CN114925643A

CN114925643A - 一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法

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Publication number: CN114925643A
Application number: CN202210626482.6A
Authority: CN
Inventors: 王泽彬; 李平; 陈潇; 何永江; 杨菲菲; 刘岗岗
Original assignee: GUIZHOU ZHENHUA FENGGUANG SEMICONDUCTOR CO Ltd
Current assignee: GUIZHOU ZHENHUA FENGGUANG SEMICONDUCTOR CO Ltd
Priority date: 2022-06-02
Filing date: 2022-06-02
Publication date: 2022-08-19
Anticipated expiration: 2042-06-02
Also published as: CN114925643B

Abstract

一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法，属于电子技术领域。所述优化方法包括：对三极管的模型优化，将三极管的BE结和BC结间的寄生电容，等效为一个CE结寄生电容C_CE；对电感线圈结构影响的模型优化，在电路中电感L的位置等效出一个并联电容C_L；对电路外部影响的模型优化，对测试仪器引入设定频率条件下的寄生电容Cx，对用户负载电路的电感器件等效为一个并联电容Clo值。在设定频率条件下，采用所述代差曲线拟合方法确定出C_CE、C_L、Cx、Clo的值，然后按照推导公式进行实际计算，与实测振荡频率相比，误差值在设计精度以内，解决了现有电路振荡频率调节复杂，调节难度大的问题。广泛应用于小型化、高精密振荡电路中。

Description

一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，进一步来说涉及高频振荡电路领域，具体来说，涉及一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法。

背景技术

振荡电路一般由电阻、电感、电容等元器件组成。由电感线圈L和电容器C相连而成的LC电路是最简单的一种振荡电路，也是一种不用外加激励就能自行产生交流信号输出的电路。振荡电路的运用广泛，如通信系统中发射机的载波振荡器、接受机中的本机振荡器、医疗仪器以及测量仪器中的信号源等。

电容三点式振荡电路，LC振荡回路中采用两个电容串联成电容支路，两电容中间有一引出端，通过引出端从LC振荡回路的电容支路上取一部分电压反馈到放大电路的输入端，由于电容支路三个端点分别与晶体管的三个极相接，故把这种电路称为电容三点式LC正弦波振荡电路。合理设置电路参数使其满足起振条件，此电路的振荡频率F₀计算公式如下：

其中，C_x约为C₁与C₂的串联值，

LC振荡电路的优点是输出波形好、振荡频率稳定，缺点是：电路调整振荡频率点的理论设计与实际电路之间存在明显差异，不确定性较大，振荡频率点的调节复杂，容易影响起振条件，调节难度大，故LC振荡电路常用于固定频率的场景，不适合可变频率的振荡。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决现有电容三点式振荡电路的振荡频率调节复杂，调节难度大的问题。

本发明的发明构思是：基于对实际电路中会产生寄生电容的考量，将实际电路中的影响因素等效为相应的电容模型，对高频振荡电路算法模型进行优化，缩小电路调整振荡频率的理论设计与实际电路之间存在的误差。

为此，本发明提供一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法，如图1-图3所示。优化方法如下：

一、对三极管器件的模型优化

(1)建立电容三点式高频振荡电路算法模型，首先模拟三极管Q1的BE结和BC结间的寄生电容，然后将三极管Q1的BE结、BC结寄生电容等效为一个CE结寄生电容C_CE，所述寄生电容C_CE的容值通过曲线拟合确定；

(2)将C1、C2、L值按原设定值，C_CE的值按等差数列代入，根据高频振荡电路的频率公式进行计算，形成理论振荡频率的变化曲线；

(3)然后在实际电路在三极管Q1的CE两端接入一个并联电容，电容容值按等差数列递增，测试得出实测振荡频率变化曲线；

(4)对理论频率变化曲线和实际频率变化曲线进行拟合，可得理论频率变化曲线和实际频率变化曲线重合的起点，在理论曲线中该点所带入的容值则为三极管Q1的等效CE结极间寄生电容。此方法即为代差曲线拟合方法。

二、对电感线圈结构影响的模型优化

(1)考虑到受电感线圈结构的影响，会有寄生电容存在于电感器的内部并与电感等效并联，这使得电感在高频条件下感性下降表现出容性，在理论电路中在电感L的位置等效出一个并联电容C_L，如图3所示，然后按照更新的高频振荡电路频率公式进行理论计算；

