晶體振蕩器的設(shè)計

1、1 .課程設(shè)計的目的32 .課程設(shè)計的內(nèi)容33 .課程設(shè)計原理34 .課程設(shè)計的步驟或計算55 .課程設(shè)計的結(jié)果與結(jié)論116 .參考文獻16、設(shè)計的目的設(shè)計一個晶振頻率為20MHz,輸出信號幅度5V（峰-峰值），可調(diào)的晶體振蕩器二、設(shè)計的內(nèi)容本次課程設(shè)計要求振蕩器的輸出頻率為20Mhz,屬于高頻范圍。所以選擇LC振蕩器作為參考對象，再考慮輸出頻率和振幅的穩(wěn)定性，最終選擇了克拉潑振蕩器。通過ORCAD的設(shè)計與仿真，Protel繪制PCB版圖，得到了與理論值比較相近的結(jié)果，這表明電路的原理設(shè)計是比較成功的，本次課程設(shè)計也是比較成功的。三、設(shè)計原理1 .振蕩器的概述在電子線路中，除了要有對各種電信號

2、進行放大的電子線路外，還需要有在沒有激勵信號的情況下產(chǎn)生周期性振蕩信號的電子線路，這種電子線路就是振蕩器。振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，它不需要外部激勵就能自動地將直流電源共給的功率轉(zhuǎn)換為制定頻率和振幅的交流信號功率輸出。振蕩器一般由晶體管等有源器件和某種具有選頻能力的無源網(wǎng)絡(luò)組成。振蕩器的種類很多，根據(jù)工作原理可分為反饋型振蕩器和負(fù)阻型振蕩器，根據(jù)所產(chǎn)生的波形可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器；根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)可分為LC振蕩器、晶體振蕩器、RC振蕩器等。2 .振蕩器的振蕩條件反饋型振蕩器的原理框圖如下:卬$)放大器血反饋網(wǎng)絡(luò)尸圖反饋型振蕩器的原理框圖如圖1,放大器的電壓放大倍數(shù)為K(s),反饋網(wǎng)絡(luò)的電

3、壓反饋系數(shù)為F(s),則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Ku(s用表達式為1:Uo(s) K(s)=Ui(s)F%Ui(s)=Us(s)+U i(s)(1-1)(1-2)(13)(1-4)Ku(s尸 =必強1 K(s)F(s) 1 T(s)(15)其中 T(s)=K(s)F(s)U-i()Ui(s)(16)稱為反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益。用s=j帶入就得到穩(wěn)態(tài)下的傳輸系數(shù)和環(huán)路增益。由式(15)可知，若在某一頻率=1上T(j ), Ku (j )將趨近于無窮大，這表明即使沒有外加信號，也可以維持振蕩輸出。因此自激振蕩的條件就是環(huán)路增益為1,即T(j )=K(j )F(j )=1(1-7)通常稱為振蕩器的平衡條件。由式

4、(1 6)還可知|T(j )|>1, |Ui(j )|>|Ui (j)|,形成增幅振蕩。|T(j )|<1, |Ui(j )|<|Ui (j)|,形成減幅振蕩。綜上，正弦波振蕩器的平衡條件為：T(j )=K(j )F(j )=1也可表示為|T(j)|=KF=1(1 8a)t= K+ F=2nn=0,1,2,3(18b)式(18a刖(18b)分別稱為振幅平衡條件和相位平衡條件起振條件n=0,1,2,3振幅起振條件：|T(j)|=KF>1相位起振條件：T=K+F=2n穩(wěn)定條件：振幅穩(wěn)定條件：=L|Ui=UiA<0Ui相位穩(wěn)定條件：|Ui=UiA<0Ui四、

5、設(shè)計的步驟或計算方案的確定方案一：RC橋式振蕩電路:圖RC橋式振蕩電路2由圖知，在=0=#RC時，經(jīng)RC選頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\放同相端的電壓Vf與Vo同相,即有f=0和a+f=0。這樣，放大電品&和由Z1、Z2組成的反饋網(wǎng)絡(luò)剛好形成正反饋系統(tǒng),可以滿足相位平衡條件，因而有可能振蕩。再考慮振幅振蕩條件，所為建立振蕩，就是要使電路自激，從而產(chǎn)生持續(xù)的振蕩，將直流電源的能量變?yōu)榻涣餍盘栞敵觥τ赗C振蕩電路來說，直流電源即使能源。那么自激的因素又是什么呢由于電路中存在噪聲，它的頻譜分布很廣，其中也包括=0=#RC這樣一個頻率成分。這種微弱的信號經(jīng)過放大，通過正反饋的選頻網(wǎng)絡(luò)，使輸出幅度越來越大，最

