实验4.4LC正弦波振荡器

第4章 高频电子线路实验实验4.4 LC正弦波振荡器一、实验目的1、 掌握晶体管（振荡管）工作状态、反馈系数的大小对振荡幅度的影响。2、掌握改进型电容三点式正弦波振荡器的工作原理及振荡性能的测量方法。3、研究外界条件变化对振荡频率稳定度的影响。4、比较LC振荡器和晶体振荡器频率稳定度，分析影响振荡频率稳定的原因。二、实验设备及材料高频电子实验箱、频率计、双踪示波器、数字万用表、调试工具。三、实验原理正弦波振荡器是指振荡波形接近理想正弦波的振荡器。产生正弦信号的振荡电路形式很多，有 RC、LC和晶体振荡器三种形式。实验采用晶体管LC三端式振荡器。LC三端式振荡器的基本电路如图（4.4.1）所示：图4.4.1 三端式振荡器的交流等效电路根据相位平衡条件，图4.4.1三端式振荡器交流等效电路的三个电抗，X1、X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗，且应满足下列关系式：X3 = （X1+X2） （4-4-1） 式（4-4-1）为LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则。若X1和X2均为容抗，X3为感抗，则为电容三端式振荡电路；若X1和X2均为感抗，X3为容抗，则为电感三端式振荡器。 1、电容三端式振荡器的工作原理共基电容三端式振荡器的基本电路如图4.4.2所示。图中C3为耦合电容，与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2，与基极连接的为两个异性质的电抗元件C2和L，根据判别准则，该电路满足相位条件。要产生正弦振荡，还须满足振幅起振条件，即：AUF1 （4-4-2） 图4.4.2 共基组态的“考华兹”振荡器 式（4-4-2）中，AU为电路刚起振时，振荡管工作状态为小信号时的电压增益；F为振荡器的反馈系数。设yrb0、yob0，画出y参数等效电路，如图4.4.3所示。图中GO为振荡回路的损耗电导，GL为负载电导。 图4.4.3 共基组态振荡器简化Y参数等效电路由图4.4.3可求出小信号电压增益AO和反馈系数F分别为 经运算整理得 当忽略yfb的相移时，根据自激条件应是 N=0 及 (4-4-3)由N=0，可求出起振时的振荡频率，即 则X1X2X3gibGp=X1+X2+X3将X1X2X3的表示式代入上式，得： 忽略晶体管参数的影响，得到振荡频率近似为 (4-4-4)式(4-4-4)中，为振荡回路的总电容 由式(4-4-3)求M，当时 则反馈系数可近似表示为： (4-4-5)则 由式（4-4-3）得到满足起振振幅条件的电路参数为： (4-4-6) 式(4-4-6)是满足起振条件所需要的晶体管最小正向传输导纳的值。也可以改写为 不等式左边的 是共基电压增益，显然F增大时，可以使TO增加，但F过大时，由于gib的影响将使增益降低，反而使TO减小，导致振荡器不易起振。若F取得较小，要保证TO1，则要求Yfb很大。由此可见，反馈系数的取值有一合适的范围，一般取F=1/81/2。2、振荡管工作状态对振荡器性能的影响对于一个振荡器，当负载阻抗及反馈系数F已经确定的情况下，静态工作点的位置对振荡器的起振以及稳定平衡状态（振幅大小，波形好坏）有着直接的影响，如图4.4.4中（a）和（b）所示。 (a)工作点偏高 (b)工作点偏低图4.4.4 振荡管工作态对性能的影响 图4.4.4（a）工作点偏高，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低将会使振荡波形严重失真，甚至使振荡器停振。图4.4.4（b）工作点偏低，避免了晶体管工作范围进入饱和区，对于小功率振荡器，一般都取在靠近截止区，但是不能取得太低，否则不易起振。在实际的振荡电路中，反馈系数F确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流，输出幅度随着静态电流值的增加而增大。但是，如果静态电流取得太大，会出现图4.4.4（a）所示的现象，而且由于晶体管的输入电阻变小同样会使振荡幅度变小。静态电流取值一般为 0.55 mA。为了使小功率振荡器的效率高，振幅稳定性好，采用自给偏压电路，以图4.4.2所示的电容三端式振荡器电路为例，简述自偏压的产生。固定偏压VB由R1和R2所组成的偏置电路来决定，在忽略IB对偏置电压影响的情况下，振荡管的偏置电压UBE是固定电压VB和Re上的直流电压降共同决定的，即Re上的直流压降是由发射极电流IE提供的，随IE的变化而变化，故称自偏压。在振荡器起振前，直流自偏压取决于静态电流IEO和Re的乘积，即 VBEQ=VB-IEQRe一般振荡器的静态工作点选得较低，故起始自偏压也较小，这时起始偏压VBEQ为正偏置，容易起振。如图4.4.5（a）所示， Cb上的电压是在电源接通的瞬间VB对电容Cb充电在上建立的电压，Rb是R1与R2的并联值。根据自激振荡原理，在起振之初，振幅迅速增大，当反馈电压Uf对基极为正半周时，基极上的瞬时偏压UBE=UBEQ+Uf变得更正， ic增大，于是电流通过振荡管向Ce充电，如图4.4.5（b）所示。