克拉泼振荡器及跨阻放大电路设计与仿真

摘要
本次课程设计主要由三部分电路设计组成，克拉泼电容三点振荡电路、四阶巴特沃斯带通滤波器和跨阻放大电路。

此次电路设计，主要介绍了三个电路的设计原理、设计仿真过程、结果分析和结论等。

克拉泼电容三点振荡器的特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C4，串联于电感L1的支路上。

其作用是增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性，使振荡频率的稳定度得到提高。

四阶巴特沃斯带通滤波器通过级联运放电路构成一个新电路使其转移函数的分母中含有巴特沃斯多项式，其中每个级联的子电路提供一个因式，进而得到四阶的巴特沃斯。

跨阻放大电路接连二级放大电路，将电流信号转换成电压信号，得到放大后的电信号。

完成电路原理图后再经过Protuse的仿真，得到了与理论值相近的结果，分析产生误差的原因以及所得结论。

关键字：振荡器；滤波器；放大器；Protuse
I
目录
1 绪论 (1)
1.1 克拉泼电容三点振荡器 (1)
1.2 四阶巴特沃斯带通滤波器 (1)
1.3 跨阻放大器 (2)
2 工作原理 (3)
2.1 振荡器的工作原理 (3)
2.1.1振荡器的概述 (3)
2.1.2振荡器的原理 (3)
2.1.3 电容三点式振荡器 (4)
2.1.4 克拉泼振荡器的工作原理 (5)
2.2 滤波器的工作原理 (6)
2.2.1滤波器的概述 (6)
2.2.2巴特沃斯响应 (6)
2.2.3巴特沃斯带通滤波器的工作原理 (7)
2.3 跨阻放大器的工作原理 (8)
3 电路设计 (9)
3.1 克拉泼振荡器的设计 (9)
3.2巴特沃斯滤波器的设计 (11)
3.3跨阻放大器的设计 (13)
4 结果分析 (15)
4.1仿真结果 (15)
4.1.1 克拉泼振荡器的仿真 (15)
4.1.2 巴特沃斯滤波器的仿真 (16)
4.1.3跨阻放大器的仿真 (17)
4.2分析结果 (17)
4.2.1克拉泼的结果分析 (17)
4.2.2巴特沃斯的结果分析 (18)
4.2.3跨阻放大器的结果分析 (18)
结论 (19)
致谢 (20)
参考文献 (21)
附录 (22)
II
1 绪论
1.1 克拉泼电容三点振荡器
振荡器主要分为晶体振荡器和LC振荡器，本次课设采用LC振荡器。

LC振荡器
中的基本电路就是通常所说的三端式振荡器，即LC回路的三个端点与晶体管的三个
电极分别连接而成的电路。

其中三端式又分为两种基本电路。

根据反馈网络由电容还
是电感完成的分为电容反馈振荡器和电感反馈振荡器。

同时为了提高振荡器的稳定度，通过对电容三点式振荡器的改进可以得到克拉泼振荡器。

克拉泼振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。

为此，振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路，也是从事电子技术工作人员必须要熟练掌握的基本电路。

1.2 四阶巴特沃斯带通滤波器
滤波器的设计是电子设计中最基本也是最重要的一环，广泛应用于信号处理、通信、自动控制等领域。

从工作频率上划分，可以分为低通、带通和高通滤波器；从性能特性分可以分为巴特沃兹、切比雪夫、贝赛尔等。

其中巴特沃斯滤波器具有最平坦的幅频特性，因而在实际应用中使用较多。

本文将详细讲解巴特沃斯滤波器的设计方法。

在微机工业测控现场中,经常会出现待测模拟电压信号与测量设备之间有较远的一段距离的情况,把该待测模拟电压信号直接通过很长的线路送入测量设备显然是不合理的。

通常采用的方法是:在测量现场对待测模拟信号进行放大、滤波等预处理,再经过变换后进行远距离传送,在测量设备附近再反变换成电压信号进行测量。

适合工业测控系统远距离传送的信号一般有电流源或频率信号。

为了把待测模拟电压信号变换成电流源信号传送,常常使用电压/ 电流变换电路。

而电流/ 电压变换电路是把电流信号线性地转换成电压信号输出的电路。

电子电路技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。

1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了揉电声技术的先河。

1927年
1
贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negative feedback）技术后，使电子技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（High Fidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi 史上一个重要的里程碑。