6、后受電路中非線性元件的控制，使振蕩幅度自動穩(wěn)定下來，開始時，Av=1+Rf/R1略大于3,達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)時，Av=3,Fv=1/3(=0=1/RC>方案二：LC選頻放大電路:基本電路就是通常所說的三端式(又稱三點式)的振蕩器，即LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接而成的電路，如圖所示。圖三端式振蕩器的組成根據(jù)諧振回路的性質(zhì)，諧振時回路應(yīng)呈純電阻性，因而有XiX2 X3 0般情況下，回路Q值很高，因此回路電流遠(yuǎn)大于晶體管的基極電流分、集電極電流？c以及發(fā)射極電流0,故由圖55有UjX2IUcjX1I因此XI、X2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件。LC振蕩器按其反饋網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為互感耦合振

7、蕩器、電感反饋式振蕩器和電容反饋式振蕩器三種類型。(1)互感耦合振蕩器3互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實現(xiàn)正反饋的，耦合線圈同名端的正確位置的放置，選擇合適的耦合量M,使之滿足振幅起振條件很重要?；ジ旭詈险袷幤饔腥N形式：調(diào)基電路、調(diào)集電路和調(diào)發(fā)電路，這是根據(jù)振蕩回路是在集電極電路、基極電路和發(fā)射極電路來區(qū)分的圖調(diào)基電路振蕩器調(diào)基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時，振幅比較平衡。由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回路的Q值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合。Vcc圖調(diào)集電路振蕩器調(diào)集電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，而且幅度較大，諧波成分較小

8、圖調(diào)發(fā)電路振蕩器由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回路的Q值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合?；ジ旭詈险袷幤髟谡{(diào)整反饋（改變M）時，基本上不影響振蕩頻率。但由于分布電容的存在，在頻率較高時，難于做出穩(wěn)定性高的變壓器。因此，它們的工作頻率不宜過高，一般應(yīng)用于中、短波波段(2)電感反饋三端式LC振蕩(哈特萊電路)哈特萊電路的優(yōu)點:1L1、L2之間有互感，反饋較強，容易起振。2振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容C的大小即可。3而且C的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。電路的缺點：1振蕩波形不好，因為反饋電壓是在電感上獲得，而電感對高次諧波呈高阻抗，因此對高次諧

9、波的反饋較強，使波形失真大；2電感反饋三端電路的振蕩頻率不能做得太高，這是因為頻率太高，L太小且分布參數(shù)的影響太大。(3)電容反饋三端振蕩器(考畢茲電路)圖電容反饋三端振蕩器考畢茲電路的優(yōu)點：1電容反饋三端電路的優(yōu)點是振蕩波形好。2電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電容量，就可以減小不穩(wěn)定因素對振蕩頻率的影響。3電容三端電路的工作頻率可以做得較高，可直接利用振蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工作頻率可做到幾十MHz到幾百MHz的甚高頻波段范圍。電路的缺點：調(diào)C1或C2來改變振蕩頻率時，反饋系數(shù)也將改變。但只要在L兩端并上一個可變電容器，并令C1與C2為固定電容，則在調(diào)整頻率時，基

10、本上不會影響反饋系數(shù)。最終方案:由上我們可以看出RC和LC振蕩電路的原理是基本相同的，不同的一點是RC振蕩電路常用來產(chǎn)生1-1MHZ的范圍內(nèi)的低頻信號，而LC振蕩電路常用來產(chǎn)生1M以上的高頻信號，本次課程設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)是7MHZ的振蕩器，屬于高頻范圍，所以應(yīng)選擇LC振蕩器。再比較三種LC振蕩器的優(yōu)缺點，我們可以發(fā)現(xiàn)電容反饋三端振蕩器可以產(chǎn)生波失真小，輸出頻率高并且穩(wěn)定的波形。所以電容反饋三端振蕩器為最終的確定的電路。并且選取電容三點式的改進型電路，即克拉潑振蕩器。其電路圖圖2.8克拉潑振蕩器電路參數(shù)的確定1晶體管的選擇：從頻率的角度出發(fā)，應(yīng)選擇fT較高的晶體管，這樣的晶體管內(nèi)部相移較小。通常選

11、擇fT>(310)flmax。同時希望電流放大系數(shù)大些，這樣即容易振蕩，也便于減小晶體管喝回路之間的耦合。雖然不要求振蕩器中晶體管輸出多大的功率，但考慮到穩(wěn)頻等因素，晶體管的管功率應(yīng)該留有足夠的余量。2直流饋電線路的選擇為保證振蕩器起振的振幅條件，起始工作點應(yīng)設(shè)置在線性放大區(qū)；從穩(wěn)頻出發(fā)，穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)該在截止區(qū)而不應(yīng)該在飽和區(qū)，否則回路的有載品質(zhì)因數(shù)Ql將會下降。所以，通常應(yīng)將晶體管的靜態(tài)偏置點設(shè)置在小電流區(qū)，電路采用自偏壓。對于小功率晶體管，集電極靜態(tài)電流約為14mA。3振蕩回路元件的選擇從穩(wěn)頻出發(fā)，振蕩回路中電容C應(yīng)該盡可能大，但C過大不利于波段工作；電感L也應(yīng)盡可能大，但L過大后，體

