LC正弦波振荡器课程设计

LC正弦波振荡器

一、设计目的

1、了解LC正弦波振荡器的工作原理。

2、掌握电容三点式正弦波振荡器的设计与主要性能参数测试方法。 3、掌握电感三点式正弦波振荡器的设计与主要性能参数测试方法。 4、掌握克拉泼和西勒振荡器的设计与主要性能参数测试方法。 5、掌握LC正弦波振荡器的装调技术。

二、技术指标和设计要求 1、技术指标

三种正弦波振荡器的技术指标均为： 振荡频率：f010.0MHz； 频率稳定度：f/f0104； 输出幅度：UPP0.3V。

2、设计要求

(1) 设计的宽带高频功率放大器满足技术指标； (2) 拟定测试方案和设计步骤；

(3) 根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图； (4) 在面包板上或万能板上安装电路； (5) 测量各指标数据； (6) 写出设计报告。

四、设计报告要求

1、选定设计方案；

2、拟出设计步骤，画出设计电路，分析并计算主要元件参数值； 3、列出设计电路测试数据表格；

4、进行设计总结和分析，并写出设计报告。

五、设计总结

1、总结三种正弦波振荡器的设计方法和运用到的主要知识点，对设计方案进行比较； 2、主要参数的理论计算；

3、主要参数的测试数据，输出仿真波形； 4、误差分析；

5、设计总结及体会。

摘要

电子线路中，在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为高频信号发生器。

高频信号发生器主要是产生高频正弦震荡波，电路主要由高频振荡电路构成。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。它无需外加激励信号。

常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成， 这就是反馈振荡器。按照选频网络所采用元件的不同， 正弦波振荡器可分为LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型。其中LC振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波。正反馈放大器既可以由晶体管、场效应管等分立器件组成，也可以由集成电路组成。根据所产生的波形不同，可将振荡器分成正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波，后者能产生矩形波、三角波、锯齿波等。

在本课程设计中，着眼于无线电通信的基础电路——LC正弦振荡器的分析和研究。通过对电感反馈式三端振荡器、电容反馈式三端振荡器以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路和西勒电路）的分析、对比和讨论。以求得到一些对实际应用电路有帮助的结论。在课程设计中，使用的仿真软件为EWB。该软件提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路图和文件管理功能。能够让使用者全面的收集电路的相关数据，进而有助于对电路进行改进。

总体来说，课程设计中所涉及的仿真电路是比较简单的。但通过仿真得到的结论在实际的类似电路中有很普遍的意义。本设计选用将西勒振荡器。

关键词 高频、 LC正弦波振荡器、西勒电路、EWB

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目 录

1 反馈振荡器的工作原理 ...................................................................... 6 1.1反馈振荡器产生振荡的基本原理 ................................................ 6 1.2平衡条件 ........................................................................................ 6 1.3起振条件 ........................................................................................ 8 1.4稳定条件 ........................................................................................ 9 1.4.1．振幅稳定条件 .................................................................... 9 1.4.2 相位平衡的稳定条件 .......................................................... 9 1.5振荡器的频率稳定度 ................................................................. 10 1.5.1 频率准确度和频率稳定度 ............................................... 10 1.5.2 提高频率稳定度的措施 ................................................... 10 1.5.3 LC振荡器的设计考虑 ...................................................... 11 2 LC正弦波振荡器 .............................................................................. 12 2.1 LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则 ............................ 12 2.2 电感三点式振荡器 ..................................................................... 14 2.3 电容三点式振荡器 ..................................................................... 13 2.4克拉泼和西勒振荡器 .................................................................. 15 2.4.1克拉泼振荡器 ..................................................................... 15 2.4.2． 西勒振荡器 .................................................................... 15 3 调试与分析 ........................................................................................ 17 3.1调试中的问题 .............................................................................. 17

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3.2各振荡电路的方案比较与分析 ................................................18

3.2.1 电容三点式振荡的特点： ................................................ 18 3.2.2电感三点式振荡特点： ..................................................... 18 3.2.3克拉泼振荡特点： ............................................................. 18 3.2.4西勒振荡器特点： ............................................................. 18 设计体会 ................................................................................................ 19 参考文献 ................................................................................................ 19 附录

