高频课设_电容三端式振荡器
课程设计任务书
学生姓名：专业班级：
指导教师：工作单位：
题目: 电容三端式振荡器
初始条件：
电容三端式振荡器原理，Multisim软件
要求完成的主要任务:
（1）设计任务
根据电容三端式振荡器的原理，设计电路图，并在multisim软件仿真出波形结果。
（2）设计要求
①正常工作状况时的波形图；
②起振条件的仿真，要求改变偏置电阻、相位电容和电源电压值，再观察起振波形和振荡电压的变化情况。
时间安排：
1、2014 年11月17 日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、2014 年11月17 日，查阅相关资料，学习基本原理。
3、2014 年11月18 日至2014 年11月20日，方案选择和电路设计。
4、2014 年11月20 日至2014 年11月21日，电路仿真和设计说明书撰写。
5、2014 年11月23 日上交课程设计报告，同时进行答辩。
课设答疑地点：鉴主13楼电子科学与技术实验室。
指导教师签名：年月日
系主任（或责任教师）签名：年月日
目录
摘要 0
Abstract (1)
1 克拉泼振荡器原理 (2)
1.1 克拉泼振荡器产生的原因 (2)
1.2 克拉泼振荡器电路分析 (2)
1.3 克拉泼振荡器起振条件 (3)
1.3.1 相位条件 (3)
1.3.2振幅条件 (3)
1.4 克拉泼振荡器的振荡频率 (4)
2 克拉泼振荡器仿真分析 (5)
2.1 正常起振的电路图 (5)
2.2改变偏置电阻的仿真 (6)
2.3改变相位电容的仿真 (7)
2.4改变电源大小的仿真 (7)
3 心得体会 (8)
参考文献 (9)
摘要
克拉泼振荡器是电容式三端振荡器的改进型。本文的主要内容是利用Multisim软件对克拉泼振荡器进行仿真分析。首先介绍了克拉泼振荡器的原理，根据其原理设计电路图，然后从原理上分析克拉泼振荡器起振的条件及相关参数对电路的影响。然后再利用Multisim对克拉泼振荡电路进行仿真分析。主要是对起振条件的仿真，要求改变偏置电阻、相位电容和电源电压值，再观察起振波形和振荡电压的变化情况。正常情况下的波形是正弦波，改变参数可能导致无法起振或致使波形失真。通过对仿真结果的分析，可以对克拉泼振荡器有更深的认识。
关键词：克拉泼振荡器；Multisim；仿真
Abstract
The Clapp oscillator is three-terminal capacitance oscillator with improved.The main content of this paper is on the simulation analysis of the Clapp oscillator using Multisim software. First introduced the Clapp oscillator principle, according to its principle to design the circuit diagram, and then analyze the vibration condition and related parameters of the circuit by the principle of the Clapp oscillator .Then simulate and analyze Clapp oscillation circuit by Multisim . Mainly on the simulation of the oscillating condition, request to change the bias resistors, phase capacitors and power supply voltage value,and then observe the change situation of vibration and oscillation voltage waveform. The waveform is a sine wave under normal circumstances, changing parameters may lead to no vibration or causing the waveform distortion. Through the analysis of simulation results, we can have a deeper understanding of the Clapp oscillator.