电流向Ce充电的时间常数=RCe，(a) (b) 图4.5.5 自给偏压形成电路RD是振荡管BE结导通时的电阻，一般较小（几十到几百欧），所以充较小，Ce上的电压接近Uf的峰值。当Uf负半周，偏置电压减小，甚至成为截止偏压， Ce上的电荷将通过Re放电，放电的时间常数为放=ReCe。放充，在Vf的一周期内，积累电荷比释放的多，所以随着起振过程的不断增强，即在Re上建立起紧跟振幅强度变化的自偏压，经若干周期后达到动态平衡，在Ce上建立了一个稳定的平均电压IEORe，这时振荡管BE之间的电压：VBEO=VBIEORe因为IEOIEQ，所以有UBEOUBEQ，可见振荡管BE间的偏压减小，振荡管的工作点向截止方向移动。这种自偏压的建立过程如图4.4.6所示。由图看出，起振之初，（0t1之间），振幅较小，振荡管工作在甲类状态，自偏压变化不大，随着正反馈作用，振幅迅速增大，进入非线性工作状态，自偏压急剧增大，使UBE变为截止偏压。振荡管的非线性工作状态，反过来又限制了振幅的增大。这种自偏压电路起振时，存在着振幅与偏压之间相互制约，互为因果的关系。在一般情况下，若ReCe的数值选得适当，自偏压就能适时地紧跟振幅的大小而变化。正是由于这两种作用相互依存，又相互制约的结果。如图4.4.6所示，在某一时刻t2达到平衡。这种平衡状态，对于自偏压来说，意味着在反馈电压的作用下，Ce在一周期内其充电与放电的电量相等。因此，b、e两端的偏压UBE保持不变，稳定在UBEZ。对于振幅来说，也意味着在此偏压的作用下，振幅平衡条件正好满足输出振幅为UFZ的等幅正弦波。图4.4.6 起振时直流偏压的建立过程、振荡器的频率稳定度频率稳定度是振荡器的一项十分重要的技术指标。它表示在一定的时间范围内或一定的温度、湿度、电源、电压等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡器的频率稳定度越高。改善振荡频率稳定度，从根本上来说，就是力求减小振荡频率受温度、负载、电源等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此，改善振荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率不变的能力，这就是所谓的提高振荡回路的标准性。提高振荡回路标准性除了采用稳定性好和高Q的回路电容和电感外，还可以采用与正温度系数电感作相反变化的具有负温度系数的电容，以实现温度补偿作用，或采用部分接入的方法以减小不稳定的晶体管极间电容和分布电容对振荡频率的影响。石英晶体具有十分稳定的物理和化学特性。在谐振频率附近，晶体的等效参量Lq很大，Cq很小，Rq也不大，晶体Q值可达百万数量级，所以晶体振荡器的频率稳定度比LC振荡器高很多。4、 实验电路如图4.4.7所示，直流电源为+12V，振荡管Q52为3DG12C。隔离级晶体管Q51也为3DG12C，LC振荡工作频率为10.7 MHz，晶体振荡频率为10.245 MHz。（1）静态工作电流的确定选ICQ=2 mA VCEQ=6 V =60则有R55+R54=为提高电路的稳定性RE值适当增大，取R55=1 k则R54=2 kUEQ=ICQRE=21=2 V IBQ=ICQ/=1/30 mA取流过R56的电流为10IBQ R56=8.2 k R57+W51=28K取R57=5.1 k， W51为50 k的可调电阻。（2）确定主振回路元器件 当为LC振荡时， f0=10.7MHz 设L=L51=2.2H 则 C=C53+CC51+C512+C55|C56|C57 由于C56、C57远大于C55C53、CC51、C512 所以 CCC53+CC51+C55+C512 取C55为24pF ，C53+C512为55 pF（而实际上对高频电路由于分布电容的影响，往往取值要小于此值） CC51为330 pF的可调电容。 而C56/C57（C58、C59）=1/21/8 则取 C56=100 pF 对于晶体振荡，并联可调电容即可进行微调。图4.4.7 正弦振荡器实验原理图四、实验内容1、按下电源开关K51，调整静态工作点：调节电位器W51使VR55=2V(即R55靠近Q52一端电压)。（1）连接短接片J54、J52，调节可调电容CC51，通过示波器和频率计在TT51处观察振荡波形，振荡频率为10.7 MHz（实验频率可调范围在10 MHz12 MHz）。（2）断开短接片J52，接通短接片J53，微调CC52，使振荡频率为10.245 MHz。2、观察振荡状态与晶体管工作状态的关系。断开短接片J53，短接片连接J52，示波器在TT51观察振荡波形，调节W51，观察输出波形TT51的变化，测量波形变化过程中的几个点（刚启振/稳幅振荡/振荡最大）的发射极电压且计算对应的IE。3、观察反馈系数对振荡器性能的影响。断开短接片J53，短接片连接J52，示波器观察在TT51处波形。分别用短接片连接J54、J55、J56或组合连接使C56/C57|C58|C59等于1/3、1/5、1/6、1/8时，实测幅度的变化、反馈系数是否与计算值相符，同时，分析反馈大小对振荡幅度的影响。4、比较LC振荡器和晶体振荡器频率稳定度。分别接通J53、J52，在TT51处用频率计观察频率变化情况。5、 观察温