電容三點式振盪電路詳解及Multisim實例仿真


電容三點式振盪器也稱考畢茲(Colpitts,也叫科耳皮茲)振盪器,是三極管自激LC振盪器的一種,因振盪回路中兩個串聯電容的三個端分別與三極管的三個極相接而得名,適合於高頻振盪輸出的電路形式之一。
電容三點式振盪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正弦波振盪電路的重要特性是:與三極管發射極相連的兩個電抗元件為相同性質的電抗元件,而與三極管集電極(或基極)相連接的電抗元件是相反性質的。如果合理設置電路參數使其滿足起振條件,則電路將開始振盪,如果忽略分布電容、三極管參數等因素,此電路的振盪頻率f0如下式:

之所有是約等於,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是串聯的,如下圖所示:

如下圖所示為基本的電容三點式振盪電路:

 

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射極放大電路,具體靜態工作點的計算可以參考相應文章《帶基極分壓式的基本共射極放大電路》。對於一個具體的振盪電路,振幅的增大主要依賴於三極管的集電極靜態電流,此值如果設置太大,則三極管容易進入飽和導致振盪波形失真,甚至振盪電路停振,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(假設有輸入)經過三極管放大后的輸出電壓uo,再經過電容C2與C1分壓后施加在三極管的BE結之間形成正反饋,因此其反饋系數如下式:

我們用下圖所示電路參數進行仿真:



電路中我們加了一個電源開關,主要是在仿真運行開始后再閉合,這樣可以讓電路產生擾動從而更容易起振,有很多讀者可能會出現這樣的情況:明明電路是抄着某本書上的實驗例子按部就班地做,卻偏偏起不了振盪,這時可以嘗試添加一個這樣的開關。
當然,電路是否容易起振與電路參數也是相關的,參數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盪的輸出頻率,如下式:

 

基本電容三點式振盪電路的諧振頻率由諧振電感L與串聯電容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:



相當於電容C1與CBE並聯,而CBC與串聯的總電容並聯,亦即多種因素將導致電路諧振回路的穩定性下降。為了降低三極管極間電容對振盪電路穩定度的影響,我們可以使用下圖所示的改進型振盪電路:



此電路也叫克拉波電路,在基本電容三點式振盪電路基礎上增加了一個電容C5,此電容的值一般遠小於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,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(亦即對總電容的影響)相對於基本電容三點式電路已經下降,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盪電路,讀者可自行仿真分析:

克拉波振盪電路的穩定性很好,但其頻率可調范圍比較小,我們可以更進一步改進克拉波振盪電路,如下圖所示:



此電路也稱“西勒振盪電路”,在克拉波電路的基礎上增加了電容C6與諧振電感L並聯,這樣可以改善克拉波電路頻率可調范圍小的缺點,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的並聯,再次將三極管寄生極間電容的接入系數降低。總之就是不斷地降低晶體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並非完全沒有用武之地,當諧振頻率超過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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