LC正弦波振荡器设计

高频电子线路课程设计报告设计题目：LC正弦波振荡器的设计2012年6月10日前言................................................................................................................................1一、设计任务与要求....................................................................................................11.1设计目的............................................................................................................................11.2设计要求............................................................................................................................1二、总体方案................................................................................................................22.1整体分析............................................................................................................................22.1.1LC谐振回路原理..................................................................................................22.1.2电感三点式振荡器................................................................................................32.1.3电容三点式振荡器................................................................................................42.1.4克拉泼振荡器.......................................................................................................52.2综合比较最终选择方案....................................................................................................6三、设计内容................................................................................................................63.1电路工作原理...................................................................................................................63.1.1平衡条件................................................................................................................63.1.2起振条件...............................................................................................................93.1.3振幅的起振条件....................................................................................................93.2仿真结果与分析..............................................................................................................11四、总结......................................................................................................................14五、参考文献..............................................................................................................14高频电子线路课程设计1前言正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。它是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于，无需外加激励信号，就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。常用正弦波振荡器主要由决定振荡率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成。正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。例如，无线发射机中的载波信号源，接收设备中的本地振荡信号源，各种测量仪器如信号发生器、频率计、fT测试仪中的核心部分以及自动控制环节，都离不开正弦波振荡器。根据所产生的波形不同，可将振荡器分成正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波，后者能产生矩形波、三角波、锯齿波等。常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成，这就是反馈振荡器。按照选频网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型，其中LC振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波。正反馈放大器既可以由晶体管、场效应管等分立器件组成，也可以由集成电路组成，但前者的性能可以比后者做得好些，且工作频率也可以做得更高。一、设计任务与要求1.1设计目的掌握LC正弦波振荡器的基本设计方法。通过该设计，可以巩固所学的LC振荡器工作原理等电子技术知识，学习multisim仿真软件的使用，锻炼学生实际动手能力，促进学生所掌握的理论知识向实践应用的转变，从而达到培养学生电子综合应用实践能力的目的。1.2设计要求使用电感、电容等器件设计一个LC正弦波振荡器，包括方案设计、电路设计和仿真验证。具体要求如下：设计正弦波振荡器，输出稳定正弦波信号，输出频率可调范围为10~20MHz。高频电子线路课程设计2二、总体方案2.1整体分析2.1.1LC谐振回路原理以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器统称为LC振荡器，它可以用来产生几十千赫兹到几百兆赫兹的正弦波信号。LC振荡器按反馈网络结构不同，可分为互感耦合和三点式两大类。三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合,可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点,是一种广泛应用的振荡电路,其工作频率可达到几百兆赫。三点式振荡器原理电路如图2.1所示。其中，Xbe、Xce和Xbc均为电抗元件。由图2.1可以看出，Xbe、Xce和Xbc构成了决定振荡频率的并联谐振回路，同时也构成了正反馈所需的反馈网络。下面就分析在满足相位平衡条件时，LC回路中三个电抗元件应具有的性质。假定LC回路由纯电抗元件组成，并令回路电流为I，由图2.1可得befXIjUcecXIjU为使fU与cU反相，必须要求Xbe和Xce为性质相同的电抗元件。另一方面，在不考虑晶体管电抗效应的情况下，振荡频率近似等于回路的谐振频率。那么，在回路处于谐振状态时，回路呈纯阻性，有0bccebeXXX由上式可见，Xbc必须与Xbe(Xce)为性质相反的电抗元件。图2.1三点式振荡器原理电路XbeXceXbc+―+―+――+IoUcUfUiU高频电子线路课程设计3综上所述，三点式振荡器构成的一般原则可归纳为：Xbe和Xce的电抗性质必须相同，Xbc与Xbe、Xce的电抗性质必须相异。为便于记忆，我们再进一步将三点式振荡器构成的一般原则简述为：“射同它异”，即连接于晶体管射极的两个电抗元件性质必须是相同的，而连接于晶体管基极和集电极的那个电抗元件性质必须是相异的。同样，对于由场效应管或运算放大器构成三点式振荡器的一般原则也可简述为：“源（指源极）同它异”或“同（指同相端）同它异”。如果与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式振荡器，则称为电容三点式振荡器；如果与发射极相连的两个电抗元件同为电感时的三点式振荡器，则称为电感三点式振荡器。2.1.2电感三点式振荡器电感三点式振荡器又称哈特莱振荡器，其原理电路如图2.2（a）所示，图（b）是其交流等效电路。图（a）中，Rb1、Rb2和Re为分压式偏置电阻；Cb和Ce分别为隔直流电容和旁路电容；L1、L2和C组成并联谐振回路，作为集电极交流负载，其中L1相当于图2.2中的Xbe，L2相当于Xce，C相当于Xbc，谐振回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，符合三点式振荡器的组成原则。由于反馈信号fU由电感线圈L2取得，故称为电感反馈三点式振荡器。采用与电容三点式振荡电路相似的方法可求得起振条件的公式为iepoefeFgggFy1（2-1)式中，各符号的含义仍与考毕兹振荡器相同，只是反馈系数F的表达式有所不同MLMLF12(2-2)当线圈绕在封闭瓷芯的瓷环上时，线圈两部分的耦合系数接近于1，反馈系数F近似等于两线圈的匝数比，即F=N2/N1。高频电子线路课程设计4振荡频率的近似为CMLLLCf22121210(2-3)若考虑goe、gie的影响时，满足相位平衡条件的振荡频率值为221021MLLgggLCfiepoe(2-4)式中，L=L1+L2+2M。由式(2-4)可见，电感三点式振荡器的振荡频率要比式(2-3)所示的频率值稍低一些，goe、gie越大，耦合越松，偏低得越明显。2.1.3电容三点式振荡器电容三点式振荡器又称为考毕兹（Colpitts）振荡器，其原理电路如图2.3（a）所示。图中Rb1、Rb2、Re组成分压式偏置电路；Ce为旁路电容；Cb、Cc为隔直流电容；Lc为高频扼流圈，其作用是为了避免高频信号被旁路，而且为晶体管集电极构成直流通路；L和C1、C2组成振荡回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。图2.3（b）是它的交流等效电路。在这个电路中，电容C1相当于图2.1中的Xce，C2相当于Xbe，而电感相当于Xbc，故它符合三点式振荡器的组成原则。LL图2.3电容三点式振荡器1bRbCCCV2bRCC2C1CeCLc2C1CbIIeRLLcI（a）原理电路（b）交流等效电路bcefUceUbeU图2.2电感三点式振荡器Rb1ReLVTCbCeCL1L2VTL1L2CVCCRb2(a)原理电路(b)交流等效电路高频电子线路课程设计5反馈系数F的表达式211CCCF（2-5）不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量CΣ为C1、C2的串联，即CCCC21111（2-6）振荡频率