克拉泼改进型电容三点式振荡器

克拉泼改进型电容三点式振荡器 前言 .............................................................. 1 工程概况 .......................................................... 1 正文 .............................................................. 1 3.1设计的目的和意义 ............................................... 1 3.1.1设计目的 .................................................... 1 3.1.2设计意义 .................................................... 1 3.2克拉泼电容三点式振荡电路的基本原理 ............................. 1 3.2.1 振荡器组成原则 .............................................. 1 3.3.2改进型电容三点式（克拉泼振荡器）的由来 ....................... 2 3.2.3 克拉泼振荡器的电路 ...................................... 2 3.2.4克拉泼振荡器的起振条件 ....................................... 3 3.2.5克拉泼振荡器的振荡频率 ....................................... 3 3.2.6克拉泼振荡器的电容参数影响 ................................... 4 3.3设计方法和内容 ................................................. 5 3.3.1电容三点式和改进型电容三点式仿真比较 ......................... 5 3.3.2克拉泼振荡器电容参数改变对波形的影响 ......................... 6 3.5结论 .......................................................... 7 致谢 .............................................................. 7 参考文献 .......................................................... 8 振荡器用于产生一定频率和幅度的信号，它不需要外加输入信号的控制，就能自动的将直流电能转化为所需要的交流能量输出。振荡器的种类很多，根据产生振荡波形的不同，可分为正弦波振荡器和非正弦波震荡器。正弦波振荡器从组成原理来看，可分为反馈振荡器和负阻振荡器。正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器称为LC正弦振荡器。三点式振荡器属于LC振荡器的一种，由于电容三点式频率调节不便引起电路工作性能的不稳定使该电路只适宜产生固定频率的振荡，所以选择了改进型电容三点式（克拉泼电路），即在电容三点式电路的基础上，在谐振回路的电感支路上串联一个可调电容。此次设计的电路是建立在反馈电路基础之上的，在熟悉了改进型电容三点式的原理下，对电路进行仿真，由输出波形比较它们的不同，最后得出可调电容的值越大，振荡频率稳定度越高。振荡器在现代科学技术领域有着广泛的应用，例如，在无线电通信、广播、电视设备中来产生所需要的载波和本机振荡信号；在电子测量仪器中用来产生各种频段的正弦信号。 此次课程设计是在multisim软件下对改进型电容三点式克拉泼电路的输出波形进行仿真。由于振荡器的种类很多，适用的范围也不相同，但它们的基本原理都是相同的，都由放大器和选频网络组成，都要满足起振，平衡和稳定条件。本次课程设计要求振荡器的输出频率为10Mhz，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。此次可设用了两周的时间，对改进型电容三点式克拉泼电路进行仿真，发现了克拉泼电路的优缺点。 3.1设计的目的和意义 3.1.1设计目的 熟悉multisim软件，运用软件里的一些元器件连接电路图，完成课程设计：改变型电容三点式（克拉泼电路）设计仿真。 1.对改进型电容三点式（克拉泼电路）进行输出波形仿真，并分析。 3.调节可变电容的值，观察输出波形的变化，并与实际理论值进行比较。 3.1.2设计意义 设计的改进型电容三点式电路克服了电容三点式电路的频率高的缺点，在实际应用中的范围更加广泛。 