手搓科尔皮茨(Colpitts)振荡器，我能让它起振吗？

很久以前我仿制过一个LC谐振法测量电容和电感的小仪器，它的振荡核心元件是LM311电压比较器，振荡频率不会很高。后来我计划设计一个分立元件富兰克林振荡器的版本，但终究没有实施。教科书上的LC振荡电路一般都会介绍电感三点式(哈特莱振荡器)和电容三点式(科尔皮茨振荡器)作为入门，前者需要抽头的线圈，后者不需要。于是我要新做一个多用途的LC振荡器，打算就采用科尔皮茨电路。

我并非是要重做电容电感表，那是扫频仪器的专长。这个振荡器的主要目标是在尽可能宽的频率范围内都能稳定振荡，支持Q值不同电感，并减少谐波的产生。为了方便替换电感，我用了RCA插头插座，这个连接方式来自下陷表的设计范例。

教科书上的电容三点式振荡器，核心用一个晶体管就实现了。其交流等效形式是下图：

当C1, C2, L1串联谐振时，谐振电流在环路中流动。若以三极管的发射极为参考，则电感两端的谐振电压是相位差180度的关系，因此结合三极管的共发射极放大电路，谐振频率下有正反馈。

再加上必要的偏置电路、隔直电容等，实际的振荡器可以是这样的：

仿真这个电路，看到振荡时C1和C2两端的电压分别是这样：

但仔细看，晶体管已经工作在严重非线性的状态了。下图绿线是发射极电流Ie，蓝线是基极－发射极电压Vbe.

造成晶体管电流出现尖峰的主要原因是Vbe正向峰值太高了，管子饱和（负向峰值则使管子处于截止状态）。还有一个现象是谐振电压导致的基极-集电极出现了正向偏置，使管子处于电流从发射极到集电极反向流动的状态。虽然电路的功能是振荡，这样用是允许的，自然地限幅了而且能够输出最大的幅度，但谐波成分高。

我希望实现让晶体管处于放大区的振荡，就必须控制正反馈的量，要产生接近完美的波形，得让电路处于临界振荡的状态。这就很用固定的工作点实现了，毕竟我还要求适应不同的电感电容搭配。终究电路振荡电路需要采用自动增益控制(AGC)的策略来稳定振幅。

用三极管做振荡的主放大，在管子始终处于放大区的条件下，控制它的增益的办法可以是控制发射极电流。因为管子的跨导正比于集电极电流，负载不变的条件下下改变电流就改变了电压放大增益。不过电流改变，在驱动基极的信号源看到的阻抗也改变，导致会抵消部分增益变化量。

控制发射极电流的方式，可以用固定发射极电阻，改变基极直流电位的方法，但这样调整范围还不是很大。我最终的方式是在发射极接一个压控电流源——用一只JFET充当.

仿真看到（下图），调整NPN管的静态电流，使得集电极输出（红线）振幅不要太时，电压波形就比较好了。此外，绿线是基极电压，蓝线是发射极电流。从发射极电流看来管子仍然还在非线性状态，出现了截止。原因是输入电压振幅过大了。

继续减小电流，使振荡幅度减弱，管子脱离了截止。

但是增益也不能无限制降低，一旦不足以维持正反馈的量，就不能起振了。

在科尔皮茨振荡器基本结构下，基极电压和发射极电压幅度之比是电容分压的比例。这不像哈特莱电路那样用线圈的匝数比直观，原理倒是相似的。为了减小晶体管输入信号的振幅，可以让电容的容值比取得更大。但是这样也意味着共发射极放大的增益要更大，这又很矛盾。

关键一点：需要提高单级放大的电压增益。于是我尝试了共射-共基电路（Cascode），并在LC振荡回路和NPN管之间加入了JFET构成的电压缓冲级。

从仿真看来是可以提升电压增益的，能适应电感Q值的范围也扩大了。于是实际的电路我就按照这个思路去设计。

Q3是主放大管，Q1作为Cascode管消除其米勒效应；Q2为Q3提供缓冲，减少Q3低输入阻抗带来的损失。电路是实验版本，我留出一些想到的可临时调整的测试焊盘。

制作的一开始，Cascode管和缓冲级都不加，JFET Q5的栅极接到一个电位器上，用来调整放大管的静态电流。谐振电路的两个串联电容分别是1nF, 4.7nF; 电感是工字形的，可能是82uH标称值。电源是两只铁锂电池串联，大约6.5V. 调整电位器那里额外用了一只铁锂电池，因为需要负电压。

没有接负电压的时候，电路顺利起振了，振幅太大，峰峰值超过了20V:

