1、摘要本設(shè)計(jì)介紹了以電容三點(diǎn)式振蕩器為基礎(chǔ)，以變?nèi)荻O管為核心的lc正弦波壓控振蕩器的設(shè)計(jì)過程。電路中選頻網(wǎng)絡(luò)由電感l(wèi)和電容c組成，為了達(dá)到振蕩頻率變化范圍，使用了變?nèi)荻O管，同時(shí)振蕩電路的晶體管2sc1815具有放大作用，從而使電路能夠得到足夠的放大效果，更好的觀察輸出結(jié)果。又由于負(fù)載的變動(dòng)，會(huì)影響到振蕩頻率。因此，經(jīng)由緩沖放大器后再與負(fù)載連接。所以這里又使用了緩沖放大器為使用高輸入阻抗的射隨器。系統(tǒng)采用了控制電壓從而改變電容的方法，即改變變?nèi)荻O管兩端電壓從而控制電容的方法，最后實(shí)現(xiàn)lc正弦波振蕩器的基本功能。設(shè)計(jì)中主要用到了多種方法的論證與比較，最后選擇其中的比較合適的電路進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)，

2、因此可以使設(shè)計(jì)方案得到更優(yōu)的完善，且得到設(shè)計(jì)預(yù)期的結(jié)果。關(guān)鍵詞：電容三點(diǎn)式振蕩器，變?nèi)荻O管，2sc1815。abstract the design introduced to the inductive three-point oscillator as the basis, the core varactor vco lc sine wave design process. selected frequency network circuit inductor l and capacitor c by the composition, in order to achieve the osc

3、illation frequency range, the use of varactor diodes, transistors 2sc1815 oscillation circuit also has a zoom function, so that the circuit can be enlarged enough to effect a better observation of the output results. also, because the load changes, will affect the oscillation frequency. therefore, t

4、hrough the buffer amplifier and then connected with the load. so here they use the buffer amplifier with high input impedance for the emitter-follower. system uses a control voltage to change the capacitance method, which changes the voltage across the varactor diode to control the capacitance metho

5、d, the final realization of the basic functions of lc sinusoidal oscillator. design of the main arguments used in a variety of methods and comparison, the final choice of which circuit is more suitable for practical design, the design can be better improved, and by design the desired results. keywor

6、ds: inductive three-point oscillator, varactor, 2sc1815. 1緒論在通信技術(shù)等領(lǐng)域，正弦波振蕩器應(yīng)用非常廣泛，如發(fā)射機(jī)中正弦波振蕩器提供指定頻率的載波信號，在接收機(jī)中作為混頻所需的本地振蕩信號或作為解調(diào)所需的恢復(fù)載波信號等。另外，在自動(dòng)控制及電子測量等其他領(lǐng)域，正弦波振蕩器也有廣泛的應(yīng)用。因此，研究正弦波振蕩器的發(fā)生原理很有意義。常見的正弦波振蕩器按工作原理可分為反饋型振蕩器和負(fù)阻型振蕩器等；根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所使用的元件可分為lc振蕩器、晶體振蕩器、rc振蕩器等。著眼于無線通信基礎(chǔ)電路的研究，了解并掌握一定的lc振蕩器顯得很有必要。本設(shè)計(jì)在分析

7、了電容三點(diǎn)式振蕩器、電感三點(diǎn)式振蕩器及改進(jìn)型電容反饋型振蕩器后，分析出通過電壓變化控制正弦波頻率變化的方案。正弦波壓控振蕩器正式基于這個(gè)原理產(chǎn)生的，所以本次設(shè)計(jì)在正弦波振蕩器的改進(jìn)基礎(chǔ)上更進(jìn)一步加深并拓展了lc振蕩電路的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)的核心部分變?nèi)荻O管也是在研究分析后通過仿真進(jìn)行確定的，在考慮了變?nèi)荻O管的性能后選定合適的型號。2 原理分析及方案選擇2.1 vco原理分析在lc振蕩器決定振蕩頻率的lc回路中，使用電壓控制電容器（變?nèi)莨埽?，可以在一定的頻率范圍內(nèi)構(gòu)成電調(diào)諧振蕩器。這種包含有壓控元件作為頻率控制器件的振蕩器成為壓控振蕩器。它還廣泛用于頻率調(diào)制器、鎖相環(huán)路，以及無線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)

