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不需要耦合電感的哈特萊振盪器
( 9 月 1 日 2006 年)
作者：Jim McLucas, Longmont, CO

如果檢查一條傳統的哈特萊振盪電路，您就會注意到它的特徵：一個分接電感（tapped inductor），它決定了振盪頻率，並提供振盪持續的回饋。雖然您可以很容易地為特定頻率計算出總電感，但求解耦合係數 k 也許需要實驗性（即“嘗試誤差法（cut-and-try）”式）的最佳化。在此一設計實例中，將介紹一種備選的等效電路，它可以讓您在建構原型之前建立電路模型。

圖 1a 和 圖 1b 顯示了哈特萊振盪器的等效調諧電路、計算其元件的方程式，以及一個18MHz 振盪器的元件值。相互電感（mutual inductance）為： 。對於等效電路，方程式依次是：LA=–LM、LB=L2–LA=L2+LM、LC=L1–LA=L1+LM。等效電路的其餘方程式是：



遺憾的是，真正等效的電路需要負電感 LA。不過，對於諧振頻率 f0 附近的頻率，可以用電容茈N替這個負電感，CA 取代了 LA（圖 1c）。請注意：等效電路的偏差忽略了寄生繞組電阻和電容。

圖 2 說明了一個利用等效電路的振盪器，同時也兼輸出緩衝器。建構的電路在性能方面大體與您對初始 Spice 模擬的期望一致。在測試期間，幾個元件的值需要調整，並且 Spice 分析的多次迭代最終產生了最終設計。振盪器的儲能電路由 LB、LC、C4 和 C5 組成，外加電壓分配器 C6、C7 和 C8 提供的電容。這個約為 6 pF 的電容包含 Q1 和 Q2 的輸入電容和一些雜散電容。66 pF 的總儲能電容接近 67 pF 計算值。連接到調諧電路的各個電容具有陶瓷電介質構造的特性， 陶瓷電介質構造擁有NP0 溫度係數。


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電感 LB 和 LC 由空氣芯線圈（air-core coil）組成，其軸相互垂直，以便儘量減少雜散耦合。但是，振動會影響它們的電感，並且在最終設計中，二者都應該由電介質或環形磁芯上的繞組組成，條件是環形磁芯的電感溫度係數對於預定應用是可接受的。參考文獻 1 提供了兩個電感的基本設計，並且如果調整其線圈匝間隔，就能把振盪器調整到剛好 18 MHz。對於更嚴格的設計，可以在安裝前測量各個電感，但寄生效應也許需要重新調整各電感的值。



由 C6、C7 和 C8 組成的電容式電壓分配器把適當的信號電平施加到 Q1 和 Q2。由於分配器把儲能電路的有效電容只“看作”6 pF，因此如果設計中需要一個可調諧振盪器，則剩餘的 60 pF 可形成一個可變電容。在本例中，如果振盪器需要一個超過 ±2 MHz 的調諧範圍，則就要對由 Q3 及其關聯元件所組成的輸出級進行改善，以便提供更大的頻寬。

電容 C3 把 Q1 的 2 號柵極自舉到 Q1 的源極，以便從 Q1 提供額外增益，並把其 1 號柵極輸入電容降至其約為 2.1 pF 的值之下（參考文獻 2）。8.3μH 電感 L2 連接到 Q1 的源極，在 18 MHz 帶來了較高的阻抗，並透過 R3 提供一條從 Q1 的源極到地的直流電路徑。L2 在 18 MHz 的阻抗形成了約為 940Ω 的感抗（inductive reactance），後者與約為 3.5 kΩ 的電阻並聯，這會導致一個具有低電阻損耗的扼流圈（choke）。可以用較小的電感代替 L2，條件是它的電感和電抗（reactance）接近原始電感的值。可以使用具有標準值的 8.2μH 扼流圈作為 L2，條件是它的電阻損耗符合這些低損耗準則，並且它的固有串聯電阻不超過 2Ω，以避免擾亂 Q1 的直流電偏置電壓。L1 扼流圈的電感和諧振不如 L2 的那些值關鍵，但在 L1 使用具有低電阻損耗的扼流圈可幫助避免寄生諧振。
源極跟隨器 Q2 驅動輸出級，後者使用 pi 匹配網路（pi-matching network）來把 50Ω 輸出負載轉換成 Q3 的集電極處的 285Ω。以 Q2 輸出電壓的一半來自舉其 2 號柵極，就能增加源極跟隨器的增益和動態範圍，並降低其輸入電容。電位器 R5 在 50Ω 負載調整該電路的輸出電平，範圍大約是 0.9V p-p 至大約 1.5V p-p。電路的頻率在大約 23℃ 的恆定室溫時保持穩定。另外，即使不對輸出施加負載，輸出電平控制電路也保持穩定。對於固定頻率振盪器，負載電阻損耗約等於 4 的輸出電路，在不重新調諧 L3、C16 和 C17 的前提下，可以提供充足頻寬。



為了把輸出電平設在一個安全的最高值，應把一個 50Ω 負載連接到輸出端，並把輸出調節到 1.5V p-p。對於從零負載到 50Ω 的所有負載，即使輸出電壓電平隨負載電阻一起增加，施加到 Q1 的漏極至源極電壓也會保持在安全的水準。為了避免超過 Q1 規定的最高 12V 漏極至源極電壓，不應超過進入 50Ω 負載的 1.5V 輸出電壓設定。請注意：齊納二極體 D1 降低了 Q1 的漏極電壓，以提供額外的安全容忍度。

在先前一期的《設計實例》中，一個運算放大器和一條二極體整流電路可以把一個可變電壓施加到 Q1 的 2 號柵極，以此來控制振盪器的增益（參考文獻 3）。在本例中，一條簡單的被動電路即可發揮同樣的作用。Q3 集電極信號的一部分驅動著由 D2、D3、C20 和 C21 組成的電壓倍增器。電壓倍增器產生一個負電壓，其中一部分驅動 R18 和 C19 的聯結點，即控制電壓節點。該控制電壓節點還透過 R17 從可變電阻 R15 收到正電壓，並且產生的電壓可用來設定輸出信號電平。在啟動時，在 Q1 的 2 號柵極只有一個正電壓，並且 Q1 的最大增益很容易啟動振盪器。當輸出到達穩定狀態時，控制電壓會下降，並把振盪保持在輸出電平控制值決定的信號電平上。
 
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