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1反馈振荡器的工作原理

1.1反馈振荡器产生振荡的基本原理

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，这一可知，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，若U经反馈网络并在反馈网络输出端得信号经放大器放大后，在输出端产生输出信号Uoo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与U到的反馈信号Uif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输出，从而实现了自激振荡的目的。 加信号的情况下，输出端仍可维持一定幅度的电压Uo 2S 1放大器 o RL U~Ui A

 f 反馈网络 UF

图1.1反馈振荡器的组成方框图

___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为了使振荡器的输出Uo相同的条件而产生自激振荡，对其与 U网络，使得只有选频网络中心频率的信号满足Uif相同的条件而不产生振荡。与U他频率的信号不满足U选频网络可与放大器相结合构成选if频放大器，也可与选频网络相结合构成选频反馈网络。

如上所述，反馈振荡器是把反馈电压作为输入电压，以维持一定的输出电压的。那么，振荡的产生是否就需要在开始的一瞬间外加一个输入信号

Ui，等到产生了输出信号Uo，又

反馈一部分回来，再把输入信号拿走呢？实际上，在电源接通振荡器时，电路内必然会存在微弱的电扰动，如晶体管电流的突增、电路中的热噪声等等，这些电扰就构成原始的输入信号。又由于这些电扰动信号频率范围很宽，经过振荡电路中的选频网络，只将其中某一频率的信号反馈到放大器的输入端，而其他频率的信号将抑制掉。被放大后的某一频率分量经反馈加到输入端，幅度得到增大。这一“反馈——放大”的过程是一个循环的过程某一频率分量的信号将不断增长，振荡由小到大而建立起来。

1.2平衡条件

振荡建立起来之后，振荡幅度会无地增长下去吗？不会的，因为随着振荡幅度的增长，放大器的动态范围就会延伸到非线性区，放大器的增益将随之下降，振荡幅度越大，增益下降越多，最后当反馈电压正好等于原输入电压时，振荡幅度不再增大而进入平衡状态。

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和反馈系数F的表示式分别为 由于放大器开环电压增益AUUfo A，F （1-1）

UUoiU，此时根据式（1-1）可得反馈振荡器的平衡条件为 且振荡器进入平衡状态后UfiFAFej(AF)1 （1-2） A

式中，A、A分别为电压增益的模和相角；F、F分别为反馈系数的模和相角。

式（1-2）又可分别写为

AF1 （1-3）

AF2n n=0，1，2，… （1-4）

式（1-3）和（1-4）分别称为反馈振荡器的振幅平衡条件和相位平衡条件。

作为一个稳态振荡，式（1-3）和（1-4）必须同时得到满足，它们对任何类型反馈振荡器都是适用的。平衡条件是研究振荡器的理论基础，利用振幅平衡条件可以确定振荡幅度，利用相位平衡条件可以确定振荡频率。

 是指放大器的平均增益。因为振荡器处于平衡状态时，放大器乙必须指出，这里的A不工作在甲类状态，而工作在非线性的甲乙类、乙类或丙类状态，所以这时放大器乙不能用小信号甲类状态的增益来表示了。

下面以图1.2所示变压器反馈LC振荡电路为例确定一下平衡条件与放大器、反馈网络参数间的关系。

振荡器处于平衡状态时，放大器进入了非线性区。根据折线分析法可知，集电极电流将变成脉冲状。由图1.2可得放大器开环电压平均增益表示式为

式中，

UoIcm1RpAUiUim （1-5）

Uo为负载谐振回路上的基波电压，Rp为谐振回路谐振电阻。

谐振放大器 反馈网络 Ic1L C o Uf Uf U_i U___图1.2 变压器反馈LC振荡电路

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由

Icm1iCmax1()gcUim1()(1cos) （1-6） 将式（1-6）代入式（1-5），得

AgcRp1()(1cos)A01() （1-7） 式中，1()1()(1cos)；A0gcRp为起振时（180）小信号线性放大倍数。

0由式（1-7）可知，当振幅增大进入非线性工作状态后，通角180，故A下降，直

oF1达到平衡状态。此时，振荡器的振幅平衡条件又可表示为 到A AFA0F1()1 （1-8）

IZ，即同时，又由图（1-2）可知，振荡器处于平衡状态时，输出电压Ucc1p1IZUYZ，可得平衡条件的另一表达形式 Ac1p1ifep11 （1-9） YfeZp1F

