电容三点式振荡器与变容二极管直接调频电路设计

1、咼频实验报告（二）-电容三点式振荡器与变容二极管直接调频电路设计组员座位号16实验时间周一上午目录一、实验目的 3二、实验原理 32.1电容三点式振荡器基本原理 32.2变容二极管调频原理 52.3寄生调制现象 82.4主要性能参数及其测试方法 9三、实验内容 10四、实验参数设计 11五、实验参数测试 14六、思考题 15实验目的1. 掌握电容三点式LC振荡电路的基本原理。2. 掌握电容三点式LC振荡电路的工程设计方法。3. 了解高频电路中分布参数的影响及高频电路的测量方法。4. 熟悉静态工作点、反馈系数、等效Q值对振荡器振荡幅度和频谱纯度的影响。5. 掌握变容二极管调频电路基本原理、调频基

2、本参数及特性曲线的测量方法。实验原理2.1电容三点式振荡器基本原理Xi K X2电容三点式振荡器基本结构如图所示1图3.1电容三点式振荡器基本结构在谐振频率上，必有X + X2 + X3 =0,由于晶体管的Vb与Vc反相，而根据振荡器的振荡条件|T| = 1 ，要求Vbe = We ,即i X i = i X 2，所以要求Xi与X2为同性质的电抗。综合上述两个条件，可以得到晶体管LC振荡器的一般构成法则如下：在发射极上连接的两个电抗为同性质电抗，另一个为异性质电抗。原理电路如图3.2所示:图3.2原理电路共基极实际电路如图3.3所示:图3.3共基极实际电路求T(j? 的等效电路如下-gobR.

3、G0kf2b丄)Regob1,gib rcbg_ Qo oL,Ci CC , C 八 C2(3-1 )cbeGo为谐振回路导纳,回路谐振时有：Q为回路固有品质因数。F(j ?) : kfGC1 C2(3-2)T(jJ(j JURLkf(3-3)是谐振回路广义失谐其中：以上讨论中，忽略C的影响振幅起振条件：(3-4)(3-5)T(jcc)|=AF 1 ,即屮e R_kf 1 ,利用小信号等效电路分析，可以将起振条件表达为yfeRlkf1()r ob1 kf 1(3-6)Rore / Re k f1U(gobgo) k fgib其中:考虑到gib拓丄拓gm,kf=:一，将上式改写为C1+C22(G

4、 C2 ),、G 1gm2(gobgo)-C CC R相位起振条件：1T ( ) 9即向5。和盲20(3-9)(3-10 )亦即:yfe-0gob g。gib当忽略yfe , g oe , g L, gie等参数影响时，上述条件实际就是(3-11 )=0。此时，振荡频率为：；.-；：；?-；：12)l GQ厂. C 1 C2(3-精确推导振荡频率需要解方程1Im(yfeRLkf)=0。实际的振荡频率略高于-.o。1 + j匚由于共基接法的晶体管电路，其频率响应要明显高于共发射极电路,管振荡电路的振荡频率可以高于共发射极接法电路，在实际使用中多采用此电路所以此接法的晶体2.2变容二极管调频原理实

5、现调频的方法有两大类，即直接调频与间接调频。LC调频振荡器是直接调频电路。直接调频的基本原理是利用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。如果受控振荡器是产生正弦波的LC振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。可变电抗器件的种类很多，其中应用最广的是变容二极管，作为电压控制的可变电容元件，它有工作频率咼、损耗小和使用方便等优点。本实验米用变容二极管直接调频电路。y fe常gm ,1gobrob1(3-7)gLQo o L1 1gib&5 +reRe可得到振幅起振条件gm h gob go

6、) kfgib(3-8)变容二极管的C-v特性曲线如图3.5所示Co是二极管在零偏压时的结电容 v是加在二极管两端的反向电压Vd是二极管PN结的势垒电压丫是变容二极管的变容指数，普通PN结，超突变结丫 =1? 5。丫与频偏的大小有关（在小频偏情况下，选丫二1的变容二极管可近似实现线性调频）；在大频偏情况下，必须选 丫 =2的超突变结变容二极管，才能实现较好的线性调频）；v为变容管两端所加的反向电压。(3-14 )v =VQ v =VQ v mCOS 4典型变容二极管直接调频电路如图所示：L、CC2构成电容三点式振荡电路，。、D与5、C2并联，调频电路由变容二极管D及耦合电容C3组成。Ri与R2

