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哈特利振荡器(Hartley)工作原理、电路及应用特点

IC先生 IC先生 3850 2022-06-23 11:53:28

哈特利(Hartley)振荡器是一种电子振荡电路,其振荡频率由电容和电感组成的调谐电路决定,即LC振荡器,该电路由美国工程师拉尔夫哈特利于 1915 年发明。

哈特利振荡器的显著特点是调谐电路由单个电容器并联和两个电感器串联或单个抽头电感器组成,振荡所需的反馈信号取自两个电感器的中心连接。

哈特利振荡器的概念

哈特利振荡器是经典的LC反馈电路之一,用于产生高频波形或信号,其主要部分包括放大器部分和谐振器部分,而槽路部分由两个电感器和一个电容器组成。每个部分都会产生180度的AC信号电压相移,因此会产生正弦波电压。

简单来说,哈特利振荡器是电感耦合的可变频率振荡器,其中振荡器可以是串联或并联馈电,其主要优点是具有一个调谐电容和一个中心抽头电感。

哈特利振荡器

哈特利振荡器电路和工作原理

哈特利振荡器的电路图如下图所示。以共发射极配置连接的NPN晶体管用作放大器级的有源器件。R1和R2是偏置电阻,RFC是射频扼流圈,它提供交流和直流操作之间的隔离。

在高频下,该扼流圈的电抗值非常高,因此可以将其视为开路。直流条件下的电抗为零,因此对直流电容器没有问题。CE是发射极旁路电容,RE也是偏置电阻。CC1和CC2是耦合电容。

哈特利振荡器电路

当向电路提供直流电源 (Vcc) 时,集电极电流开始升高并开始对电容器C充电。一旦电容器C充满电,它开始通过L1和L2放电并再次开始充电。这个来回的电压波形是一个正弦波,它是一个小的并且以它的负变化领先。除非它被放大,否则它最终会消亡。

现在晶体管出现了。振荡电路产生的正弦波通过电容CC1耦合到晶体管的基极。由于晶体管配置为共发射极,因此它从储能电路获取输入并将其反转为具有领先正向变化的标准正弦波。因此,晶体管提供放大和反相,以放大和校正由振荡电路产生的信号。L1和L2之间的互感提供了从集电极-发射极电路到基极-发射极电路的能量反馈。

该电路的振荡频率为:

fo = 1/ (2π √ (Leq C))

其中Leq是储能电路中线圈的总电感,可以通过以下公式给出:

Leq = L1 + L2 + 2M

对于实际电路,如果L1 = L2 = L且互感忽略不计,则振荡频率可简化为:fo = 1/ (2π √ (2 LC))。

哈特利振荡器中的互感

通过线圈的电流变化通过磁场在其它附近线圈中感应出电流,称为互感。它是由于另一个电感器的磁通量在一个电感器中引起的额外电感量。

考虑到互感的影响,线圈的总电感可以通过下面给出的公式计算:

Leq = L1 + L2 + 2M

其中M是互感,其值取决于电感器之间的有效耦合、它们之间的间距、每个线圈的尺寸、每个线圈的匝数以及用于公共磁芯的材料类型。

在射频振荡器中,根据紧密耦合的电感器产生的场的北极和南极,确定电路的总电感。如果各个线圈产生的磁场方向相同,则互感将添加到总电感中,因此总电感增加。如果磁场方向相反,则互感会降低总电感。因此,振荡器的工作频率会增加。

哈特利振荡器的设计考虑了两个电感器的这种相互影响。实际上,两个电感器使用一个共同的磁芯,但是根据耦合系数的不同,互感效应可能会大得多。当电感器之间存在百分之一百的磁耦合时,该系数值为单位,如果电感器之间没有磁耦合,则该系数值为零。

使用运算放大器的哈特利振荡器电路

哈特利振荡器可以通过使用运算放大器来实现,其典型布置如下图所示。这种类型的电路通过使用反馈电阻和输入电阻来促进增益调整。

在晶体管哈特利振荡器中,增益取决于L1和L2等储能电路元件,而在运算放大器中,振荡器增益较少依赖于储能电路元件,因此提供了更高的频率稳定性。

使用运算放大器的哈特利振荡器

该电路的操作类似于哈特利振荡器的晶体管版本。正弦波由反馈电路产生,并与运算放大器部分耦合,然后这个波被放大器稳定和反转。

通过在储能电路中使用可变电容器来改变振荡器的频率,保持反馈比和输出幅度在整个频率范围内保持恒定。这种振荡器的振荡频率与上面讨论的振荡器相同,并给出为:

fo = 1/ (2π √ (Leq C))

其中: Leq = L1 + L2 + 2M 或 Leq = L1 + L2

为了从该电路中产生振荡,放大器增益必须并且应该选择大于或至少等于两个电感的比率,即:

Av = L1 / L2

如果 L1 和 L2 之间存在互感,因为这两个线圈的共磁芯,那么增益变为:

Av = (L1 + M) / (L2 + M)

哈特利振荡器优缺点

哈特利振荡器优点包括以下几个方面内容:

  • 可以使用单个裸线线圈代替两个单独的线圈L1和L2,并将线圈与它一起在任何所需的点接地。
  • 通过使用可变电容器或通过使磁芯可移动(改变电感),可以改变振荡频率。
  • 只需要很少的组件,包括两个固定电感器或一个抽头线圈。
  • 输出幅度在工作频率范围内保持恒定。

哈特利振荡器缺点包括以下几个方面内容:

  • 由于电感器的值变大并且电感器的尺寸变大,它不能用作低频振荡器。
  • 该振荡器输出中的谐波含量非常高,因此不适合需要纯正弦波的应用。

哈特利振荡器的应用

  • 用于产生具有所需频率的正弦波。
  • 主要用作无线电接收器。另外注意,由于其频率范围广,它是最流行的振荡器。
  • 适用于RF(射频)范围内的振荡,最高30MHZ。

总结

通过以上内容介绍可以看出,哈特利振荡器是经典的LC反馈电路之一,用于产生高频波形或信号。正如之前在LC振荡器文章中所介绍的那样,如果选择电抗元件X1和X2作为反馈网络中的电感器和X3作为电容器,则该振荡器称为哈特利振荡器。

另外,LC振荡器还有一种具有正反馈的电路,而且也比较常用,它就是Colpitts(科尔皮茨)振荡器

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