哈特莱型IC振荡电路的设计-制作.doc

1、哈特莱型 IC 振荡电路的设计-制作作者： 无线电技 文章来源： 点击数： 1982 更新时间：2006-9-63-2 哈特莱型 LC 振荡电路的设计-制作在高频率电路中，常使用到由 L 与 C 所构成的振荡电路。在此，说明 LC 振荡器的工作原理。首先介绍的是称呼为哈特莱(Hartley)型的振荡电路。其振荡频率为 10M20MHz。LC 振荡器的概要图 2 所示的为此次所制作的振荡器的方块图。Tr1 为振荡用的晶体管，Tr2 为缓冲器。缓冲电路主要是介于振荡电路与负载之间，使振荡电路的工作原理不受负载的影响。图 3 所示的为所制作的振荡器电路图。为了使振荡频率为可变，使用可变电容二极管(v

2、aricap)。缓冲器为一种高输入，低输出阻抗的射随（Emitter Follower)放大器。哈特莱振荡电路的原理图 4 所示的为哈特莱振荡电路的原理图。此为由晶体管所构成的放大电路，以及由 LC 所构成的反馈电路所组成的。哈特莱振荡电路如图所示，将线圈分割为 L1 与 L2，以满足振荡条件。 图 4 中的 L1 与 L2 间的相互电感为 M 时，其合成的电感量 L 成为 L= L1+ L2+2M。如此，其振荡频率 f 是由振荡频率决定的。此处，要满足振荡条件，反馈信号的相位必须与信号的相位为一致。假设合成电感量 L 所发生的电压为 e，中间的接点 E 的左方线圈为 L1，右方线圈为 L2。

3、此时，L1 与 L2 所发生的电压虽然为同一方向，但是，如果以 E 点为基准，考虑到 L1 与 L2 的电压时，L1 所发生的电压相对于所发生的电压 e 成为逆相。因此，以接点 E 为基准，电压 Vbe 与 Vce 为逆相，也即是相位相差 180。而 Vbe 为晶体管放大器的输入信号，与输出信号Vce 相位差 l80。结果，相位差合计为 360，使反馈信号成为同相，达到产生振荡的条件。振荡频率的决定由于设计的振荡频率为 10M20MHz，振荡用线圈 L 为使用图 5 所示的 HAM Band 线圈(FCZ 研究所)中的一种。线圈匝数(T)型号使用频段(MHz)谐振电容(pF)空载 Q 值46

4、31 32FCZ3.5 3.5 220 9.4 70 7 20 10FCZ7 7 120 4.6 80 5 14 7FCZ14 14 70 1.85 75 4 12 6FCZ21 21 40 1.45 95 3 10 5FCZ28 28 30 1.1 90 3 8 4FCZ50 50 15 0.68 100 2 6 3取自 FCZ 研究所业余无线波带所使用的线圈 10S 型之数据电感量可以由计算求出。也可以更换为 0.7S(7mm 四方)型在此为使用 FCZ21-10S。此一线圈端子 间的电感量 L 为 1.45 H 。 并联所连接的静电容量为使用 A M 电子调谐所使用的可变电容二极管(va

5、ricap)1SVl49，其静电容量值会随着所加入的电压大小而变化。在此，也可以使用相同特性的 lSV100。可变电容二极管 lSV149 的特性如图 6 所示。由电压一电容量特性(VR 对 C 特性)，可以知道加入逆电压 19V 其电容量变化为500pF20pF。因此，在 LC 振荡电路中，如图 7 所示，将可变电容二极管与 680pF 的电容 Cs 串联，当加在可变电容二极上的逆向电压 VR 为 2 V 时，其电容量为 300pF，合成电容量成为 280pF，所以谐振频率 fmin 成为接着，如图(b)所示，将逆向电压 VR=9V 加在可变电容二极管上，其合成电容量成为 19.4pF。所以

