如鲠在喉的电路 - 当BJT的负载和输入都呈电感特性时的 Hartley振荡器

Posted 2021-05-19 卓晴

摘 要： 之所以讨论这个 如鲠在喉 的问题，就是因为在前几天在调试关于 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波 的过程中，一旦将工字型接收谐振天线直接接入基于超声波升压中周组成的选频放大电路的时候，电路就会出现莫名其妙的振荡。究其原因，可能就是背后由NPN三极管的杂散 Ccb，再加上有输入电感、输出电感组成了哈特莱（Hartley）电感三点式振荡电路。

关键字： 哈特莱震荡器，电感三点振荡器，高频放大，节能组，导航信号

 

01 哈特莱（Hartley）振荡器

---

1.Hartley振荡电路基本结构

下图显示了 Hartley电感三点式振荡电路 的基本形式。它是由晶体管$T_1$组成的放大电路以及外围的LC器件（$L_1,L_2,C$）组成反馈回路。

^{▲ Hartley电感三点式振荡电路}

如果使用$L$表示由$L_1,L_2$组成的总电感，当他们之间具有互感$M$的时候，那么：$$L=L_1+L_2+2M$$

这样，谐振频率$f$就可以右下式所决定$$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{L\cdot C}}$$

关于Hartley振荡电路的基本原理这里累述了。下图给出了 Hartley振荡电路的实际例子 。

^{▲ Hartley电路的实际例子}

2.为什么选频电路会振荡？

在博文 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波 设计的150kHz的选频放大电路如下。但是当工字型天线所组成的谐振电路直接接入$T_1$的输入（通过隔直电容$C_1$），这个电路就开始振荡。

^{▲ 选频放大电路与倍压整流检波电路}

（1）电路出现震荡

下图显示了自激振荡电路的波形。它具有以下特点：

• 这个振荡波形不是正弦波，应该是正弦波被下削顶的波形；
• 振荡频率低于两个回路的谐振频率（150kHz），大约75kHz左右；
• 振荡的幅值还受到外部150kHz电磁场的干扰影响；

^{▲ 自激振荡信号受到接收线圈对无线充电信号影响}

电路的下削顶是因为自激振荡引起电路工作点变换从而达到限幅的作用。

（2）振荡的原因

可以看到在选频放大回路的输入和输出负载中都是LC的谐振回路。谐振点是在150kHz。当频率小于150kHz的时候，此时两个回路的特性基本上是电感特性。因此，Hartley振荡电路中，晶体管的b，c所连接的电感出现了。

那么问题来了，如果此时电路形成Hartley电路产生振荡，谐振电路中的谐振电路$C$在哪儿呢？

根据 BJT Models 对于双极性三极管建模描述，三极管分布电容如下图所示：

^{▲ BJT Transistor Analysis}

在三极管b-c，b-e, c-e之间存在着杂散电容，它们可以形成前面所述的Hartley振荡电路的谐振电容C。

^{▲ 电路中BJT的杂散电容形成Hartley振荡回路中的谐振电容}

其中$C_{be},C_{ce}$与原来的$L_1,L_2$所并联的谐振电容一起，被并联的电感$L_1,L_2$所抵消，但是$C_{be}$则不会被它们抵消，最终形成工作的谐振电容。

下面电路是来自于 TutorialsPoint 网页中的 Hartley Oscillator 的Hartley振荡电路。此时如果锤死的耦合电容$C_b,C_c$远大于谐振点电容，$L_1,L_2$为反馈谐振电感。此时$C$就是跨界在BJT的 c-b之间的反馈电容。

^{▲ Hartley 电感三点式振荡电路}

3.三极管b-c电容有多大？

通过上面分析，影响负载和输入具有电感特性的三极管形成Hartley自激振荡电路中，b-c之间的电容是一个关键。那么对于普通的三极管，b-c之间的电容有多大呢？

（1）S9018

根据 S9018数据手册可以知道它的$C_{ob},C_{ib}$随着偏置电压的变化如下图所示。

^{▲ S9018三极管的Cib,Cob}

下图是在 FairChild SS9018数据手册 给出的Cob的电容大小。

^{▲ S9018 输出电容}

上述定义的$C_{ob}$与晶体管的$C_{cb}$之间还不同。在 Parasitic Capacitance in Bipoler Junction Transistors 中给出了晶体管各个电容之间的定义关系。

^{▲ 晶体管各极之间的寄生电容关系}

那么问题是：如何求取，或者从哪儿可以查到三极管的 $C_{cb}$呢？

（2）2SC1815

在 2SC1815数据手册 中给出了$C_{ob},C_{ib}$与反向电压之间的关系。

^{▲ 2SC1815 三极管的Cib，Cob}

4.实验内容

根据前面的分析，为了验证前面的分析，需要进行 一下两个方面的测试

• 使用 DG8SAQ 矢量网络分析 或者 一款DIY矢量网络分析仪:NanoVNA 测量NPN三极管的$C_{cb}$的大小；
• 讨论前面 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波 中自激振荡输出的振荡信号与测量参数之间的关系。

 

02 测量BTJ的$C_{cb}$

---

1.测量方法

由Parasitic Capacitance in Bipoler Junction Transistors中的建议，直接使用LCR表测量三极管的b-c之间的电容即可。

^{▲ 测量Ccb的方式}

（1）测量S9018基本参数

选择S9018作为测试对象，它的基本参数如下。

^{▲ S9018三极管的基本参数}

（2）构成放大电路

使用电阻箱组成集电极电阻$R_c$，使得工作点位于6V。

电路实际工作点：

$V_{ce}=5.97V$
$V_{be}=0.739V$
$R_c=1.725k\Omega$

^{▲ 集体管工作静态点设计}

（3）搭建测量电路

^{▲ 测量实验面包板}

2.测量结果

（1）SS9018测量结果

^{▲ 测量Cbc的曲线}

在150kHz的测量结果：

$Cs=11.24pF$
$R_s=-1.67Mk\Omega$

（2）8050

在150kHz测量结果

$Cs=62.8pF$
$R_s=-282.38k\Omega$

（2）S1815

在150kHz测量结果

$Cs=30.6pF$
$R_s=-437.38k\Omega$

 

03 组成Hartley振荡器

---

1.基本电路

下图显示了测试Hartley的振荡器的基本结构。

^{▲ 基本测测试电路}

2.测量结果

（1）电感10uH

【Ⅰ.电路参数】

L1的基本参数：

Ls=9.764uH
Rs=0.555Ω

L2的基本参数：

Ls= 9.917uH
Rs = 0.516Ω

^{▲ 10uH电感}

【Ⅱ.振荡波形】

振荡频率：$f_0=以上是关于如鲠在喉的电路\; -\; 当BJT的负载和输入都呈电感特性时的\; Hartley振荡器的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章$

电感的滤波作用具体指啥?谢谢!

各种滤波电路及原理

单端正激变换器

聊一聊输入阻抗输出阻抗和阻抗匹配

BUCK电路工作原理

JFET直耦级联放大电路：MPF102，2SK102