7、为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压Vdq，即Vdq =R2 / （ R| R Vcc。变容二极管上叠加有直流偏置电压Vdq与调制信号电压 V,。高频扼流圈L1阻断振荡器信号对调制信号的干扰。j0j0CjVDQ(1匕）VDQ(1Vcost)jQ(1 M cos 门 t)(3-15)CjQ(3-16 )为结电容调制度VVdq Vd假定C3很大，又有Cj ?氏，则可认为变容二极管电容为回路总电容(t)1丄Cy=c (1 M cos 1t)2(3-17)LCjQ(1 M cos 4)式称为变容二极管的调制特性方程，显然，当采用丫 =2的超突变结变容二极管，能实现较好的线性调频。其中1C ，是处于

8、静态工作点时的振荡频率。V LCjQ变容管作为振荡回路总电容时，它的最大优点是调制信号变化能力强，即调频灵敏度高，较小的M值就能产生较大的相对频偏。但同时，因温度等外界因素变化引起VQ变化时，造成载波频率的不稳定也必然相对地增大。而且振荡回路上的高频电压又全部加到变容管上。为了克服这些缺点，在直接调频的LC正弦振荡电路中，一般都采用变容管部分接入的振荡回路。图中 当C3较小，与C相比不可忽略时，变容二极管部分接入。图3.6变容二极管部分回路总电容C为(3-18 )GC2C3CiC1 C2C3 Cj振荡频率(t)=,LCGC 2 CQQL(Cl C2/1C3( 1 M cos 11)CjQ幕级数

9、展开，取到2次项，有(3-19 )A(t) = c2 M 2c AM c cos tA2M2ccos2i】t(3-20 )c ?mCOS , r 2m cos 2 11C 二C1C2C3CjQ其中 G* C2 C3 *CjQy3?2yn_1)2A = 2P , A2 = 8P2 4P 2P(1 P) p =(1 + R)(1 + B + RP2) Alp _CjQ p _1C2创非部分接令的相比，可+效成变容二极管的变容指数下降为m M c部分接入后2P最大频偏为(3-21 )(3-23 )所以，部分接入的电路要求变容二极管的变容指数大于2。部分接入的优点是稳定性提高，可以减小寄生调制效应，从

10、而减小调制失真。缺点是 调制灵敏度下 降。2.3 寄生调制现象高频电压加在变容二极管两端， 造成在高频电压一周内结电容的变化， 使得振荡波形不 对称，称为寄生调制实际电路中，采用变容二极管反向串联， 所以由于高频载波电压造成的电容变化相互抵 消，可以减轻寄生调制效应。C32.4主要性能参数及其测试方法实验测量电路如图图3.8测量电路1.输出频率fo称为中心频率或载波频率。中心频率LC振荡器的 用数字示波器监测振荡波形同时测量回路的谐振频率fo，谐振电压V。，测试点如图3.8所示，在A点、C点及射级输出端分别测量电压、波形和频率；研究示波器的接入对电路产生的影响。2 ?频率稳定度 主振频率fo的

11、相对稳定性用频率稳定度丄f/f。表示。虽然调频信号的瞬时频率随调制信号改变，但这种变化是以稳定的载频fo为基准的。若载频不稳，则有可能使调频信号的频谱落到接收机通带之外。因此，对于调频电路，不仅要满足一定频偏要求，而且振荡频率fo必须保持足够高的频率稳定度。电容三点式改进型电路，其？计/ fo可达1010,。测量频率稳定度的方法是，在一定的时间范围(如1小时)内或温度范围内每(3-24)隔几分钟读一个频率值，然后取其范围内的最大值fmax与最小值fmin，则频率稳定度 f / fA fmaX 也 / 小时 fo3 ?最大频偏 指在一定的调制电压作用下所能达到的最大频率偏移值-fm， fm/f。

12、称为相对频偏。用于调频广播、电视伴音、移动式电台等的相对频偏较小，一般fm/f 0，”偏 fm 在 50kHz75kHz 内。最大线性频偏Ym Mg(3-25)2PM越大，频偏越大4.调制灵敏度(3-26)3、4两项可采用描绘变容二极管变频曲线的方法来测试。下面介绍一种变容二极管测 量方法。变容二极管的特性曲线 C-v如图3.5所示。变容二极管的性能参数 Vq、Cjo、厶Cj及Q点处的斜率kc 等可以通过C-v特性曲线估算。测量C-v曲线的方法如下：先不接变容二极管，用数字示波器测量射级跟随器的输出信号频率fo ；再接入C5、变容管Di, D2及其偏置电路，其中电位器R5用来改变变容管的静态直