Key Words: Clapp oscillantor; Multisim; Simulation
1 克拉泼振荡器原理
1.1 克拉泼振荡器产生的原因
克拉泼电路为改进后的电容三点式高频振荡器，电容三点式振荡器属于LC
振荡器的一种，是在晶体管的三个电极分别与连接两个电容和一个电感元件而得
名。由于电容三点式振荡器的频率和反馈系数与这个三个电抗元件都有关系,当
调节振荡电路的工作频率时,势必使反馈系数也会发生变化,这样使振荡电路稳定
性变差。因此为了克服这样的缺点,使用改进后的电容三端式振荡器—克拉泼电
路。在电容三点式振荡器电路的回路中仅多加一个与1C 、2C 相串联的电容3C 即
构成了克拉泼振荡器。
1.2 克拉泼振荡器电路分析
图1-1和1-2分别是克拉泼振荡器的实际电路和相应的交流等效电路。它是
由电感1L 和可变电容3C 的串联电路代替原电容反馈振荡器中的电感构成。通常
3C 取值较小，满足<<3C 1C ，<<3C 2C ，回路总电容主要取决于3C 。而回路中的
不稳定电容主要是三极管的极间电容，它们又都直接并接在1C 、1C 上，所以极
间电容对总电容的影响较小，结果是减小了这些不稳定电容对振荡频率的影响，
并且1C 、2C 只是回路的一部分，晶体管以部分接入的形式与回路连接，减弱了
晶体管与回路之间的耦合。[1]而且3C 越小，这种影响就越小，环路增益就越小，
回路标准性就越高。实际情况下，克拉泼电路的频稳度大体上比电容三点式电路
高一个量级，达5-4-10~10。
1.3 克拉泼振荡器起振条件
1.3.1 相位条件
反馈振荡器的相位平衡条件为π????n F L f T 2=++='（n=0,1,2,···），据此可推出在克拉泼振荡器中：只要电容与电感串联电路等效为一电感，该电路即满足三端式振荡器的组成原则，即与晶体管发射级相连的两个电抗必须是同性质的，而与发射极相连的另一电抗与它们的性质相反[2]，那么该电路就满足相位平衡条件。
1.3.2振幅条件
图1-3是克拉泼振荡器的高频等效电路，l g 表示除晶体管以外的电路所有电导折算到CE 两端后的总电导。1L 为电容与电感串联的等效电感。当不考虑ie g 的影响时，反馈系数)(ωj F 的大小为
2
11
2)(C C C I C I
U U j F K c b F ====ωωω （1-1） I 为流经电感的电流。工程上一般采用上式估算反馈系数的大小。
将ie g 折算到放大器的输出端，有
ie F ie c b ie g K g U U g 22
=???? ??=' （1-2） 因此，放大器的总的负载电导l g 为
l oe ie F L g g g K g ++=2
（1-3）
1-1克拉泼实际电路 1-2 交流等效电路
则由振荡器的振幅起振条件1>'F R Y L f ，可以得到
F ie F
l oe f K g K g +
+≥1)Y Y （ （1-4） 只要在设计电路时晶体管的跨导满足（1-4）式，振荡器就可以振荡。上式的右边第一项表示输出电导和负载电导对振荡的影响，F 越大，越容易振荡；第二项表示输出电阻对振荡的影响，ie g 、F 越大，越不容易振荡。因此，考虑晶体管输入电阻对回路的加载作用，反馈系数F 并非越大越好。反馈系数F 的大小一般取0.1~0.5,。为保证振荡器有一定的稳定振幅。起振时环路增益一般取3~5。[1]
1.4 克拉泼振荡器的振荡频率
由图1-1，由于<<3C 1C ，<<3C 2C ，因此回路的总电容C 满足
则有3C C =,则输出正弦波的频率1ω为
如果设回路L 两端的等效负载为L R ，则折合到集电极回路作为集电极负载
电阻L R '：
L L L R P R C C R 2213=???? ??='
P 为回路总阻抗反映到管子ce 端的接入系数，P 为
1-3 克拉泼高频等效电路 332111111C C C C C ≈++= （1-5）
30
111LC LC ≈=≈ωω （1-6）
（1-7）
1
31C C C C P ≈= 可见3C 减小L R '也减小，从而导致放大倍数下降，会影响起振条件。
由于通过改变3C 来改变振荡频率的同时会影响负载电阻'L R 变化，进而影响振荡器的性能，故克拉泼振荡器不适合用作频率可变振荡器。[3]
2 克拉泼振荡器仿真分析
