電容三點(diǎn)式振蕩電路原理講解

電容三點(diǎn)式振蕩器也稱考畢茲(Colpitts，也叫科耳皮茲)振蕩器，是三極管自激LC振蕩器的一種，因振蕩回路中兩個(gè)串聯(lián)電容的三個(gè)端分別與三極管的三個(gè)極相接而得名，適合于高頻振蕩輸出的電路形式之一。

電容三點(diǎn)式振蕩電路有多種具體形式，其最核心也是最基本的原理都是一樣的，如下圖所示：

從上圖可以看出，電容三點(diǎn)式LC正弦波振蕩電路的重要特性是：與三極管發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件為相同性質(zhì)的電抗元件，而與三極管集電極(或基極)相連接的電抗元件是相反性質(zhì)的。如果合理設(shè)置電路參數(shù)使其滿足起振條件，則電路將開始振蕩，如果忽略分布電容、三極管參數(shù)等因素，此電路的振蕩頻率f0如下式：

之所有是約等于，是因?yàn)楹雎粤巳龢O管的寄生極間電容，后面會(huì)提到，此電路的LC諧振回路中的電容C1與C2是串聯(lián)的，如下圖所示：

如下圖所示為基本的電容三點(diǎn)式振蕩電路：

上圖中的電容C1、C2與電感L組成諧振回路，作為三極管放大器的負(fù)載，電容C3與C4作為耦合電容，其直流通路如下：

其實(shí)就是帶基極偏壓的共發(fā)射極放大電路，具體靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算可以參考相應(yīng)文章《帶基極分壓式的基本共射極放大電路》。對(duì)于一個(gè)具體的振蕩電路，振幅的增大主要依賴于三極管的集電極靜態(tài)電流，此值如果設(shè)置太大，則三極管容易進(jìn)入飽和導(dǎo)致振蕩波形失真，甚至振蕩電路停振，一般取值范圍為1mA～4mA

其交流通路如下圖所示：

從圖上可以看出，基極輸入(假設(shè)有輸入)經(jīng)過三極管放大后的輸出電壓uo，再經(jīng)過電容C2與C1分壓后施加在三極管的BE結(jié)之間形成正反饋，因此其反饋系數(shù)如下式：

我們用下圖所示電路參數(shù)進(jìn)行仿真:

電路中我們加了一個(gè)電源開關(guān)，主要是在仿真運(yùn)行開始后再閉合，這樣可以讓電路產(chǎn)生擾動(dòng)從而更容易起振，有很多讀者可能會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：明明電路是抄著某本書上的實(shí)驗(yàn)例子按部就班地做，卻偏偏起不了振蕩，這時(shí)可以嘗試添加一個(gè)這樣的開關(guān)。

當(dāng)然，電路是否容易起振與電路參數(shù)也是相關(guān)的，參數(shù)合理則一次開合就可起振，差一點(diǎn)則需要多次開合才行，但如果參數(shù)不合理，來N次開合也是不行的，不能來硬的呀。

我們手工計(jì)算一下該電路振蕩的輸出頻率，如下式：

基本電容三點(diǎn)式振蕩電路的諧振頻率由諧振電感L與串聯(lián)電容C1、C2決定，而這兩個(gè)電容直接與三極管的各個(gè)電極相連接，而三極管是存在極間電容的，且這些電容值隨溫度、電流等因素變化而變化，如下圖所示：

相當(dāng)于電容C1與CBE并聯(lián)，而CBC與串聯(lián)的總電容并聯(lián)，亦即多種因素將導(dǎo)致電路諧振回路的穩(wěn)定性下降。為了降低三極管極間電容對(duì)振蕩電路穩(wěn)定度的影響，我們可以使用下圖所示的改進(jìn)型振蕩電路：

此電路也叫克拉波電路，在基本電容三點(diǎn)式振蕩電路基礎(chǔ)上增加了一個(gè)電容C5，此電容的值一般遠(yuǎn)小于C1與C2，這樣諧振回路的電容如下圖所示：

諧振總電容即C1、C2、C5三者的串聯(lián)，極間寄生電容對(duì)總電容其實(shí)還是有影響的，但是它們接入系數(shù)(亦即對(duì)總電容的影響)相對(duì)于基本電容三點(diǎn)式電路已經(jīng)下降，因此該電路的諧振頻率如下所示：

仿真輸出波形如下圖所示(仿真輸出頻率約為15.019MHz)：

下圖為共集電極放大電路的克拉波振蕩電路，讀者可自行仿真分析：

克拉波振蕩電路的穩(wěn)定性很好，但其頻率可調(diào)范圍比較小，我們可以更進(jìn)一步改進(jìn)克拉波振蕩電路，如下圖所示：

此電路也稱“西勒振蕩電路”，在克拉波電路的基礎(chǔ)上增加了電容C6與諧振電感L并聯(lián)，這樣可以改善克拉波電路頻率可調(diào)范圍小的缺點(diǎn)，此時(shí)電路的諧振回路等效圖如下所示：

諧振回路的總電容即克拉波電路中的總電容與C6的并聯(lián)，再次將三極管寄生極間電容的接入系數(shù)降低。總之就是不斷地降低晶體管極間電容對(duì)諧振頻率的影響，此時(shí)電路的諧振頻率如下所示：

我們用下圖所示電路參數(shù)仿真：

仿真輸出波形如下圖所示(仿真頻率約為10.5789MHz)：

三極管極間寄生電容也并非完全沒有用武之地，當(dāng)諧振頻率超過GHz時(shí)，寄生電容可以代替諧振電容，如CBE可以代替C1(可以不用外接電容C1)