常見(jiàn)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(shè)計(jì)、Colpitts 振蕩器電路圖分析、Colpitts 振蕩器的電路原理，Colpitts 振蕩器參數(shù)計(jì)算等。

其中有一些是自己的經(jīng)驗(yàn)，也有一些網(wǎng)上的電路圖，我都幫大家總結(jié)在了一起，希望能夠?qū)Υ蠹矣袔椭?/span>

什么是Colpitts 振蕩器？

Colpitts 振蕩器由一個(gè)并聯(lián)的LC諧振槽路組成，其反饋是通過(guò)電容分壓器實(shí)現(xiàn)的。像大多數(shù)振蕩器電路一樣，Colpitts 振蕩器以多種形式存在，最常見(jiàn)的形式類(lèi)似于下面將說(shuō)的晶體管電路。

儲(chǔ)能子電路的中心抽頭在“電容分壓器”網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)處進(jìn)行，以將一部分輸出信號(hào)反饋回晶體管的發(fā)射極。串聯(lián)的兩個(gè)電容器產(chǎn)生180 °的相移，該相移被另一個(gè)180 °反相，以產(chǎn)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(jiàn)和最常用的振蕩電路之一，Colpitts 振蕩器使用電容分壓器網(wǎng)絡(luò)作為其反饋源，如下圖所示，兩個(gè)電容器C1和C2放置在單個(gè)公共電感器L上，然后C1、C2和L形成調(diào)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(diǎn)是在諧振電路內(nèi)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(shí)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。

Colpitts 振蕩器使用單級(jí)雙極晶體管放大器作為產(chǎn)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(gè)電容器C1和C2的結(jié)點(diǎn)，這兩個(gè)電容器串聯(lián)并充當(dāng)簡(jiǎn)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(shí)，電容C1和C2充電，然后通過(guò)線(xiàn)圈L放電，電容上的振蕩被施加到基極 - 發(fā)射極結(jié)并且出現(xiàn)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(dāng)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(kāi)路），并在直流處提供低電阻以幫助啟動(dòng)振蕩。

反饋量由C1和C2的比率決定。這兩個(gè)電容通?！敖M合”在一起以提供恒定量的反饋，因此當(dāng)一個(gè)被調(diào)整時(shí)，另一個(gè)會(huì)自動(dòng)跟隨。

Colpitts 振蕩器電路參數(shù)計(jì)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(shù)計(jì)算公式

其中C T是串聯(lián)連接的C1和C2的電容，給出如下：

Colpitts 振蕩器電路參數(shù)計(jì)算公式

晶體管放大器的配置是一個(gè)公共發(fā)射極放大器，其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)異相180 ° 。振蕩所需的額外180 °相移是通過(guò)兩個(gè)電容器串聯(lián)連接在一起然后與感應(yīng)線(xiàn)圈并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而導(dǎo)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(yuǎn)大于C2兩端的電壓。

因此，通過(guò)改變電容器C1和C2的值，我們可以調(diào)整返回到儲(chǔ)能電路的反饋電壓量。然而，大量的反饋可能會(huì)導(dǎo)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(chǎn)生的反饋量基于C1和C2的電容比，并且是控制振蕩器激勵(lì)的因素。這個(gè)比率被稱(chēng)為“反饋量”，簡(jiǎn)單地給出如下公式：

Colpitts 振蕩器電路參數(shù)計(jì)算公式

Colpitts 振蕩器電路參數(shù)計(jì)算示例

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

Colpitts 振蕩器的振蕩頻率為：

Colpitts 振蕩器電路參數(shù)計(jì)算公式

由于 colpitts 電路由兩個(gè)串聯(lián)的電容組成，因此總電容為：

Colpitts 振蕩器電路參數(shù)計(jì)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(shù)計(jì)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(shù)計(jì)算公式

Colpitts 振蕩器電路圖

使用運(yùn)算放大器的 Colpitts 振蕩器

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

運(yùn)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(jì)算，如下圖所示：

Colpitts 振蕩器運(yùn)算放大器電路

要注意，作為反相放大器配置，R2/R1的比率設(shè)置放大器增益，啟動(dòng)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(chǎn)生相對(duì)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(dāng)然，任何用作放大設(shè)備的運(yùn)算放大器或 FET 都必須能夠在所需的高頻下工作。

