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 LCLC 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、三點式振蕩器的構(gòu)成原則圖 5 5-20-20 三點式振蕩器的原理圖圖 5 5-20-20 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，對諧振網(wǎng)絡的要求：？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效應管電路， 對應的有“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)射極相連的兩個電抗元件4，、工，為容性的，稱為電容三點式振蕩器，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)射極相連的兩個電抗元件X“、X。,為感性的，稱為電感三點式振蕩器，也稱為哈特萊振蕩器(Hartley)(Hartley)，如圖 521521(b)(b

4、)所示。圖 5 52121 電容三點式與電感三點式振蕩器電路原理圖13( (a a) )C Colpittsolpittsc3(b)Hartley(b)Hartley三點式振蕩器的性能分析1 1 電容三點式振蕩器一考畢茲（ColpittsColpitts）振蕩器圖 1 1 給由兩種電容三點式振蕩器電路。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、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仔細分析每個電容與電感的作用，應處理好以下問題：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

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 1(

7、b)(b)的交流等效電路圖 5 524(a)24(a)電容三點式交流等效電路(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推導環(huán)路增益一 3 3）時，需將閉合環(huán)路斷開。斷開點的選擇并不影響 T T（j j ）表達式的推導，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（在這部分將給由一系列推導T（a a）的等效電路）本題在圖 5 5-24-24 所

8、示的X處斷開，斷開點的右面加環(huán)路的輸入電壓 I,I,斷開點的左面應接入自左向右看進去的輸入阻抗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。可見由斷開處向右看進去的輸入阻抗Zi=Re/re/jChieeberbee=(1)re當振蕩頻率遠小于管子的特征頻率fT時，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，rb，e通常很1丁Pi,gm(跨導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值。2諧振回路諧振時，集電極輸由回路的總電導為 g gL+ngngi,回路諧振時，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增大A和 F F, ,2(F=n),ngi也隨 n 增大，必將造成A減小；反之，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，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，可大大簡化起振條件的分析?，F(xiàn)將基本步驟歸納如下：選擇斷開點，畫由推導 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反饋電壓VfA=F=輸入電壓輸出回路電導輸出電壓Vo3 3 電感三點式振蕩器一哈特萊（HartelyHartely）振蕩器圖 5 52626 電感三點式振蕩器電路出）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為輸由負載電阻，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 5-26(a)-26(a)所示共射組態(tài)為例分析因電感三點式振蕩器應用較少，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納的相移，yfe可近似等于晶體管的跨導 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)的簡化等效電路gie為共射放大器的輸入電導，g ge為輸由電導，ggggL= =g g0+ +gQgQ 為輸由負載回路等效電導，其中g(shù)o為諧振回路諧振電導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和各項質(zhì)量指標，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振蕩頻率的近似計算式為電容三點式的優(yōu)點由于反饋電壓取自電容，而電容對晶體管的非線(5.3.6)(5.3.6)(5.3.7)(5.3.7)式中L=L1L22M4 4 三點式振蕩器性能比較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 Fo o但是電路能夠振蕩的最

17、高頻率較低，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，而電感線圈對高次諧波呈高阻抗，使輸由中含有較大的諧波電壓，導致輸由波形失真較大，波形較差。5 5 克拉潑（ClappClapp）振蕩電路因為考比茲（CouttsCoutts）振蕩器存在不足，有必要對其進行改進，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單，波形好的優(yōu)點，在許多場合得到應用，但從提高振蕩器頻率穩(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

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)，它的變化會導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1。/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（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用電路，與普通電容三點式（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小電容C3,滿足C C3C CC C3C C2,這就是串聯(lián)改進型電路命名的來由。圖（b b）是其高頻等效電路?？死瓭娬袷庪娐返慕M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 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：當滿足C3C2,C1時，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，C1、C2的取值應遠大于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。計算晶體管對輸由回路的接入系數(shù)（VI

21、CVIC）計算該接入系數(shù)的目的是計算晶體管輸由回路的等效電阻，以便計算放大器的增益。由圖 5 53030 可知，晶體管輸由回路的兩個端點 c c、b b 對諧振回路 A A、B B 兩端的接入系數(shù)11+C1C2注：對諧振回路的接入系數(shù)以電感為基準UcbUABC1c(5.3.9)(5.3.9)C1C2C3C3(C1C2)C3=RLJ（是共基放大器的等效負載）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，對應的阻抗為RLC3(CiC2)結(jié)論：由式（5.3.105.3.10）可知,對改善振蕩器的穩(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)與等效負載計算示意圖對于 ColpittsColpitts 振蕩器而言，其共基電路的等效負載就是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，導致RL”變化，致使共基電路的增益變化，最終導致輸由信號的幅值發(fā)生變化，使所調(diào)波段頻率范圍內(nèi)輸由信號的幅度不平穩(wěn)。所以 ClappClapp 電路可以調(diào)節(jié)的頻率范圍不夠?qū)挘荒苡米鞴潭╢oscmax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 ClappClapp 振蕩電路的不足之處進行改進的