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不需要耦合电感器的哈特利振荡器模拟电子技

2019-11-10 21:40:46来源:励志吧0次阅读

  不需要耦合电感器的哈特利振荡器 - 模拟电子技术 - 电子工程

  如果检查传统的哈特利(Hartley)振荡电路,您就会注意到它的特征:一个抽头电感器,它决定了振荡频率并提供振荡持续反馈。虽然您能很容易地为额定频率计算总电感,但求解耦合系数k也许需要实验性(即“试算”式)优化。本设计实例介绍了一种可供选择的等效电路,使您能在构建原型之前建立电路模型。

  图1a和图1b显示了哈特利振荡器的等效调谐电路、计算其元件的公式,以及针对18MHz振荡器的元件值。互感为LM=k√L1×L2。对于等效电路,公式依次是:LA=-LM、LB= L2-LA=L2+LM、LC=L1-LA=L1+LM。等效电路的其余公式是:

  和

  遗憾的是,真正等效的电路需要负电感 LA。不过,对于谐振频率 f0 附近的频率,可以用电容器来代替这个负电感器,CA 取代了 LA(图 1c)。请注意:等效电路的求解忽略了寄生绕组电阻和电容。

  图 2 描绘了一个利用等效电路的振荡器兼输出缓冲器。构建的该电路在性能方面大体与您对初始 Spice 模拟的期望一致。在测试期间,几个元件的值需要调整,并且 Spice 分析的多次迭代最终产生了最终设计。振荡器的振荡回路由 LB、LC、C4 和 C5 组成,外加分压器 C6、C7 和 C8 提供的电容。这个约为 6 pF 的电容包含 Q1 和 Q2 的输入电容和一些杂散电容。66 pF 的总振荡电容接近 67 pF 计算值。连接到调谐电路的各个电容器具有陶瓷电介质构造和 NP0 温度系数。

  电感器 LB 和 LC 由空气芯线圈组成,其轴相互垂直,以便尽量减小寄生耦合。但是,振动会影响它们的电感,并且在最终设计中,二者都应该由电介质或环形磁芯上的绕组组成,条件是环形磁芯的电感温度系数对于预定应用是可接受的。参考文献 1 提供了两个电感器的基本设计,并且如果调整其线圈匝间隔,就能把振荡器调整到刚好 18 MHz。对于更严格的设计,可以在安装前测量各个电感器,但寄生效应也许需要重新调整各电感器的值。

  由 C6、C7 和 C8 组成的电容式分压器把适当的信号电平施加到 Q1 和 Q2。由于分压器把振荡回路的有效电容只“看作”6 pF,因此如果设计需要一个可调谐振荡器,则剩余的 60 pF 可形成一个可变电容器。在本例中,如果振荡器需要一个超过 ±2 MHz 的调谐范围,则由 Q3 及其关联元件组成的输出级将需要改进,以便提供更大带宽。

  电容器 C3 把 Q1 的Gate2自举到 Q1 的源极,以便提供来自Q1的额外增益,并把其Gate1输入电容降至约为 2.1 pF 的值之下(参考文献 2)。8.3mH 电感器 L2 连接到 Q1 的源极,并在 18 MHz 呈现了较高的阻抗,通过 R3 提供一条从 Q1 的源极到地的直流路径。L2 在 18 MHz 的阻抗包含了约为 940Ω 的感抗,后者与约为 3.5 kΩ 的电阻并联,这导致了一个具有低电阻损耗的扼流圈。可以用较小的电感器代替 L2,条件是它的电感和电抗接近原始值。可以使用具有标准值的8.2mH扼流圈作为L2,条件是它的电阻损耗符合这些低损耗准则,并且它的固有串联电阻不超过2Ω,以避免扰乱 Q1 的直流偏置电压。针对 L1 的扼流圈的电感和谐振不如针对 L2 的那些值关键,但在 L1 使用具有低电阻损耗的扼流圈可帮助避免寄生谐振。

  源极跟随器 Q2 驱动输出级,后者使用 pi 匹配络来把 50Ω 输出负载变换成 Q3 集电极处的 285Ω。以 Q2 的输出电压的一半来自举其Gate2,就能增加源极跟随器的增益和动态范围,并降低其输入电容。电位器 R5 在 50Ω 负载上调整该电路的输出电平,范围是大约0.9V p-p 至大约1.5V p-p。电路的频率在大约 23℃的恒定室温时保持稳定。另外,即使不向输出端施加负载,输出电平控制电路也保持稳定。对于固定频率振荡器,输出电路约等于4的负载电阻损耗在不重新调谐 L3、C16 和 C17 的前提下提供了足够带宽。

  为了把输出电平设在一个安全的最高值,应把一个 50Ω 负载连接到输出端,并把输出调节到 1.5V p-p。对于从零负载到 50Ω 的所有负载,即使输出电压电平随负载电阻一起增加,加到 Q1 的漏极至源极电压也会保持在安全水平。为了避免超过 Q1规定的最高 12V 漏极至源极电压,进入 50Ω 负载的输出电压设置不应超过1.5V。请注意:齐纳二极管 D1 降低了Q1 的漏极电压,以提供额外的安全余量。

  在以前的设计实例中,一个运算放大器和二极管整流电路通过把一个可变电压加到 Q1 的 Gate2,控制着振荡器的增益(参考文献 3)。在本设计中,一个简单的无源电路起同样作用。Q3 集电极信号的一部分驱动着由 D2、D3、C20 和 C21 组成的电压倍增器。电压倍增器产生一个负电压,其中一部分驱动 R18 和 C19 的结点,即控制电压节点。该控制电压节点还通过 R17 从可变电阻器 R15 收到正电压,并且产生的电压设置输出信号电平。在启动时,出现在 Q1 的Gate2只有一个正电压,并且 Q1 的最大增益很容易启动振荡器。当输出到达稳定状态时,控制电压会下降,使振荡保持在输出电平控制值决定的信号电平上。

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