三點(diǎn)式振蕩電路的介紹

1、 三點(diǎn)式振蕩電路 定義：三點(diǎn)式振蕩器是指LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而組成的反饋型振蕩器。三點(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)式振蕩器的構(gòu)成原則圖5 20 三點(diǎn)式振蕩器的原理圖圖5 20是三點(diǎn)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(gè)電抗元件構(gòu)成了決定振蕩頻率的并聯(lián)諧振回路。要產(chǎn)生振蕩，對(duì)諧振網(wǎng)絡(luò)的要求：？必須滿(mǎn)足諧振回路的總電抗，回路呈現(xiàn)純阻性。反饋電壓作為輸入加在晶體管的b、e極，輸出加在晶體管的c、e之間，共射組態(tài)為反

2、相放大器，放大器的的輸出電壓與輸入電壓（即）反相，而反饋電壓又是在、支路中分配在上的電壓。要滿(mǎn)足正反饋，必須有 （5.3.1）為了滿(mǎn)足相位平衡條件，和必須反相，由式（5.3.1）可知必有成立，即 和必須是同性質(zhì)電抗，而必為異性電抗。綜上所述，三點(diǎn)式振蕩器構(gòu)成的一般原則：（1） 為滿(mǎn)足相位平衡條件，與晶體管發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件、必須為同性，而不與發(fā)射極相連的電抗元件的電抗性質(zhì)與前者相反，概括起來(lái)“射同基反”。此構(gòu)成原則同樣適用于場(chǎng)效應(yīng)管電路，對(duì)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(lái)估算。若與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件、為容性的，稱(chēng)為電容三點(diǎn)式振蕩器，也稱(chēng)為考比茲

3、振蕩器(Colpitts)，如圖5 21（a）所示；若與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件、為感性的，稱(chēng)為電感三點(diǎn)式振蕩器，也稱(chēng)為哈特萊振蕩器(Hartley)，如圖5 21（b）所示。圖5 21 電容三點(diǎn)式與電感三點(diǎn)式振蕩器電路原理圖三點(diǎn)式振蕩器的性能分析 1電容三點(diǎn)式振蕩器考畢茲（Colpitts）振蕩器圖1給出兩種電容三點(diǎn)式振蕩器電路。圖中和為分壓式偏置電阻，圖1 電容三點(diǎn)式振蕩器電路圖（a）電路中，三極管發(fā)射極通過(guò)交流接地，是共射組態(tài)；圖（b）電路中，三極管基極通過(guò)交流接地，是共基組態(tài)。組態(tài)不同，但都滿(mǎn)足“射同基反”的構(gòu)成原則，即與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗性質(zhì)一樣，不與發(fā)射極相連的是性質(zhì)相異的電抗。

4、高頻耦合和旁路電容(和)對(duì)于高頻振蕩信號(hào)可近似認(rèn)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(gè)數(shù)量級(jí)以上。構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，稱(chēng)為回路電容(也工作電容)。2電容三點(diǎn)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(diǎn)式電路為例分析起振條件。(a) 高頻交流等效電路畫(huà)高頻振蕩回路之前應(yīng)仔細(xì)分析每個(gè)電容與電感的作用，應(yīng)處理好以下問(wèn)題：畫(huà)高頻振蕩回路時(shí)，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(huà)等效電路時(shí)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(kāi)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

5、需畫(huà)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(jí)的電容(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(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)偏置電阻起旁路作用；耦合電容通常在振蕩器負(fù)載和晶體管電路之間，起到高頻信號(hào)耦合與隔直流作用。這兩種電容對(duì)高頻信號(hào)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(duì)直流和低頻信號(hào)提供通路, 對(duì)高頻信號(hào)起阻隔作用。圖1（b）的交流等效電路圖5 24（a）電容三點(diǎn)式交