2.1 正常起振的电路图
下图2-1为设计的克拉泼振荡器的实际电路。偏置电阻的选择主要是要使的三极管的静态工作点处于放大状态，即要求发射结正偏，集电结反偏。从探针[4]上的数据可以看到此时有e b c b V V V V ><,，三极管处在放大状态。极间电容21C C 、的选择主要根据式（1-1），而反馈系数的大小一般为0.1~0.5。相位电容3C 要保证远小于极间电容，但不可太小。图2-2为仿真结果，使用频率计测量输出的振荡频率，用示波器观察输出振荡的波形[5]。从结果可以看出输出的振荡频率为4.986MHz ，输出的振荡波形为正弦波。使用式（1-6）计算频率
结果与频率计的结果十分接近。则可知输出的频率主要由相位电容3C 来决定，电容21C C 、对其影响很小。
图2-1 克拉泼振荡器设计电路图
（1-8）
MHz f 033.52==πω
图2-2 正常工作时频率和波形的仿真
2.2改变偏置电阻的仿真
将变阻器调至30%得到图2-3，将变阻器调至70%得到图2-4。对比图2-2与图2-3可以看出电路的输出频率基本上没有改变，但是变阻器的电阻变大会导致输出波形的幅度减小。观察图2-4可以看出此时振荡器没有起振，观察探针的结果可以看出此时不满足偏置条件，三极管没有处于放大的状态，振荡器无法起振。可知偏置电阻主要影响振荡器的起振及振荡幅度。经过仿真此时5R 的大小处于15ΩK ~70ΩK 之间可以正常起振。
图2-3 Ω=K R 355时的仿真结果
图2-4 Ω=K R 155时的仿真结果
2.3改变相位电容的仿真
将3C 调至10%得到图2-5，将3C 调至70%得到图2-6。观察图2-5可知此时振荡器没有起振，这是因为3C 取值太小，根据式（1-8）可知此时放大倍数减小，影响起振。观察图2-6可知此时正常起振，振荡频率为4.289MHz ，可知3C 对频率的影响较大。振荡幅度的变化不大。可知相位电容主要对振荡器的起振及振荡输出频率产生影响。经仿真3C 要大于30pF 可以正常起振，根据振荡器的组成原则，自然可知电容3C 的大小不可大于电感的大小。
图2-5 pF C 103=时的仿真结果
图2-6 pF C 703=时的仿真结果
2.4改变电源大小的仿真
将电压大小调到8v 得到图2-7，将电压大小调整15v 得到图2-8。观察图2-7可知，振荡器的输出振荡频率为4.974MHz ，与图2-2对比可知变化不大，但是幅度有了明显的改变，对比可知幅度变小了。观察图2-8可知，振荡器的输出振荡频率为5.004MHz ，与图2-2对比可知变化不大，幅度明显变大。则可知电源的大小主要影响振荡输出幅度的大小，对振荡器的输出频率影响较小。根据三极管的参数及偏置电阻，此时电源的电压应该大于
4.5v ，仿真可知电压应小于18v ，即电压大小处于4.5v~18v 之间可以正常起振。
图2-7 电源电压v V cc 8=时的仿真结果
图2-7 电源电压v V cc 15=时的仿真结果
3 心得体会
本次课设主要是利用Multisim 软件对电容三端式振荡器的仿真分析。模拟的结果与理论上的分析基本一致。说明Multisim 软件可以完成高频仿真。通过此次高频课设首先我学习和掌握了Multisim 软件，体会到了它的强大仿真能力，Multisim 帮助我们更好地掌握课堂讲述的内容，使我们加深对概念与原理的理解，仅仅靠课堂上的听讲很难加深我们对所学知识的理解，弥补了课堂教学存在的不足，通过电路仿真，使我们可以熟悉常用电子仪器的测量方法，培养我们综合分析的能力，开发、创新的能力，排除故障的能力。相信它对以后的学习工作都会有所帮助。
其次我对电容三端式振荡器有了更加深刻的了解尤其是克拉泼振荡器。首先是原理的了解，理论上的分析，然后进行仿真，将理论与实际相互论证比较，给我更深刻的理解。
参考文献
[1]曾兴雯，刘乃安，陈健．高频电路原理与分析．西安：西安电子科技大学出版社，2006.
[2]吴友宇．模拟电子技术基础．北京：清华大学出版社，2009.
[3]谈文心，邓建国，张相臣.高频电子线路.西安：西安交通大学出版社，1996.
[4]尹勇，李林凌.Multisim电路仿真入门与进阶.北京：科学出版社，2005.
[5]黄培根.Multisim10虚拟仿真和业余制版实用技术.北京：电子工业出版社，2008.