三點(diǎn)式振蕩電路介紹

1、三點(diǎn)式振蕩電路定義：三點(diǎn)式振蕩器是指 LCLC 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 1、三點(diǎn)式振蕩器的構(gòu)成原則圖 5 5-20-20 三點(diǎn)式振蕩器的原理圖圖 5 5-20-20 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Xbe、Xce和XM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：？必須滿足諧振回路的總電抗Xbe+Xce+X“=0,回路呈現(xiàn)純阻性。g

2、gg g反饋電壓uf f作為輸入加在晶體管的 b b、e e 極，輸由 u uo o加在晶體管的c c、e e 之間，共身寸組態(tài)為反相放大器，放大器的的輸由電壓 u：與輸入電壓u：(即 u：)反相，而反饋gggg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Xbe-Xbe八可知必有0成立，即Xbe和Xce必須是同性質(zhì)電抗，而XceXbc=-(Xbe+Xce)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)為滿足相位平衡條件，與晶體管發(fā)身寸極才目連be(XbeXbc)Xceceu：(5.3.1)(5.3.1)為了滿足相位平衡條件,uf和 uo必須反

3、相，由式(5.3.1)5.3.1)的兩個(gè)電抗元件Xbe、Xce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(chǎng)效應(yīng)管電路， 對(duì)應(yīng)的有“源同柵反”。(2)(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(gè)電抗元件4，、工，為容性的，稱為電容三點(diǎn)式振蕩器，也稱為考比茲振蕩器(Colpitts),(Colpitts),如圖 5 5-21(a)-21(a)所示；若與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件X“、X。,為感性的，稱為電感三點(diǎn)式振蕩器，也稱為哈特萊振蕩器(Hartley)(Hartley)，如圖 521521(b)(b

4、)所示。圖 5 52121 電容三點(diǎn)式與電感三點(diǎn)式振蕩器電路原理圖13( (a a) )C Colpittsolpittsc3(b)Hartley(b)Hartley三點(diǎn)式振蕩器的性能分析1 1 電容三點(diǎn)式振蕩器一考畢茲（ColpittsColpitts）振蕩器圖 1 1 給由兩種電容三點(diǎn)式振蕩器電路。圖中*和Re為分壓式偏置電阻，（3）S圖 1 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CE交流接地，是共射組態(tài)；圖（b）電路中，三極管基極通過心交流接地，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(gè)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

5、耦合和旁路電容（Cb、Cc和CE）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。L、Ci和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，Ci和C2稱為回路電容（也工作電容）。2 2 電容三點(diǎn)式振蕩器電路的起振條件以圖 5 5-22-22（b 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 a）高頻交流等效電路畫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)處理好以下問題：畫高頻振蕩回路時(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，高頻扼流圈開路，直流電源與地短路

6、，通常高頻振蕩回路是用于分析振蕩頻率的，一般不需畫由偏置電阻。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)耦合及隔直流作用。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 1(

7、b)(b)的交流等效電路圖 5 524(a)24(a)電容三點(diǎn)式交流等效電路(b)(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。判斷能否起振要解決的關(guān)鍵問題就是推由反饋放大器的環(huán)路增益T(jCO)o,-j()T(j)=AFnT(osc)ejT()0gg振蕩器起振的振幅條件T(WOSC)=AF=AF1推導(dǎo)環(huán)路增益一 3 3）時(shí)，需將閉合環(huán)路斷開。斷開點(diǎn)的選擇并不影響 T T（j j ）表達(dá)式的推導(dǎo)，斷開點(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)路斷開后的等效電路（在這部分將給由一系列推導(dǎo)T（a a）的等效電路）本題在圖 5 5-24-24 所

8、示的X處斷開，斷開點(diǎn)的右面加環(huán)路的輸入電壓 I,I,斷開點(diǎn)的左面應(yīng)接入自左向右看進(jìn)去的輸入阻抗Zi i,如下圖（a a）所示圖中Reo是并聯(lián)諧振回路L、Ci和C2的諧振電阻,ReooscLQo,式中Qo為回路固有品質(zhì)因素?？梢娪蓴嚅_處向右看進(jìn)去的輸入阻抗Zi=Re/re/jChieeberbee=(1)re當(dāng)振蕩頻率遠(yuǎn)小于管子的特征頻率fT時(shí)，可忽略r rbb、r和Cbc,得到如圖 5 525(b)25(b)所示的晶體管等效電路。c(0圖中虛線框內(nèi)是晶體管共基極組態(tài)的簡(jiǎn)化等效電路re為共基放大器的輸入電阻將共基組態(tài)的晶體管用混合型等效電路表示可畫由斷開環(huán)路后的等效電路如下圖(c)c)所示b，e

