩器的起振。計算晶體管

21、對輸出回路的接入系數(shù)（VIC）計算該接入系數(shù)的目的是計算晶體管輸出回路的等效電阻， 以便計算放大器的增益。由圖5 30可知，晶體管輸出回路的兩個端點c、b對諧振回路A、B兩端的接入系數(shù)UcbUABL JCiC2 C3C1C2(539)C3(GC2)注：對諧振回路的接入系數(shù)以電感為基準圖5 30接入系數(shù)與等效負載計算示意圖諧振回路 A B兩端的等效電阻 Rl = Rl / Re0 ,將Rl折算到輸出回路c、b兩端，對應(yīng)的阻抗為 尺Rl f/r 二(一1 +1 2CC)Rl(5310)C3(C1C2)結(jié)論：由式（）可知，-對改善振蕩器的穩(wěn)定性有力IC3' - K （是共基放大器的等效負載）

22、I-共基放大器的增益A-環(huán)路增益T（）-無法起振對于Colpitts振蕩器而言，其共基電路的等效負載就是R。Clapp振蕩電路是以犧牲環(huán)路增益的方法來換取回路 振蕩頻率穩(wěn)定性能的改善。綜上分析，Clapp振蕩電路有以下幾點不足：i）在減小C3以提高振蕩頻率 fosc的同時，使環(huán)路增益減小，減小到一定程度會導(dǎo)致電路無法起振，這就限制了振蕩頻率fosc的提高；ii）Clapp振蕩電路不適合作波段振蕩器。波段振蕩器要求振蕩頻率在一定區(qū)間內(nèi)可調(diào)，且輸出信號的振蕩幅值基本保持不變。由于Clapp電路是通過改變C3來調(diào)節(jié)振蕩頻率的，根據(jù)式（）可知，C3的改變，導(dǎo) 致Rl變化，致使共基電路的增益變化，最終導(dǎo)致輸出信號 的幅值發(fā)生變化，使所調(diào)波段頻率范圍內(nèi)輸出信號的幅度不 平穩(wěn)。所以Clapp電路可以調(diào)節(jié)的頻率范圍不夠?qū)?，只能用foscmax作固定振蕩器或波段覆蓋系數(shù)（f）較