不需要耦合電感器的 Hartley 振蕩器

檢查一個(gè)傳統(tǒng)的電路就會(huì)注意到它的標(biāo)志：一個(gè)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(jì)算出某個(gè)額定頻率所需的總感量，但要找到耦合系數(shù)k仍有很高技術(shù)難度，并且可能需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，也歸為“分割試驗(yàn)”法。本設(shè)計(jì)實(shí)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(diào)諧電路，以及一個(gè)18MHz振蕩器的元件值。對(duì)于等效電路，互感的公式為：L_A=-L_M；L_B=L₂-L_A=L₂+L_M和L_C=L₁-L_A=L₁+L_M。等效電路的其它公式如下：

　　和

　　不幸的是，實(shí)際等效電路需要一個(gè)負(fù)電感L_A。但是，對(duì)于接近諧振頻率f₀的頻率，可以用一只電容器代替負(fù)電感器（圖1c），即用C_A替換L_A。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(gè)振蕩器和輸出緩沖器。此電路性能一般與初始Spice仿真的預(yù)期相同。在測(cè)試期間，需要修改多個(gè)元件的值，并重復(fù)進(jìn)行多次的Spice分析才能完成最終設(shè)計(jì)。
 

　　振蕩器的振蕩回路包括L_B、L_C、C₄和C₅，以及分壓器C₆、C₇和C₈ 產(chǎn)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(jì)算值67pF。連接到調(diào)諧電路上的電容器采用具有NP0溫度系數(shù)的陶瓷電介質(zhì)型電容器。

　　電感器L_B和L_C采用空心線(xiàn)圈，它們?cè)诎惭b時(shí)軸線(xiàn)互成直角，以盡量減小寄生耦合。但是，振動(dòng)會(huì)影響它們的電感量，在最終設(shè)計(jì)中，兩個(gè)電感器都應(yīng)包含電介質(zhì)芯或環(huán)形芯上的繞組，因?yàn)榄h(huán)形線(xiàn)圈電感的溫度系數(shù)適合于預(yù)期的應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)1中的信息為兩種電感器提供了基本設(shè)計(jì)，調(diào)整匝的間距就可使振蕩器調(diào)諧到精確的18MHz。對(duì)于更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，可以在安裝前測(cè)量電感器，但寄生效應(yīng)可能需要對(duì)電感器做某些調(diào)整。

　　電容分壓器C₆、C₇和C₈為Q₁和Q₂施加適宜的信號(hào)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(dāng)設(shè)計(jì)要求一種可調(diào)振蕩器時(shí)，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(diào)諧范圍，則由Q₃及其相應(yīng)元件構(gòu)成的輸出級(jí)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(xiàn)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(shí)表現(xiàn)出相對(duì)的高阻抗，并通過(guò)R₃為Q₁的源極提供一個(gè)對(duì)地直流路徑。在18 MHz 時(shí)，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(gè)極低Q值的扼流圈。假設(shè)其電感和感抗接近L₂的原值，則可以為L(zhǎng)₂挑選一個(gè)實(shí)際尺寸較小的電感器。電感器L₁的特性不太重要，但它應(yīng)有4 ~ 6的低Q值，以及不大于5Ω的直流電阻值。在滿(mǎn)足這些要求下，就能為L(zhǎng)₁選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值的扼流圈。

　　源跟隨器Q₂用于驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)，它采用一種pi型匹配網(wǎng)絡(luò)，在Q₃集電極將50Ω輸出負(fù)載轉(zhuǎn)換為285Ω。Q₂的Gate2自舉該級(jí)輸出電壓的一半，就可增加源跟隨器的增益和動(dòng)態(tài)范圍，并減小其輸入電容。

　　可以用電位器R₁₅調(diào)整電路的輸出大小，在50Ω的負(fù)載上可以從約0.9V_{P_P}調(diào)至1.5V_{P_P}。在恒定的23℃左右室溫下，頻率保持穩(wěn)定，即使輸出上沒(méi)有負(fù)載，控制輸出的電路也能保持穩(wěn)定。對(duì)于固定頻率應(yīng)用，輸出電路的負(fù)載Q為4，提供了適當(dāng)?shù)膸挘瑴p少了頻率小幅變化時(shí)對(duì)輸出電路重新調(diào)整的需求。

　　為使輸出電平達(dá)到最大安全程度，在輸出端連接一個(gè)50Ω負(fù)載，然后調(diào)整輸出至1.5V_{P_P}。從50Ω到無(wú)負(fù)載的所有情況下，Q₁上的漏源電壓都會(huì)保持在一個(gè)安全水平，即使輸出電壓隨著負(fù)載電阻提高而增加。為避免超過(guò)Q₁最大12V漏源額定電壓值，不要在50Ω負(fù)載上將輸出電壓設(shè)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(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例中，通過(guò)加在Q₁ Gate2上的一個(gè)控制電壓，用一只運(yùn)算放大器和一個(gè)二極管整流電路設(shè)定了振蕩器的增益（參考文獻(xiàn)3）。在本設(shè)計(jì)中，一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源電路就完成了相同的功能。Q₃集電極的一部分信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)由D₂、D₃、C₂₀ 和C₂₁構(gòu)成的倍壓器。倍壓器產(chǎn)生的一部分負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)R₁₈和C₁₉的節(jié)點(diǎn)，即控制電壓節(jié)點(diǎn)，它也從可變電阻器R₁₅ ~ R₁₇接收一個(gè)正電壓，產(chǎn)生的電壓設(shè)定輸出信號(hào)電平。在啟動(dòng)時(shí)，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(dāng)輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，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(hào)水平。