考毕兹振荡器电路图 考毕兹振荡器的工作原理和特点

一、考毕兹振荡器的工作原理

考毕兹振荡器，又称为Colpitts振荡器、电容三点式振荡器或电容反馈式振荡器，是由美国电机工程师艾德温·考毕兹于1918年发明的一种经典的LC振荡器设计。这种振荡器在电子工程领域中具有广泛的应用，特别是在无线通信、射频电路等领域。

考毕兹振荡器的工作原理基于LC谐振电路的正反馈机制。其核心结构包括一个增益器件（如双极结型晶体管、场效应管、运算放大器或真空管）和一个由两个电容和一个电感构成的并联谐振电路。谐振电路作为反馈回路，与增益器件的输出和输入相连，形成一个正反馈系统。

具体来说，考毕兹振荡器的工作原理可以分为以下几个步骤：

初始激励：在振荡器开始工作时，首先需要通过某种方式（如外部激励信号或电路内部的噪声信号）给谐振电路提供一个初始的激励信号。这个信号会被增益器件放大。

放大与反馈：放大后的信号通过谐振电路反馈到增益器件的输入端。由于谐振电路具有选频特性，只有与谐振频率相近的信号才能被有效放大和反馈。这种正反馈机制使得信号在电路中不断循环放大，逐渐形成稳定的振荡输出。

频率稳定：在振荡器稳定工作后，谐振电路的谐振频率将决定振荡器的输出频率。由于谐振电路的频率稳定性较高，因此考毕兹振荡器能够输出稳定、精确的振荡信号。

相位平衡：在考毕兹振荡器中，反馈信号的相位与输入信号的相位必须满足一定的条件（即相位平衡条件），才能确保振荡器能够持续稳定地工作。这种相位平衡条件是通过调整谐振电路的参数（如电容和电感的值）来实现的。

二、考毕兹振荡器的特点

考毕兹振荡器作为一种经典的LC振荡器设计，具有以下主要特点：

稳定性高：由于考毕兹振荡器采用了并联谐振电路作为反馈回路，因此具有较高的频率稳定性。这种稳定性使得考毕兹振荡器在需要精确控制频率的场合中具有广泛的应用。

频率可调范围宽：通过调整谐振电路中的电容和电感的值，可以方便地改变考毕兹振荡器的输出频率。这种可调性使得考毕兹振荡器能够适应不同的应用需求。

失真小：由于考毕兹振荡器采用了正反馈机制，因此其输出信号的失真较小。这种低失真特性使得考毕兹振荡器在音频处理、通信等领域中具有优异的表现。

结构简单：考毕兹振荡器的电路结构相对简单，易于实现和调试。这使得考毕兹振荡器成为一种广泛应用的电子元件。

功耗低：考毕兹振荡器在工作时功耗较低，因此适用于对功耗要求较高的场合。

三、考毕兹振荡器的应用

考毕兹振荡器在电子工程领域中具有广泛的应用。以下是一些典型的应用场景：

无线通信：在无线通信系统中，考毕兹振荡器被用于产生射频信号。这些信号经过调制后用于传输信息。由于考毕兹振荡器具有稳定的频率输出和低失真特性，因此能够确保无线通信系统的稳定性和可靠性。

射频电路：在射频电路中，考毕兹振荡器被用作信号源或本地振荡器。这些电路通常用于接收和发射射频信号。考毕兹振荡器的高频率稳定性和低失真特性使得其在射频电路中具有重要的应用价值。

音频处理：在音频处理领域中，考毕兹振荡器被用于产生音频信号或用于音频信号的调制和解调。其稳定的频率输出和低失真特性能够确保音频信号的质量。

传感器：在一些传感器中，考毕兹振荡器被用作信号发生器或信号检测器。这些传感器通常用于测量物理量（如温度、压力等）并将其转换为电信号进行处理。考毕兹振荡器的高频率稳定性和低功耗特性使得其在传感器领域中具有广泛的应用前景。

考毕兹振荡器作为一种经典的LC振荡器设计，具有稳定性高、频率可调范围宽、失真小、结构简单和功耗低等特点。这些特点使得考毕兹振荡器在无线通信、射频电路、音频处理和传感器等领域中具有广泛的应用。随着电子技术的不断发展，考毕兹振荡器的性能和应用将会得到进一步的提升和拓展。