6、因此，振荡频率的可变范围为 9.l6MHz30.0MHz 。1SV149 变容二极管最大极限值参数（Ta=25 ）参数 符号 规格 单位逆电压 VR 15 V结温度 Tj 125 储藏温度 Tstg -55125 1SV149 变容二极管一般电性能指标参数（ Ta=25）参数 符号 测试条件 最小值 标准值 最大值 单位逆电压 VR IR=A 15 - - V逆电流 IR VR=15V - - 50 nA结电容容量 C1V VR=1V,f=1MHz 435 - 540 pF结电容容量 CV8 VR=8V,f=1MHz 19.9 - 30.0 pF容量比 C1V /CV8 - 15.0 19.5

7、 - 性能指数 Q VR=1V,f=1MHz 200 - - 取自东芝产品说明书(此处于 AM 电子调谐器中，其容量变化比 C1V/C8V 接近 20)。图 7 电路振荡频率的范围求法振荡级用的晶体管放大器图 8 所示的为实际所设计的哈特莱振荡电路。振荡电路的晶体管 Trl 为使用 VHF 频带放大用的 2SC l906(日立)。图 9 所示的为2SC 1906 的特性。f T(交流电流放大率 hfe 成为 1 的频率)为 1000MHz，足适合使用。此一振荡电路的工作原理点是由二个 47K 与连接在射极的 1.5k 电阻所决定的。在线圈与射极间为连接可变电阻，以调整反馈量，选择最稳定的振荡点

8、。图 8 哈特莱振荡电路的设计 (所使用的晶体管 fT 为1000MHz，为 VHF 频带(30M300MHz)所使用将可变电容器使用电容器代替时，便成为基本的哈特莱电路。) 2SC1906 最大极限参数值（Ta=25）参数 符号 额定值 单位集电极-基极电压 VCBO 30 V集电极-射极电压 VCEO 19 V射极-基极电压 VEBO 2 V集电极电流 IC 50 mA射极电流 IE -50 mA集电极功率耗散 PC 300 mW结温度 TJ 150 储藏温度 Psig -50+150 图 9 VHF 频带放大用晶体管 2SC1906 的特性取自日立制作所的产品规格表2SC1906 一般电

9、性能指标参数（Ta=25）参数 记号 测试条件 min typ max 单位集电极-射极电压 V（ BR） CBO Ic=10A,I E=0 30 - - V集电极-射极电压 V（ BR） CEC IC=3mA,RBE= 19 - - V射极-基极电压 V（ BR） EBO IE=10A,I C=0 2 - - V集电极截止电流 ICBO VCE=10V,IE=0 - - 0.5 A直流电流放大率 hFE VCE=10V,IC=10mA 40 - 放大率频带宽乘积 fr VCE=10V,IC=10mA 600 1000 - MHz集电极输出电容 Cob VCB=10V,IE=0,f=1MHz

10、- 1.0 2.0 pF集电极-射极饱和电压 VCE(sat) Ic=20mA,IB=4mA - 0.2 1.0 V基极时间常数 rbb.Cc VCE=10V,Ic=5mA,f=31.8MHz - 10 25 psf=45MHz - 33 -功率放大增益系数 PG VCE=10V,Ic=5mAf=200MHz - 18 -dB缓冲器用的晶体管放大器如果将负载直接与振荡电路连接时，由于负载的变动，会影响到振荡频率。因此，经由缓冲放大器后再与负载连接。缓冲放大器为使用高输入阻抗的射随器。图 l0 所示的为缓冲放大器的电路设计。(此为由晶体管所构成之射随器电路，放大率为 l，输出阻抗为 0，因此，串

11、联 50 输出。)信号可以从振荡电路取出，也可以从振荡电路的射极取出。从照片 l 可以看出，从射极取出信号的失真稍微大一些。照片 1 振荡电路的波形与射极端的波形不同(振荡电路的波形可以从晶体管的基极或射极取出；但是，从射极取出的波形失真较大。)缓冲器的输入阻抗较高，因此，可以经由 CR 串联电路与振荡电路连接。由于射随器的输出阻抗较低，串联 50 电阻后，其输出阻抗也约为 50 而已。LC 振荡器的制作图 11 所示的为所制作的印刷电路基板图面。PCB PROTEL 文件格式下载(此 PCB 墨稿为 1:1 图，也可利用激光打印机直接出稿)线圈 L 为装入隔离盒内。由于不使用，端子，因此不连

