基本哈特利振蕩器設(shè)計(jì)

一、哈特利(Hartley)振蕩器是什么意思?

哈特利振蕩器(哈特萊是一種 電感三點(diǎn)式振蕩電路 ，哈特利振蕩器的振蕩頻率由 LC 調(diào)諧電路(即由電容和電感組成的電路)確定(如下圖所示)。 哈特利振蕩器通常被調(diào)諧以產(chǎn)生射頻波段的波，也被稱(chēng)為 RF 振蕩器 。

哈特利振蕩器振蕩電路

調(diào)諧 LC 電路連接在晶體管放大器的集電極和基極之間** 。就振蕩電壓而言，發(fā)射器連接到調(diào)諧電路線圈上的分接點(diǎn)。

調(diào)諧LC諧振電路的反饋部分取自電感線圈的中心抽頭，甚至是兩個(gè)與可變電容器并聯(lián)的獨(dú)立線圈串聯(lián)，如上所示圖。

二、基本哈特利振蕩器設(shè)計(jì)

哈特利振蕩器電路可以 由使用單個(gè)抽頭線圈(類(lèi)似于自耦變壓器)或一對(duì)串聯(lián)線圈與單個(gè)電容并聯(lián)的任何配置制成，如下圖所示。

當(dāng)電路發(fā)生振蕩時(shí)， X 點(diǎn)(集電極)處的電壓相對(duì)于 Y 點(diǎn)(發(fā)射極)與 Z 點(diǎn)(基極)處的電壓相對(duì)于Y點(diǎn)的異相180 °。

在振蕩頻率下，集電極負(fù)載的阻抗是電阻性的，基極電壓的增加會(huì)導(dǎo)致集電極電壓的降低。

因此，基極和集電極之間的電壓存在 180° 的相位變化，這與反饋回路中的原始 180° 相移一起為要維持的振蕩提供了正反饋的正確相位關(guān)系。

反饋量取決于電感“分接點(diǎn)”的位置 ，如果將其移近收集器，則反饋量會(huì)增加，但收集器和大地之間的輸出會(huì)減少，反之亦然。

電阻 R1 和 R2 以正常方式為晶體管提供通常的穩(wěn)定直流偏置，而電容則充當(dāng)隔直電容。

哈特利振蕩器原理圖

在這個(gè)哈特利振蕩器電路中，DC 集電極電流流過(guò)線圈的一部分，因此該電路被稱(chēng)為“串聯(lián)饋電”，哈特利振蕩器的振蕩頻率為：

哈特利振蕩器的振蕩頻率公式

L T 是總的累積耦合電感，在一般的情況下，L T 就是兩個(gè)電感之和，但是當(dāng)兩個(gè)電感的互感很大時(shí)就需要修改了。

互感是由一個(gè)電感器(或抽頭電感器的一部分)周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)引起的額外有效量的電感，該磁場(chǎng)將電流引入另一個(gè)電感。 具體的如下所示：

共芯中心抽頭電感

當(dāng)兩個(gè)電感都繞在同一個(gè)磁芯上時(shí)，互感 (M) 的影響可能相當(dāng)大，總電感的計(jì)算公式如下：

總電感的計(jì)算公式

M 的實(shí)際值取決于兩個(gè)電感磁耦合的效率，其中包括電感之間的間距、每個(gè)電感上的匝數(shù)、每個(gè)線圈的尺寸和公共磁芯的材料。

振蕩頻率可以通過(guò)改變“調(diào)諧”電容C或通過(guò)改變線圈內(nèi)鐵粉芯的位置(感應(yīng)調(diào)諧)來(lái)調(diào)整，從而在很寬的頻率范圍內(nèi)提供輸出，使其非常容易調(diào)諧。

三、哈特利振蕩器案例

哈特利振蕩器電路具有兩個(gè)各自為 0.5mH 的獨(dú)立電感，與可在 100pF 和 500pF 之間調(diào)節(jié)的可變電容并聯(lián)諧振，確定振蕩的上下頻率以及 哈特利振蕩器帶寬。

從上面我們可以計(jì)算出 哈特利振蕩器的振蕩頻率 ：

哈特利振蕩器的振蕩頻率

該電路由兩個(gè)串聯(lián)的電感線圈組成，因此總電感為：

總電感

哈特利振蕩器高頻 ：

哈特利振蕩器高頻

哈特利振蕩器低頻 ：

哈特利振蕩器低頻

哈特利振蕩器帶寬 ：

哈特利振蕩器帶寬

1、并聯(lián)哈特利振蕩器電路原理1

除了上面的哈特利振蕩器外，還可以將調(diào)諧諧振電路連接到放大器兩端作為并聯(lián)饋電振蕩器，如下所示。

在并聯(lián)的哈特利振蕩器電路中，集電極電流的交流和直流分量在電路周?chē)加歇?dú)立的路徑。由于直流分量被電容器阻擋，C2 沒(méi)有直流電流流過(guò)電感線圈，L 并且在調(diào)諧電路中浪費(fèi)的功率更少。