四、考毕兹振荡器电路图

考毕兹振荡器电路图（1）

振荡器是一种无需输入即可产生周期性、重复的振荡波形的电子设备。它可以是正弦波、三角波或方波。它将单向直流源转换为交流信号。

根据工作原理，振荡器主要分为张弛/非线性振荡器或谐振子。张弛振荡器在有源元件和无源元件之间交换能量，充电和放电时间常数决定其频率。而谐波振荡器是能量从有源元件流向无源元件的振荡器，其频率由反馈路径决定。

考毕兹振荡器电路是一种 LC 电路，由电感器和电容器组合而成，可在定义的频率下产生振荡。

考毕兹振荡器电路仅包含按以下顺序排列的几个组件。电感器与串联电容器 C1 和 C2（抽头电容器）并联。晶体管 BC547 用作射极跟随器，其中 R1 和 R2 电阻器偏置 CB（集电极-基极）端子和 BE（基极-发射极）端子，而集电极和基极端子的反馈路径中具有储能电路。

当向电路提供电源时，电容器C1和C2都充电，然后通过电感器放电，最初产生振荡。 C2 处的这些振荡被施加到晶体管基极-发射极端子，将其放大并在集电极端子处获得。放大的信号被提供给储能电路，以满足两个电容器和电感器之间能量转换过程中的损耗。两个电容C1和C2的值决定反馈量。获得360°的总相移，晶体管提供180°相移，而电容器反馈提供另一个180°相移，因此获得总360°相移，这提供了正反馈值。最终获得稳定、抑制的振荡。

考毕兹振荡器电路公式：

其中L是L1的电感，C是C1和C2串联的总电容。

考毕兹振荡器电路图（2）

在这种类型的电路中，放大器级使用运算放大器而不是晶体管。储能电路与上述电路保持相同。因此，运算放大器提供所需的基本放大，而反馈网络负责设置振荡器频率。

下图所示为使用运放的科尔皮兹振荡器的电路图。在给定电路中，运算放大器连接为反相放大器，与晶体管电路相比具有高增益。 LC网络置于运算放大器的正反馈中

当给电路供电时，没有信号，但微小的噪声电压被运算放大器放大。这使得两个电容器开始充电和放电。

电容器 C2 两端的信号部分被馈送到反相放大器。然后它被放大并保持网络强烈振荡。使用运算放大器的科尔皮兹振荡器的振荡频率由下式给出

考毕兹振荡器电路图（3）

为电路中的每个组件提供单独的电源是很困难的，因为大多数时候，当我们处理不同的电子电路和微处理器或微控制器时，它们需要具有特定频率和幅度的信号源，因此我们使用振荡器电路向不同的电路元件提供不同电平的信号。振荡器是一种无需任何输入即可产生连续、重复、交替波形的电路。振荡器将来自直流源的单向电流转换为具有所需频率的交流波形，频率由其电路组件决定。

这里简单的科尔皮兹振荡器电路被设计为产生恒定的正弦输出。考毕兹振荡器是 LC 振荡器的一种。与其他振荡器电路一样，考毕兹振荡器也具有储能电路、放大器和反馈路径。该电路在放大器和储能电路之间保持正反馈，并在输出端提供无阻尼振荡。科尔皮兹振荡器的显着特征是有源器件的反馈取自分压器，该分压器由两个串联在电感器上的电容器组成。

通常，具有储能电路的科尔皮兹振荡器是与抽头电容器 C1 和 C2 的串联组合并联的电感器 L。电路中的其他组件，晶体管 BC547 充当共发射极放大器，使用分压器网络进行偏置。 R1 和 R2 电阻器为 CB 端子和 BE 端子提供偏置。集电极和基极端子之间的反馈路径在其路径中具有储能电路。此外，电容器C3和C5是输入和输出去耦电容器，而发射极电容器C4是用于旁路放大的AC信号的旁路电容器。