(2)采用所述代差曲线拟合方法确定出电感的寄生电容C_L，然后按照更新的高频振荡电路频率公式进行实际计算。

三、对电路外部影响的模型优化

(1)考虑电路外部的影响，对电路振荡频率测试时采用的测试仪器会引入阻抗，其阻抗值由阻抗分析测得在设定频率条件下的寄生电容Cx；同时由于用户负载电路存在电感器件，故将整个用户负载电路等效为一个并联电容Clo值，如图3所示。然后按照更新的高频振荡电路频率公式进行理论计算；

(2)采用所述代差曲线拟合方法确定出寄生电容Cx、并联电容Clo值，然后按照更新的高频振荡电路频率公式进行实际计算。

优化公式后发现理论与实测间的误差大幅度缩小，优化后的理论模型对实际电路振荡频率的选调有了很好的指导作用，实现电路实测的振荡频率与设计振荡频率的误差值大幅降低到允许的误差范围，达到设定要求。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提出的一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法，通过对实际电路中会对电路振荡频率产生影响的所有因素考量，优化后的理论计算模型与实际电路中振荡频率间的误差在0.5％以下，使得对实际的电容三点式电路振荡频率点的调节具有很好的效果，极大提高了电路的频率参数，可广泛应用于小型化、高精密振荡电路中。

附图说明

图1为电容三点式振荡电路原理示意图。

图2为三级管极间寄生电容示意图。

图3为电容三点式振荡电路寄生电容等效示意图。

具体实施方式

结合图1-图3，所述一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法的具体实施方式如下：

采用电容三点式振荡电路，由于三极管在实际电路中会产生两个寄生电容，即极间电容BE结电容和BC结电容且极间电容受温度影响，杂散电容又难于确定，故将其等效为CE节电容。振荡频率模型优化为：

上式中，C_CE三极管寄生极间电容的等效值。

在实际应用中，电感存在多种寄生电容，如：闸间电容、闸芯电容等。基于电路采用的线圈式电感在高频条件下表现出容性的特点，将其等效为一个小容值电容与电感并联。此时振荡频率模型优化为：

上式中，C_L为电感寄生电容等效值。

对于振荡器而言，其测试设备、线缆和用户负载中的寄生电容会对振荡频率产生影响。为进一步优化模型，对实际电路测试中采用的器示波器和测试线缆而引入的阻抗等效为一个并联电容。对于用户负载电路中存在电感元件的寄生电容等效为一个并联电容。最后，得到振荡频率模型优化为：

上式中，C_X为测试设备寄生电容、L_lo为负载电感，C_lo为负载电感寄生电容。

如图1所示，电容C1为330pf、C2为1nf、电感L为1μH，电阻R1为8kΩ，电阻R2为2kΩ，电阻R3为600Ω，电阻R4为160Ω，电容C3为220pF，由(1)公式计算得：

理论上，通过设置合理的电路参数使其满足电路起振条件，便能得到预定的12MHz振荡频率，但实际电路的振荡频率远达不到12MHz，理论与实际的误差在15％左右。

如图2所示，对实际电路进行分析，高达15％左右的理论与实际误差是由于三级管在电路中产生了2个寄生极间电容所致。在三极管Q1的BE结和BC结间的寄生电容尚未考虑，三级管焊接在PCB板上时与板材间还有寄生且极间电容容易受到温度影响，使得这部分寄生电容难以确定。

如图3所示，对电路进行等效和优化处理，将三极管Q1的BE结、BC结寄生电容等效为一个CE结寄生电容C_CE，寄生电容容值通过曲线拟合确定。C1、C2、L值按原设定值，C_CE的值按等差数列代入，根据公式：

计算出理论振荡频率的变化曲线，然后在实际电路在三极管Q1两端一个并联电容，电容容值按等差数列递增，测试得出实测振荡频率变化曲线。通过对两个曲线的拟合可得实测曲线与理论曲线重合的起点，在理论曲线中该点所带入的容值则为三极管Q1的等效CE结极间寄生电容。对比曲线后得出三极管的等效CE结寄生极间电容为40pF(以下简称该过程为“代差曲线拟合方法”)，更新公式后理论与实测的误差降低到5％以内。

