电感三点式正弦波振荡器的设计.

振荡器（英文：oscillator）是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。

其构成的电路叫振荡电路，能将直流信号转换为具有一定频率的交流电信号输出。

振荡器的种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。

广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。

三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。

三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合, 可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点, 是一种广泛应用的振荡电路, 其工作频率可达到几百兆赫。

本文将围绕高频电感三点式正弦波振荡器进行具有具体功能的振荡器的理论分析与设计。

关键词：高频；电感三点式；正弦波；振荡器；缓冲级摘要 (1)目录 (2)第一章正弦波振荡器 (3)1.1反馈振荡器产生振荡的原因及其工作原理 (3)1.2平衡条件 (4)1.3起振条件 (4)1.4稳定条件 (4)第二章硬件电路设计 (5)2.1三点式振荡器的组成原则 (5)2.2电感三点式振荡器 (5)2.3 振荡器设计的模块分析 (5)第三章仿真软件Multisim11.0 简介 (7)3.1 Multisim 基本概念 (9)3.2 Multisim 软件启动界面 (9)3.3 Multisim 仿真软件的特点 (9)第四章仿真与调试 (12)4.1 仿真 (12)4.2 分析调试 (15)第五章心得体会 (16)参考文献 (16)附录一:元件清单 (18)附录二:总电路 (19)答辩记录及评分表 (20)第一章正弦波振荡器振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。

与放大器的区别：无需外加激励信号，就能产生具有一定频率、波形和振幅的交流信号。

由晶体管等有源器件和具有某种选频能力的无源网络组成。

正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。

反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。

所谓产生振荡是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。

负阻式振荡器则是将一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。

1.1 反馈振荡器产生振荡的原因及其工作原理反馈型振荡器是通过正反馈联接方式实现等幅正弦振荡的电路。

这种电路由两部分组成，一是放大电路，二是反馈网络。

图1.1所示为反馈振荡器构成方框图及相应电路。

由图可知，当开关S在 1 的位置，放大器的输入端外加一定频率和幅度的正弦波信号Ui，这一信号经放大器放大后，在输出端产生输出信号UO，若UO经反馈网络并在反馈网络输出端得到的反馈信号Uf与Ui不仅大小相等，而且相位也相同，即实现了正反馈。

若此时除去外加信号，将开关由 1 端转接到 2 端，使放大器和反馈网络构成一个闭环系统，那么，在没有外加信号的情况下，输出端仍可维持一定幅度的电压UO输出，从而实现了自激振荡的目的。

图1.1 反馈振荡器的结构网络图为了使振荡器的输出U O为一个固定频率的正弦波，图1.1 所示的闭合环路内必须含有选频网络，使得只有选频网络中心频率的信号满足U f与U i相同的条件而产生自激振荡，对其他频率的信号不满足U f与U i相同的条件而不产生振荡。

选频网络可与放大器相结合构成选频放大器，也可与选频网络相结合构成选频反馈网络。

1.2平衡条件振荡器的平衡条件即为1)()()(==ωωωj F j K j T也可以表示为()1T j KF ω==20,1,2T K F n n φφφπ=+==⋅⋅⋅即为振幅平衡条件和相位平衡条件。

平衡状态下，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时输出幅度将不在变化：振幅平衡条件决定了振荡器输出信号振幅的大小；环路只有在某一特定的频率上才能满足相位平衡条件：相位平衡条件决定了振荡器输出信号频率的大小。

1.3起振条件振荡器在实际应用时不应有外加信号，而应是一加上电后即产生输出；振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声。

振荡开始时激励信号很弱，为使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡。

由()()()1i i T j U j U j ωωω'>>，可知，1)(>ωj T 称为自激振荡的起振条件，也可写为()1f L T j Y R F ω'=>20,1,2,T f L F n n φφφφπ'=++==⋅⋅⋅分别称为起振的振幅条件和相位条件，其中起振的相位条件即为正反馈条件。

1.4稳定条件振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。

(1)振幅稳定条件要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。

具体来说，0i iA U U i KU =∂<∂就是在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益将减小，从而使振幅减小。

(2)相位稳定条件振荡器的相位平衡条件是φT （ω0）＝２ｎπ。

在振荡器工作时, 某些不稳定因素可能破坏这一平衡条件。

如电源电压的波动或工作点的变化可能使晶体管内部电容参数发生变化, 从而造成相位的变化, 产生一个偏移量Δφ。

由于瞬时角频率是瞬时相位的导数, 所以瞬时角频率也将随着发生变化。

为了保证相位稳定, 要求振荡器的相频特性φT （ω）在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力。

