电容三点式的几种改进电路

改进型电容三点式振荡电路的设计姓名：班级：学号：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。

关键词：电容三点式、西勒电路、Protel、印制电路板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 可近似认为等于谐振回路的固有振荡频率o f ，即osc f =（1）式中 C 近似等于1C 与2C 的串联值1212C 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 ng g n g +=+>'''1)(1 （3） 式中 '011,//L e L e eg 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 112f 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：12C 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。

MHZLCf 7210==π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。

图2-3 克拉泼振荡电路电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C3，串联于电感L 支路。

功用主要是以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以提高。

因为C3为可调电容远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C3。

电路的振荡频率为：f=1/2o与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感L支路上串联一个电容。

但它有以下特点：1、振荡频率改变可不影响反馈系数；2、振荡幅度比较稳定。

为可变电容，调整它即可在一定范围内调整期振荡频率。

3、电路中C3但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼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作固定频率的振荡器。

观察到的振荡波形如图2-4所示图2-4克拉波振荡器输出信号波形改进后的电路波形比原电容三点式振荡器稳定度高了很多，这是因为晶体管一部分接入的形式与回路连接，接入系数p越小，耦合越弱。

减弱了晶体管对回路的影响。

2.3 西勒振荡器电容三点式的改进型“西勒振荡器”如图2-5所示图2-5西勒振荡器电路特点是在克拉泼振荡器的基础上，用一电容C4，并联于电感L 两端。

功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。

电路的振荡频率为：特点：1.振荡幅度比较稳定； 2.振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8；所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。

频率稳定度是振荡器的一项十分重要技术指标，它表示在一定的时间范围内或一定的温度、湿度、电压、电源等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡器的频率稳定度越高。

改善振荡频率稳定度，从根本上来说就是力求减小振荡频率受温度、负载、电源等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。

因此改善振荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率不变的能力，这就是所谓的提高振荡回路的标准性。

o f =提高振荡回路标准性除了采用稳定性好和高Q的回路电容和电感外，还可以采用与正温度系数电感作相反变化的具有负温度系数的电容，以实现温度补偿作用。

输出信号的幅值、频率等用实时监测法测试，信号波形如图2-6所示，调整C 6、C3观测震荡信号的波形和频率变化。

图2-6西勒振荡器输出信号波形3 改进型电容三点式电路设计3.1 电路选择从以上的讨论，分析不同振荡电路的性能指标及电路复杂程度。

采用西勒振荡电路，因为西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器的相同，由于改变频率主要通过C4完成的，C4的改变并不影响接入系数p，所以波段内输出较平稳。

而且C4改变，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大，可达1.6~1.8。

3.2 原理图设计图3-1 改进型电容三点式振荡电路原理图3.2.1 电路结构总的电路结构如图3-1所示。

电路由三部分组成1 三极管放大器；（起能量控制作用）2 正反馈网络；（由三点式回路组成）3 选频网络；（由三点式回路的谐振特性完成选频功能）。

3.2.2 静态工作点的设置合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。

－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止区的地方。

根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流I CQ 大约在0.8-4mA 之间选取，故本实验电路中：选I CQ =2mA V CEQ =6V β=100 则有为提高电路的稳定性R e 值适当增大，取Re=1K Ω则Rc ＝2K Ω 因：U EQ =I CQ ·R E 则： U EQ =2mA ×1K=2V 因： I BQ =I CQ /β 则： I BQ =2mA/100=0.02mA 一般取流过Rb2的电流为5-10I BQ , 若取10I BQ因：BQBQb I V R =2 7.0+=EQ BQ V V则： 取标称电阻12K Ώ。

因：3.2.3 选管由于高频振荡器的振荡频率较高，在选管时应注意选超高频小功率三极管。

特征频率f T 也要比音频振荡管的要求高。

通常选f T > (3-10) f 0 (f 0为振荡器的中心频率)。

f T 高则管子的高频性能好，晶体管内部相移小，有利于稳频。

在高频工作时，振荡器的增益仍较大，易于起振。

本次课设选用9014 NPN 型号的晶体管，Ω=-=-=+K I U U R R CQCEQCC c e 32612Ω==K V R b 5.132.07.2221b BQBQCC b R V V V R -=Ω=Ω-=K K VVV R b 3.41127.27.2121满足了振荡器的频率和功率要求。

3.2.4 振荡回路元件的确定回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C 和总电感L 两部分。

确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种电抗元件量。

从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容Cp 远大于总的不稳定电容Cd 原则，先选定Cp 为宜。

若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。

但C 不能过大，C 过大，L 就小，Q 值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。