60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。

直至70年代，晶体管放大技术的应用已相当成熟，各种新型电路不断出现，如：较成功地解决了负反馈电路的瞬态失真和高频相位反转问题的无负反馈放大电路。

在60年代初，美国首先推出电子电路技术中的新成员——集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被世界所认识。

发展至今，集成电路、运算放大集成电路被广泛用于电气设备电路。

1.3 跨阻放大器
跨阻放大器是放大器类型的一种，放大器类型是根据其输入输出信号的类型来定
义的。

在电学范畴，假设放大器增益A=Y/X,Y为输出，X为输入。

由于表征一个信
号不是用电压就是电流，所以组合一下就有四种放大器。

此次我们用的是当输入为电
流信号，输出为电压信号时，A=Y（电压）/X（电流），具有电阻的量纲，所以一般
称之为跨阻放大器。

由于其具有高带宽的优点，一般用于高速电路，如光电传输中普遍应用。

2
2 工作原理
2.1 振荡器的工作原理
2.1.1振荡器的概述
不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路称为振荡器。

按照产生的波形，振荡器可以分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。

按照产生振荡的工作原理，振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器。

所谓反馈式振荡器，就是利用正反馈原理构成的振荡器，是目前用的最广泛的一类振荡器。

所谓负阻式振荡器，就是利用正反馈有负阻特性的器件构成的振荡器，在这种电路中，负阻所起的作用，是将振荡器回路的正阻抵消以维持等幅振荡。

反馈式振荡电路，有变压器反馈式振荡电路，电感三点式振荡电路，电容三点式振荡电路和石英晶体振荡电路等。

电感三点式振荡器的电感线圈对高次谐波呈现高阻抗所以反馈带中高次谐波分量较多输出波形较差。

本次设计要求我们采用的是电容三点式振荡电路，由于电容三点式振荡电路有一些缺陷，通过改进，得到了西勒振荡器。

2.1.2振荡器的原理
振荡器LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接构成的电路即为三端式振荡器，其示意图如下图2.1所示：
图2.1一般形式的三点式振荡器
三点式LC正弦波振荡器的组成法则是：与晶体管发射极相连的两个电抗元件应为
3
4
同性质的电抗，而与晶体管集电极—基极相连的电抗元件应与前者性质相反。

也就是说上图中be Z
∙、ce Z
∙
与bc
Z
∙
的性质必须相反振荡器才能起振。

设：be Z
∙
、ce Z ∙
、bc
Z
∙
为纯
f
b e
eb
V
V V ∙
∙
∙==- (2.1.1) be
eb
v ce ce V V
X eb
F V V X ce ∙∙
∙
∙
∙
∙
∙
==
=-
(2.1.2)
负号表示产生180o 相移，与V be 和V ce 间的180o 相移合成为360o
相移，满足正反馈条件。

为此，X ce 与X eb 必为同名电抗，而X cb 须是X ce 与X eb 的异名电抗。

2.1.3 电容三点式振荡器
电容三点式的原理示意图如下图2.2所示：
图2.2 电容三点式振荡器
由图可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极
和集电极连接的为异性质的电抗元件L ，根据前面所述的班别准则为，该电路满足相位条件。

其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化 ，将产生脉动信号。

振荡器电路中有一个LC 谐振回路，具有选频作用，当LC 谐振回路的固有频率与某一谐振频率相等时，电路发生谐振。

虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。

当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器倍数减小，最后达到平衡，此时振荡幅度不在增大。

于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于是得到单一频率的振荡信号输出。

该振荡器的振荡频率
f
为：
5
0f =
(2.1.3)
反馈系数F 为：
12/F C C ≈ (2.1.4)
若要它产生正弦波，满足F=1/2—1/8,太小或者太大均不容易起振。