3.2克拉泼电容三点式振荡电路的基本原理 3.2.1 振荡器组成原则 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点式振荡器，如图所示： 第 1 页 共 8页 图3-1三点震荡器一般形式 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，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。也就是说上图中Zbe、Zce与Zbc的性质必须相反振荡器才能起振。 3.3.2改进型电容三点式（克拉泼振荡器）的由来 在电容三点式电路中，要减小极间电容在回路总电容中的比重，可以采用部分接入的方法。一种电容三点式振荡器的改进型电路——克拉泼振荡器就是从这一点出发得到的。在电容三点式振荡器电路的回路中仅多加一个与C1、C2相串联的电容C3即构成了克拉泼振荡器。 3.2.3 克拉泼振荡器的电路分析 (a) 实际电路 (b)交流通路 图3-2 克拉泼振荡器原理图 图1（a）和（b）分别是克拉泼振荡器的实际电路和相应的交流通路。由图3-2（a）可 C3相串联的电容C3。知，克拉泼电路与电容三点式电路的差别，仅在回路中多加一个与C1、 通常C3取值较小，满足C3??C1，C3??C2，回路总电容主要取决于C3。而回路中的不 第 2 页 共 8页 稳定电容主要是三极管的极间电容Cce、Cbe、Ccb，它们又都直接并接在C1、C2上，不影响C3值，结果是减小了这些不稳定电容对振荡频率的影响，而且C3越小，这种影响就越小，环路增益就越小，回路标准性就越高。实际情况下，克拉泼电路的频稳度大体上比电容三点式电路高一个量级，达10?4~10?5。 3.2.4克拉泼振荡器的起振条件 （a）克拉泼电路 （b）开环电路 图3-3克拉泼电路及其开环电路 在如图（a）所示的克拉泼电路中，L、C3的串联支路呈感性，符合三点式电路的组成法则，即与发射极连接的为C1和C2，而不与发射极连接的为感性电抗。该电路满足相位平衡条件。在×处断开，可以得到如图（b）所示的开环电路。它的反馈网络的反馈系数保持 ?)，C2??C2?Cb?e，不同的仅是RL?(?RL//Re0)需要通过C3不变，仍为n?C1/(C1?C2 ?/(C1?C2?))的电容分压网路折算到集电极上，折算后的数值为n2RL?（或和C1,2(?C1C2 2?/n2?）gLgL，其中n2?C3/(C3?C1,2)。因此，该电路的振幅起振条件为 2 gL/n?n2gi 其中，gi?re。 '22n?1 3.2.5克拉泼振荡器的振荡频率 克拉泼振荡电路是在电容三点式振荡电路的基础上，采用L和C3的串联电路代替原来的L而构成的。由图3-2（b）可知，在工作频率上，L与C3串联支路应等效为一个电感，C1和C2以及并接在C1，C2上的Cce，Cbe只是整个回路电容的一部分，晶体管以部分接入的方式与回路联接，这样就减弱了晶体管与回路的耦合。由于C3??C1，C3??C2，因而 第 3 页 共 8页 提高回路标准性。但C3取值过小，振荡器就不会满足振幅起振条件而停振。 3.3设计方法和内容 3.3.1电容三点式和改进型电容三点式仿真比较 图3-4 电容三点式电路仿真 图3-5电容三点式输出波形仿真 与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感支路上串连一个电容。但它有以下特点： 1、振荡频率改变不影响反馈系数； 2、震荡幅度比较稳定； 3、电路中C3为变电容，调整它可一定范围内调整震荡频率； 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，克拉泼振荡器适合作固定频率振荡器。 图3-6改进型电容三点式-克拉泼电路共基极仿真电路 图3-7改进型电容三点式(克拉泼电路)输出波形仿真 比较电容三点式电路和改进型电容三点式电路，可以发现，电容三点式的优点是电容对高次谐波呈现较小容抗，反馈信号中高次谐波分量小，故震荡输出波形好；缺点是频率调节不方便，只适用于频率调节范围不大的场合，而且晶体管之间会存在寄生电容，他们均与谐振回路并联，会使振荡频率发生偏移，同时极间电容会随晶体管的工作状态变化。改进型电容三点式(克拉泼电路)的优点是减小晶体管的极间电容，使振荡频率稳定度明显提高了；缺点接入可变电容后，使晶体管的输出端和回路耦合减弱，放大器的放大倍数减小，从而使振荡器输出的幅度小。 3.3.2克拉泼振荡器电容参数改变对波形的影响 由克拉泼振荡器的起振条件可知，当C3改变时会对电路的起振条件会产生很大的影响。如果C3取值过小，振荡器就不会不满足振幅起振条件而停振。设C3为15pF，20%时，可以得到电路的仿真波形如图所示。可发现，波形明显失真了。 图3-8 改变C3后的仿真波形 3.5结论 电容三点式振荡器的反馈信号取自电容 两端，因为电容对高次谐波呈现较小的容抗，反馈信号中高次谐波分量小，故震荡输出波形好。