8、中。在壓控振蕩器中，振蕩頻率應(yīng)只隨加在變?nèi)莨苌系目刂齐妷憾兓?，但在?shí)際電路中，振蕩器也加在變?nèi)荻O管兩端，這使得振蕩頻率在一定程度上也隨振蕩幅度而變化，這是不希望的。為了減小振蕩頻率隨振蕩幅度的變化，應(yīng)盡量減小振蕩器的輸出振蕩電壓幅度，并使變?nèi)莨芄ぷ髟谳^大的固定直流偏壓（如大于1v）上。下圖給出了壓控振蕩器線路原理圖，這是一個(gè)電容反饋式振蕩器。決定頻率的回路元件為l1、c1、c2和變?nèi)荻O管d1所呈現(xiàn)的電容cj。 圖2.1 壓控振蕩器線路 壓控振蕩器的主要性能指標(biāo)為壓控靈敏度和線性度。壓控靈敏度定義為單位控制電壓引起的振蕩頻率的變化量，用s表示，即： 下圖示出了一壓控振蕩器的頻率控制電壓特性

9、，一般情況下，這種特性是非線性的，非線性程度與變?nèi)荻O管變?nèi)葜笖?shù)及電路形式有關(guān)。 圖2.2 壓控振蕩器的頻率與控制電壓關(guān)系2.2方案選擇2.2.1 lc振蕩器組成原則基本電路就是通常所說的三端式的振蕩器，即lc回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而成的電路，如下。由圖可見，除晶體管外，還有三個(gè)電抗元件x1、x2、x3，它們構(gòu)成了決定振蕩頻率的并聯(lián)諧振回路，同時(shí)也構(gòu)成了正反饋所需的反饋網(wǎng)絡(luò)，為此三者必須滿足一定的關(guān)系。圖2.3三點(diǎn)式振蕩器原理圖根據(jù)諧振回路的性質(zhì)，諧振時(shí)回路應(yīng)呈純電阻性，因而有 三個(gè)電抗元件不能同時(shí)為感抗或容抗，必須由兩種不同性質(zhì)的電抗元件組成。一般情況下，回路q值很高，因此

10、回路電流遠(yuǎn)大于晶體管的基極電流 ?b、集電極電流 ? c以及發(fā)射極電流 ?e，故由圖4-5有 在不考慮晶體管參數(shù)（輸入電阻、極間電容等）的影響并假設(shè)回路諧振時(shí)， 應(yīng)與 同相；因此x1、 x2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件。 三端式振蕩器能否振蕩的原則： （1）x1和 x2的電抗性質(zhì)相同； （2）x3與x1、 x2的電抗性質(zhì)相反。三端式振蕩器有兩種基本電路，如圖4-6所示。圖4-6 (a)中x1和x2為容性，x3為感性，滿足三端式振蕩器的組成原則，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電容元件完成的，稱為電容反饋振蕩器，也稱為考必茲(colpitts)振蕩器。 圖 2.4兩種基本的三端式振蕩器(a) 電容反饋振蕩器; (b) 電感

11、反饋振蕩器 圖2.4中x1和x2為感性，x3為容性，滿足三端式振蕩器的組成原則，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電感元件完成的，稱為電感反饋振蕩器，也稱為哈特萊(hartley)振蕩器。2.2.2電容反饋振蕩器 下圖為電感反饋式振蕩器原理圖 圖 2.5電感反饋式振蕩器原理圖高頻等效電路如下 圖2.6高頻等效通路原理圖電感反饋振蕩器中，電感通常是繞在同一帶磁芯的骨架上，它們之間存在互感，用m表示。同電容反饋振蕩器的分析一樣，振蕩器的振蕩頻率可以用回路的諧振頻率近似表示，即 式中的l為回路的總電感，由圖4-9有 由相位平衡條件分析，振蕩器的振蕩頻率表達(dá)式為 式中的gl與電容反饋振蕩器相同，表示除晶體管以外的電路中所有