接下來(lái)對(duì)一些比較常見(jiàn)的 Colpitts 晶體振蕩器電路圖分析

Colpitts 晶體振蕩器電路 1

這種類(lèi)型的晶體振蕩器（如下圖）是圍繞一個(gè)公共集電極（發(fā)射極跟隨）放大器設(shè)計(jì)的。R 1和R 2電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)置基極上的直流偏置電平，而發(fā)射極電阻R E設(shè)置輸出電壓電平。電阻R 2設(shè)置得盡可能大，以防止負(fù)載到并聯(lián)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(guò) 100Mhz 的開(kāi)關(guān)速度運(yùn)行，遠(yuǎn)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(hào)。因此，晶體管的增益限制了C1和C2的最大值。輸出幅度應(yīng)保持較低，以避免晶體中過(guò)多的功耗，否則會(huì)因過(guò)度振動(dòng)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(wǎng)絡(luò)來(lái)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(gè)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(fù)載。

在這種配置中，晶體以并聯(lián)模式運(yùn)行。在此模式下運(yùn)行時(shí)，應(yīng)為晶體提供一個(gè)負(fù)載電容，以在其正確頻率下運(yùn)行。該負(fù)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(shè)計(jì)為將該電容呈現(xiàn)給晶體。其中大部分將由兩個(gè)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(diǎn)是電阻偏置鏈分流了 C1 和 C2 的串聯(lián)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(lái)克服這一點(diǎn)，并且穩(wěn)定性可能會(huì)受到一定程度的影響。偏置電阻的另一個(gè)作用是降低晶體的 Q。

有源器件使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以在一定程度上解決這個(gè)問(wèn)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(gè)小型微調(diào)電容也很常見(jiàn)。通過(guò)這種方式，晶體振蕩器的頻率可以微調(diào)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(guān)，因此值將根據(jù)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(gè)很好的解決方案，晶體管可以是 BC109 或類(lèi)似的通用晶體管。

Colpitts 晶體振蕩器電路3

產(chǎn)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(gè)Colpitts 晶體振蕩器電路。

由一個(gè)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(guò)提供從集電極到儲(chǔ)能電路的交流路徑來(lái)阻斷直流。

每當(dāng)接通電源時(shí)，上述電路中所示的電容 C1 和 C2 開(kāi)始充電，當(dāng)電容充滿(mǎn)電后，電容器開(kāi)始通過(guò)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(chǎn)生交流電壓。

當(dāng)這些電容完全放電時(shí)，存儲(chǔ)在電容中的靜電能量以磁通量的形式轉(zhuǎn)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(duì)溫度變化的穩(wěn)定性，與 Re 并聯(lián)的電路中連接的電容器 Ce 為放大的交流信號(hào)提供低電抗路徑，充當(dāng)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(lèi)型的 FET 構(gòu)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(hù)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(dāng)分流器。并聯(lián)諧振配置，電容 C2 和 C3 用于反饋，晶體 Q2 連接為并聯(lián)諧振電路。

在這種配置中，輸出放大率很低，以避免晶體中過(guò)多的功耗。

Colpitts 振蕩器電路的應(yīng)用

• 用于生成具有非常高頻率的正弦輸出信號(hào)。

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

• 經(jīng)常用于涉及非常廣泛的頻率范圍的應(yīng)用。

• 用于需要無(wú)阻尼和連續(xù)振蕩的應(yīng)用。

• 在打算經(jīng)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(shí)現(xiàn)出色的溫度穩(wěn)定性和高頻率。

• 用于移動(dòng)和無(wú)線(xiàn)電通信的發(fā)展。

以上就是關(guān)于Colpitts 振蕩器電路設(shè)計(jì)、Colpitts 振蕩器電路圖分析、Colpitts 振蕩器的電路原理，Colpitts 振蕩器參數(shù)計(jì)算的內(nèi)容