不需要耦合電感器的哈特利振蕩器

　　如果檢查傳統(tǒng)的哈特利(Hartley)振蕩電路，您就會(huì)注意到它的特征：一個(gè)抽頭電感器，它決定了振蕩頻率并提供振蕩持續(xù)反饋。雖然您能很容易地為額定頻率計(jì)算總電感，但求解耦合系數(shù)k也許需要實(shí)驗(yàn)性（即“試算”式）優(yōu)化。本設(shè)計(jì)實(shí)例介紹了一種可供選擇的等效電路，使您能在構(gòu)建原型之前建立電路模型。

　　圖1a和圖1b顯示了哈特利振蕩器的等效調(diào)諧電路、計(jì)算其元件的公式，以及針對(duì)18MHz振蕩器的元件值?；ジ袨長(zhǎng)_M=k√L₁×L₂。對(duì)于等效電路，公式依次是：L_A=-L_M、L_B= L₂-L_A=L₂+L_M、L_C=L₁-L_A=L₁+L_M。等效電路的其余公式是：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　和

　　遺憾的是，真正等效的電路需要負(fù)電感 L_A。不過(guò)，對(duì)于諧振頻率 f₀ 附近的頻率，可以用電容器來(lái)代替這個(gè)負(fù)電感器，C_A 取代了 L_A（圖 1c）。請(qǐng)注意：等效電路的求解忽略了寄生繞組電阻和電容。

　　圖 2 描繪了一個(gè)利用等效電路的振蕩器兼輸出緩沖器。構(gòu)建的該電路在性能方面大體與您對(duì)初始 Spice 模擬的期望一致。在測(cè)試期間，幾個(gè)元件的值需要調(diào)整，并且 Spice 分析的多次迭代最終產(chǎn)生了最終設(shè)計(jì)。振蕩器的振蕩回路由 L_B、L_C、C₄ 和 C₅ 組成，外加分壓器 C₆、C₇ 和 C₈ 提供的電容。這個(gè)約為 6 pF 的電容包含 Q₁ 和 Q₂ 的輸入電容和一些雜散電容。66 pF 的總振蕩電容接近 67 pF 計(jì)算值。連接到調(diào)諧電路的各個(gè)電容器具有陶瓷電介質(zhì)構(gòu)造和 NP0 溫度系數(shù)。

　　電感器 L_B 和 L_C 由空氣芯線圈組成，其軸相互垂直，以便盡量減小寄生耦合。但是，振動(dòng)會(huì)影響它們的電感，并且在最終設(shè)計(jì)中，二者都應(yīng)該由電介質(zhì)或環(huán)形磁芯上的繞組組成，條件是環(huán)形磁芯的電感溫度系數(shù)對(duì)于預(yù)定應(yīng)用是可接受的。參考文獻(xiàn) 1 提供了兩個(gè)電感器的基本設(shè)計(jì)，并且如果調(diào)整其線圈匝間隔，就能把振蕩器調(diào)整到剛好 18 MHz。對(duì)于更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，可以在安裝前測(cè)量各個(gè)電感器，但寄生效應(yīng)也許需要重新調(diào)整各電感器的值。

　　由 C₆、C₇ 和 C₈ 組成的電容式分壓器把適當(dāng)?shù)男盘?hào)電平施加到 Q₁ 和 Q₂。由于分壓器把振蕩回路的有效電容只“看作”6 pF，因此如果設(shè)計(jì)需要一個(gè)可調(diào)諧振蕩器，則剩余的 60 pF 可形成一個(gè)可變電容器。在本例中，如果振蕩器需要一個(gè)超過(guò) ±2 MHz 的調(diào)諧范圍，則由 Q₃ 及其關(guān)聯(lián)元件組成的輸出級(jí)將需要改進(jìn)，以便提供更大帶寬。