或者写成如下形式

YfeZp1F1 （1-10）

YZF2n n=0，1，2，… （1-11） 式中，YfeYfeejY的相位差；ZZe波输入电压Uip1p1Fe相位差；FjF与基称为晶体管的平均正向传输导纳，Y为集电极电流基波分量Ic1jZ与U之间的相位差。 称为反馈系数，F为Ufc与I之间的称为谐振回路的基波阻抗，Z为Uc1c 式（1-10）和（1-11）就是用电路参数表示的振幅平衡条件和相位平衡条件。

与U与U、U与I、U都可认为是同相的，也就是说当振荡器的频率较低时，Ifc1ic1cc满足YZF0的相位条件。

总是滞后U，即0。而也不等于0，即当振荡器的频率较高时，Ic1iFYYF0。若要保持相位平衡条件，只有回路工作于失谐状态以产生一个Z。这样振

荡器的实际工作频率不等于回路的固有谐振频率f0，Zp1也不呈现为纯电阻。

1.3起振条件

式（1-2）是维持振荡的平衡条件，是针对振荡器进入稳态而言的。为了使振荡器在接通直流电源后能够自动起振，则要求反馈电压在相位上与放大器输入电压同相，在幅度上则要求Uf>Ui，即

AF2n n=0，1，2，… （1-12） A0F1 （1-13） 式中，A0为振荡器起振时放大器工作于甲类状态时的电压放大倍数。

式（1-12）和（1-13）分别称为振荡器起振的相位条件和振幅条件。由于振荡器的建立过程是一个瞬态过程，而式（1-12）和（1-13）是在稳态下分析得到的，所以从原则上来说，不能用稳态分析研究一个电路的瞬态过程，因而也就不能用式（1-12）和（1-13）来描述振荡器从电源接通后的振荡建立过程，而必须通过列出振荡器的微分方程来研究。但可利用式（1-12）和（1-13）来推断振荡器能否产生自激振荡。因为在起振的开始阶段，振荡的幅度还很小，电路尚未进入非线性区，振荡器可以通过线性电路的分析方法来处理。

综上所述，为了确保振荡器能够起振，设计的电路参数必须满足A0F>1的条件。而后，随着振荡幅度的不断增大，A0就向A过渡，直到AF=1时，振荡达到平衡状态。显然，A0F

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越大于1，振荡器越容易起振，并且振荡幅度也较大。但A0F过大，放大管进入非线性区的程度就会加深，那么也就会引起放大管输出电流波形的严重失真。所以当要求输出波形非线性失真很小时，应使A0F的值稍大于1。

1.4稳定条件

当振荡器受到外部因素的扰动（如电源电压波动、 温度变化、噪声干扰等），将引起放大器和回路的参数发生变化破坏原来的平衡状态。如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器越来越偏离原来的平衡状态，从而导致振荡器停振或突变到新的平衡状态，则表明原来的平衡状态是不稳定的。反之，如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能够产生回到原平衡点的趋势，并且在原平衡点附近建立新的平衡状态， 则表明原平衡状态是稳定的。

1.4.1．振幅稳定条件

A A A0 B 11Q F Q FA0 O O UomQ Uom UomB UomQ Uom

(b) 硬自激的振荡特性 a) ( 软自激的振荡特性

图1.3 自激振荡的振荡特性

在平衡条件的讨论中我们曾经指出，放大倍数是振幅Uom的非线性函数，且起振时，电压增益为A0，随着Uom的增大，A逐渐减小。反馈系数则仅取决于外电路参数，一般由线性元件组成，所以反馈系数F（或1/F）为一常数。为了说明振幅稳定条件的物理概念，在图1.3（a）中分别画出反馈型振荡器的放大器电压增益A和反馈系数的倒数1/F随振幅Uom的关系。图1.3（a）中，Q点就是振荡器的振幅平衡点，因为在这个点上，A=1/F，即满足AF=1的平衡条件。那么这一点是不是稳定的平衡点呢？那就要看在此点附近振幅发生变化时，是否具有自动恢复到原平衡状态的能力。

