不需要耦合电感器的哈特利振荡器

2006-09-08 14:45:37来源: EDN China

  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 匹配网络来把 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。

参考文献
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.

关键字:电容  等效  电感  电路

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/qtjs/200609/691.html
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