LC晶体振荡器的设计

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：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：2023级1班指导教师：张鸿辉讲师2014年6月13日目录一、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，还需要有能在没有鼓励信号的情况下产生周期信号的电子电路，这种在无需外加鼓励信号的情况下，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，比方变压器反应式、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应放大，从而我们会得到一个幅值跟频率都比拟稳定的信号二、技术指标主要元件参数元件序号元件名称主要参数数量1RB124K12RB26K13Rc1.2K14Re1.2K15C120pF16C240pF17Cb0.01uF19Ce0.01uF110Ct100pF-VAR111L10uH112HC-49Sƒ。=12MHz1133DG6CQ01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、系统框图假设振荡器中要维持等幅的自激振荡，根本放大器输入端的反应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应满足的根本数学条件。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。假假设AF<1,那么Xf＜Xi，那么振荡幅度越来越小，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以下一些最根本的条件：〔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〕和正反应电路完成的。对于本次课程设计，所用的最根本原理如下：〔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和反应系数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，假设电压减少，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，假设K曲线斜率小于0，那么满足振荡器的振幅稳定条件。反应式正弦波振荡器有RC、LC和晶体振荡器三种形式，电路主要由放大网络、选频回路和反应网络三个局部构成。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，假设X1和X2均为容抗，X3为感抗，那么为电容三点式振荡电路〔如图3(b)〕；假设X2和X1均为感抗，X3为容抗，那么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根本电路如图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那么，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应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，最后到达平衡，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，反应系数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'，那么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〕，那么因为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，如以下图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：C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那么有Rc=〔Vcc-Uc〕/IE=〔12-9.6〕/0.002=1.2KRe=Ue/IE=2.4/0.002=1.2K取RB2=5Re=6KRB1={〔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〕假设取Ct=30pF〔一般Ct应略大于负载电容值〕，那么C1,2=CtCL/〔Ct-CL〕=〔30×10〕/〔30-10〕=15pF由反应系数F=C1/C2和C1,2=C1C2/C1-C2两式联立解，并取F=1/2那么C1=C1,2(1+F)=22.5pFC2=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，终于熟练掌握了根本理论知识，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