假定由于某种因素使振幅增大超过了UomQ，由图可见此时A<1/F，即出现AF<1的情况，于是振幅就自动衰减而回到UomQ。反之由于某种因素使振幅小于UomQ，此时A>1/F，即出现AF>1的情况，于是振幅就自动增大，从而又而回到UomQ。因此Q点是稳定平衡点。Q点是稳定平衡点的原因是，在Q点附近，A随Uom的变化特性具有负的斜率，即

AUom0 （1-14）

UomUomQ式（1-14）就是振幅稳定条件。

并非所有的平衡点都是稳定的。如果振荡管的静态工作点取得太低，而且反馈系数F又较小时，可能会出现图1.3（b）的另一种振荡特性。这时A随Uom的变化特性不是单调下降，而是先随Uom的增大而上升，达到最大值后，又Uom的增大而下降。因此，它与1/F线可能出现两个平衡点Q点和B点。其中平衡点Q满足振幅稳定条件，而平衡点B不满足稳定条件，因为当振荡幅度稍大于UomB时，则A>1/F，即AF>1，成为增幅振荡，振幅越来越大。而当振荡幅度稍低于UomB时，则AF<1，成为减幅振荡，振幅越来越小，直到停振为止。这种振荡器不能自行起振，除非在起振时外加一个较大的激励信号，使振幅超过B点，电路才能自动进入Q点。像这样要预先外加一个一定幅度的信号才能起振的特性称为硬自

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激。对于图1.3（a）所示无需外加激励就能起振的特性称为软自激。一般情况下都是使振荡电路工作于软自激状态，通常应当避免硬自激。

1.4.2 相位平衡的稳定条件

相位平衡的稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，电路本身能重新建立起相位平衡点的条件。

由于振荡的角频率就是相位的变化率，即ddt，所以当振荡器的相位变化时，频率也必然发生变化。因此相位稳定条件和频率稳定条件实质上是一回事。

Z 0cc YFcYF YF

YF

图1.4 并联谐振回路的相频特性

图1.4所示以角频率为横坐标，选频网络的相移Z为纵坐标，对应某一Q值的并联谐振回路的相频特性曲线。在相位平衡时，根据式（1-11）有

Z(YF)YF （取n=0） （1-15）

为了表示出平衡点，将纵坐标也用与Z等值的YF来标度。由图可知，如果振荡电路中

YF0，则只有Z0才能使式（1-15）成立，这就是说振荡电路在并联谐振回路的固

有谐振频率上满足了相位平衡条件而产生振荡。在一般情况下，YF0，为了满足相位平衡条件，谐振回路必须提供数值相同但异号的相移。这时，在图中振荡频率c处满足相位平衡条件，那么在c处是否是稳定的呢？下面进行分析。

，即产生了一若由于外界某种因素使振荡器相位发生了变化，，例如由YF增大到YF个增量YF，从而破坏了原来工作于c时的平衡条件。由于YF0，且ddt，故引起振荡频率的不断增加。振荡频率的增加，必然使得并联谐振回路的相移Z减小，即

的频率上再一次达到平衡。引入Z的变化。当变化到ZYF时，则振荡器在ccc毕竟还是偏离原来的平衡点。显然，这是为了抵消但是新的稳定平衡点c的基础上引入了一YF的存在必然出现的现象。反之，若外界因素去掉后，相当于在YF个YF增量，调整过程与上述过程相反，则可返回原振荡频率c的状态。

具备这样的调整过程是由并联谐振回路的相频特性的斜率为负所决定的，即

c0 （1-16）

式（1-16）就是振荡器的相位稳定条件。需要指出的是，在实际电路中，由于Y和F都很小，所以可以认为振荡频率主要由并联谐振回路的谐振频率所决定。另外由于并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率，所以说，LC并联谐振回路不但是决定振荡频率的主要角色，而且是稳定振荡频率的机构。