　　電容器 C₃ 把 Q₁ 的Gate2自舉到 Q₁ 的源極，以便提供來(lái)自Q₁的額外增益，并把其Gate1輸入電容降至約為 2.1 pF 的值之下（參考文獻(xiàn) 2）。8.3mH 電感器 L₂ 連接到 Q₁ 的源極，并在 18 MHz 呈現(xiàn)了較高的阻抗，通過(guò) R₃ 提供一條從 Q₁ 的源極到地的直流路徑。L₂ 在 18 MHz 的阻抗包含了約為 940Ω 的感抗，后者與約為 3.5 kΩ 的電阻并聯(lián)，這導(dǎo)致了一個(gè)具有低電阻損耗的扼流圈?？梢杂幂^小的電感器代替 L₂，條件是它的電感和電抗接近原始值?？梢允褂镁哂袠?biāo)準(zhǔn)值的8.2mH扼流圈作為L(zhǎng)₂，條件是它的電阻損耗符合這些低損耗準(zhǔn)則，并且它的固有串聯(lián)電阻不超過(guò)2Ω，以避免擾亂 Q₁ 的直流偏置電壓。針對(duì) L₁ 的扼流圈的電感和諧振不如針對(duì) L₂ 的那些值關(guān)鍵，但在 L₁ 使用具有低電阻損耗的扼流圈可幫助避免寄生諧振。

　　源極跟隨器 Q₂ 驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)，后者使用 pi 匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)把 50Ω 輸出負(fù)載變換成 Q₃ 集電極處的 285Ω。以 Q₂ 的輸出電壓的一半來(lái)自舉其Gate2，就能增加源極跟隨器的增益和動(dòng)態(tài)范圍，并降低其輸入電容。電位器 R₅ 在 50Ω 負(fù)載上調(diào)整該電路的輸出電平，范圍是大約0.9V p-p 至大約1.5V p-p。電路的頻率在大約 23℃的恒定室溫時(shí)保持穩(wěn)定。另外，即使不向輸出端施加負(fù)載，輸出電平控制電路也保持穩(wěn)定。對(duì)于固定頻率振蕩器，輸出電路約等于4的負(fù)載電阻損耗在不重新調(diào)諧 L₃、C₁₆ 和 C₁₇ 的前提下提供了足夠帶寬。

　　為了把輸出電平設(shè)在一個(gè)安全的最高值，應(yīng)把一個(gè) 50Ω 負(fù)載連接到輸出端，并把輸出調(diào)節(jié)到 1.5V p-p。對(duì)于從零負(fù)載到 50Ω 的所有負(fù)載，即使輸出電壓電平隨負(fù)載電阻一起增加，加到 Q₁ 的漏極至源極電壓也會(huì)保持在安全水平。為了避免超過(guò) Q₁規(guī)定的最高 12V 漏極至源極電壓，進(jìn)入 50Ω 負(fù)載的輸出電壓設(shè)置不應(yīng)超過(guò)1.5V。請(qǐng)注意：齊納二極管 D₁ 降低了Q₁ 的漏極電壓，以提供額外的安全余量。

　　在以前的設(shè)計(jì)實(shí)例中，一個(gè)運(yùn)算放大器和二極管整流電路通過(guò)把一個(gè)可變電壓加到 Q₁ 的 Gate2，控制著振蕩器的增益（參考文獻(xiàn) 3）。在本設(shè)計(jì)中，一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源電路起同樣作用。Q₃ 集電極信號(hào)的一部分驅(qū)動(dòng)著由 D₂、D₃、C₂₀ 和 C₂₁ 組成的電壓倍增器。電壓倍增器產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電壓，其中一部分驅(qū)動(dòng) R₁₈ 和 C₁₉ 的結(jié)點(diǎn)，即控制電壓節(jié)點(diǎn)。該控制電壓節(jié)點(diǎn)還通過(guò) R₁₇ 從可變電阻器 R₁₅ 收到正電壓，并且產(chǎn)生的電壓設(shè)置輸出信號(hào)電平。在啟動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)在 Q₁ 的Gate2只有一個(gè)正電壓，并且 Q₁ 的最大增益很容易啟動(dòng)振蕩器。當(dāng)輸出到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，控制電壓會(huì)下降，使振蕩保持在輸出電平控制值決定的信號(hào)電平上。

參考文獻(xiàn)
1. Reed, Dana G, Editor, "Calculating Practical Inductors," ARRL Handbook for Radio Communications, 82nd Edition, American Radio Relay League, 2005, pg 4.32.
2. "Practical FET Cascode Circuits," Designing with Field-Effect Transistors," pg 79, Siliconix, 1981.
3. McLucas, Jim, "Stable, 18-MHz oscillator features automatic level control, clean-sine-wave output," EDN, June 23, 2005, pg 82, www.edn.com/article/CA608156.