晶体振荡器的设计

1.课程设计的目的 (3)

2.课程设计的内容 (3)

3.课程设计原理 (3)

4.课程设计的步骤或计算 (5)

5.课程设计的结果与结论 (11)

6.参考文献 (16)

一、设计的目的

设计一个晶振频率为20MHz，输出信号幅度≥5V（峰-峰值），可调的晶体振荡器

二、设计的内容

本次课程设计要求振荡器的输出频率为20Mhz，属于高频范围。所以选择LC振荡器作为参考对象，再考虑输出频率和振幅的稳定性，最终选择了克拉泼振荡器。通过ORCAD的设计与仿真，Protel绘制PCB版图，得到了与理论值比较相近的结果，这表明电路的原理设计是比较成功的，本次课程设计也是比较成功的。

三、设计原理

1． 振荡器的概述

在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有在没有激励信号的情况下产生周期性振荡信号的电子线路，这种电子线路就是振荡器。

振荡器是一种能量转换器，它不需要外部激励就能自动地将直流电源共给的功率转换为制定频率和振幅的交流信号功率输出。振荡器一般由晶体管等有源器件和某种具有选频能力的无源网络组成。

振荡器的种类很多，根据工作原理可分为反馈型振荡器和负阻型振荡器，根据所产生的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器；根据选频网络可分为LC 振荡器﹑晶体振荡器﹑RC 振荡器等。

2．振荡器的振荡条件

反馈型振荡器的原理框图如下：

图1.1 反馈型振荡器的原理框图

如图1，放大器的电压放大倍数为K(s)，反馈网络的电压反馈系数为F(s)，则闭环电压放大倍数Ku(s)的表达式为[1]：

K u (s)=

)

()

(s Us s Uo ( 1—1)

由 K(s)=

)

()

(s Ui s Uo (1—2) F(s)=

)

()

(s Uo s i U ' (1—3) U i(s)=U s (s)+)(s i U ' (1—4)

得 K u (s)=

)()(1)(s F s K s K -=)

(1)

(s T s K - (1—5)

其中T(s)=K(s)F(s)=

)

()

(s Ui s i U ' (1—6) 称为反馈系统的环路增益。用s=j ω带入就得到稳态下的传输系数和环路增益。由式(1—5)可知，若在某一频率ω=ω1上T(j ω)，Ku （j ω）将趋近于无穷大，这表明即使没有外加信号，也可以维持振荡输出。因此自激振荡的条件就是环路增益为1，即

T(j ω)=K(j ω)F((j ω)=1 (1—7) 通常称为振荡器的平衡条件。

由式(1—6)还可知|T(j ω)|>1，|)(ωj i U '|>|Ui (j ω)|,形成增幅振荡。 |T(j ω)|<1, |)(ωj i U '|<|Ui (j ω)|,形成减幅振荡。 综上，正弦波振荡器的平衡条件为：

T(j ω)=K(j ω)F((j ω)=1

也可表示为|T(j ω)|=KF=1 (1—8a) T ϕ=ϕK+ϕF=2n π n=0,1,2,3…… (1—8b) 式(1—8a)和(1—8b)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。 起振条件

振幅起振条件：|T(j ω)|=KF>1

相位起振条件：T ϕ=ϕK+ϕF=2n π n=0,1,2,3…… 稳定条件：

振幅稳定条件：

Ui T

∂∂|Ui=UiA <0 相位稳定条件：Ui

K

∂∂| Ui=UiA <0

四、设计的步骤或计算

方案的确定

方案一：RC 桥式振荡电路：

图2.1 RC 桥式振荡电路[2]

由图知，在ω=ω0=1/RC 时，经RC 选频网络传输到运放同相端的电压V f 与V

o 同

相，即有ϕf=0和ϕa+ϕf=0。这样，放大电路和由Z1、Z2组成的反馈网络刚好形成正反馈系统，可以满足相位平衡条件，因而有可能振荡。

再考虑振幅振荡条件,所为建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡，将直流电源的能量变为交流信号输出。对于RC 振荡电路来说，直流电源即使能源。那么自激

的因素又是什么呢？由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中也包括ω=ω0=1/RC 这样一个频率成分。这种微弱的信号经过放大，通过正反馈的选频网络，使输出幅度越来越大，最后受电路中非线性元件的控制，使振荡幅度自动稳定下来，开始时，Av=1+R f/R1

略大于3，达到稳定平衡状态时，A

v =3,F v=1/3(ω=ω0=1/RC)。

方案二：LC 选频放大电路：

基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器, 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, 如图所示。

图2.2 三端式振荡器的组成

根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性, 因而有

一般情况下, 回路Q 值很高, 因此回路电流远大于晶体管的基极电流 İb 、集电极电

流 İ c 以及发射极电流 İe, 故由图5 ─ 5有

因此X 1、 X 2应为同性质的电抗元件。

LC 振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。

I .

3

0321=++X X X ⋅

⋅

⋅

⋅

-==I jX U I

jX U c 12

(1)互感耦合振荡器[3]

互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦合量M ，使之满足振幅起振条件很重要。

互感耦合振荡器有三种形式：调基电路、调集电路和调发电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射极电路来区分的。

图2.3 调基电路振荡器

调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较平衡。

由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q 值，故在调基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。

图2.4 调集电路振荡器

调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成分较小。

R R

CC

R R