哈特利振荡器工作,用运放设计

哈特利振荡器是经典的LC反馈电路之一,用于产生高频波形或信号。正如我们在LC振荡器的文章中讨论的,如果在反馈网络中选择电阻器元件X1和X2作为电感,X3作为电容,那么该振荡器称为哈特利振荡器。

这些可以通过使用不同的电路配置来实现。哈特利振荡器的主要部分是放大器部分和油箱部分。水箱部分由两个电感器和一个电容器组成。每个部分产生一个180度的交流信号电压的相移,因此它产生一个正弦波电压。

哈特利振荡器电路

哈特利振荡器的电路图如下所示。在放大器级,采用共发射极结构的NPN晶体管作为有源器件。R1和R2是偏置电阻,RFC是射频扼流圈,提供交流和直流操作之间的隔离。

高频时,扼流圈的电抗值非常高;因此,它可以被视为开路。在直流条件下,电抗为零,因此对直流电容器没有问题。CE是发射极旁路电容,RE也是偏置电阻。电容CC1和CC2为耦合电容。

哈特利振荡器电路

当直流电源(Vcc)给电路时,集电极电流开始上升,电容C开始充电。一旦电容C充满电,它开始通过L1和L2放电,然后再次开始充电。

这种反向和第四电压波形是一个正弦波,这是一个小,并导致其负变化。除非被放大,否则它最终会灭绝。

现在晶体管进入了我们的视野。水箱电路产生的正弦波通过电容CC1耦合到晶体管的基部。

由于晶体管配置为共发射极,它从槽电路获得输入,并将其倒置为一个前置正变换的标准正弦波。

因此,晶体管提供放大和反转来放大和校正由槽电路产生的信号。L1和L2之间的互感提供从集电极-发射极电路到基极-发射极电路的能量反馈。

这个电路的振荡频率是

(2π√(Leq C))

其中Leq是油箱回路中线圈的总电感量,给出为

Leq = L1 + L2 + 2M

对于实际电路,若L1 = L2 = L且忽略互感,则振荡频率可简化为

f = 1/ (2π√2 L C)

在某些电路中,晶体管哈特利振荡器的L1和L2之间存在互感,如下图所示。

具有互感的晶体管哈特利振荡器

哈特利振荡器中的互感

通过线圈的电流的变化通过磁场感应到附近其他线圈的电流称为互感。它是由于其他电感器的磁通而在一个电感器中引起的额外电感量。

考虑互感的影响,线圈的总电感可由下式计算。

Leq = L1 + L2 + 2M

式中M为互感,其值取决于电感之间的有效耦合、它们之间的间距、每个线圈的尺寸、每个线圈的匝数和用于公共铁芯的材料类型。

在射频振荡器中,根据紧密耦合的电感产生的场的南北极性,电路的总电感是确定的。

如果各个线圈产生的电场方向相同,那么互感将增加到总电感,因此总电感增加。

如果电场方向相反,则互感量会降低总电感量。因此,振荡器的工作频率将会增加。

哈特利振荡器的设计考虑了这两个电感的相互作用。在实际中,两个电感器都使用一个共同的铁芯,然而,根据耦合系数的不同,互感效应可能会大得多。

当电感之间有100%的磁耦合时,该系数值为一个单位;如果电感之间没有磁耦合,该系数值为零。

使用运放的哈特利振荡器电路

哈特利振荡器可以用运算放大器实现,其典型布置如下图所示。这种电路利用反馈电阻和输入电阻来调节增益。

在晶体管哈特利振荡器中,增益依赖于槽电路元件L1和L2,而在运放振荡器中增益依赖于槽电路元件较少,因此提供了很大的频率稳定性。

使用运放的哈特利振荡器电路

这个电路的工作原理类似于晶体管版的哈特利振荡器。由反馈电路产生的正弦波与运放部分耦合。然后这个波被放大器稳定和反转。

振荡器的频率通过在水箱电路中使用可变电容来改变,使反馈比和输出幅值在一个频率范围内保持恒定。这种振子的振动频率与上面讨论的振子相同,给出如下

(2π√(Leq C))

Leq = L1 + L2 + 2M或L1 + L2

为了从这个电路中产生振荡,放大器增益必须选择大于或至少等于两个电感的比值。

Av = L1 / L2

如果L1和L2之间存在互感,因为这两个线圈有共同的铁芯,那么增益变为

Av = (L1 + M) / (L2 + M)

示例1

考虑由水箱电路组成的晶体管哈特利振荡器的电容为100pF。集电极与抽丝点之间的电感量为30µH,抽丝点与晶体管基极之间的电感量为1 × 10-8 H。求振荡频率。忽略互感。

考虑到

C = 100pF = 100 × 10-12年F

l = 30µh = 30 × 106H

l = 30µh = 1 × 108H

晶体管哈特利振荡器的振荡频率由

f = 1/ (2π√(L1 + L2) C))

= 1/ (2π√(30 × 106+ (1 × 108× 100 × 10-12年))

= 2.9 × 106赫兹

= 2.9兆赫

示例2

考虑给定的图,其中哈特利振荡器由运算放大器和反馈LC网络构成。通过参考给定的值确定工作频率和电阻R的最大可接受值的振荡开始。

哈特利振荡器的例子

对于哈特利振荡器,其振荡频率为

(2π√(Leq C))

Leq = L1 + L2

Leq = 1.0 × 106+ 0.1 × 106

Leq = 1.1 × 106

给定的电容值为C = 1 × 109F

因此,fo = 1/ (2π√(1.1 × 10)6× 1 × 109)

= 4.799 MHz。

反馈因子= L2 / L1

= 0.1 × 106/ 1.0 × 106

= 0.1

因此所需的最小增益= 10

但是,增益= R2/R = 100 × 103./ R

因此,R的最大值= 100 × 103./ 10

= 10k欧姆。

优势

  • 代替两个单独的线圈,如L1和L2,一个线圈的裸线可以使用和线圈接地沿它的任何理想点。
  • 通过使用可变电容或使磁芯可移动(改变电感),振荡的频率可以改变。
  • 输出的振幅在工作频率范围内保持不变。
  • 需要的组件很少,包括两个固定电感或一个抽头线圈。

缺点

  • 由于电感值变大,电感体积变大,不能作为低频振荡器使用。
  • 该振荡器输出的谐波含量非常高,因此不适合要求纯正弦波的应用。

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