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1.5振荡器的频率稳定度

1.5.1 频率准确度和频率稳定度

一个振荡器除了它的输出信号要满足一定的幅度和频率外，还必须保证输出信号的幅度和频率的稳定，而频率稳定度更为重要。

评价振荡器频率的主要指标有两个，即准确度和稳定度。

所谓频率准确度是指振荡器实际工作频率f与标称频率f0之间的偏差，即 fff0 (2-1) 为了合理评价不同标称频率下振荡器的频率偏差，频率准确度也常用其相对值来表示，即

ff0f (2-2) f0f0频率稳定度通常定义为在一定时间间隔内，振荡器频率的相对偏差的最大值。用公式

表示为

频率稳定度=Δfmax / f0｜时间间隔

按照时间间隔长短不同，通常可分为下面三种频率稳定度。 长期频率稳定度：一般指一天以上乃至几个月内振荡频率的相对变化量。这种变化量主要取决于有源器件、电路元件的老化特性。

短期频率稳定度：一般指一天以内振荡频率的相对变化量，它主要与温度、电源电压变化和电路参数不稳定因素有关。

瞬时频率稳定度：一般指秒或毫秒内振荡频率的相对变化量。这种频率变化一般都具有随机性质并伴随着相位的随机变化，这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰所引起。

以上三种频率稳定度的划分并没有严格的界限，但这种大致的区分还是有一定实际意义的。因为人们更多的是注意短期频率稳定度的提高问题，所以通常所讲的频率稳定度，一般是指短期频率稳定度。

1.5.2 提高频率稳定度的措施

由前面分析可知，LC振荡器振荡频率主要取决于谐振回路的参数，也与其它电路元器件参数有关。因此，任何能够引起这些参数变化的因素，都将导致振荡频率的不稳定。这些因素有外界的和电路本身的两个方面。其中，外界因素包括：温度变化、电源电压变化、负载阻抗变化、机械振动、湿度和气压的变化、外界磁场感应等。这些外界因素的影响，一是改变振荡回路元件参数和品质因数；二是改变晶体管及其它电路元件参数，而使振荡频率发生变化的。因此要提高振荡频率的稳外界因素定度可以从两方面入手：一是尽可能减小外界因素的变化；二是尽可能提高振荡电路本身抵御外界因素变化影响的能力。

1． 减小外界因素的变化

减小外界因素变化的措施很多，例如为了减小温度变化对振荡频率的影响，可将整个振荡器或谐振回路置于恒温槽内，以保持温度的恒定；采用高稳定度直流稳压源来减小电源电压的波动而带来晶体管工作点电压、电流发生的变化；采用金属屏蔽罩减小外界磁场的变化而引起电感量的变化；采用减震器可减小由于机械振动而引起电感、电容值的变化；采用密封工艺来减小大气压力和湿度变化而带来电容器介电系数的变化；在负载和振荡器之间加一级射极跟随器作为缓冲可减小负载的变化等。

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2． 提高谐振回路的标准性

所谓谐振回路的标准性是指谐振回路在外界因素变化时，保持其谐振频率不变的能力。回路标准性越高，频率稳定度就越好。实质上，提高谐振回路的标准性就是从振荡电路本身入手来提高频率的稳定度。

1.5.3 LC振荡器的设计考虑

1．振荡器电路选择

LC振荡器一般工作在几百千赫兹至几百兆赫兹范围。振荡器线路主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择。在短波范围，电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以采用。在中、短波收音机中，为简化电路常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。

2．晶体管选择

从稳频的角度出发，应选择fT较高的晶体管，这样晶体管内部相移较小。通常选择 fT>(3～10) fmax。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。

3．直流馈电线路的选择

为保证振荡器起振的振幅条件，起始工作点应设置在线性放大区；从稳频出发，稳定状态应在截止区，而不应在饱和区，否则回路的有载品质因数Q L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。

