檢查一個傳統(tǒng)的電路就會注意到它的標志:一個帶抽頭的電感器,它用于確定振蕩頻率,并提供維持振蕩的反饋。盡管可以方便地計算出某個額定頻率所需的總感量,但要找到耦合系數k仍有很高技術難度,并且可能需要進行實驗優(yōu)化,也歸為“分割試驗”法。本設計實例給出了另一種替代等效電路,能在建立原型電路以前做出電路模型。
圖1是Hartley振蕩器的等效調諧電路,以及一個18MHz振蕩器的元件值。對于等效電路,互感的公式為:LA=-LM;LB=L2-LA=L2+LM和LC=L1-LA=L1+LM。等效電路的其它公式如下:
和
不幸的是,實際等效電路需要一個負電感LA。但是,對于接近諧振頻率f0的頻率,可以用一只電容器代替負電感器(圖1c),即用CA替換LA。注意等效電路忽略了寄生繞組的電阻與電容。
圖2為采用等效電路的一個振蕩器和輸出緩沖器。此電路性能一般與初始Spice仿真的預期相同。在測試期間,需要修改多個元件的值,并重復進行多次的Spice分析才能完成最終設計。
振蕩器的振蕩回路包括LB、LC、C4和C5,以及分壓器C6、C7和C8 產生的電容(大約6pF),該電容包括Q1和Q2的輸入電容和一些雜散電容。振蕩回路總電容為66pF,接近計算值67pF。連接到調諧電路上的電容器采用具有NP0溫度系數的陶瓷電介質型電容器。
電感器LB和LC采用空心線圈,它們在安裝時軸線互成直角,以盡量減小寄生耦合。但是,振動會影響它們的電感量,在最終設計中,兩個電感器都應包含電介質芯或環(huán)形芯上的繞組,因為環(huán)形線圈電感的溫度系數適合于預期的應用。
參考文獻1中的信息為兩種電感器提供了基本設計,調整匝的間距就可使振蕩器調諧到精確的18MHz。對于更嚴格的設計,可以在安裝前測量電感器,但寄生效應可能需要對電感器做某些調整。
電容分壓器C6、C7和C8為Q1和Q2施加適宜的信號電平。由于振蕩回路“看”到的分壓器有效電容總共只有6pF,因此,當設計要求一種可調振蕩器時,可以用一只可變電容器代替C4和C5組成其余的60 pF。在本例中,如果振蕩器需要大于±2MHz 的調諧范圍,則由Q3及其相應元件構成的輸出級可能需要作修改,以提供更高的帶寬。
電容器C3將Q1的Gate2自舉到其源極,提供額外增益,并使Q1 Gate1的輸入電容減少到已很低的 2.1pF以下(參考文獻2)。直流電阻小于2Ω的 8.3mH電感器L2連接到Q1的源極,在18 MHz 時表現(xiàn)出相對的高阻抗,并通過R3為Q1的源極提供一個對地直流路徑。在18 MHz 時,L2的阻抗大約為940Ω的感抗與大約3.5 kΩ電阻并聯(lián)組成,從而得到了一個極低Q值的扼流圈。假設其電感和感抗接近L2的原值,則可以為L2挑選一個實際尺寸較小的電感器。電感器L1的特性不太重要,但它應有4 ~ 6的低Q值,以及不大于5Ω的直流電阻值。在滿足這些要求下,就能為L1選擇一個標準值的扼流圈。
源跟隨器Q2用于驅動輸出級,它采用一種pi型匹配網絡,在Q3集電極將50Ω輸出負載轉換為285Ω。Q2的Gate2自舉該級輸出電壓的一半,就可增加源跟隨器的增益和動態(tài)范圍,并減小其輸入電容。
可以用電位器R15調整電路的輸出大小,在50Ω的負載上可以從約0.9VP_P調至1.5VP_P。在恒定的23℃左右室溫下,頻率保持穩(wěn)定,即使輸出上沒有負載,控制輸出的電路也能保持穩(wěn)定。對于固定頻率應用,輸出電路的負載Q為4,提供了適當的帶寬,減少了頻率小幅變化時對輸出電路重新調整的需求。
為使輸出電平達到最大安全程度,在輸出端連接一個50Ω負載,然后調整輸出至1.5VP_P。從50Ω到無負載的所有情況下,Q1上的漏源電壓都會保持在一個安全水平,即使輸出電壓隨著負載電阻提高而增加。為避免超過Q1最大12V漏源額定電壓值,不要在50Ω負載上將輸出電壓設為大于1.5V。注意齊納二極管D1降低了Q1的漏極電壓,以提供額外的安全裕度。
在以前的一個設計實例中,通過加在Q1 Gate2上的一個控制電壓,用一只運算放大器和一個二極管整流電路設定了振蕩器的增益(參考文獻3)。在本設計中,一個簡單的無源電路就完成了相同的功能。Q3集電極的一部分信號驅動一個由D2、D3、C20 和C21構成的倍壓器。倍壓器產生的一部分負電壓驅動R18和C19的節(jié)點,即控制電壓節(jié)點,它也從可變電阻器R15 ~ R17接收一個正電壓,產生的電壓設定輸出信號電平。在啟動時,Q1的 Gate 2上只有正電壓,而Q1的最大增益很容易使振蕩器起振。當輸出達到穩(wěn)定狀態(tài)時,控制電壓下降,使振蕩維持在由輸出電平控制所確定的信號水平。