9、為發(fā)射結(jié)電阻，P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，rb，e通常很1丁Pi,gm(跨導(dǎo)gc)一re而共基放大器的輸入電阻re=26mV(。)IEQ(mA)將輸由回路的等效電路簡(jiǎn)化為如圖5-25(d),以便求生基本放大器的增益 A A 和反饋系數(shù) F F, ,最終得到環(huán)路增益T(osc)o圖中 C2=C2+Cb3,輸入阻抗乙對(duì)諧振回路的接入系數(shù)CIn-C C2c c2，1Vf二一 Vfn1111通常re 1 1, ,即可求得振幅起振的條件:ngngmT(T(osc) ); ;AFAF 二m1 1g gLg gi(5.3.4(5.3.4) )1,21上式可改與為

10、gm-(gLngj=gLngnn(5.3.5a)(5.3.5a)n-gm-1gLngi(5.3.5b)(5.3.5b)，.2一.、由圖 5 52525(c)可知，ngi是gi經(jīng)電容分壓器折算集電極輸由回路上的電導(dǎo)值。2諧振回路諧振時(shí)，集電極輸由回路的總電導(dǎo)為 g gL+ngngi,回路諧振時(shí)，放大器的電壓增益Agm(gL(gL+ +n n2gJgJ，n 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)，滿足振幅起振條件？由式(5.3.5b)(5.3.5b)可知，要滿足振幅起振條件應(yīng)增大A和 F F, ,2(F=n),ngi也隨 n 增大，必將造成A減?。环粗?，減小F,雖能提高A，但不能增大 T

11、 T3 3osc) ), ,因此要使T(sc)較大，必須合理選擇F值。一般要求11T(osc)為 3 35,5,F F的取值一般為 820820 另外，提高三極管集電極電流ICQ,可增大gm,從而提高A，但1是CQ不宜過大，否則，giG；=gm)會(huì)過大，造成回路 r re有載品質(zhì)因數(shù)過低，影響振蕩頻率穩(wěn)定度。一般ICQ取值1g5mAo通常選用f fT 5f5fosc,RL 1 1K Kc c，反饋系數(shù) F F 取值適當(dāng)，一般都能滿足振幅起振條件。（3 3）工程估算法求起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(jiǎn)化起振條件的分析?，F(xiàn)將基本步驟歸納如下：選擇斷開點(diǎn)，畫由推導(dǎo) T T

12、（心）的高頻等效電路；求生諧振回路的-c（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由回路中。F求由諧振回路諧振時(shí)基本放大器的增益 A A 和反饋系數(shù) F F（通常就是接入系數(shù) n n）, ,便可得到振幅起振條件；其中輸出電壓輸入電導(dǎo)反饋電壓VfA=F=輸入電壓輸出回路電導(dǎo)輸出電壓Vo3 3 電感三點(diǎn)式振蕩器一哈特萊（HartelyHartely）振蕩器圖 5 52626 電感三點(diǎn)式振蕩器電路出）圖（a a）中，三極管發(fā)射極通過CE交流接地，是共射組態(tài);圖（b b）中，三極管基極通過CB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，但都滿足“射同基反”的構(gòu)成原則，即與發(fā)射

13、極相連的兩個(gè)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(jiǎn)單分析：圖中RB1、RB2和RE為分壓式偏置電阻，CB、C0和CE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，RC為集電極限流電阻，RL為輸由負(fù)載電阻，C、L1和L2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 5-26(a)-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，故只對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，給由一些結(jié)論作為參考。(a)(a)交流等效電路圖 5 52727 共射電感三點(diǎn)式交流等效電路(b)(b)起振條件和振

14、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 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fT時(shí)，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) g gm,電路中忽略了晶體管的內(nèi)部反饋， 即y=e=0,不考慮晶體管輸入和輸由電容的影響，得共射組態(tài)的晶體管用 Y Y 參數(shù)等效電路圖 5 528(a)28(a)給由高頻微變等效電路。(b)圖中虛線框內(nèi)是晶體管共射極組態(tài)的簡(jiǎn)化等效電路gie為共射放大器的輸入電導(dǎo)，g ge為輸由電導(dǎo)，ggggL= =g g0+ +gQgQ 為輸由負(fù)載回路等效電導(dǎo)，其中g(shù)o為諧振回路諧振電導(dǎo)振蕩電路的反饋系數(shù)反饋電壓VfL2+MF=2輸

15、出電壓VoL1+ML2一、一一一一F F= =(Li與 L?N間無互感)LiF取值過小，不易起振；F過大，管子的輸入阻抗會(huì)對(duì)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(yán)重時(shí)致使電路無法起振。為了兼顧振蕩的起振條件圖 5 5-28(b)-28(b)為斷開環(huán)路后的等效電路,(11與12之間有互感)1111和各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，通常取Too o2 2放大器增益的幅值輸出電壓VgA=m輸入電壓Vig22其中g(shù)二二goegLng-ien為接入系數(shù)，其值等于反饋系數(shù)。振幅起振條件AF1,gmgmAFAF 二n n= =n n1 12g g 三 g goeg gLng gie上式可改寫為1gmng