12、接。将隔离外壳焊接在接地图样。频率调整用的可变电阻 VR1 为装设在基板上，由于所调整的为直流电压，因此，即使装设位置离基板远一些也没有影响。图 12 频率调整用可变电阻的配线(利用加在可变电容二极管上的直流电压，来改变 LC 振荡电路的 C 值，以改变频率。由于为直流电压，因此，装设位置离基板远一些，配线长一些也没有关系。)振荡级用的晶体管放大器图 8 所示的为实际所设计的哈特莱振荡电路。振荡电路的晶体管 Trl 为使用 VHF 频带放大用的 2SC l906(日立)。图 9 所示的为2SC 1906 的特性。f T(交流电流放大率 hfe 成为 1 的频率)为 1000MHz，足适合使用。

13、此一振荡电路的工作原理点是由二个 47K 与连接在射极的 1.5k 电阻所决定的。在线圈与射极间为连接可变电阻，以调整反馈量，选择最稳定的振荡点。图 8 哈特莱振荡电路的设计 (所使用的晶体管 fT 为1000MHz，为 VHF 频带(30M300MHz)所使用将可变电容器使用电容器代替时，便成为基本的哈特莱电路。) 2SC1906 最大极限参数值（Ta=25）参数 符号 额定值 单位集电极-基极电压 VCBO 30 V集电极-射极电压 VCEO 19 V射极-基极电压 VEBO 2 V集电极电流 IC 50 mA射极电流 IE -50 mA集电极功率耗散 PC 300 mW结温度 TJ 15

14、0 储藏温度 Psig -50+150 图 9 VHF 频带放大用晶体管 2SC1906 的特性取自日立制作所的产品规格表2SC1906 一般电性能指标参数（Ta=25）参数 记号 测试条件 min typ max 单位集电极-射极电压 V（ BR） CBO Ic=10A,I E=0 30 - - V集电极-射极电压 V（ BR） CEC IC=3mA,RBE= 19 - - V射极-基极电压 V（ BR） EBO IE=10A,I C=0 2 - - V集电极截止电流 ICBO VCE=10V,IE=0 - - 0.5 A直流电流放大率 hFE VCE=10V,IC=10mA 40 - 放大

15、率频带宽乘积 fr VCE=10V,IC=10mA 600 1000 - MHz集电极输出电容 Cob VCB=10V,IE=0,f=1MHz - 1.0 2.0 pF集电极-射极饱和电压 VCE(sat) Ic=20mA,IB=4mA - 0.2 1.0 V基极时间常数 rbb.Cc VCE=10V,Ic=5mA,f=31.8MHz - 10 25 psf=45MHz - 33 -功率放大增益系数 PG VCE=10V,Ic=5mAf=200MHz - 18 -dB缓冲器用的晶体管放大器如果将负载直接与振荡电路连接时，由于负载的变动，会影响到振荡频率。因此，经由缓冲放大器后再与负载连接。缓冲

16、放大器为使用高输入阻抗的射随器。图 l0 所示的为缓冲放大器的电路设计。(此为由晶体管所构成之射随器电路，放大率为 l，输出阻抗为 0，因此，串联 50 输出。)信号可以从振荡电路取出，也可以从振荡电路的射极取出。从照片 l 可以看出，从射极取出信号的失真稍微大一些。照片 1 振荡电路的波形与射极端的波形不同(振荡电路的波形可以从晶体管的基极或射极取出；但是，从射极取出的波形失真较大。)缓冲器的输入阻抗较高，因此，可以经由 CR 串联电路与振荡电路连接。由于射随器的输出阻抗较低，串联 50 电阻后，其输出阻抗也约为 50 而已。LC 振荡器的制作图 11 所示的为所制作的印刷电路基板图面。PC