进一步地，排除三极管极间寄生电容对优化模型的影响后，考虑到受电感线圈结构的影响，会有寄生电容存在于电感器的内部并与电感等效并联，这使得电感在高频条件下感性下降表现出容性。故在理论电路中在电感L的位置等效出一个并联电容C_L，如图3所示，然后按照公式：

采用所述代差曲线拟合方法确定出电感的寄生电容C_L，可得出C_L为5pF，更新公式后理论与实测的误差近一步降低到2％以内。

进一步地，经过两次优化排除掉电路内部自身的影响后，为近一步降低理论与实测间的误差。考虑电路外部的影响，通过分析发现对电路振荡频率测试时采用的测试仪器会引入阻抗，其阻抗值由阻抗分析测得在12MHz条件下寄生电容Cx为50pF；同时由于用户负载电路存在电感器件，故将整个用户负载电路等效为一个并联电容Clo值为10pF，如图3所示。最终的理论计算公式优化为：

优化公式后发现理论与实测间的误差降到了0.5％以内，优化后的理论模型对实际电路振荡频率的选调有了很好的指导作用。

通过最终的优化模型计算得出要满足12MHz的振荡频率需要的技术指标为：C1为220pF、C2为600pF，L为1μH。根据优化模型计算得的来方案，其电路实测的振荡频率为12MHz误差值为0.5％，完全符合设定要求。

优选的，所述三极管为通用三极管。

优选的，所述三极管型号为2N2222A。

优选的，所述电阻均为精密电阻，所述电容均为高精度片式电容。

最后应说明的是：上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，本发明包括但不限于以上实施例,这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，如将集成放大器代替三极管。凡符合本发明要求的实施方案均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法，其特征在于，包括如下优化方法：

一、对三极管的模型优化

(4)采用代差曲线拟合方法，对理论频率变化曲线和实际频率变化曲线进行拟合，可得理论频率变化曲线和实际频率变化曲线重合的起点，在理论曲线中该点所带入的容值则为三极管Q1的等效CE结极间寄生电容；

二、对电感线圈结构影响的模型优化

(2)采用所述代差曲线拟合方法确定出电感的寄生电容C_L，然后按照更新的高频振荡电路频率公式进行实际计算；

三、对电路外部影响的模型优化

2.如权利要求1所述的一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法，其特征在于，对所述三极管及其应用场景的模型优化，振荡频率公式为：

3.如权利要求2所述的一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法，其特征在于，当设计振荡频率为12MHZ、C1为330pf、C2为1nf、L为1μH、R1为8kΩ、R2为2kΩ、R3为600Ω、R4为160Ω、C3为220pF时，采用代差曲线拟合方法后得出三极管的等效CE结寄生极间电容为40pF，理论振荡频率与实测振荡频率的误差为5％以内。

4.如权利要求2所述的一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法，其特征在于，对所述电感线圈结构影响的模型优化，振荡频率公式为：

5.如权利要求4所述的一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法，其特征在于，当设计振荡频率为12MHZ、C1为330pf、C2为1nf、L为1μH、R1为8kΩ、R2为2kΩ、R3为600Ω、R4为160Ω、C3为220pF时，采用代差曲线拟合方法后得出三极管的等效CE结寄生极间电容为40pF、电感的寄生电容C_L为5pF，理论振荡频率与实测振荡频率的误差为2％以内。

6.如权利要求4所述的一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法，其特征在于，对所述电路外部影响的模型优化，振荡频率公式为：

7.如权利要求6所述的一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法，其特征在于，当设计振荡频率为12MHZ、C1为330pf、C2为1nf、L为1μH、R1为8kΩ、R2为2kΩ、R3为600Ω、R4为160Ω、C3为220pF时，采用代差曲线拟合方法后得出三极管的等效CE结寄生极间电容为40pF、电感的寄生电容C_L为5pF、测试仪器的寄生电容Cx为50pF、用户负载电路的等效并联电容Clo值为10pF，理论振荡频率与实测振荡频率的误差为0.5％以内。

8.如权利要求1所述的一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法，其特征在于，所述三极管为通用三极管。

9.如权利要求8所述的一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法，其特征在于，所述通用三极管为2N2222A。

10.如权利要求1所述的一种用于高频振荡电路算法模型的优化方法，其特征在于，所述振荡电路中电阻为精密电阻、电容为高精度片式电容。