12、電導(dǎo)折算到ce兩端后的總電導(dǎo)。振蕩頻率近似用回路的諧振頻率表示時(shí)其偏差較小，而且線圈耦合越緊，偏差越小。工程上在計(jì)算反饋系數(shù)時(shí)不考慮gie的影響，反饋系數(shù)的大小為 由起振條件分析，同樣可得起振時(shí)的gm應(yīng)滿足 電容反饋振蕩器與電感反饋振蕩器比較1）兩種線路都簡單，容易起振。電感反饋振蕩器靠改變線圈抽頭位置來改變反饋值f；而電容反饋振蕩器需要改變c1、c2的比值。2）由于晶體管存在極間電容，對電感反饋振蕩器，極間電容與回路電感并聯(lián)，在頻率高時(shí)極間電容影響大，有可能使電抗的性質(zhì)改變，電感反饋振蕩器的工作頻率不能過高；電容反饋振蕩器，其極間電容與回路電容并聯(lián)，不存在電抗性質(zhì)改變的問題，工作頻率可以較高

13、。2.2.3 電感反饋式振蕩器圖 4-8(a)是一電容反饋振蕩器的實(shí)際電路，圖(c)是其交流等效電路。 圖2.7電容反饋振蕩器原理圖(a) 實(shí)際電路; (c) 高頻小信號等效電路圖 4-8(c)是圖 4-8(a)的高頻小信號等效電路，由于起振時(shí)晶體管工作在小信號線性放大區(qū)，可用小信號y參數(shù)等效電路進(jìn)行分析。為方便起見，等效時(shí)作了相應(yīng)簡化：（1）忽略晶體管內(nèi)部反饋的影響，yre=0；（2）晶體管輸入電容、輸出電容很小，可以忽略它們的影響，也可以將它們包含在回路電容c1、c2中，不單獨(dú)考慮；（3）忽略晶體管集電極電流ic對輸入信號ub的移相作用，yfe用跨導(dǎo)gm表示，gl表示除晶體管以外的電路中所

14、有電導(dǎo)折算到ce兩端后的總電導(dǎo)。 當(dāng)忽略晶體管結(jié)電容的影響后 其中b=0時(shí)符合相位條件，據(jù)此可解出振蕩頻率1。令即 其中c為回路的總電容，且式(4-23)中第二項(xiàng)遠(yuǎn)小于第一項(xiàng)，振蕩器的振蕩頻率可以近似用回路的諧振頻率表示，即 當(dāng)不考慮gie的影響時(shí)，反饋系數(shù)的大小為 所以將gie折算到放大器輸出端，有 放大器總的負(fù)載電導(dǎo)gl為起振條件為：電容反饋振蕩器與電感反饋振蕩器比較（1）振蕩器在穩(wěn)定振蕩時(shí)，晶體管工作在非線性狀態(tài)，在回路中除有基波電壓外還存在少量諧波電壓（其大小與回路q值有關(guān)）。對電容反饋振蕩器，由于反饋是由電容產(chǎn)生的，所以高次諧波在電容上產(chǎn)生的反饋壓降較??；而對電感反饋振蕩器，反饋是由

15、電感產(chǎn)生的，所以高次諧波在電感上產(chǎn)生的反饋壓降較大，因此電容反饋振蕩器的輸出波形比電感反饋振蕩器的輸出波形要好。（2）改變電容能夠調(diào)整振蕩器的工作頻率。電容反饋振蕩器在改變頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變，會(huì)影響振蕩器的振幅起振條件，故電容反饋振蕩器一般工作在固定頻率；電感反饋振蕩器在改變頻率時(shí)，并不影響反饋系數(shù)，工作頻帶較電容反饋振蕩器的寬。但電感反饋振蕩器的工作頻帶不會(huì)很寬，因?yàn)楦淖冾l率將改變回路的諧振阻抗，可能使振蕩器停振。 2.2.4方案確立由于電容反饋振蕩器具有工作頻率高、波形好等優(yōu)點(diǎn)，所以在這里采用電容三點(diǎn)式振蕩器構(gòu)成振蕩的基本回路。由于極間電容對電容反饋振蕩器及電感反饋振蕩器的回路電抗均

16、有影響，所以對振蕩頻率也會(huì)有影響。而極間電容受環(huán)境溫度、電源電壓等因素的影響較大，所以上述兩種電路的頻率穩(wěn)定度不高。為了提高頻率穩(wěn)定度，需要對電路作改進(jìn)以減小晶體管極間電容對回路的影響，這種情況下，可以采用減弱晶體管與回路之間耦合的方法，由此得到兩種改進(jìn)型電容反饋振蕩器1. 克拉潑(clapp)振蕩器圖2.8是克拉潑振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路 。用電感l(wèi)和可變電容c3的串聯(lián)電路代替原電容反饋振蕩器中的電感，且c3c1、c2。只要l和c3串聯(lián)電路在振蕩頻率上等效為一電感，電路即滿足三端式振蕩器的構(gòu)成原則，且屬于電容反饋式振蕩器。 圖 2.8克拉潑振蕩器電路(a) 實(shí)際電路； (b) 交流等效