17、B PROTEL 文件格式下载(此 PCB 墨稿为 1:1图，也可利用激光打印机直接出稿)线圈 L 为装入隔离盒内。由于不使用，端子，因此不连接。将隔离外壳焊接在接地图样。频率调整用的可变电阻 VR1 为装设在基板上，由于所调整的为直流电压，因此，即使装设位置离基板远一些也没有影响。图 12 频率调整用可变电阻的配线(利用加在可变电容二极管上的直流电压，来改变 LC 振荡电路的 C 值，以改变频率。由于为直流电压，因此，装设位置离基板远一些，配线长一些也没有关系。)调整反馈量以使振荡稳定反馈量为利用半固定电阻 VR2 调整。将 VR2 往最左侧调整，电阻值为最大，反馈量为最小，振荡可能会停止，

18、此为 Al 之点。从此点往右侧调整，电阻值逐渐减小，反馈量逐渐增加，当 A1 时，便开始发生振荡。可是，将 VR2 调整至太小值时，反馈量增加太多，也会使波形发生失真。由图 6 所示的可变电容二极管的特性，可以看出振荡频率为最低时的可变电容二极管的电容量为最大；但是，其 Q值为最小，因此，在低频率时，几乎不会发生振荡。所以，将振荡频率的最低点设在约 10MHz，将 VR2 值调整在比开始发生振荡时的 A1 点小约 2030%之处。图 1 3LC 振荡电路的调整方法(使用塑料制的螺丝起子,使振荡频率为 1012MHz。)振荡频率范围的调整接着，如图 13 所示，调整振荡频率可以为 10M20MH

19、z 。首先，将 VR1 调整至最左端，使加在可变电容二极管上的电压成为最小。此时的电压约为 2V，在此一状态下调整线圈 L,振荡频率为 9M10MHz。接着，将 VR1 调整至最右端，使加在可变电容二极管上的电压成为最大的 12V，确认此时的振荡频率为20M30MHz。如果需要将振荡频率此 fmax/fmin 增大，可以将串联于可变电容二极管上的电容器680pF 增大。例如，增大为 1000pF。图 14 所制作的 LC 振荡电路的频率与输出电压的关系 (加在可变电容二极管上的电压为 2V16 V 时，振荡频率成为 9M24.5 MHz。但是，输出电压的振幅也会随之变化。)所制作的 LC 振荡

20、器的特性图 14 所示的为加在可变电容二极管上的电压 VR 与振荡频率 f，以及输出 Vo 的特性。当 VR=2V 时，调整振荡频率约成为 9.0MHz，则在 VR=12 V 时，振荡频率约成为 24.5MHz。此与计算值比较，最低频率与计算值 fmin=9.16MHz(VR=2 V 时)相差不多，而在最高频率时与计算值fmax=30.0MHz( VR=9V 时) 相差较多。实际的最高振荡频率会此计算值较低的原因是如图 l5 所示，在电路中存在有配线与零件的分布电容量，以及晶体管的电极间电容量。这些电容量合计约为数 pF。计算值的 fmax=30.0MHz，其谐振电路的容量为 19.4pF。如果并联这些电路图中看不到的数 pF 电容量时，会使振荡频率比计算值低。基于此道理，频率越高，分布电容的问题越显得突出而不可忽视。再者分析图 14 所示的输出电压值为在无负载时的缓冲放大器的输出电压。频率愈低时，振荡输出电压会愈小。其理由是：在振荡频率低时，也即是 VR 值很小时，可变电容二极管的 Q 值会降低，使振荡电路的损失增大而降低其输出电压值。 图 15 在振荡电路上的分布电容量与电极间容量的影响(在高频率电路或振荡电路中，元件的电极间容量与分布容量，以及配线的杂散容量，都会对于电路的工作原理有影响。)