电容三点式振荡电路详解及Multisim实例仿真

Jackie Long 电子工程专辑 今天

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电容三点式振荡器也称考毕兹(Colpitts，也叫科耳皮兹)振荡器，是三极管自激LC振荡器的一种，因振荡回路中两个串联电容的三个端分别与三极管的三个极相接而得名，适合于高频振荡输出的电路形式之一。

电容三点式振荡电路有多种具体形式，其最核心也是最基本的原理都是一样的，如下图所示：


从上图可以看出，电容三点式LC正弦波振荡电路的重要特性是：与三极管发射极相连的两个电抗元件为相同性质的电抗元件，而与三极管集电极(或基极)相连接的电抗元件是相反性质的。如果合理设置电路参数使其满足起振条件，则电路将开始振荡，如果忽略分布电容、三极管参数等因素，此电路的振荡频率f0如下式：


之所有是约等于，是因为忽略了三极管的寄生极间电容，后面会提到，此电路的LC谐振回路中的电容C1与C2是串联的，如下图所示：


如下图所示为基本的电容三点式振荡电路：


上图中的电容C1、C2与电感L组成谐振回路，作为三极管放大器的负载，电容C3与C4作为耦合电容，其直流通路如下：


其实就是带基极偏压的共发射极放大电路，具体静态工作点的计算可以参考相应文章《带基极分压式的基本共射极放大电路》。对于一个具体的振荡电路，振幅的增大主要依赖于三极管的集电极静态电流，此值如果设置太大，则三极管容易进入饱和导致振荡波形失真，甚至振荡电路停振，一般取值范围为1mA～4mA
其交流通路如下图所示：


从图上可以看出，基极输入(假设有输入)经过三极管放大后的输出电压uo，再经过电容C2与C1分压后施加在三极管的BE结之间形成正反馈，因此其反馈系数如下式：


我们用下图所示电路参数进行仿真:


电路中我们加了一个电源开关，主要是在仿真运行开始后再闭合，这样可以让电路产生扰动从而更容易起振，有很多读者可能会出现这样的情况：明明电路是抄着某本书上的实验例子按部就班地做，却偏偏起不了振荡，这时可以尝试添加一个这样的开关。
当然，电路是否容易起振与电路参数也是相关的，参数合理则一次开合就可起振，差一点则需要多次开合才行，但如果参数不合理，来N次开合也是不行的，不能来硬的呀。
我们手工计算一下该电路振荡的输出频率，如下式：




基本电容三点式振荡电路的谐振频率由谐振电感L与串联电容C1、C2决定，而这两个电容直接与三极管的各个电极相连接，而三极管是存在极间电容的，且这些电容值随温度、电流等因素变化而变化，如下图所示：


相当于电容C1与CBE并联，而CBC与串联的总电容并联，亦即多种因素将导致电路谐振回路的稳定性下降。为了降低三极管极间电容对振荡电路稳定度的影响，我们可以使用下图所示的改进型振荡电路：


此电路也叫克拉波电路，在基本电容三点式振荡电路基础上增加了一个电容C5，此电容的值一般远小于C1与C2，这样谐振回路的电容如下图所示：


谐振总电容即C1、C2、C5三者的串联，极间寄生电容对总电容其实还是有影响的，但是它们接入系数(亦即对总电容的影响)相对于基本电容三点式电路已经下降，因此该电路的谐振频率如下所示：






仿真输出波形如下图所示(仿真输出频率约为15.019MHz)：


下图为共集电极放大电路的克拉波振荡电路，读者可自行仿真分析：


克拉波振荡电路的稳定性很好，但其频率可调范围比较小，我们可以更进一步改进克拉波振荡电路，如下图所示：


此电路也称“西勒振荡电路”，在克拉波电路的基础上增加了电容C6与谐振电感L并联，这样可以改善克拉波电路频率可调范围小的缺点，此时电路的谐振回路等效图如下所示：


谐振回路的总电容即克拉波电路中的总电容与C6的并联，再次将三极管寄生极间电容的接入系数降低。总之就是不断地降低晶体管极间电容对谐振频率的影响，此时电路的谐振频率如下所示：


我们用下图所示电路参数仿真：




仿真输出波形如下图所示(仿真频率约为10.5789MHz)：


三极管极间寄生电容也并非完全没有用武之地，当谐振频率超过GHz时，寄生电容可以代替谐振电容，如CBE可以代替C1(可以不用外接电容C1)

作者：Jackie Long
来源：电子制作站

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放大电路和振荡电路都是模电的重要概念，可以参考下面的资料，继续学习。

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