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電容三點式振蕩電路詳解及Multisim實例仿真

 再戰(zhàn)江湖之深圳 2018-05-12

電容三點式振蕩器也稱考畢茲(Colpitts,也叫科耳皮茲)振蕩器,是三極管自激LC振蕩器的一種,因振蕩回路中兩個串聯(lián)電容的三個端分別與三極管的三個極相接而得名,適合于高頻振蕩輸出的電路形式之一。
電容三點式振蕩電路有多種具體形式,其最核心也是最基本的原理都是一樣的,如下圖所示:

從上圖可以看出,電容三點式LC正弦波振蕩電路的重要特性是:與三極管發(fā)射極相連的兩個電抗元件為相同性質(zhì)的電抗元件,而與三極管集電極(或基極)相連接的電抗元件是相反性質(zhì)的。如果合理設(shè)置電路參數(shù)使其滿足起振條件,則電路將開始振蕩,如果忽略分布電容、三極管參數(shù)等因素,此電路的振蕩頻率f0如下式:

之所有是約等于,是因為忽略了三極管的寄生極間電容,后面會提到,此電路的LC諧振回路中的電容C1與C2是串聯(lián)的,如下圖所示:

如下圖所示為基本的電容三點式振蕩電路:

 

上圖中的電容C1、C2與電感L組成諧振回路,作為三極管放大器的負(fù)載,電容C3與C4作為耦合電容,其直流通路如下:



其實就是帶基極偏壓的共發(fā)射極放大電路,具體靜態(tài)工作點的計算可以參考相應(yīng)文章《帶基極分壓式的基本共射極放大電路》。對于一個具體的振蕩電路,振幅的增大主要依賴于三極管的集電極靜態(tài)電流,此值如果設(shè)置太大,則三極管容易進(jìn)入飽和導(dǎo)致振蕩波形失真,甚至振蕩電路停振,一般取值范圍為1mA~4mA

其交流通路如下圖所示:



從圖上可以看出,基極輸入(假設(shè)有輸入)經(jīng)過三極管放大后的輸出電壓uo,再經(jīng)過電容C2與C1分壓后施加在三極管的BE結(jié)之間形成正反饋,因此其反饋系數(shù)如下式:

我們用下圖所示電路參數(shù)進(jìn)行仿真:



電路中我們加了一個電源開關(guān),主要是在仿真運行開始后再閉合,這樣可以讓電路產(chǎn)生擾動從而更容易起振,有很多讀者可能會出現(xiàn)這樣的情況:明明電路是抄著某本書上的實驗例子按部就班地做,卻偏偏起不了振蕩,這時可以嘗試添加一個這樣的開關(guān)。
當(dāng)然,電路是否容易起振與電路參數(shù)也是相關(guān)的,參數(shù)合理則一次開合就可起振,差一點則需要多次開合才行,但如果參數(shù)不合理,來N次開合也是不行的,不能來硬的呀。
我們手工計算一下該電路振蕩的輸出頻率,如下式:

 

基本電容三點式振蕩電路的諧振頻率由諧振電感L與串聯(lián)電容C1、C2決定,而這兩個電容直接與三極管的各個電極相連接,而三極管是存在極間電容的,且這些電容值隨溫度、電流等因素變化而變化,如下圖所示:



相當(dāng)于電容C1與CBE并聯(lián),而CBC與串聯(lián)的總電容并聯(lián),亦即多種因素將導(dǎo)致電路諧振回路的穩(wěn)定性下降。為了降低三極管極間電容對振蕩電路穩(wěn)定度的影響,我們可以使用下圖所示的改進(jìn)型振蕩電路:



此電路也叫克拉波電路,在基本電容三點式振蕩電路基礎(chǔ)上增加了一個電容C5,此電容的值一般遠(yuǎn)小于C1與C2,這樣諧振回路的電容如下圖所示:

諧振總電容即C1、C2、C5三者的串聯(lián),極間寄生電容對總電容其實還是有影響的,但是它們接入系數(shù)(亦即對總電容的影響)相對于基本電容三點式電路已經(jīng)下降,因此該電路的諧振頻率如下所示:

 

 

 

仿真輸出波形如下圖所示(仿真輸出頻率約為15.019MHz):

下圖為共集電極放大電路的克拉波振蕩電路,讀者可自行仿真分析:

克拉波振蕩電路的穩(wěn)定性很好,但其頻率可調(diào)范圍比較小,我們可以更進(jìn)一步改進(jìn)克拉波振蕩電路,如下圖所示:



此電路也稱“西勒振蕩電路”,在克拉波電路的基礎(chǔ)上增加了電容C6與諧振電感L并聯(lián),這樣可以改善克拉波電路頻率可調(diào)范圍小的缺點,此時電路的諧振回路等效圖如下所示:

諧振回路的總電容即克拉波電路中的總電容與C6的并聯(lián),再次將三極管寄生極間電容的接入系數(shù)降低??傊褪遣粩嗟亟档途w管極間電容對諧振頻率的影響,此時電路的諧振頻率如下所示:




我們用下圖所示電路參數(shù)仿真:

 

 



仿真輸出波形如下圖所示(仿真頻率約為10.5789MHz):

 

三極管極間寄生電容也并非完全沒有用武之地,當(dāng)諧振頻率超過GHz時,寄生電容可以代替諧振電容,如CBE可以代替C1(可以不用外接電容C1)

 

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