4．振荡回路元件选择

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；电感L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，因此应合理地选择回路的L、C。在短波范围，C一般取几十至几百pF，L一般取0.1至几十μH。

5．反馈回路元件选择

由前述可知,为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振，在静态工作点通常应按下式选择

A0F|yf|gF3~5

当静态工作点确定后，yf的值就一定，对于小功率晶体管可以近似为 yfgmICQ26mV

反馈系数的大小应在下列范围选择

F0.1~0.5

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2 LC正弦波振荡器

以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器统称为LC振荡器，它可以用来产生几十千赫兹到几百兆赫兹的正弦波信号。LC振荡器按反馈网络结构不同，可分为互感耦合和三点式两大类。

2.1 LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则

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。

+ X be UX ce i―

― + + U― Ucf

I

X bc ― + Uo

图2.1 三点式振荡器原理电路

三点式振荡器原理电路如图2.1所示。其中，Xbe、Xce和Xbc均为电抗元件。由图2.1可以看出，Xbe、Xce和Xbc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。下面就分析在满足相位平衡条件时，LC回路中三个电抗元件应具有的性质。

，由图2.1可得 假定LC回路由纯电抗元件组成，并令回路电流为IjIX jIX U Ufbecce为使Uf与Uc反相，必须要求Xbe和Xce为性质相同的电抗元件。

另一方面，在不考虑晶体管电抗效应的情况下，振荡频率近似等于回路的谐振频率。那么，在回路处于谐振状态时，回路呈纯阻性，有

XbeXceXbc0 （2-1）

由上式可见， Xbc必须与Xbe (Xce)为性质相反的电抗元件。

综上所述，三点式振荡器构成的一般原则可归纳为：Xbe和Xce的电抗性质必须相同，Xbc与Xbe、Xce的电抗性质必须相异。为便于记忆，我们再进一步将三点式振荡器构成的一般原则简述为：“射同它异”，即连接于晶体管射极的两个电抗元件性质必须是相同的，而连接于晶体管基极和集电极的那个电抗元件性质必须是相异的。同样，对于由场效应管或运算放大器构成三点式振荡器的一般原则也可简述为：“源（指源极）同它异”或“同（指同相端）同它异”。

如果与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式振荡器，则称为电容三点式振荡器；如果与发射极相连的两个电抗元件同为电感时的三点式振荡器，则称为电感三点式振荡器。

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2.2 电感三点式振荡器

电感三点式振荡器又称哈特莱振荡器，其原理电路如图2.2（a）所示，图（b）是其交流等效电路。图（a）中， Rb1、Rb2和Re为分压式偏置电阻；Cb和Ce分别为隔直流电容和旁路电容；L1、L2和C组成并联谐振回路，作为集电极交流负载，其中L1相当于图2.1中的Xbe，L2相当于Xce，C相当于Xbc，谐振回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，符合三点式振荡器的组成原则。由于反馈信号Uf由电感线圈L2取得，故称为电感反馈三点式振荡器。

采用与电容三点式振荡电路相似的方法可求得起振条件的公式为

yfe1goegpFgie （2-2) F式中，各符号的含义仍与考毕兹振荡器相同，只是反馈系数F的表达式有所不同

FL2M (2-3)

L1M当线圈绕在封闭瓷芯的瓷环上时，线圈两部分的耦合系数接近于1，反馈系数F近似等于两线圈的匝数比，即F=N2/N1。

V CC

R b1 C b VT VT L C 1 L L 2 1 L R b2 R e L 2 C e C

(a) 原理电路 (b) 交流等效电路

图2.2 电感三点式振荡器

振荡频率的近似为

f012LC1 (2-4)

2L1L22MC若考虑goe、gie的影响时，满足相位平衡条件的振荡频率值为 f012LCgoegpgieL1L2M2 (2-5)

