LC晶体振荡器的设计解析Word文档下载推荐.docx

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六、总电路图设计

七、设计总结及心得体会

八、参考文献

在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期信号的电子电路，这种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振荡器。

LC振荡电路就是用电感L和电容C组成的一个选频网络的振荡电路，这个振荡电路用来产生一种高频正弦波信号。

常见的LC振荡电路有好多种，比如变压器反馈式、电感三点式及电容三点式，它们的选频网络一般都采用LC并联谐振回路。

这种振荡电路的辐射功率跟振荡频率的四次方成正比，如果要想让这种电路向外辐射足够大的电磁波的话，就必须提高其振荡频率，而且还必须是电路具备开放的形式。

LC振荡电路之所以有振荡，是因为该电路通过运用电容跟电感的储能特性，使得电磁这两种能量在交替转化，简而言之，由于电能和磁能都有最大和最小值，所以才有了振荡。

当然，这只是一个理想情况，现实中，所有的电子元件都有一些损耗，能量在电容和电感之间转化是会被损耗或者泄露到外部，导致能量不断减小。

所以LC振荡电路必须要有放大元件，这个放大元件可以是三极管，也可以是集成运放或者其他的东西。

有了这个放大元件，这个不断被消耗的振荡信号就会被反馈放大，从而我们会得到一个幅值跟频率都比较稳定的信号

主要元件参数

元件序号

元件名称

主要参数

数量

1

RB1

24K

2

RB2

6K

3

Rc

1.2K

4

Re

5

C1

20pF

6

C2

40pF

7

Cb

0.01uF

9

Ce

10

Ct

100pF-VAR

11

L

10uH

12

HC-49S

ƒ。

=12MHz

13

3DG6C

Q0

振荡频率：

=12MHz

振荡波形：

正弦波

电源电压：

+12V

频率稳定度：

高频管型号：

若振荡器中要维持等幅的自激振荡，基本放大器输入端的反馈信号必须和原输人信号幅度必须相等，同时相位也应相同。

AF=1就是产生自激振荡时A、F应满足的基本数学条件。

其中A和F是频率的函数，一般也可以表示为复数形式。

复数乘积AF=1的涵义就是振荡器电路的环路放大倍数等于l,同时复数的相位值等于2nπ，其中n=0,士1,士2，士3，…。

总之，产生自激振荡既要满足幅度条件，也要满足相位条件。

假若AF<

1,则Xf＜Xi，则振荡幅度越来越小，最终将导致振荡电路停振。

这也从反面说明了，只有AF≥1，电路才能起振并能维持振荡。

图1自激振荡器方框图

图2正弦波振荡器框图

由我们所学过的知识知道，构成一个振荡器必须具备下列一些最基本的条件：

（1）任何一个振荡回路，包含两个或两个以上储能元件。

在这两个储能元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。

接收和释放能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。

（2）电路中必须要有一个能量来源，可以补充由振荡回路电阻所产生的损耗。

在电容三点式振荡器中，这些能量来源就是直流电源。

（3）必须要有一个控制设备，可以使电源在对应时刻补充电路的能量损失，以维持等幅震荡。

这是由有源器件（电子管，晶体管或集成管）和正反馈电路完成的。

对于本次课程设计，所用的最基本原理如下：

（1）振荡器起振条件为AF>

1。

（2）振荡器的平衡条件包括两个方面的内容：

振幅稳定和相位稳定。

我们可以假设横坐标是振荡电压，而纵坐标分别是放大倍数K和反馈系数F，假设因为某种情况使电压增长，这时K.F<

1，振荡就会自动衰减。

反之，若电压减少，出现KF>

1的情况，振荡就会自动增强，而又回到平衡点。

由此可知结论为：

在平衡点，若K曲线斜率小于0，则满足振荡器的振幅稳定条件。

反馈式正弦波振荡器有RC、LC和晶体振荡器三种形式，电路主要由放大网络、选频回路和反馈网络三个部分构成。

本实验中，我们研究的主要是LC三点式振荡器。

所谓三点式振荡器，是晶体管的三个电极（B、E、C），如图3：

根据相位平衡条件，图3（a）中构成振荡电路的三个电抗元件，X1、X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗，若X1和X2均为容抗，X3为感抗，则为电容三点式振荡电路（如图3（b））；

若X2和X1均为感抗，X3为容抗，则为电感三点式振荡器（如图3（c））。

由此可见，为射同余异。

共基电容三点式振荡器的基本电路如图4：

图4共基电容三点式振荡器

由图可见：

与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；

与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。

其工作过程是：

振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。

虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。

当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。

于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，反馈系数F为：

。

石英晶体的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值（等效于L/C），因而它的品质因数Q高达10000~500000的范围内。

等效电路中元件的典型参数为：

Co分布电容很小：

几pF～几十pF，L：

几十mH～几百mH，C动态电容：

0.0002pF～0.1pF。

如图五所示。

由等效电路可知，石英晶体有两个谐振频率，即

图5石英晶体的符号、等效电路和电抗特性

（1）L-C-R支路串联谐振

（2）当f>

fs时，L-C-R支路呈感性，与Co产生并联谐振。

由于Co>

>

C，故fP≈fS.