6、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(mǎn)足。判斷能否起振要解決的關(guān)鍵問(wèn)題就是推出反饋放大器的環(huán)路增益。振蕩器起振的振幅條件推導(dǎo)環(huán)路增益時(shí)，需將閉合環(huán)路斷開(kāi)。斷開(kāi)點(diǎn)的選擇并不影響表達(dá)式的推導(dǎo)，斷開(kāi)點(diǎn)的選擇一般以便于分析為準(zhǔn)則，通常選擇在輸入端， 環(huán)路斷開(kāi)后的等效電路（在這部分將給出一系列推導(dǎo)的等效電路）本題在圖5 24所示的處斷開(kāi)，斷開(kāi)點(diǎn)的右面加環(huán)路的輸入電壓，斷開(kāi)點(diǎn)的左面應(yīng)接入自左向右看進(jìn)去的輸入阻抗，如下圖（a）所示。圖中是并聯(lián)諧振回路的諧振電阻，式中為回路固有品質(zhì)因素。可見(jiàn)由斷開(kāi)處向右看進(jìn)去的輸入阻抗將共基組態(tài)的晶體管用混合型等效

7、電路表示。當(dāng)振蕩頻率遠(yuǎn)小于管子的特征頻率時(shí)，可忽略和，得到如圖5 25（b）所示的晶體管等效電路?？僧?huà)出斷開(kāi)環(huán)路后的等效電路如下圖（c）所示。圖中虛線框是晶體管共基極組態(tài)的簡(jiǎn)化等效電路,為共基放大器的輸入電阻,為發(fā)射結(jié)電阻，為共射組態(tài)時(shí)晶體管的低頻放大倍數(shù)。因?yàn)樵诜糯髤^(qū)，發(fā)射結(jié)總是正偏的，所以，通常很小，一般在幾百歐以下。將輸出回路的等效電路簡(jiǎn)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。圖中，輸入阻抗對(duì)諧振回路的接入系數(shù)，通常，所以有由圖5 25（d）可簡(jiǎn)化為圖（e），圖中的電導(dǎo) 其中圖中的電納 式中 （其中）由圖（e）可知 反饋系數(shù) 環(huán)路增益 當(dāng)回路發(fā)生

8、諧振時(shí)，分母的虛部為零，即可得到振蕩器的振蕩角頻率為： （5.3.3）令，即可求得振幅起振的條件： （5.3.4）上式可改寫(xiě)為 （5.3.5 a）或 （5.3.5 b）由圖5 25（c）可知，是經(jīng)電容分壓器折算集電極輸出回路上的電導(dǎo)值。諧振回路諧振時(shí)，集電極輸出回路的總電導(dǎo)為，回路諧振時(shí)，放大器的電壓增益，是接入系數(shù)，也就是反饋系數(shù)。如何設(shè)置電路參數(shù)，滿(mǎn)足振幅起振條件？由式（5.3.5 b）可知，要滿(mǎn)足振幅起振條件應(yīng)增大和，但增大（），也隨之增大，必將造成減??；反之，減小，雖能提高，但不能增大，因此要使較大，必須合理選擇值。一般要求為35，的取值一般為。另外，提高三極管集電極電流，可增大，從而

9、提高，但是不宜過(guò)大，否則，會(huì)過(guò)大，造成回路有載品質(zhì)因數(shù)過(guò)低，影響振蕩頻率穩(wěn)定度。一般取值。通常選用，反饋系數(shù)取值適當(dāng)，一般都能滿(mǎn)足振幅起振條件。（3） 工程估算法求起振條件和諧振頻率通過(guò)上述分析可知，采用工程估算法，可大大簡(jiǎn)化起振條件的分析。現(xiàn)將基本步驟歸納如下：選擇斷開(kāi)點(diǎn)，畫(huà)出推導(dǎo)的高頻等效電路；求出諧振回路的（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(shí)基本放大器的增益和反饋系數(shù)（通常就是接入系數(shù)），便可得到振幅起振條件；其中 ，3 電感三點(diǎn)式振蕩器哈特萊（Hartely）振蕩器圖5 26電感三點(diǎn)式振蕩器電路圖（a）中，三極管發(fā)射極通過(guò)交流接地，