式中，L=L1+L2+2M。

由式 (2-5) 可见，电感三点式振荡器的振荡频率要比式 (2-4) 所示的频率值稍低一些，goe、gie越大，耦合越松，偏低得越明显。

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2.3 电容三点式振荡器

电容三点式振荡器又称为考毕兹（Colpitts）振荡器，其原理电路如图2.3（a）所示。图中Rb1、Rb2、Re组成分压式偏置电路；Ce为旁路电容；Cb、Cc为隔直流电容；Lc为高频扼流圈，其作用是为了避免高频信号被旁路，而且为晶体管集电极构成直流通路；L和C1、C2组成振荡回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。图2.3（b）是它的交流等效电路。在这个电路中，电容C1相当于图2.3中的Xce，C2相当于Xbe，而电感相当于Xbc，故它符合三点式振荡器的组成原则。

L L VCC IccLcRb1 CCCbU ceC1Ib

C1Rb2ReLCeC2

Ubee IL

UfC2b （a）原理电路 （b）交流等效电路

图2.3 电容三点式振荡器

反馈系数F的表达式 FC1 （2-6）

C1C2

不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量CΣ为C1、C2的串联，即

C

111C1C2C （2-7）

振荡频率的近似为

f0

12LC1C1C22CCL21 （2-8）

调解C1C2改变频率时，反馈系数也改变。由于极间电容对反馈振荡器的回路电抗均有影响，所以对振荡器频率也会有影响。而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以电容三点式振荡器的频率稳定度不高。

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2.4克拉泼和西勒振荡器

2.4.1克拉泼振荡器

图2.4.1 (a) 为克拉泼振荡器原理电路，(b)为其交流等效电路。它的特点是在前述的电容三点式振荡谐振回路电感支路中增加了一个电容C3，其取值比较小，要求C3<< C1，C3<< C2。 Ccb V CC R c Rb1 Coe C1 VT C1 VT L

L

C2 Cb C2 Cie Rb2 Re C3 C3

(a) 原理电路 (b) 交流等效电

图2.4.1 克拉泼振荡器

先不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量CΣ为C1、C2 和C3的串联，即 C1C4 (2-9)

111C1C2C3于是，振荡频率为

f011 (2-10) 2LC2LC4使式(2-10)成立的条件是C1和C2都要选得比较大，由此可见，C1、C2对振荡频率的影响显著减小，那么与C1、C2并接的晶体管极间电容的影响也就很小了，提高了振荡频率的稳定度。

2.4.2． 西勒振荡器

V CC Rc C C1 ce Rb1 VT L C4 C1 VT L C4 C2 Cb C be C2 Rb2 Re C3 C3

(a) 原理电路 (b) 交流等效电路

图2.4.2 西勒振荡器

图2.4.2是另一种改进型的电容三点式振荡器，称为西勒振荡器。它可以认为是克拉泼电路的改进电路。其主要特点就是在回路电感L两端并联了一个可变电容C4，而C3为固定值的电容器，且满足C1、C2远大于C3，C1、C2远大于C4，所以回路的总等效电容为

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CC41C3C4 (2-11)

111C1C2C3所以振荡频率

f011 (2-12)

2LC2LC3C4有设计指标可知

f012LC110.0MH3C42L10-6（C-12z

3C4）10也可先设定L的值：L=10uH，

由此可求出

（C3C4)25pF，也先确定C310pF，因此C415pF。 用电压表测出反馈电容两端的电压Uf1.93V,负载的电压是Uo0.623V FUoU0.6230.32 f1.93当回路谐振时AF1,所以有: A1F10.323.15 经EWB仿真后可观察到起振的过程和稳定后的输出波形如图2-13所示。 示波器观察得出：

f010.0MHzf29.9267MHzf0.0733MHz

ff1.41030s

st5s 16

图2-12 西勒振荡器振荡仿真电路

图2-13 西勒振荡器振荡仿真波形图

3 调试与分析

3.1调试中的问题

振荡电路接通电源后，有时不起振，或者在外界信号强烈触发下才起振（硬激励），在波段振荡器中有时只在某一频段振荡，而在另一频段不振荡等。所有这些现象无非是没有满足相位平衡条件或振幅平衡条件。如果在全波段内不振荡，首先要看相位平衡条件是否满足。对三端振荡电路要看是否满足对应的相位平衡判断标准。此外，还要在振幅平衡条件所包含的各种因素中找原因：

