常見的晶體振蕩電路有 Colpitts 振蕩器、皮爾斯振蕩器、Hartley 振蕩器、CMOS晶體振蕩器等。

為了減少文章的篇幅，以及讓大家更好地理解，這一篇先講 Colpitts 振蕩器，其中包括Colpitts 振蕩器電路設計、Colpitts 振蕩器電路圖分析、Colpitts 振蕩器的電路原理，Colpitts 振蕩器參數計算等。

其中有一些是自己的經驗，也有一些網上的電路圖，我都幫大家總結在了一起，希望能夠對大家有幫助。

什么是Colpitts 振蕩器？

Colpitts 振蕩器由一個并聯的LC諧振槽路組成，其反饋是通過電容分壓器實現的。像大多數振蕩器電路一樣，Colpitts 振蕩器以多種形式存在，最常見的形式類似于下面將說的晶體管電路。

儲能子電路的中心抽頭在“電容分壓器”網絡的結點處進行，以將一部分輸出信號反饋回晶體管的發(fā)射極。串聯的兩個電容器產生180 °的相移，該相移被另一個180 °反相，以產生所需的正反饋。

振蕩頻率是更純凈的正弦波電壓，由諧振電路的諧振頻率決定。

Colpitts 振蕩器是最常見和最常用的振蕩電路之一，Colpitts 振蕩器使用電容分壓器網絡作為其反饋源，如下圖所示，兩個電容器C1和C2放置在單個公共電感器L上，然后C1、C2和L形成調諧諧振電路。

振蕩條件為：X C1 + X C2 = X L。

電容分壓器

這種電容電路配置的優(yōu)點是在諧振電路內具有較少的自感和互感，振蕩器的頻率穩(wěn)定性得到改善，同時設計更簡單。

Colpitts 振蕩器使用單級雙極晶體管放大器作為產生正弦輸出的增益元件。

基本 Colpitts 振蕩器電路圖分析

如下圖所示，晶體管的發(fā)射極端子有效地連接到兩個電容器C1和C2的結點，這兩個電容器串聯并充當簡單的分壓器。

基本Colpitts 振蕩器電路圖

Colpitts 振蕩器的電路原理

首次接通電源時，電容C1和C2充電，然后通過線圈L放電，電容上的振蕩被施加到基極 - 發(fā)射極結并且出現在集電極輸出的放大中。

電阻R1和R2以正常方式為晶體管提供通常的穩(wěn)定直流偏置，而附加電容則充當隔直旁路電容。

集電極電路中使用射頻扼流圈 (RFC)，以在振蕩頻率 ( ?r ) 處提供高電抗（理想情況下為開路），并在直流處提供低電阻以幫助啟動振蕩。

反饋量由C1和C2的比率決定。這兩個電容通?！敖M合”在一起以提供恒定量的反饋，因此當一個被調整時，另一個會自動跟隨。

Colpitts 振蕩器電路參數計算

Colpitts 振蕩器的振蕩頻率由LC諧振電路的諧振頻率決定，給出如下：

Colpitts 振蕩器電路參數計算公式

其中C T是串聯連接的C1和C2的電容，給出如下：

Colpitts 振蕩器電路參數計算公式

晶體管放大器的配置是一個公共發(fā)射極放大器，其輸出信號與輸入信號異相180 ° 。振蕩所需的額外180 °相移是通過兩個電容器串聯連接在一起然后與感應線圈并聯來實現的，從而導致電路的整體相移為零或 360 °。

反饋量取決于C1和C2的值。我們可以看到C1兩端的電壓與振蕩器輸出電壓Vout相同， C2兩端的電壓是振蕩器反饋電壓。那么C1兩端的電壓將遠大于C2兩端的電壓。

因此，通過改變電容器C1和C2的值，我們可以調整返回到儲能電路的反饋電壓量。然而，大量的反饋可能會導致輸出正弦波失真，而少量的反饋可能不允許電路振蕩。

然后，由 Colpitts 振蕩器產生的反饋量基于C1和C2的電容比，并且是控制振蕩器激勵的因素。這個比率被稱為“反饋量”，簡單地給出如下公式：

Colpitts 振蕩器電路參數計算公式

Colpitts 振蕩器電路參數計算示例

具有兩個分別為 24nF 和 240nF 的電容的Colpitts 振蕩器電路與一個 10mH 的電感并聯，確定電路的振蕩頻率、反饋量并畫出電路。

Colpitts 振蕩器的振蕩頻率為：

Colpitts 振蕩器電路參數計算公式

由于 colpitts 電路由兩個串聯的電容組成，因此總電容為：

Colpitts 振蕩器電路參數計算公式

給定電感的電感為 10mH，則振蕩頻率為：

Colpitts 振蕩器電路參數計算公式

因此，Colpitts 振蕩器的振蕩頻率為10.8kHz，反饋量為：

Colpitts 振蕩器電路參數計算公式

Colpitts 振蕩器電路圖

使用運算放大器的 Colpitts 振蕩器

Colpitts 振蕩器除了使用雙極結型晶體管（BJT）作為振蕩器的有源級，我們還可以使用運算放大器（op-amp）。

運算放大器 Colpitts 振蕩器的操作與晶體管版本的操作完全相同，其操作頻率以相同的方式計算，如下圖所示：

Colpitts 振蕩器運算放大器電路

要注意，作為反相放大器配置，R2/R1的比率設置放大器增益，啟動振蕩需要 2.9 的最小增益，電阻 R3為 LC 諧振電路提供所需的反饋。

Colpitts 振蕩器可以產生相對純正的正弦波形，同樣由于這些容抗特性，基于 FET 的 Colpitts 振蕩器可以在非常高的頻率下工作。當然，任何用作放大設備的運算放大器或 FET 都必須能夠在所需的高頻下工作。