10、是共射組態(tài)；圖（b）中，三極管基極通過(guò)交流接地，是共基組態(tài)。盡管兩個(gè)振蕩電路的組態(tài)不同，但都滿(mǎn)足“射同基反”的構(gòu)成原則，即與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗性質(zhì)一樣，不與發(fā)射極相連的是性質(zhì)相異的電抗。電路簡(jiǎn)單分析：圖中和為分壓式偏置電阻，和為高頻耦合和旁路電容，對(duì)于高頻振蕩信號(hào)可近似認(rèn)為短路，為集電極限流電阻，為輸出負(fù)載電阻，構(gòu)成并聯(lián)諧振回路。電感三點(diǎn)式振蕩器電路的起振條件前面電容三點(diǎn)式振蕩器是以共基組態(tài)為例進(jìn)行分析的，電感三點(diǎn)式將以圖5 26（a）所示共射組態(tài)為例分析因電感三點(diǎn)式振蕩器應(yīng)用較少，尤其在集成電路中更為少見(jiàn)，故只對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，給出一些結(jié)論作為參考。（a）交流等效電路圖5 27共射電感三點(diǎn)

11、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Y參數(shù)等效電路表示。當(dāng)振蕩頻率遠(yuǎn)小于管子的特征頻率時(shí)，可忽略晶體管正向傳輸導(dǎo)納的相移，可近似等于晶體管的跨導(dǎo)，電路中忽略了晶體管的部反饋，即，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Y參數(shù)等效電路圖5 28（a）給出高頻微變等效電路。圖5 28（b）為斷開(kāi)環(huán)路后的等效電路，圖中虛線框是晶體管共射極組態(tài)的簡(jiǎn)化等效電路,為共射放大器的輸入電導(dǎo)，為輸出電導(dǎo)，為輸出負(fù)載回路等效電導(dǎo)，其中為諧振回路諧振電導(dǎo)。振蕩電路的反饋系數(shù) 取值過(guò)小，不易起振；過(guò)大，管子的輸入阻抗會(huì)對(duì)諧振回路的值與頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影

12、響，并使振蕩波形失真，嚴(yán)重時(shí)致使電路無(wú)法起振。為了兼顧振蕩的起振條件和各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，通常取。 放大器增益的幅值 其中為接入系數(shù)，其值等于反饋系數(shù)。振幅起振條件 ，即 上式可改寫(xiě)為 （5.3.6）振蕩頻率的近似計(jì)算式為 （5.3.7）式中。4 三點(diǎn)式振蕩器性能比較 電容三點(diǎn)式的優(yōu)點(diǎn)由于反饋電壓取自電容，而電容對(duì)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(diǎn)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(lái)調(diào)整振蕩頻率，將改變反饋系數(shù)，甚至可能造成電路停振。

13、電感三點(diǎn)式是通過(guò)改變電容的來(lái)調(diào)整頻率，基本上不會(huì)影響反饋系數(shù)F。但是電路能夠振蕩的最高頻率較低，因?yàn)殡姼腥c(diǎn)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(shí)，可能會(huì)改變支路電抗特性，破壞相位平衡條件而無(wú)法振蕩。另外，由于反饋電壓取自電感，而電感線圈對(duì)高次諧波呈高阻抗，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?yàn)榭急绕?Colpitts)振蕩器存在不足，有必要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，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(jiǎn)單，波形好的優(yōu)點(diǎn)，在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用，但從提高振蕩器頻率穩(wěn)定性的角度考慮，電容三點(diǎn)式振蕩器

14、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(huì)導(dǎo)致諧振回路諧振頻率的變化，因?yàn)檎袷幤鞯恼袷庮l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(diǎn)式振蕩電路的頻率穩(wěn)定性不高。一般在量級(jí)，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(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響，改進(jìn)的方法：串聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器克拉潑（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(shí)用電路， 與普通電容三點(diǎn)式(Colpitts)電路相比，其區(qū)別僅