16、ie(goe9L)n振蕩頻率的近似計(jì)算式為電容三點(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(5.3.6)(5.3.6)(5.3.7)(5.3.7)式中L=L1L22M4 4 三點(diǎn)式振蕩器性能比較M為L1與L2的互感1 1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，因而輸曲波形好。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，工作頻率可大大提局。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。電感三點(diǎn)式是通過改變電容的來調(diào)整頻率， 基本上不會(huì)影響反饋系數(shù)F Fo o但是電路能夠振蕩的最

17、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，使輸由中含有較大的諧波電壓，導(dǎo)致輸由波形失真較大，波形較差。5 5 克拉潑（ClappClapp）振蕩電路因?yàn)榭急绕潱–outtsCoutts）振蕩器存在不足，有必要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，所以產(chǎn)生了一一克拉潑（ClappClapp）振蕩電路考比茲（CouttsCoutts）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)式振蕩器存在以下需要完善的不足之處。原因： 晶

18、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1。/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)式振蕩器一克拉潑（ClappClapp）振蕩電路。圖 5 52828 克拉潑振蕩電路圖（a a）給由克拉潑振蕩器的實(shí)用電路，與普通電容三點(diǎn)式（CouttsCoutts）電路相比，其

19、區(qū)別僅在于 b-cb-c 間的電感支路串入一個(gè)小電容C3,滿足C C3C CC C3C C2,這就是串聯(lián)改進(jìn)型電路命名的來由。圖（b 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(jiǎn)化等效電路圖 5 5-29-29m該電路滿足“射同（Ci、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，Ci（=Ci+Cce）,C2（=C2+Cbe）和C3串聯(lián)，再與L并聯(lián)構(gòu)成。諧振回路的總電容111+C2C3C1CceC2CbeC3注意：串聯(lián)電容的總電容取

20、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結(jié)論：由式（5.3.85.3.8）可知：當(dāng)滿足C3C2,C1時(shí)，fosc滿足C3C1Cce，C3C2Cbe，所以有CC3fosc-1 12vLCv2vLCv1 12 2 二飛LCLC3(5.3.8)(5.3.8)幾乎不受晶體管極間電容（即輸入輸由電容）的影響，C3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L、C3的值，C1、C2的取值應(yīng)遠(yuǎn)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(huì)影響振蕩器的起振。計(jì)算晶體管對(duì)輸由回路的接入系數(shù)（VI

21、CVIC）計(jì)算該接入系數(shù)的目的是計(jì)算晶體管輸由回路的等效電阻，以便計(jì)算放大器的增益。由圖 5 53030 可知，晶體管輸由回路的兩個(gè)端點(diǎn) c c、b b 對(duì)諧振回路 A A、B B 兩端的接入系數(shù)11+C1C2注：對(duì)諧振回路的接入系數(shù)以電感為基準(zhǔn)UcbUABC1c(5.3.9)(5.3.9)C1C2C3C3(C1C2)C3=RLJ（是共基放大器的等效負(fù)載）j共基放大器的增益A環(huán)路增益T（。）=無法起振將RL折算到輸由回路 C C、b b 兩端，對(duì)應(yīng)的阻抗為RLC3(CiC2)結(jié)論：由式（5.3.105.3.10）可知,對(duì)改善振蕩器的穩(wěn)定性有力諧振回路 A A、B B 兩端的等效電阻RL=RLR

22、e0,it2、/RL=niRL=(一1C1C2)2RL(5.3.10)(5.3.10)圖 5-305-30 接入系數(shù)與等效負(fù)載計(jì)算示意圖對(duì)于 ColpittsColpitts 振蕩器而言，其共基電路的等效負(fù)載就是RLClappClapp 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，ClappClapp 振蕩電路有以下幾點(diǎn)不足：i）在減小C3以提高振蕩頻率fosc的同時(shí)，使環(huán)路增益減小，減小到一定程度會(huì)導(dǎo)致電路無法起振，這就限制了振蕩頻率fosc的提高；ii）ClappClapp 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)，且輸由信號(hào)的振蕩幅值基本保持不變。由于 ClappClapp 電路是通過改變C3來調(diào)節(jié)振蕩頻率的，根據(jù)式（5.3.105.3.10）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)致輸由信號(hào)的幅值發(fā)生變化，使所調(diào)波段頻率范圍內(nèi)輸由信號(hào)的幅度不平穩(wěn)。所以 ClappClapp 電路可以調(diào)節(jié)的頻率范圍不夠?qū)?，只能用作固定foscmax振蕩器或波段覆蓋系數(shù)（=）較小的可變頻率振蕩器。foscmin般 ClappClapp 電路的波段覆蓋系數(shù)為 1.21.21.31.36 6 西勒（SeilerSeiler）振蕩電路在對(duì) ClappClapp 振蕩電路的不足之處進(jìn)行改進(jìn)的