一个实际的振荡电路，在F 确定后，其振幅增加的主要是靠提高振荡管的静态电流值。

但是如果静态电流值取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真。

严重时，甚至使振荡器停振。

所以在实用中，静态电流值一般取c o I =0.5mA —4mA 。

电容三点式的优点是：1)振荡波形好；2）电路的频率稳定度高，工作频率可以做得较高，达到几十赫兹到几百赫兹的甚高波段范围。

电路缺点：若调用C1或C2改变振荡回路的工作频率，反馈系数也将改变使振荡器的频率稳定度不高。

2.1.4 克拉泼振荡器的工作原理
电容三点式改进型“克拉泼振荡器”如下图2.3所示:
图2.3 克拉泼振荡器电路
电路的特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C5串联于电感L1的支
6
路上。

其作用是增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。

使振荡频率的稳定度得到提高。

因为C5远远小于C2或C3，所以电容串联后的等效电容约为C5。

电路的振荡频率为：
01/2f π
= (2.1.5)
与基本电容三点式振荡电路相比，在电感L 支路上串联一个电容后有以下特点： 1. 振荡频率可改变不会影响反馈系数； 2. 振荡幅度比较稳定；
3. 电路中C4不能太小否则会导致停振，所以克拉破振荡器频率覆盖率较小，仅达
1.2—1.4。

为此，克拉泼振荡器适合与做固定频率振荡器。

2.2 滤波器的工作原理
2.2.1 滤波器的概述
滤波器在电子电路中是一种对干扰信号或是无用的信号进行滤除的一种装置，包括电抗性元件L 、C 构成的无源滤波器、由集成运算放大器组成的有源滤波放大器，以及三极管滤波器等。

滤波器分类: 按滤波器的组成元件的不同可以分为无源滤波器和有源滤波器。

按照滤波器的频率特性不同，滤波器通常可以分为四类：低通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器、带通滤波器。

低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。

高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。

带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。

带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。

两类响应
2.2.2 巴特沃斯响应
巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。

该响应非常平坦，非常接近DC 信
号，然后慢慢衰减至截止频率点为-3dB，最终逼近-20ndB/decade 的衰减率，其中n为滤波器的阶数。

巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。

在一些应用当中，最为重要的因素是滤波器截断不必要信号的速度。

如果你可以接受通带具有一些纹波，就可以得到比巴特沃斯滤波器更快速的衰减。

2.2.3巴特沃斯带通滤波器的工作原理
带通滤波器是由高通RC环节和低通RC环节组成。

要将高通的下限截止频率
ω2设置小于低通的上限截止频率ω1。

设计如图：
低通滤波器高通滤波器
V V o
A
阻带通带阻带
Oω
图2.4 有源带通滤波器
在有源滤波器中，除集成运算放大器外，常包含复杂的无源网络，它是ＲＣ元件的组合，在分析时利用“拉普拉斯”变换将电流电压变成“像函数”同时引入运算阻抗代替无源元件ＲＣ，求解有源滤波器的传递函数。

将信号从时域转变到频域，输入输出信号都可分解成若干频率信号。

传递函数：
（2.2）它有幅频特性,相频特性。

对于有源滤波器利用运放实现放大作用，所以RC 环节实现滤波功能。

其中有2个RC滤波环节为4阶滤波。

运放使滤波器与负载隔离，增强了带负载的能力。

7
8
2.3 跨阻放大器的工作原理
跨阻放大器是放大器类型的一种，放大器类型是根据其输入输出信号的类型来定义的。

在电学范畴，假设放大器增益A=Y/X,Y 为输出，X 为输入。

由于表征一个信号不是用电压就是电流，所以组合一下就有四种放大器。

此次我们用的是当输入为电流信号，输出为电压信号时，A=Y （电压）/X （电流），具有电阻的量纲，所以一般称之为跨阻放大器。

一个电流-电压转换器（I-V 转换器）也称为跨阻放大器，它接受一个输入电流I i ，并产生形成为输入电压
o
I A v
i = (2.3.1)
这里A 是电路增益，以伏/安计。