但当通过改变 或 来调节振荡频率时，同时会改变正反馈量的大小，因而会使输出型号幅度发生变化，甚至会使振荡器停振，所以电容三点式振荡电路频率调节很不方便，故使用于频率调节范围不大的场合。而改进型电容三点式仅在谐振回路电感支路增加了一个电容 ，却能克服这些缺点。 经过两周的时间，终于顺利的完成了此次课程设计，回顾这次课程设计的过程，感觉自己收获了很多，同时也发现了自身存在一些问题，我发现了自己对书本上的知识掌握的不好，理解的程度也不够。 这次课程设计，通过查阅相关资料和对课本知识的仔细研究，使我对抽象的理论有了具体的认识，我掌握了电容三点式、改进型电容三点式电路的原理以及优缺点，熟悉了multisim软件的使用和电路图的仿真，以及改变参数时对仿真图形进行比较和分析。对于电路的设计过程我以为电容三点式振荡器的设计很难，设计比较烦琐，有静态工作点的要求，各电阻、电容值的设计，还有好多要求，看起来十分复杂。后来通过查资料，才了解到先要计算好各电阻的值，再根据各电容的作用，确定电容的值，画出电路图，一切都会变得简单。同样，在这次课程设计中也遇到了不少问题，尤其是编辑公式时，操作不灵便，编辑好的文档没有及时保存，以至于从头再来，浪费了很多时间。但吃一堑长一智，现在遇到这些问题，及时解决，以后再做这类事情就会多一点，就会少出一些类似问题。 回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 [1]胡宴如 耿苏燕，《高频电子线路》，高等教育出版社，2009年1月 [2]沈伟慈，《高频电路》，西安电子科技大学出版社，2000年 [3]于洪珍，《通信电子线路》，清华大学出版社。2005年6月 [4]高吉祥，《高频电子线路》，电子工业出版社，2003年 [5]清华大学通信教研组，《高频电路》，人民邮电出版社，1980年 [6]姚福安，《电子电路设计与实践》，山东科学技术出版社，2003年 [7]姜威，《使用电子系统设计基础》，北京理工大学出版社，2008年1月 前言 .............................................................. 1 工程概况 .......................................................... 1 正文 .............................................................. 1 3.1设计的目的和意义 ............................................... 1 3.1.1设计目的 .................................................... 1 3.1.2设计意义 .................................................... 1 3.2克拉泼电容三点式振荡电路的基本原理 ............................. 1 3.2.1 振荡器组成原则 .............................................. 1 3.3.2改进型电容三点式（克拉泼振荡器）的由来 ....................... 2 3.2.3 克拉泼振荡器的电路分析 ...................................... 2 3.2.4克拉泼振荡器的起振条件 ....................................... 3 3.2.5克拉泼振荡器的振荡频率 ....................................... 3 3.2.6克拉泼振荡器的电容参数影响 ................................... 4 3.3设计方法和内容 ................................................. 5 3.3.1电容三点式和改进型电容三点式仿真比较 ......................... 5 3.3.2克拉泼振荡器电容参数改变对波形的影响 ......................... 6 3.5结论 .......................................................... 7 致谢 .............................................................. 7 参考文献 .......................................................... 8 振荡器用于产生一定频率和幅度的信号，它不需要外加输入信号的控制，就能自动的将直流电能转化为所需要的交流能量输出。振荡器的种类很多，根据产生振荡波形的不同，可分为正弦波振荡器和非正弦波震荡器。