三点式振荡器

改进型电容三点式振荡电路的设计

摘要

高频信号发生器主要用来向各种电子设备和电路提供高频能量或高频标准信号，以便测试各种电子设备和电路的电气特性。

高频信号发生器主要是产生高频正弦振荡波，故电路主要是由高频振荡电路构成。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。

本次课设设计了改进型电容三点式高频振荡器，介绍了设计步骤，比较了各种设计方法的优缺点，总结了不同振荡器的性能特征。使用

Protel2004DXP制作PCB板，并使用环氧树脂铜箔板和FeCl3进行了制

板和焊接。使用实验要求的电源和频率计进行验证，实现了设计目标。

1 实验原理

1.1 振荡的原理

三点式LC正弦波振荡器的组成法则（相位条件）是：与晶体管发射极相连的两个电抗元件应为同性质的电抗，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。图1-1所示为满足组成法则的基本电容反馈LC振荡器共基极接法的典型电路。当电路参数选取合适，满足振幅起振条件时，电路起振。当忽

f可近似认为等略负载电阻、晶体管参数及分布电容等因素影响时，振荡频率

osc

f，即

于谐振回路的固有振荡频率

o

f=（1）

式中 C 近似等于1C 与2C 的串联值

12

12

C C C C C ≈

+ （2）

图1-1 电容反馈LC 振荡器

由图1-1所画出的分析起振条件的小信号等效电路如图1-2所示。

图1-2 分析起振条件的小信号等效电路

由图1-2分析可知，振荡器的起振条件为：

e L e L m ng g n g g n g +=+>'''1

)(1 （3）

式中 '011

,//L e L e e

g g R R r =

=

0e R 为LC 振荡回路的等效谐振电阻；

电路的反馈系数 1

12

f C k n C C =≈

+ （4）

由式（3）看出，由于晶体管输入电阻e r 对回路的负载作用，反馈系数f k 并不是越大越容易起振，反馈系数太大会使增益A 降低，且会降低回路的有载Q 值，使回路的选择性变差，振荡波形产生失真，频率稳定性降低；所以，在晶体管参数一定的情况下，可以调节负载和反馈系数，保证电路起振。f k 的取值一般在0.1—0.5 之间。

图1所示的振荡器，由于晶体管各电极直接和振荡回路元件L 、1C 、2C 并联，而晶体管的极间电容（主要是结电容）又随外界因素（如温度、电压、电流等）的变化而变化，因此振荡器的频率稳定性不够高。为了提高振荡器的频率稳定性，实际中更多的采用能够减小晶体管与回路之间耦合的改进型电容反馈振荡器。

1.2 电容三点式振荡器

电容三点式振荡器的基本电路如图1-3所示

图2-1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C 1和C 2；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L ，根据前面所述的判别准则，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，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因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波频率相等时，电路产生谐振。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，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。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o f 为：

o f =

反馈系数F 为：

1

2C F C

若要它产生正弦波，必须满足F= 1/2-1/8，太小不容易起振，太大也不容易起振。一个实际的振荡电路，在F 确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。但是如静态电流取得太大，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I CO =0.5mA-4mA 。

电容三点式振荡器的优点是：1）振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高。工作频率可以做得较高，可达到几十MHz 到几百MHz 的甚高频波段范围。

电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C 1或C 2实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。

2 改进型电容三点式振荡电路设计

电容三点式课分为三种：考毕兹振荡器、克拉泼振荡器、西勒振荡器。

2.1 考毕兹振荡器

电容三点式振荡器（又称考毕兹振荡器）如图2-1所示。

图 2-1考毕兹振荡器

理论计算振荡器的频率为：

观察到的振荡波形如图2-2所示

从波形看出其震荡极不稳定，测试其波形频率为f ≈6.5MHz

调解C 1C 2改变频率时，反馈系数也改变。由于极间电容对反馈振荡器的回路电抗均有影响，所以对振荡器频率也会有影响。而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以电容三点式振荡器的频率稳定度不高。为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，即克拉泼电路和西勒电路。

图2-2考毕兹振荡器输出信号波形

2.2 串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路)

电容三点式改进型“克拉泼振荡器”如图2-3所示。

MHZ

LC

f 7210==

π