并聯(lián)哈特利振蕩器電路

射頻線圈 (RFC) L2 是一種射頻扼流圈，在振蕩頻率下具有高電抗，因此當(dāng)直流分量通過(guò) L2 時(shí)，大部分射頻電流通過(guò)電容 C2 施加到 LC 調(diào)諧槽電路電源。 可以使用電阻代替 RFC 線圈 L2 ，但效率會(huì)更低。

2、并聯(lián)饋電哈特利振蕩器電路原理2

如下圖所示，使用一個(gè)電壓源，固定偏壓由分壓電阻 R 1 和 R B 提供。由 C 1 旁路的發(fā)射極緩沖電阻 R E 用于溫度穩(wěn)定。

集電極通過(guò)電感 L 3并聯(lián)饋電， C 3 用作隔直和耦合電容，以防止槽路線圈使集電極短路。類(lèi)似地，C 2 用作基極阻塞耦合電容，以防止基極通過(guò)槽路電感對(duì)地短路。

并聯(lián)哈特利振蕩器電路

當(dāng)并聯(lián)饋電電路通電時(shí)，初始偏置由 R 1和R B 確定，并且通過(guò)從集電極通過(guò)槽路電感的 L 1和L 2 部分提供給基極的反饋來(lái)建立振蕩。

要注意，從發(fā)射極通過(guò)諧振回路的 L 1 部分和耦合電容 C 3到集電極存在一條 AC 路徑，并且存在通過(guò) L 2和 C 2 到基極的類(lèi)似路徑。

隨著振蕩的發(fā)生，在 R E(如果C1是正確的值)。 通常，選擇分壓 R 1 和R B 的值以提供 A 類(lèi)偏壓以便于啟動(dòng)，選擇 R E和C 1的值以提供熱穩(wěn)定性和 B 類(lèi)或 C 類(lèi)偏壓實(shí)現(xiàn)所需要的工作效率。

輸出可以取自連接到集電極的電容或耦合到槽路的電感。

3、使用運(yùn)算放大器的哈特利振蕩器

除了使用雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 作為哈特利振蕩器的放大器有源級(jí)外，我們還可以使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 或運(yùn)算放大器 (op-amp)。

運(yùn)算放大器哈特利振蕩器的操作與晶體管版本的操作完全相同，其操作頻率以相同的方式計(jì)算，如下圖所示：

運(yùn)算放大器的哈特利振蕩器

使用運(yùn)算放大器作為其有源級(jí)構(gòu)建哈特利振蕩器的優(yōu)勢(shì)在于，可以使用反饋電阻 R1和 R2 輕松調(diào)整運(yùn)算放大器的增益。

與上面的晶體管振蕩器一樣，電路的增益必須等于或略大于 L1/L2 的比率。如果兩個(gè)電感線圈繞在一個(gè)共同的磁芯上并且互感M存在，則比率變?yōu)?(L1+M)/(L2+M) 。

4、共基極哈特利振蕩器

下圖中的振蕩器使用公共基極放大器。 當(dāng)振蕩器第一次上電時(shí)，放大器工作在 A 類(lèi)，正反饋 。

LC 諧振電路接收集電極電流脈沖并開(kāi)始以其設(shè)計(jì)頻率諧振。儲(chǔ)能電路提供的電流放大倍數(shù)很高，最初輸出幅度非常大。

一旦第一個(gè)脈沖出現(xiàn)并通過(guò) C2 反饋到發(fā)射極，DC 電壓在很大程度上取決于 C2 和 R3 的時(shí)間常數(shù)，該時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)長(zhǎng)于振蕩波的周期時(shí)間，建立跨越 R3。

共基極哈特利振蕩器

隨著發(fā)射極電壓的增加，放大器的偏置點(diǎn)從其 A 類(lèi)位置向 C 類(lèi)條件“滑動(dòng)” ，如上圖所示，從而減小由電位產(chǎn)生的相對(duì)穩(wěn)定的基極電壓之間的差異 (Vbe) 驅(qū)動(dòng)器 R1/R2 和越來(lái)越正的發(fā)射極電壓。