首先假设运算放大器是理想的。

则
o
I R v
i =- (2.3.2)
增益是-R ，是一个负值。

这是由于电流参考方向选取的原因；若将这个方向颠倒过来就给出。

增益的幅度也称为灵敏度，因为对某一给定输入电流变化，它给出了输出电压的变化量。

可以看到，运算放大器在输入和输出端都消除了负载效应。

事实上，如果输入源呈现有某些有限的并联电阻的话，由于跨在它上面的电压强迫到0V ，运算放大器还是消除了通过它的任何电流损失。

同样，运算放大器将输出电压输送到负载也是用零输出电阻进行的。

图2.5 基本I-V 转换器
3 电路设计
3.1 克拉泼振荡器的设计
表3.1克拉泼振荡器所需元器件
图3.1克拉泼振荡器的电路图
2
1
111C C C +=
Σ2
1212121
C C C C LC
f +≈
≈π
π
（3）方案设计:
如上图所示的电路，主要由2部分构成：1.起能量放大作用的三极管放大器。

2.三点式回路组成的正反馈网络。

合理选择振荡器的静态工作点对振荡器的起振、工作的稳定性和波形质量的好坏有着密切的关系。

一般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截至区的地方。

根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流C Q I 大约在0.8—4mA 之间选取。

回路中的电抗元件分为电容C 和电感L 两部分。

通常满足接入系数C2/C3不能过大或者过小，否则不容易起振，一般适宜1/8—1/2。

不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量为1C 、2C 的串联，即
振荡频率的近似为
3.2巴特沃斯滤波器的设计
表3.2 巴特沃斯滤波器所需元器件
图3.2 巴特沃斯滤波器的电路原理图(3)方案设计
一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。

实际上，并不存在理想的带通滤波器。

滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。

带通滤波电路的幅频响应与高通、低通滤波电路的幅频响应进行比较，不难发现低通与高通滤波电路相串联,可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波电路的截止角频率ωH大于高通滤波电路的截止角频率ωn，两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。

典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器（如上图）中将其中一级改成高通而成，利用LM741芯片再将两个这样的滤波器串联即得四阶带通滤波器。

其电路性能参数计算如下：
通带增益
中心频率
通带宽度
选择性
由题目给出f o =46KHZ B=20KHZ
在中心频率计算公式中自定义给出R1 、R2、C值，又中心频率已知，即可算出R3值；再在通带宽度公式中B、R1、R2、R3、C皆已知，即可得出R f与R4比值。

设计出电路，如电路原理图。

3.3跨阻放大器的设计
表3.3跨阻放大器所需元器件
图3.3跨阻放大器电路原理图
()2121120
//()N i v v v R R R R R R ⎡⎤⎡⎤=+++⎣⎦⎣⎦0
012
21
11()
1/1/I
a v v v R R R R =-
-
+
+
0()
p N a v v v =-(3)方案设计
反相放大器结构如图所示
图3.4 反相放大器结构图
其中输出端电压为0v ，R1与R2间电压为n v ，同相输入端电压为p v ,利用叠加原理得到:
这个电阻网络仍然将0v 的2
1
1/(1/)R R +
部分回馈到反相输入端，因此提供了相同
的负反馈大小。

对比值0/I
v v 求解并经整理后得到:
所以增益放大倍数:
A=160
4 结果分析4.1仿真结果
4.1.1 克拉泼振荡器的仿真
图4.1克拉泼振荡器的仿真图
4.1.2 巴特沃斯滤波器的仿真
图4.2巴特沃斯滤波器的仿真图
4.1.3跨阻放大器的仿真
图
4.1.3跨阻放大器的仿真图
4.2分析结果
4.2.1克拉泼的结果分析
仿真结果如图4.1.1图所示，由图可知道，正弦波的频率约为45.9MHz,振幅约为1v,在本次仿真的过程中，开始时我将C2的电容值调得过小，并且由于没有接好电容C4，所得波形并不是很好。