当电源接通时，晶体管开始导通，从而对电容器 C1 和 C2 进行充电。在获得最大可行电荷后，这些电容器开始通过线圈 L 放电，从而产生初始振荡。接下来，电感器开始放电，从而再次对电容器充电。同样，循环继续，这会引起储能电路中的振荡。放大器的输出出现在 C1 两端，因此与储能电路的电压同相。因此，该放大的信号被施加到储能电路，以满足电容器 C1 和 C2 与电感 L 之间能量转换期间的损耗。 ，反馈到晶体管的电压是通过电容器 C2 获得的，这意味着反馈信号与晶体管电压异相 180哦。这是因为电容器 C1 和 C2 两端产生的电压极性相反，因为它们的连接点接地。反馈量取决于电容 C1 和 C2 的值。 晶体管放大器提供 180° 相移，电容器反馈提供另一个 180° 相移。因此，总共会出现 360° 的相移，从而提供正反馈。因此，会产生连续的无阻尼振荡，这些振荡器可以通过改变其电感或电容来调谐。然而，L 的变化不会产生平滑的变化，它们通常通过改变电容来调节。

考毕兹振荡器电路公式

其中：

L = L1 的电感值。

C = 串联电容器 C1 和 C2 的总值。

考毕兹振荡器电路图（4）

许多电子电路和微处理器或微控制器需要具有特定频率和幅度的信号源，我们无法为电路中的各个元件提供多个电源，因此我们使用振荡器电路为不同的电路元件提供不同电平的信号。这里简单的考毕兹振荡器电路被设计为产生恒定的正弦输出。

与其他振荡器电路一样，考毕兹振荡器也具有储能电路、放大器和反馈路径。该电路在放大器和储能电路之间保持正反馈，并在输出端提供无阻尼振荡。

考毕兹振荡器电路

在 Colpitts 振荡器中，储能电路包含两个串联连接的电容器 C1 和 C2，然后电感器 L1 与抽头电容器并联。晶体管 BC547 充当共发射极放大器，R1、R2 电阻器为 CB 端子和 BE 端子提供偏置。集电极和基极之间的反馈路径在其路径中具有储能电路。

当电源接通时，电容器 C1 和 C2 充电。然后这些电容器通过线圈L放电，从而产生初始振荡。 C2 上的振荡施加到晶体管的基极发射极结。该振荡被放大并在集电极电路中可用。来自集电极的放大功率施加到储能电路，以满足电容器C1和C2以及电感L之间的能量转换过程中的损耗。反馈量取决于电容C1和C2的值。晶体管放大器提供 180° 相移，电容器反馈提供另一个 180° 相移。因此，总共会出现 360° 的相移，从而提供正反馈。因此，会产生连续的无阻尼振荡。

考毕兹振荡器电路公式

其中，

L是L1的电感值。

C是串联电容器C1和C2的总值。

考毕兹振荡器电路图（5）

图 1 显示了带有储能电路的典型科尔皮兹振荡器。电感器L与电容器C 1和C 2的串联组合并联（如红色外壳所示）。

电路中的其他元件与共发射极CE的情况相同，采用分压网络偏置，即R C为集电极电阻，R E为发射极电阻，用于稳定电路中，电阻R 1和R 2构成分压偏置网络。

此外，电容器C i和C o是输入和输出去耦电容器，而发射极电容器C E是用于旁路放大的AC信号的旁路电容器。

这里，当电源接通时，晶体管开始导通，集电极电流I C增加，由此电容器C 1和C 2被充电。在获得可行的最大电荷后，它们开始通过电感器 L 放电。

在此过程中，存储在电容器中的静电能转换为磁通量，磁通量以电磁能的形式存储在电感器中。

接下来，电感器开始放电，从而再次对电容器充电。同样，循环继续，这会引起储能电路中的振荡。

此外，该图还显示放大器的输出出现在 C 1两端，因此与储能电路的电压同相，并通过重新供电来弥补能量损失。

另一方面，反馈到晶体管的电压是通过电容器C 2获得的，这意味着反馈信号与晶体管上的电压异相180 °。

这是因为电容器C 1和C 2两端产生的电压极性相反，因为它们的连接点接地。

此外，该信号由晶体管提供 180 °的附加相移，从而导致环路周围 360 °的净相移，满足巴克豪森原理的相移标准。