晶体管振荡器

1晶体管振荡器一、概述：振荡器是一种能量转换器，并且振荡器无需外部激励，就能自动地将直流电源供给的功率转换为指定频率和振幅的交流信号功率输出。振荡器主要由放大器和选频网络组成，正弦波振荡器一般是由晶体管等有源器件和具有某种选频能力的无源网络组成的一个反馈系统。振荡器的种类很多，从电路中有源器件的特性和形成振荡的原理来看，可分为反馈式振荡器和负阻式振荡器；根据产生波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器；根据选频网络又可分为LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器等。振荡器都需要满足起振条件，平衡条件以及稳定条件。由于要求设计的工作频率为5MHz，属于高频，可以选用LC振荡器，又由要求频率稳定度在10-4，并且考虑到输出波形，输出功率等因素，所以选用西勒振荡器。反馈式振荡器原理：图1-1反馈型振荡器原理图振荡器的振荡条件：1.起振过程与起振条件：闭合环路中的环路增益：jFjAjujujTif/（1-1）式中，juf，jui，jA，jF分别是反馈电压、输入电压、主网络增益函数和反馈系数函数，均为复函数。要使振荡器在接通电源后振荡振幅能从小到大不断增长的条件是0000jujujTjuiif（1-2）即210jT（1-3）由于0jT为复数，所以上式可以分别写成10jT，nT20（n=0，1，2…）（1-4）两式分别称为反馈振荡器的振幅起振条件和相位起振条件。即说明起振的过程中，直流电源补充给电路的能量应该大于整个环路消耗的能量。2.平衡过程与平衡条件:反馈振荡器的平衡条件为：10jT（1-5）又可以分别写成10jT，nT20（n=0，1，2…）（1-6）作为反馈振荡器，既要满足起振条件，又要满足平衡条件。起振时10jT，起振过程是一个增幅的振荡过程；直到10jT时，iu的振幅停止增大，振荡器进入平衡状态。3.平衡状态的稳定性和稳定条件:振荡器在工作过程中，不可避免地要受到各种外界因素变化的影响，如电源电压波动、温度变化、噪声干扰等。这些不稳定因素会引起放大器和回路参数发生变化，破坏原来的平衡条件。振幅平衡状态的稳定条件00iAiUUiUT（1-7）相位平衡状态的稳定条件000T（1-8）频率稳定度又称频率准确度，通常用相对频率准确度表示时间间隔ssfffmax（1-9）目前多用均方误差来表示频率稳定度，即3nisisffff12n1（1-10）二、电路设计：1.若选用电感三点式振荡器，其实际振荡电路如图。图2-1电感三点式振荡器电路的优点：便于用改变电容的方法来调整振荡频率，而不会影响反馈系数。并且反馈较强，容易起振。电路的缺点：反馈电压取自2L，而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗，所以反馈电压中高次谐波分量较多，输出波形较差。2.若选用电容三点式振荡器，其振荡电路如图。图2-2电容三点式振荡器电路的优点：电路的振荡波形好，频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响，并且其工作频率较高。电路的缺点：调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。3.若选用克拉泼振荡电路，其电路如图。4图2-3克拉泼振荡器电路图（a）为克拉泼电路的实用电路，（b）为高频等效电路。该电路为电容三点式电路的改进电路，具备了电容三点式电路的优点，并且在很大程度上克服了电容三点式振荡电路的缺点。与电容三点式电路相比较，克拉泼电路的特点是，在回路中增加了一个与L串联的电容C3，C3和L的串联电路在振荡频率上等效为一个电感，整个电路仍属于电容三点式电路。但是克拉泼电路有以下缺点：（1）C1，C2如果过大，则振荡幅度就太低。（2）当减小C3以提高sf时，振荡幅度显著下降；当C3减小到一定程度时，可能停振。因此sf的提高受到限制。（3）通常LC振荡器都是波段工作的，而且常用可变电容来改变其振荡频率。4.若选用西勒电路，其电路如图。图2-4西勒振荡器电路（a）为西勒电路的实用电路，（b）为高频等效电路西勒电路在克拉泼电路的基础上又做了改进，在克拉泼电路的电感L两端并联了一个5小电容4C构成，且满足214,CCC而213,CCC的条件。由于西勒电路频率稳定性好，振荡频率可以较高，做可变频率振荡器时其频率覆盖范围宽，波段范围内幅度比较平稳，因此得到广泛应用。5.分析：晶体管输入及输出电容分别和两个回路电抗元件并联，影响回路的等效电抗元件参数，从而影响振荡频率。而电容三点式和电感三点式两种振荡器共同的缺点就是：由于晶体管输入及输出电容值随环境温度、电源电压等因素而变化，所以三点式电路的频率稳定度不高，一般在10-3量级，不能满足本设计的要求，所以不能选用简单的三点式振荡电路。而克拉泼和西勒电路频率稳定度能够达到10-4量级，并且西勒电路克服了克拉泼电路的缺点，所以选用西勒电路。6.参数确定：静态工作点的确定：选取mAICQ3，VUCEQ5.7，605.2CQCEQCCecIUURR取5.1cR，则1eRmAIICQBQ201VUBEQ7.0，VUBQ7.3由12bBQCCBQbBQRUUIRU令7.32bR，则122bR令HL10，由LCf210，43CCC，并且0f5MHz，得FCCC3.10143通过计算可得40010044.15000522.5fff，满足设计要求。三、结论：6通过本次课程设计，我设计的西勒电路能够满足题目要求的工作频率5MHz，频率稳定度10-4，电源电压15V，波形质量较好，并且有适当的输出功率。并且振荡电路能够满足起振条件、平衡条件和稳定条件，但是西勒电路仍然是采用LC元件作为选频网络，由于LC元件的标准性较差，谐振回路的Q值较低，空载Q值一般不超过300，有载的更低。所以即使是西勒电路的稳定度也就只能达到10-4量级，为进一步提高频率稳定度，就只能选择晶体振荡器。由于西勒电路有比较好的稳定性，振荡频率可以较高，做可变频率振荡器时其频率覆盖范围宽，波段范围内幅度比较平稳，因此在短波、超短波通信机、电视接收机等高频设备中得到非常广泛的应用。四、参考文献：[1]王卫东.高频电子电路.电子工业出版社,2009.3:102～119.[2]张义芳.高频电子线路.哈尔滨工业大学出版社,2009,3:106～121.