17、電路由圖2.8可知，回路的總電容為 回路總電容c由c3決定，而極間電容與c1、c2并聯(lián)，對總電容影響很小；并且c1、c2只是回路的一部分，晶體管以部分接入的形式與回路連接，減弱了晶體管與回路之間的耦合。接入系數(shù)：假設(shè)回路的諧振電阻為r0，等效到晶體管兩端的負(fù)載電阻為諧振器的振蕩頻率為反饋系數(shù)為克拉潑振蕩器主要用于固定頻率或波段范圍較窄的場合，其頻率覆蓋系數(shù)（最高工作頻率與最低工作頻率之比）一般只有1.21.3。2. 西勒(siler)振蕩器 圖4-11是西勒振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。其電路結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是與電感l(wèi)并聯(lián)一可變電容c4。 圖 4-11 西勒振蕩器電路(a) 實(shí)際電路; (b)

18、 交流等效電路圖4-11中c4用于改變振蕩器的工作波段，c3對工作頻率起微調(diào)作用?；芈返目傠娙轂?振蕩器的振蕩頻率為 西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器相同，工作頻率的改變主要通過調(diào)整c4完成，并不影響接入系數(shù)，波段內(nèi)輸出幅度較平穩(wěn)。適用于較寬波段工作，其頻率覆蓋系數(shù)可達(dá)1.61.8。綜合以上比較，因?yàn)橐筮_(dá)到10mhz13mhz的正弦波，頻率波段范圍小，故采用克拉波振蕩電路作為基本電路。3 電路設(shè)計(jì)為了達(dá)到電路設(shè)計(jì)要求，在確定克拉波電容反饋振蕩器的基礎(chǔ)上，再加入核心部件變?nèi)荻O管及一定的電壓輸入，通過電路調(diào)節(jié)，即可達(dá)到要求。電路設(shè)計(jì)分兩部分，第一部分為壓控振蕩的第一級，電路圖如下：圖3.1

19、壓控振蕩器第一級輸出電路圖由圖可知，電阻r1、r2、r3構(gòu)成基極偏置回路，調(diào)節(jié)變阻器r3可以保證合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，達(dá)到振蕩器起振的基本要求。電容c2、c3、c4、電感l(wèi)2和變?nèi)荻O管d1構(gòu)成振蕩回路。在滿足c4c2，c3的基礎(chǔ)上，回路電容為頻率所以調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管兩端電壓可以改變cd，從而控制頻率的變化。第二部分為壓控振蕩的輸出級，電路圖如下： 圖3.2 壓控振蕩器第二級輸出電路圖在第一級輸出波形達(dá)到要求的情況下，只需要在第二級加一個(gè)射極跟隨器作為輸出緩沖級，即可達(dá)到接負(fù)載的目的。4.總電路設(shè)計(jì)綜合以上分析，在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，將兩級電路連接起來，在第一級和第二級之間加一個(gè)電容作為隔著耦合電

20、容，接在第一級的輸出級和第二級輸入之間。總電路圖如下： 圖3.1總電路圖偏置電阻參數(shù)如圖所示，其中l(wèi)1起到扼流圈的作用，基極偏置電壓滿足要求。在電路中，加入一個(gè)射極跟隨器，使電壓增益幾乎為1；輸入阻抗高；輸出阻抗低；失真系數(shù)低。放大器能對振蕩器輸入端所加的輸入信號予以放大，使輸出信號保持一定的數(shù)值。級間耦合電容均為100pf；通過c5連接正反饋電路。5調(diào)試與總結(jié)通過multisim仿真軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，最后得到符合要求的正弦波，仿真波形如下： 圖5.1 仿真波形圖通過實(shí)物調(diào)試的波形與仿真波形很接近，能很好地顯示出預(yù)期的波形圖，且失真不大。6.設(shè)計(jì)心得與體會(huì)在本次課程設(shè)計(jì)中，我從各方面的設(shè)計(jì)和構(gòu)思中學(xué)到了許多知識，了解