1、静态工作点选的太小。

2、电源电压过底，使振荡管放大倍数太小。

3、负载太重，振荡管与回路间耦合过紧，回路Q值太低。

4、回路特性阻抗ρ或介入系数pce太小，使回路谐振阻抗RO太低。

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5、反馈系数kf太小，不易满足振幅平衡条件。但kf并非越大越好，应适当选取。

3.2各振荡电路的方案比较与分析

3.2.1 电容三点式振荡的特点：

1、振荡波形好。

2、电路的频率稳定度较高。工作频率可以做得较高，可达到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。

电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。 3.2.2电感三点式振荡特点：

1、工作频率范围为几百kHz~几MHz；

2、反馈信号取自于L2， 其对f0的高次谐波的阻抗较大，因而引起振荡回路的谐波分量增大，使输出波形不理想。 3.2.3克拉泼振荡特点：

1、振荡频率改变可不影响反馈系数； 2、振荡幅度比较稳定。

3、电路中C3为可变电容，调整它即可在一定范围内调整期振荡频率。 3.2.4西勒振荡器特点：

1、振荡幅度比较稳定；

2、振荡频率可以较高，做可变频率振荡器时其波段覆盖系数较大，波段范围内输出电压幅度比较平稳。

设计体会

本次课程设计的题目是LC正弦波振荡器的设计，主要应用了通信电子线路三点式振荡器电路内容。通过查找资料，结合书本中所学的知识，完成了课程设计的内容。把书中所学的理论知识和具体的实践相结合，有利于我们对课本中所学知识的理解，并加强了我们的动手能力。

在课程设计之前，我们通过各个渠道查找资料后分析验证，经过多次的修改和整理，作了如上的设计思路。虽然这次设计一开始是按照设计要求去完成的，但由于在实际操作中，出现了比较大的问题，导致以上的准备资料，在实际操作中都未能派上用场。在这次的课程设计过程中，我懂得了很多，课程设计不光是让我们去“设计”，更重要的是培养我们的能力！通过本次课程设计使我对通信电子线路又有了进一步的了解，增加了对所学知识的应用。

其次对这个课题的理解问题。因为高频的知识本来就不容易懂，所以查找资料和查阅基础知识，花了我们很长的时间。这些都应归咎于自己基础知识的匮乏。

在这次的课程设计中，我们通过动手实践操作，进一步学习和掌握了有关高频原理的有关知识，特别是动手操作方面，加深了对LC正弦波振荡器的认识，进一步巩固了对高频知

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识的理解，也对模块的基本工作原理和调试仪器有了一定的了解。在设计时我们根据课题要求，复习了相关的知识，还查阅了相当多的资料，这也在一定程度上拓宽了我们的视野，丰富了我们的知识。这次的高频课程设计重点是通过实践操作和理论相结合，提高动手实践能力，提高科学的思维能力。在接触课程设计之前，因为这门课程的难度很深度，我对高频是敬而远之的心态，所以基础知识以及逻辑推理思维方面都是相当欠缺。在对高频的实验模块操作方法所知甚少和对调试知识几乎一无所知的程度，最后通过不懈努力终于完成了课程设计的要求。

参考文献

[1]《电子线路设计·实验·测试》，第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社

[2]《高频电子线路实验与课程设计》，杨翠娥主编，哈尔滨工程大学出版社 [3]《高频电路设计与制作》，何中庸译，科学出版社 [4]《通信电子线路》，第三版，高如云 主编，西安电子科技大学出版社 [5]《模拟电子技术》。胡宴如 主编，高等教育出版社 [6]《电子技术基础实验与课程设计指导》，第二版，高吉祥，主编，电子工业出版社

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附录

1、元器件清单 可调电容 可调电阻 电容 电阻 电感 晶体管 5～10PF 0～50K,0～500Ω各一个 10nF×2个,560pF,220pF,30pF,1nF，2.4µF各一个 10k×3个,4.7k,500Ω各一个 10µH×2个 9018一个 20

万能板 一块 2、仿真电路图

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