12、積大，分布電容大，L過小回路的品質(zhì)因數(shù)過小。因此應(yīng)合理的選擇C,L。在短波范圍，C一般取幾十至幾百皮發(fā)，L一般去至幾十微亨。4反饋回路元件的選擇為了保證振蕩器有一定的穩(wěn)定振幅以及容易起振，在靜態(tài)工作點應(yīng)該選擇YRlF=35當(dāng)靜態(tài)工作點確定后，M的值就一定，對于小功率晶體管課近似認(rèn)為IcQYf=gm=26mV反饋系數(shù)的大小應(yīng)在下列范圍內(nèi)選擇F=根據(jù)上述內(nèi)容，再結(jié)合工程上一些元器件的標(biāo)稱值，先確定R1、R2、RcRe的值分別為：24K、56K、3K、1K。根據(jù)克拉潑振蕩器振蕩頻率公式：1=0='=1LC.LC3要使振蕩器的速出頻率f=10MHZ取L=10HC3=100pF五、設(shè)計的結(jié)果與結(jié)

13、論1 .電路圖的設(shè)計4(1)利用ORCADa件設(shè)計出電路圖，并對所設(shè)計電路工作原理進行分析調(diào)用orcad/capturecis所繪制的電路圖如下：圖克拉潑振蕩器電路圖2 .電路的仿真在所繪制的電路圖的基礎(chǔ)上，進行電路的后處理以后，調(diào)用ORCAD/Pspic欹件進行電路的模擬根據(jù)電容三點式電路的組成特點我們可以知道輸出信號應(yīng)當(dāng)是從集電極輸出。經(jīng)過如下的設(shè)置：由上圖的設(shè)置我們可以看出，以下進行的是時域的分析輸出波形為集電極電壓隨時間的變化信號。£STHKMAT1C1zdq-PSpiceA/D-fcm-Kclq-SCMHUATICljvdcj(active)EditSLUil«r

14、ti.aaTiacaElatTcolsViiulovpfl目一電譽受I國E而后調(diào)一陶觀蝕Q0看制可不菰時：葉圖克拉潑振蕩器的時域輸出波形圖從上圖我們可以看到在時間軸上輸出波形開始時幾乎為零，慢慢的變大，最后趨于穩(wěn)定，這就是振蕩器從起振到最后穩(wěn)定的一個過程。除了時域我們更關(guān)心的是振蕩器的輸出頻率問題，下面經(jīng)過傅里葉變換，我們可以看到頻域波形.ice?A/DLcm-zdci-SCHEMATIC|-zdn(jtctivejIqEil.Editg工卓靜三工Plfrt丁卯1、wUvljp婚±1=f目*導(dǎo)X:SCHEMATCi-Ldq圾皿呢興邑VcfI版圖的繪制圖克拉潑振蕩器的頻域輸出波形從上圖

15、我們可以看件輸出的信號中,信號主要集中在10Mhz之間，諧波成分幾乎為零，這和通過公式H計算出的理論值是很接近的，所以仿真是比較成功的。LC3版圖的繪制6利用protel軟件，先畫出電路原理圖，經(jīng)過電器規(guī)則檢查無誤后，生成PCB版圖，然后經(jīng)過自動布線，生成如下的PCB:UDDNPN30pF10uH100pF56K中回出匯lOOpF 24K圖克拉潑振蕩器的PCB版圖4.收獲、體會和建議為期兩周的課程設(shè)計結(jié)束了，通過這次設(shè)計讓我更好的掌握了常用元件的識別和測試;熟悉了元件的結(jié)構(gòu)及掌握了各元件的工作原理和其具體的使用方法。更加深刻地理解課本知識。在此次做課程設(shè)計的過程中，我深深地感受到了自己所學(xué)到知識的有限和自身的不足，以及理論和實踐的巨大差距另外通過課設(shè)我更進一步地熟悉了晶體管的應(yīng)用，鞏固了模數(shù)電和電路方面的知識，起到了溫故知新的作用，此外我還學(xué)會了兩種電路設(shè)計與仿真軟件ORCAj口Protel的使用,這真是一大收獲。最重要的是：在這次課程設(shè)計中，我對兩種電路設(shè)計軟件ORCADffiProtel的使用經(jīng)歷了從陌生到熟悉的過程，在這個過程中，通過自己的摸索和與同學(xué)們的交流，我攻克了許多難題