正弦波振荡器从组成原理来看，可分为反馈振荡器和负阻振荡器。正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器称为LC正弦振荡器。三点式振荡器属于LC振荡器的一种，由于电容三点式频率调节不便引起电路工作性能的不稳定使该电路只适宜产生固定频率的振荡，所以选择了改进型电容三点式（克拉泼电路），即在电容三点式电路的基础上，在谐振回路的电感支路上串联一个可调电容。此次设计的电路是建立在反馈电路基础之上的，在熟悉了改进型电容三点式的原理下，对电路进行仿真，由输出波形比较它们的不同，最后得出可调电容的值越大，振荡频率稳定度越高。振荡器在现代科学技术领域有着广泛的应用，例如，在无线电通信、广播、电视设备中来产生所需要的载波和本机振荡信号；在电子测量仪器中用来产生各种频段的正弦信号。 此次课程设计是在multisim软件下对改进型电容三点式克拉泼电路的输出波形进行仿真。由于振荡器的种类很多，适用的范围也不相同，但它们的基本原理都是相同的，都由放大器和选频网络组成，都要满足起振，平衡和稳定条件。本次课程设计要求振荡器的输出频率为10Mhz，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。此次可设用了两周的时间，对改进型电容三点式克拉泼电路进行仿真，发现了克拉泼电路的优缺点。 3.1设计的目的和意义 3.1.1设计目的 熟悉multisim软件，运用软件里的一些元器件连接电路图，完成课程设计：改变型电容三点式（克拉泼电路）设计仿真。 1.对改进型电容三点式（克拉泼电路）进行输出波形仿真，并分析。 3.调节可变电容的值，观察输出波形的变化，并与实际理论值进行比较。 3.1.2设计意义 设计的改进型电容三点式电路克服了电容三点式电路的频率高的缺点，在实际应用中的范围更加广泛。 3.2克拉泼电容三点式振荡电路的基本原理 3.2.1 振荡器组成原则 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点式振荡器，如图所示： 第 1 页 共 8页 图3-1三点震荡器一般形式 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，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。也就是说上图中Zbe、Zce与Zbc的性质必须相反振荡器才能起振。 3.3.2改进型电容三点式（克拉泼振荡器）的由来 在电容三点式电路中，要减小极间电容在回路总电容中的比重，可以采用部分接入的方法。一种电容三点式振荡器的改进型电路——克拉泼振荡器就是从这一点出发得到的。在电容三点式振荡器电路的回路中仅多加一个与C1、C2相串联的电容C3即构成了克拉泼振荡器。 3.2.3 克拉泼振荡器的电路分析 (a) 实际电路 (b)交流通路 图3-2 克拉泼振荡器原理图 图1（a）和（b）分别是克拉泼振荡器的实际电路和相应的交流通路。由图3-2（a）可 C3相串联的电容C3。知，克拉泼电路与电容三点式电路的差别，仅在回路中多加一个与C1、 通常C3取值较小，满足C3??C1，C3??C2，回路总电容主要取决于C3。而回路中的不 第 2 页 共 8页 稳定电容主要是三极管的极间电容Cce、Cbe、Ccb，它们又都直接并接在C1、C2上，不影响C3值，结果是减小了这些不稳定电容对振荡频率的影响，而且C3越小，这种影响就越小，环路增益就越小，回路标准性就越高。实际情况下，克拉泼电路的频稳度大体上比电容三点式电路高一个量级，达10?4~10?5。 3.2.4克拉泼振荡器的起振条件 （a）克拉泼电路 （b）开环电路 图3-3克拉泼电路及其开环电路 在如图（a）所示的克拉泼电路中，L、C3的串联支路呈感性，符合三点式电路的组成法则，即与发射极连接的为C1和C2，而不与发射极连接的为感性电抗。该电路满足相位平衡条件。在×处断开，可以得到如图（b）所示的开环电路。它的反馈网络的反馈系数保持 ?)，C2??C2?Cb?e，不同的仅是RL?(?RL//Re0)需要通过C3不变，仍为n?C1/(C1?C2 ?/(C1?C2?))的电容分压网路折算到集电极上，折算后的数值为n2RL?（或和C1,2(?C1C2 2?/n2?）gLgL，其中n2?C3/(C3?C1,2)。因此，该电路的振幅起振条件为 2 gL/n?n2gi 其中，gi?re。 '22n?1 3.2.5克拉泼振荡器的振荡频率 克拉泼振荡电路是在电容三点式振荡电路的基础上，采用L和C3的串联电路代替原来的L而构成的。由图3-2（b）可知，在工作频率上，L与C3串联支路应等效为一个电感，C1和C2以及并接在C1，C2上的Cce，Cbe只是整个回路电容的一部分，晶体管以部分接入的方式与回路联接，这样就减弱了晶体管与回路的耦合。由于C3??C1，C3??C2，因而 第 3 页 共 8页