随后慢慢调试，最终得到理想的结果。

在设计过程中，由于开始什么都不怎么会，由于显示的波形太小并且把x轴的比例调的太大，导致没有发现图形。

随后通过翻阅Proteus的一些资料，才知道自己的失误，于是对电路重新进行了调试才得到满意的结果。

4.2.2巴特沃斯的结果分析
仿真结果如图4.1.2图所示，由图可知道，中心频率频率约为45.6KHz,下限截止频率为35.5KHz,上限截止频率为55.3KHz。

在仿真软件中按电路仿真后，发现中心频率和通带宽度都有较大偏差，在给定条件下，将要求量反复计算得出为：给电路输入正弦信号后，在波特图中可看出存在误差。

主要是由于计算出的电路中某些原件的参数存在误差。

4.2.3跨阻放大器的结果分析
仿真结果如图4.1.3图所示，由图可知道，跨阻放大器将电流转换为电压输出。

将5mA的电流转换为0.24999v的电压，并由二级放大器放大，第一级放大器约放大了10倍，第二级放大器约放大了16倍，总共将电压约放大了160倍。

在仿真软件中按电路仿真后，发现放大结果有了一些偏差，这些偏差为电路中的元件所导致的误差。

结论
通过这次课设让我更好地认识到了Protues软件在电路仿真中的应用，它的功能是很强大的！最后这次课设也让我跟好的掌握了振荡器、滤波器和跨阻放大器的特性，特别是带通滤波器的特性及实现，让我接触到了很多在模电书中没有深入了解的知识，如Q品质因数，传递函数，巴特沃斯特性。

在电子电路中，输入信号的频率有很多，其中有些频率是需要的工作信号，有些频率是不需要干扰信号频率分量。

如果这两个信号在频率成分上有较大的差别，就可以用滤波的方法将所需要的信号滤出。

为了解决上述问题，我们必须要采用滤波电路。

本次选题的三点式看似十分简单，然而缓冲级的设计却有很大的拓展空间。

对于波形的失真，要求我们自己想办法解决。

在这方面，参考资料显得十分重要。

课本上只是简单的介绍西勒振荡器的基本原理，而更多的任务要求实现需要我们去查阅资料和联系各个知识点。

从理论到实践，在整整两星期的日子里，我们遇到了一些困难和问题，都需要我们自己去解决，但是可以学到很多很多的的东西，这些东西都是课本所不能学到的，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

致谢
本设计是在张老师的悉心指导下完成的，老师渊博的知识，严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风平易近人的性格都是我学习的楷模。

在论文的研究和整理期间老师给了我很大的支持和鼓励，才使得论文得以顺利完成，在此谨向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。

同时也感谢交过我的老师，是你们教会了我很多基础的知识。

最后向所有专注于教学研究、无私奉献的老师，所有积极向上的同学和朋友致敬！
感谢同组的同学，在做论文期间，他们不仅在学习知识上帮了我很大的忙，还在生活上提供了方便。

最后感谢各位老师能在百忙之中对我的论文进行认真的审查，由于本人知识有限，不足之处在所难免，还请各位老师的谅解。

参考文献
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[2] 孟开元, 熊光宇. 多用途有源滤波器MF10[J]. 国外电子元器件,1997年5月
[3] 谢嘉奎,玄月清,冯军.《电子线路（线性部分）》.高等教育出版社,1999年6月
[4]刘泉．《通信电子线路》．北京高等教育出版社，2005年5月．
[5] 刘骋．《高频电子技书》．北京人民邮电出版社，2006年5月.
[6] 刘树棠，容玫，朱茂译.《电路设计》,安交通大学出版社,2009年2月
附录
附录A1
图1 克拉泼振荡器的电路图
附录A2
图2巴特沃斯滤波器的电路原理图
附录A3
图3 跨阻放大器电路原理图。