具体来说, 在平衡点ω=ω0附近, 当不稳定因素使瞬时角频率ω增大时, 相频特性φT （ω0）应产生一个-Δφ, 从而产生一个-Δω, 使瞬时角频率ω减小。

第二章硬件电路设计2.1三点式振荡器的组成原则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2.1所示。

X1、X2、X3三个电抗元件构成了决定振荡频率的并联谐振回路，同时也构成了正反馈所需的反馈网络。

根据谐振回路的性质，谐振时回路应呈纯电阻性，因而有1230X X X++=三个电抗元件不能同时为感抗或容抗，必须由两种不同性质的电抗元件组成。

图2.1 反馈网络三端式振荡器能否振荡的原则：（1）X1和X2的电抗性质相同；（2）X3与X1、X2的电抗性质相反。

即射同余异，源同余异。

2.2电感三点式振荡器X1和X2为感性，X3为容性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电感元件完成的，称为电感反馈振荡器，也称为哈特莱(Hartley)振荡器。

(a) 电容反馈振荡器(b) 电感反馈振荡器图 2.2 两种基本的三端式振荡器(a) 实际电路 (b) 交流等效电路(c) 高频等效电路图2.3 电感反馈振荡器电路电感反馈振荡器中，电感通常是绕在同一带磁芯的骨架上，它们之间存在互感，用M 表示。

同电容反馈振荡器的分析一样，振荡器的振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示，即101LCωω≈=L 为回路的总电感，122L L L M =++ 由相位平衡条件分析，振荡器的振荡频率表达式为12121()()ie oe L LC g g g L L M ω='++-式中的Lg '与电容反馈振荡器相同，表示除晶体管以外的电路中所有电导折算到CE 两端后的总电导。

振荡频率近似用回路的谐振频率表示时其偏差较小，而且线圈耦合越紧，偏差越小。

电感反馈式三端振荡器优点(1)容易起振 (2)调整频率方便，变电容而不影响反馈系数。

缺点(1) 振荡波形不够好，高次谐波反馈较强，波形失真较大。

(2) 不适于很高频率工作。

2．3 振荡器设计的模块分析如图2.4所示即为设计的第一个模块，也是此次设计的主要模块——振荡电路模块。

图2.4 振荡电路模块原理图与前面的对振荡器电路的分析一样，图2.4中的R1、R2和R3均为电路的偏置电阻，C1、C2分别为旁路电容和隔直流电容，而C1、L1和L2的连接方式也符合电感三点式振荡器的原则，因此整个电路就构成了设计所需要的振荡电路。

由振荡器的原理可以看出，振荡器实际上是一个具有反馈的非线性系统，精确计算是很困难的，而且也是不必要的。

因此，振荡器的设计通常是进行一些设计考虑和近似估算，选择合理的线路和工作点，确定元件的参数值，而工作状态和元件的准确数值需要在调试中最后确定。

设计时一般都要考虑一下一些问题：（1）晶体管的选择从稳频的角度出发，应选择T f 较高的晶体管，这样的晶体管内部相移较小。

通常选择T 1max (310)f f >。

同时希望电流放大系数β大些，这既容易振荡，也便于减小晶体管和回路之间的耦合。

虽然不要求振荡器中的晶体管输出多大的功率，但考虑到稳频等因素，晶体管的额定功率也应有足够的余量。

因此，在本次设计中将会 选取BC107BP 作为振荡电路的三极管。

该三极管的集电极电流最大值为800mA ，在25℃时其功率可达到0.5W ，最大集电极电压可达30V ，足够满足此次设计的各方面要求。

（2）直流馈电线路的选择为保证振荡器起振的振幅条件，起振工作点应设置在线性放大区；从稳频出发，稳定状态应该在截至区，而不应在饱和区，否则回路的有载品质因数QL 将降低。

所以，通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路应采用自偏压。

对于小功率晶体管，集电极电流约为1-4mA 。

（3）振荡回路元件的选择从稳频出发，振荡回路中电容C 应尽可能大，但C 过大，不利于波段工作，因此，前页图2.4中各电容均选为100nF 已经可以满足电路的设计要求。

而电感L 原本也应尽可能大，但L 大后，体积大，分布电容大，L 过小，回路的品质因数过小，因此应该合理选择L 的大小。

根据此次设计的要求，输出频率为8MHz ，由计 算公式（式中L=L1+L2+2M,M 为L1和L2之间的互感）以及反馈系数220.1~0.511L M L F L M L +=≈=+的要求，按照图2.4中所示选取L1=5mH,L2=100uH 应该能够满足设计的要求。

第三章仿真软件Multisim11.0 简介3.1 Multisim 基本概念Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。