LC晶体振荡器的设计解析.docx
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LC晶体振荡器的设计解析
通信电子线路
课程设计
题目:
LC晶体振荡器设计
姓名:
上官小红
学号:
2012050050087
院别:
物理与机电工程学院
专业:
电子信息工程专业
年级班级:
2012级1班
指导教师:
张鸿辉讲师
2014年6月13日
一、概述
二、技术指标
三、系统框图
四、电路分析
五、电路工作原理及设计说明
六、总电路图设计
七、设计总结及心得体会
八、参考文献
一、概述
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
二、技术指标
主要元件参数
元件序号
元件名称
主要参数
数量
1
RB1
24K
1
2
RB2
6K
1
3
Rc
1.2K
1
4
Re
1.2K
1
5
C1
20pF
1
6
C2
40pF
1
7
Cb
0.01uF
1
9
Ce
0.01uF
1
10
Ct
100pF-VAR
1
11
L
10uH
1
12
HC-49S
ƒ。
=12MHz
1
13
3DG6C
Q0
1
振荡频率:
ƒ。
=12MHz
振荡波形:
正弦波
电源电压:
+12V
频率稳定度:
高频管型号:
3DG6C
三、系统框图
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
四、电路分析
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:
。
五、电路工作原理及设计说明
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。
六、总电路图设计
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;ƒß≈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。
七、设计总结及心得体会
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。
八、参考文献
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