图6外接可调电容

在实际应用中，通常串入一个用于校正振荡频率的小电容CS，如图六所示，图电路的电抗为X'

，则

令上式中的分子为零得（串联谐振）：

CS一般采用微调电容，使fs'

在fs和fP之间的一个狭窄的范围内调整。

将上式展开成幂级数的形式，并考虑到C<

<

（C0+CS），则

因为Co（几pF～几十pF），C（0.0002pF～0.1pF），CS>

C，所以振荡频率的相对变化量很小。

本实验所选择的电路为C—B型并联电路，如下图7所示：

12MHZ并联型石英晶体振荡器及交流等效电路

选择晶体管和石英晶体。

根据设计要求，按公式ƒmax=

ƒT≥（2∽10）ƒH=（24∽120MHz）

选择高频管3DG6C型晶体管作为振荡管。

查手册其参数如下：

ƒT=250MHz；

ß

≥40，取ß

=50；

NPN型通用；

额压：

20V；

Icm=20mA；

Po=0.1W；

ħ

≈ƒT/ß

=5MHz。

石英谐振器可选用HC-49S系列，其性能参数为：

标称频率ƒ。

=12MHz；

工作温度：

-40℃~+85℃；

25℃时频率偏差：

士3×

10-6士30×

10-6；

串联谐振电阻：

60

；

负载电容：

CL=10PF,激励功率：

0.01~0.1mW。

确定静态Q点及各元件值

根据手册查的：

选取3DG6C的静态特性曲线工作点为：

IE=2mA,Uce=0.6Vcc=0.6×

12=7.2V；

取Uc=0.8Vcc=0.8×

12=9.6V；

Ue=0.2Vcc=0.2×

12=2.4V

则有Rc=（Vcc-Uc）/IE=（12-9.6）/0.002=1.2K

Re=Ue/IE=2.4/0.002=1.2K

取RB2=5Re=6K

RB1={（Vcc-Ue）/Ue}×

RB2=24K

根据实际的标称电阻值，取Rc、Re、RB1、RB2取精度为1%的金属膜电阻

Rc=Re=1.2K

RB1=24K

，RB2=6.2K

求C1\C2\Ct的电容值

在计算时，由下式计算

的值

=26ß

/IE=650

根据C1×

C2=

=50/{（2π×

12×

106）×

650×

1200[1+（ƒ/ƒß

）2]½

}=4341.3（PF）2

根据负载电容的定义，对于图九所示的电路可以得出

CL=1/[（1/C1,2）+1/Ct]

式中，C1，2为C1与C2相串联的电容值，由上式可得

C1,2=CtCL/（Ct-CL）若取Ct=30pF（一般Ct应略大于负载电容值），则

C1,2=CtCL/（Ct-CL）=（30×

10）/（30-10）=15pF

由反馈系数F=C1/C2和C1,2=C1C2/C1-C2两式联立解，并取F=1/2

则C1=C1,2（1+F）=22.5pF

C2=C1,2（1+1/F）=45pF

根据电容量的标称值，取C1、C2为聚苯乙烯电容，C1=20pF,C2=40pF，C1×

C2=20×

40=800（PF）2≤4341.3（PF）2

可见该值远小于由C1×

C2乘机的极限值，故该电路满足起振条件。

通过设计LC晶体振荡器电路，使我的动手能力和经验有了一定程度的提高。

我更好地了解了石英晶体的结构和特性。

刚拿到设计题目时一头雾水，不知道该怎样去实现设计的要求。

于是便拿起教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，对设计有了初步的思路。

有了方案还不够，还要去论证其可行性，前四天都是在网上和图书馆中查资料，论证电路的可行性。

在这方面我们进行了深刻的探讨，加深了我们对其更好的理解和认识。

由于知识水平有限，这次设计存在很多不完善之处，同时也深刻地意识到自己在设计方面能力的欠缺，以往都是只学习原理，对设计方面的知识了解不多，而我们这专业要求最重要的就是实践能力。

以后我要多看专业书，多做些实际电路以加强这方面的锻炼。

1、稻叶保《振荡电路的设计与应用》科学出版社

2、李银华《电子线路设计指导》北京航天航空大学出版社2005年6月

3、谢自美《电子线路设计·

实验·

测试》华中科技大学出版社2003年10月

4、张肃文《高频电子线路》高等教育出版社2004年11月

5、高吉祥《高频电子线路设计》电子工业出版社2007年05月

6、赵声衡/赵英《晶体振荡器》科学出版社2008年05月