這減少了可以被 TR1 放大的波形部分，直到波形的尖端產(chǎn)生通過(guò)儲(chǔ)能電路的集電極電流脈沖，并且閉環(huán)增益電路降低到 1。 有效地來(lái)自?xún)?chǔ)能電路的正反饋C2 和 R3 產(chǎn)生的負(fù)反饋和反饋處于平衡狀態(tài)。

與這種平衡的任何偏差都會(huì)產(chǎn)生校正效果。如果輸出波的幅度減小，則通過(guò) C2 的反饋也會(huì)減小，從而導(dǎo)致發(fā)射極電壓降低，從而使 V 的負(fù)值更小，從而產(chǎn)生集電極電流的校正增加，并在諧振電路上產(chǎn)生更大的輸出波。

隨著集電極電流增加，TR1 發(fā)射極電壓也會(huì)增加。這將導(dǎo)致 R3 兩端的電壓更大，使發(fā)射極更正，從而有效地增加 Tr1 的負(fù)基極/發(fā)射極電壓量。這會(huì)再次降低集電極電流，從而導(dǎo)致儲(chǔ)能電路產(chǎn)生更小的輸出波形，并將電路的閉環(huán)增益平衡為 1。

5、共發(fā)射極哈特利振蕩器

下圖所示的電路使用一個(gè) 共發(fā)射極放大器和來(lái)自調(diào)諧電路頂部的正反饋，通過(guò) C2(隔直和交流耦合電容)到基極 。

抽頭電感 L1/L2 的頂端和底端在本設(shè)計(jì)中是反相的，諧振電路的抽頭點(diǎn)連接到電源線，在共射極放大器中，它與電源線完全相同。

共發(fā)射極哈特利振蕩器

晶體管發(fā)射極由于電源兩端的去耦電容(未顯示，因?yàn)樗鼈儗⒃陔娫粗?，以及發(fā)射極電阻兩端的 C3。

共射極放大器中的基極也與集電極波形反相，從而通過(guò) C2 產(chǎn)生正反饋。再次使用自動(dòng) C 類(lèi)偏置，但在該電路中，發(fā)射極去耦電容 C3 的值將很關(guān)鍵，并且比普通 A 類(lèi)放大器中的要小。它只會(huì)部分解耦 R3，R3/C3 的時(shí)間常數(shù)控制施加的 C 類(lèi)偏置量。

6、帶調(diào)諧反饋的哈特利振蕩器

下圖中，電感的抽頭接地而不是 +Vcc，兩個(gè)隔直電容用于消除調(diào)諧電路中的任何直流電。 集電極負(fù)載現(xiàn)在由射頻扼流圈提供，該扼流圈僅在振蕩器頻率下提供高阻抗。

帶調(diào)諧反饋的哈特利振蕩器

與共發(fā)射極哈特利振蕩器相似的方式為帶調(diào)諧反饋的哈特利振蕩器提供自動(dòng) C 類(lèi)偏置。 然而，在此變體中，不是使用僅在所需頻率下放大的調(diào)諧放大器，而是此處的放大器將在很寬的頻率范圍內(nèi)工作。

然而，將調(diào)諧諧振電路放置在反饋路徑中可確保正反饋僅在調(diào)諧電路的諧振頻率處發(fā)生。

諧振頻率公式

四、哈特利振蕩器的優(yōu)點(diǎn)

即使在包括抽頭線圈或固定電感之后，對(duì)組件的需求也非常少。

可以將單個(gè)線圈用作自耦變壓器，而不是使用大型變壓器。

振蕩頻率可以通過(guò)使用可變電感或使用可變電容來(lái)改變

可以使用單個(gè)裸線線圈來(lái)代替使用兩個(gè)單獨(dú)的感應(yīng)線圈 L1 和 L2。

電路非常簡(jiǎn)單，并不復(fù)雜。

可以產(chǎn)生具有恒定幅度的正弦振蕩。

五、哈特利振蕩器的缺點(diǎn)

有時(shí)由于諧波的存在會(huì)產(chǎn)生失真的正弦信號(hào)，這是哈特利振蕩器的主要缺點(diǎn)之一。

不能用作低頻振蕩器，因?yàn)殡姼械某叽绾碗姼械闹岛艽蟆?/p>

六、哈特利振蕩器的功能

哈特利振蕩器用作無(wú)線電接收器中的本地振蕩器，由于頻率范圍廣的原因，它是一種流行的振蕩器。

適用于高達(dá) 30MHz 的射頻 (RF) 范圍內(nèi)的振蕩。

用于產(chǎn)生具有所需頻率的正弦波。

審核編輯：湯梓紅