克拉泼电路设计

克拉泼电路
震荡电路是模拟电路中必修的一部分，三点式震荡电路更是信号产生的必要电路，最近研究了一下三点式震荡电路，克拉泼电路，现在来分享一下最近的研究过程。

最近有个项目，为了生成正弦波，因此对三点式震荡电路稍微学习了一下。

三点式震荡电路分为电容三点式和电感三点式。

首先，根据正弦波震荡电路的震荡条件可知，正弦波震荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正弦反馈放大电路。

其放大电路方框图如下所示：
如图所示，X i 是输入信号，X 0是输出信号，X f 是输出经过反馈电路后的信号，Xa 是输入和反馈信号共同作用的结果。

图中：
a i X X X f =+ （1）
F X X *0f = （2）
A X X *a 0= （3）
f i X X X +=a （4）
由于可知，如放大电路的X a =X f ，则去掉输入端Xi 所形成的闭环系统，其输出端可能继续维持与开环时一样的输出信号。

则：
1*0
0a f ==X X X X X X f a 或AF=1 （5） 设a A A δ∠=，f δ∠=F F ，则可得：
1a =+∠=f AF AF δδ （6）
1AF |F |.
.==A （7） .....3,2,1,2==+n n f a πδδ （8） 式（7）称为振幅平衡条件，式（8）称为相位平衡条件。

这是正弦波震荡电路持续产生震荡的两个条件。

根据百度百科的说法，克拉泼震荡电路是三点式电容震荡电路的改进电路，其输出的正弦波更加的稳定。

电容三点式振荡器，当需要改变频率而调节振荡回路的电容参数时，也会影响电路的起振，为此，把一个电容C 串入振荡回路的电感支路中，这样改变电容C 就可以调节振荡频率，而不影响电路的起振。

克拉泼电路如图所示：
图中，R1，R2，R3，R4与三极管组成放大电路。

C1是旁路电容，作用是隔直通交；C3，C2，C4，L1组成谐振电路，REQ为负载。

克拉泼震荡电路特点：
1、克拉泼震荡电路输出波形稳定。

2、克拉泼震荡电路的频率稳定度高，工作频率可以做的较高，达到几十赫兹到几百赫兹甚至更高的范围。

3、克拉泼震荡电路的三极管工作在放大区，因此要设计三极管静态工作点。

4、为了满足AF=1，因此克拉泼震荡电路的回路应该要满足振幅平衡条件。

根据克拉泼电路的设计准则，可以分为三步。

1、选择三极管。

2、设计直流偏置电路。

3、设计回路。

1、选择三极管：
根据其常用实际元器件，选择β=100.
2、设计直流偏置电路：
根据放大电路方框图可知，当整个电路稳定输出正弦波时，反馈信号和Xa 相等，因此：
a 0X X A = （9）
00f X X X X F a == （10）
如图所示。

因此单设计A 或者F 即可，若要产生正弦波F 一般设计在1/2-1/8，太小或者太大均不容易起振。

根据震荡原理可知，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，示意图如下。

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同性质的电抗，即同为电容或者电感，而与晶体管集电极和基极相连
的电抗元件应与前者性质相反，即为电感或者电容。

在电容式震荡电路中，Zce 与Zeb 为容性，Zcb 为感性。

其中Vce
V F eb =。

由于晶体管射极接地，电压为0，V f =-Veb ，由于有负号，因此产生180度相位移动，与Vbe 和Vce 间的180度相位移动而合成360度，满足正反馈相位的条件。

在F 确定后，其振幅增加的主要是靠提高震荡管的静态电流值。

但是如果静态电流值取得太大，震荡管容易进入饱和区，输出阻抗降低使震荡波形失真。

所以一般取A A I o 4m -0.5m c =。

对于三极管放大电路设计如下：
根据三极管放大电路的设计准则，电路图如下：
在三极管工作在放大状态的情况下，工程上一般取V BQ =（3-5）V ，I 1=（5-10）I BQ ，但是因为这里用的VCC 仅有3V ，则取V BQ =1.7V 。

CC BQ V R R R V 2
12+= =1.7V 设R 1=10k ，求得R 2=14.3k 。

集电极电流
44R V R V V I I BQ BEQ
BQ EQ CQ ≈-=≈
设mA I CQ 3=，则取4R =330Ω，V V BEQ 0.7=。

基极电流
mA mA I I CQ BQ 0.03100
3===
β 集电极-射极电压
)(43R R I V V CQ CC CEQ +-=
由于V V BEQ 0.7=，因此为了保证反馈回路的F 大小在1/2-1/8之间，取F 为0.35，则V V CEQ 2=。

由于CC CEQ V V <，则满足条件。

求得：
Ω=41.253R
放大电路的参数则全部求出：
Ω=Ω=Ω=Ω=33025.41,3.14,10k 4321R R k R R ，。

3、设计回路：
上图为所需设计的元件，三极管交流回路如下：
根据交流回路可知，交流回路反馈F 满足：
0.352
1≈=
C C F 取C 3=350uF ，则C 4=1000uF 。

该电路的震荡频率为： 3
1021f C L π= 其中13C C <<，23C C <<。

上式可见,振荡频率基本上与C1、C2无关,因
此,可选C1、C2的值远大于极间电容,这就减小了极间电容变化对振荡频率的影响,提高了振荡频率的稳定性。

电路图如下所示：
LC 回路谐振电阻R0反射到三极管集、射极的等效负载电阻为：
EQ R C C R 2
230⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛= 由上式可知：若C 3调至较小时,将使变小,导致电路增益下降,因此,这一电路的振荡频率只能在小范围内调节,否则将出现输出幅度明显下降的现象。

当在电感旁并联一个电容，则就构成了席勒振荡电路。

电路图如下图所示：
由于LC 回路的谐振电阻R EQ 反射到三极管集、射极间的等效负载电阻
EQ R C C C R 234
3'0+=
而C3>>C4,当C4变小时, 变化程度不如式GS0813那样显著,从而削弱了振荡幅度受频率改变的影响。

因此,席勒振荡电路的频率调节范围较克拉泼电路要宽,由图I0823可知,当C3<<C1、C3<<C2时,振荡频率为：
)
(21f 4310C C L +=π 改进型电容三点式振荡电路除具有电容三点式振荡电路的特点外,还具有频率稳定度高的优点。

实验仿真
当电路参数如图所示。

C 4为12uf ，C 3为120uf 时，负载10k ，波形如图所示。

峰值有0.02V 。

当电路参数如图所示。

C4为12mf，C3为120uf时，负载10k，波形如图所示。

峰值有0.003V。