15、在于b-c間的電感支路串入一個(gè)小電容，滿(mǎn)足，這就是串聯(lián)改進(jìn)型電路命名的來(lái)由。圖（b）是其高頻等效電路。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(guò)旁路電容接地，所以電路為共基組態(tài)。用于分析振蕩頻率的簡(jiǎn)化等效電路圖5 29 該電路滿(mǎn)足“射同（、）基反（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，選頻回路由和串聯(lián)，再與并聯(lián)構(gòu)成。諧振回路的總電容滿(mǎn)足所以有 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 （5.3.8）結(jié)論：由式（5.3.8）可知：當(dāng)滿(mǎn)足時(shí)，幾乎不受晶體管極間電容（即輸入輸出電容）的影響，

16、越小，晶體管極間電容對(duì)振蕩頻率的影響就越小。電路的頻率穩(wěn)定性就越好。實(shí)際電路設(shè)計(jì)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的值，的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于。僅從振蕩頻率的穩(wěn)定度考慮，越小越好，但過(guò)小會(huì)影響振蕩器的起振。計(jì)算晶體管對(duì)輸出回路的接入系數(shù)（VIC）計(jì)算該接入系數(shù)的目的是計(jì)算晶體管輸出回路的等效電阻，以便計(jì)算放大器的增益。由圖5 30可知，晶體管輸出回路的兩個(gè)端點(diǎn)c、b對(duì)諧振回路A、B兩端的接入系數(shù)（5.3.9）注：對(duì)諧振回路的接入系數(shù)以電感為基準(zhǔn)。圖5 30 接入系數(shù)與等效負(fù)載計(jì)算示意圖諧振回路A、B兩端的等效電阻，將折算到輸出回路c、b兩端，對(duì)應(yīng)的阻抗為 （5.3.10）結(jié)論：由式（5.

17、3.10）可知，對(duì)于Colpitts振蕩器而言，其共基電路的等效負(fù)載就是。Clapp振蕩電路是以犧牲環(huán)路增益的方法來(lái)?yè)Q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(diǎn)不足：）在減小以提高振蕩頻率的同時(shí)，使環(huán)路增益減小，減小到一定程度會(huì)導(dǎo)致電路無(wú)法起振，這就限制了振蕩頻率的提高；）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)間可調(diào)，且輸出信號(hào)的振蕩幅值基本保持不變。由于Clapp電路是通過(guò)改變來(lái)調(diào)節(jié)振蕩頻率的，根據(jù)式（5.3.10）可知，的改變，導(dǎo)致變化，致使共基電路的增益變化，最終導(dǎo)致輸出信號(hào)的幅值發(fā)生變化，使所調(diào)波段頻率圍輸出信號(hào)的幅度不平穩(wěn)。所以

18、Clapp電路可以調(diào)節(jié)的頻率圍不夠?qū)?，只能用作固定振蕩器或波段覆蓋系數(shù)（）較小的可變頻率振蕩器。一般Clapp電路的波段覆蓋系數(shù)為1.21.3。6西勒（Seiler）振蕩電路在對(duì)Clapp振蕩電路的不足之處進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)，產(chǎn)生了西勒電路。圖（a）給出Seiler振蕩電路的實(shí)用電路，Seiler電路是在克拉潑電路中的電感兩端并聯(lián)了一個(gè)可變小電容,且滿(mǎn)足、遠(yuǎn)大于，這就是并聯(lián)改進(jìn)型電路命名的來(lái)由。圖（b）是其高頻等效電路。Seiler振蕩電路的回路總電容由串聯(lián)，再與并聯(lián)構(gòu)成。 （5.3.11）振蕩器的振蕩頻率 （5.3.12）晶體管c、b兩端對(duì)諧振回路A、B兩端的接入系數(shù)圖5 32 計(jì)算接入系數(shù)與等效負(fù)載的結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)論：晶體管c、b兩端對(duì)諧振回路A、B兩端的接入系數(shù)與Clap電路的完全一樣。由圖5 32可知，晶體管c、b兩端（輸出回路的兩個(gè)端點(diǎn)）對(duì)諧振回路