接下來對一些比較常見的 Colpitts 晶體振蕩器電路圖分析

Colpitts 晶體振蕩器電路 1

這種類型的晶體振蕩器（如下圖）是圍繞一個公共集電極（發(fā)射極跟隨）放大器設計的。R 1和R 2電阻網絡設置基極上的直流偏置電平，而發(fā)射極電阻R E設置輸出電壓電平。電阻R 2設置得盡可能大，以防止負載到并聯晶體。

晶體管 2N4265 是一種通用 NPN 晶體管，連接在公共集電極配置中，能夠以超過 100Mhz 的開關速度運行，遠高于大約 1MHz 和 5MHz 之間的晶體基頻。

Colpitts 晶體振蕩器電路圖

上圖的Colpitts 晶體振蕩器電路圖顯示電容C1和C2分流晶體管的輸出，從而減少了反饋信號。因此，晶體管的增益限制了C1和C2的最大值。輸出幅度應保持較低，以避免晶體中過多的功耗，否則會因過度振動而損壞自身。

Colpitts 晶體振蕩器電路 2

該電路（如下圖所示）使用由 C1 和 C2 組成的電容分壓器網絡來提供反饋，并且輸出取自發(fā)射器，如圖所示?；蛘呖梢栽诩姌O電路中放置一個電阻或扼流圈并從那里獲取輸出。在這兩種情況下，明智的做法是在晶體振蕩器電路之后使用緩沖器，以確保施加最小負載。

在這種配置中，晶體以并聯模式運行。在此模式下運行時，應為晶體提供一個負載電容，以在其正確頻率下運行。該負載電容由晶體指定，通常為 20 或 30 pF。晶體振蕩器電路將被設計為將該電容呈現給晶體。其中大部分將由兩個電容器C1 和 C2 組成，盡管電路的其余元件將提供一些電容。

Colpitts 晶體管晶體振蕩器電路圖

該電路的缺點是電阻偏置鏈分流了 C1 和 C2 的串聯組合以及晶體。這意味著晶體振蕩器電路中需要額外的增益和電流來克服這一點，并且穩(wěn)定性可能會受到一定程度的影響。偏置電阻的另一個作用是降低晶體的 Q。

有源器件使用場效應晶體管可以在一定程度上解決這個問題，但這些器件通常不如雙極器件穩(wěn)定，而且它們通常需要更高的工作電流。

在晶體兩端放置一個小型微調電容也很常見。通過這種方式，晶體振蕩器的頻率可以微調到所需的精確頻率。

Colpitts 晶體振蕩器電路 2--晶振電路元器件典型值

電路條件基本上由電容 C1 和 C2 以及偏置電阻R1 和 R2 以及發(fā)射極電阻 R3 控制。由于電路與頻率有關，因此值將根據工作頻率而變化，典型值如下。

Colpitts 晶體振蕩器電路--元器件典型值

這些值將為許多情況提供一個很好的解決方案，晶體管可以是 BC109 或類似的通用晶體管。

Colpitts 晶體振蕩器電路3

產生正弦波形的所有其他振蕩器電路都使用 LC 諧振電路，除了一些電子電路，例如 RC 振蕩器、Wien-Robinson 振蕩器和一些不需要額外電感的晶體振蕩器。

下圖為一個Colpitts 晶體振蕩器電路。

由一個具有共發(fā)射極配置晶體管的 RC 耦合放大器組成，耦合電容通過提供從集電極到儲能電路的交流路徑來阻斷直流。

每當接通電源時，上述電路中所示的電容 C1 和 C2 開始充電，當電容充滿電后，電容器開始通過電路中的電感 L1 放電，從而在諧振電路中引起阻尼諧波振蕩。

因此，振蕩電路中的振蕩電流在 C1 和 C2 兩端產生交流電壓。

當這些電容完全放電時，存儲在電容中的靜電能量以磁通量的形式轉移到電感，從而使電感充電。

Colpitts 晶體振蕩器電路圖

上面電路中的 Re 電阻為電路提供了針對溫度變化的穩(wěn)定性，與 Re 并聯的電路中連接的電容器 Ce 為放大的交流信號提供低電抗路徑，充當旁路電容。電阻R1 和 R2形成電路的分壓器，并為晶體管提供偏置。

Colpitts 晶體振蕩器電路 4

下圖為使用雙極晶體管或各種類型的 FET 構成的 Colpitts 振蕩器電路。

電容分壓器用于反饋，晶體管 Q1 采用共發(fā)射極配置，在上層電路中，R1 和 R2 用于晶體管的偏置，C1 用作保護基極免受射頻噪聲影響的旁路電容。

Colpitts 晶體振蕩器電路圖

在這種配置中，由于從集電極到地的連接，晶體將充當分流器。并聯諧振配置，電容 C2 和 C3 用于反饋，晶體 Q2 連接為并聯諧振電路。

在這種配置中，輸出放大率很低，以避免晶體中過多的功耗。

Colpitts 振蕩器電路的應用

• 用于生成具有非常高頻率的正弦輸出信號。

• 使用 SAW 器件的 Colpitts 振蕩器可用作溫度傳感器等不同類型的傳感器。由于該電路中使用的設備對擾動高度敏感，因此它直接從其表面感應。

• 經常用于涉及非常廣泛的頻率范圍的應用。

• 用于需要無阻尼和連續(xù)振蕩的應用。

• 在打算經常承受高溫和低溫的情況下，這種振蕩器是首選。

• 該振蕩器與某些器件（而不是諧振電路）的組合可用于實現出色的溫度穩(wěn)定性和高頻率。

• 用于移動和無線電通信的發(fā)展。

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