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；ProtuseI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)II1 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。

22 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34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bcZ∙的性质必须相反振荡器才能起振。

设：be Z∙、ce Z ∙、bcZ∙为纯fb eebVV V ∙∙∙==- (2.1.1) beebv ce ce V VX ebF 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：50f =(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。