接上另一个电池开始调整，给JFET栅极负电压，振荡幅度收窄

调整到峰峰值8V左右的时候，波形失真仍然明显，主要在负半周。

测量电感另一端（经电容和基极耦合）的电压波形就比较好：

经过耦合电容，在晶体管基极测量到的波形幅度就衰减了（因为输入阻抗的关系），且略带有失真。

1.2V的峰峰值对于没有发射极反馈电阻的共射电路而言，必然已导致截止了。

但是再继续减小电流的时候，振荡就不稳定了，出现间歇振荡的状态。我在电路仿真的时候也见到过类似的情形。

振荡开始的时候，振幅快速增大，然后回落：

但是振幅不能保持，最后又减弱到振荡消失。

我自己观察分析，认为振荡削弱的原因是三极管基极输入电压幅度大到一定程度，产生整流效应，基极电流直接向发射极的旁路电容(0.1uF)充电，使发射极电压快速抬高，管子增益降低，振荡减弱至停止。直到旁路电容上的电压降低后再开始一个循环。

于是我调整了LC回路的电容，在4.7nF电容上再并联了一只10nF，减小放大级的输入幅度。

当调整到集电极波形振幅8Vp-p的时候，波形明显比之前的改善了。

分压比改变，因此电感另一端的电压峰峰值不再那么高了：

耦合到晶体管基极上的交流电压峰峰值290mV左右，已经改善许多。

再降低振荡幅度，也能调到振幅不稳定的情况的出现，但是相对已经“稳”了不少。

接下来我加入一级2SK161担任的缓冲，简单偏置：源极没有用恒流负载，直接用了一只330欧电阻，栅极偏压0V. 从LC回路到栅极用10pF电容耦合。LC一端的电压是636mVp-p

经过缓冲以后，2SK161源极电压只有288mVp-p了，衰减掉了一半还多。

这个衰减是因为源极电阻负载330与源极输出阻抗分压造成的，看来得改，不然缓冲级严重影响增益。

耦合到基极，电压下降到了78mVp-p. 受耦合电容的阻抗影响，从288下降到78的比例要大于用缓冲级之前从578降到288的比例，说明共射放大机的输入阻抗下降了。我怀疑原因是环路的增益因为缓冲器插入的负增益导致放大级需要增大电流提高增益，所以输入阻抗下降。缓冲级只是减少了放大器对LC谐振的影响，但现在对提高放大器增益的效果是适得其反。

最后把Cascode管子也接上，共射放大级的输入阻抗提高了（以下三幅图中黄线依次是电感端电压、缓冲级输出电压、放大级输入电压），从缓冲级到放大级信号衰减幅度变化可以看出来。不过改大耦合电容就可以减少耦合带来的衰减。

为了实现自动稳幅，要将电流控制的JFET栅极接到一个控制环路上。首先需要一个二极管检波器检测出LC振荡的幅度。因为振荡电压相较于二极管的正向压降是高很多的，检幅不难，但要在不增加放大级的前提下减少检波电路抽取的振荡能量，就需要斟酌了。我目前没有很好的方案，只是试验性地用了一个收音机里的倍压检波电路，输入预留串联电容电阻的位置。

检波器输出接一个运放构成的DC伺服电路（积分器），运放驱动电流压控电流源调节放大器增益，使检波输出与设定电压（电位器调节）达到平衡。

上图这电路中运放使用正负电源，因为输出电压需要是负的。如果运放用单电源，就只用一个负电源，则需要将检波器的输出改成负电压，但是调整方向就反过来了，于是运放输出还得反相。

这样就改成下面这一个使用双运放的版本了：

后面的运放将信号取反（关于电压中心值），输出仍然是在负电源轨范围内（运放正电源端是接地）。

AGC部分的环路带宽我还没有进行调整（随意取了RC的值），对同一个值的电感，直接测试就观察到稳幅成功了。当我用金属物体贴近电感时，如果原先没有AGC的电路，示波器观测到的振荡电压幅度会变小甚至振荡停止。有了AGC之后振荡幅度仍能保持稳定，只是频率有小的变化。效果见下面的视频。

但是现在检波电路存在一个严重的问题，是频率升高，检波输出幅度就降低。在下面的视频中可以看到频率升高之后稳幅在稍大一点的幅度了。我怀疑是检波用的二极管1N4148面对比较大的信号阻抗时，高频检波效率下降。我后面再试试其它型号的二极管。

视频１：手动调节放大器增益的时候。

视频２：AGC自动稳定振荡幅度。

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