13、流偏压Vq，测出不同Vq时对应的输出频率fj。由式(3-5)或下式计算fj对应的回路总电容 Cz，即1 foCy(3-27)I fj 丿 G |再由式(3-7)计算变容管的结电容 C。然后将Vq与C的对应数据列表并绘制C-v曲线。不同型号的变容管，其 C-v曲线相差较大，性能参数也不相同。使用前一定要测量(或查阅手册)变容管的C-v曲线，得到工作点Q处的斜率式N。 *实验内容设计一 LC高频振荡器与变容二极管调频电路。LC调频振荡器已知条件：+Vcc=+9V高频三极管 Q2N3904变容二极管，调制信号峰峰值IV。主要技术指标：中心频率fo=9OMHz频率稳定度f / fo 3V,调制灵敏度S

14、f 10kHz / V,最大频偏fm=20kHzoC7IC5L*iL3+9VR9BLi ?CiC2AC2BR7LEDC4HH-C3R4JiR5LDR8IC641H?DJ2图3.10实验电路步骤:1.按照选定的实验电路，分别设计90Mhz及27Mhz的振荡器电2. 根据上述设计的参数，在实验板上插入相应的器件。通电后通过测量R3上的直流压降来监视静态工作点电流。如果静态工作点不正常，必须排除故障后才能进行以下的测量。3. 观察并测量静态工作点、等效Q值、反馈系数等因素对振荡器振荡幅度和频谱纯度的影响。4. 设计二极管直接调频电路。5. 测量调频电路基本参数及变容二极管特性曲线四、实验参数设计1?

15、确定电路形式，设置静态工作点c5RiC2AT C 曲C3c4It t L2R. J1DA| c甘】宀 J2LED交流等效电路如下：gibg(nVicLgobCbG= GoCiC2T ReUVJ取 Ieq=1 mA ,这里取h =61 bq电路静态工作点由下式确定VBQ _VBEVEQR3 :1 EQ1 EQ取 Veq =1.5V,Vceq =7.5/血=1.5k.1EQVbq 二 Veq Vbe =2.2VVbq =Veq VbqRVcc = 2.2VR2r2 =Vbq1lVbqvbq =i8.3kJ61 BQ 6 1 CQVcc实验时，为了能相对较大地调整静态工作点，适当将R2 取大，取 R

16、, =33k , R3 =1.5k J R,由18k i i电阻和47电位器串连，以便调整静态工作点2.计算主振回路元件值：根据电感Li的值以及电容三点式振荡器的起振条件，选择合适的谐振电容C2 和 C3gm叵卫A二38mS26mVgbe -匹=0.77mS26.1g m尺二 Qo oL=100 2- 90 106 400 10八Q o为电路空载时的品质系数。电路的负载导纳丄二丄？丄？kf2Rrob1A0re r3一般接设计跟随器，阻抗很大，一般在10?二22.6k Q,其中 0为电路要求的振荡频率1rob 一般在105门,可忽略。振荡器输出robR4可忽略。这样可得1kf2& re r3，其

17、中re/ R3 ” rA261相比较,f也可忽略，所以可以认为丄瓦由起振条件yRl kf得：1 1yfe Rl kf=(1Ro1kf1kf+kf Ro reI1 EQ-y 工q26mV=38mS则可得起振条件381? kf22.6kf 0.026kf = 1/ (2? 8)显然kf在很宽得范围内都可满足起振条件，一般情况下，取当振荡频率为37.7MHz由于振荡器谐振频率QSC实际电感取值为0.9uH，Qo =360G2(C3G 丄=19.8pF C2 C3 C-.已知C二=4pF则啓t158pFC2取 kf = 1/4，由于 kfC3 c c2 = 1/4C3- 63.2 pF从而求得 C3

18、=55.2pF , C2 =21pF实际取C3 =47pF , C2 =18pF , C2采用固定电容和可调电容并联方式，以便调节当振荡频率为90MHz由于振荡器谐振频率fosc实际电感取值为0.2uH ,Ct。JU15.6pF则 C2(C3C) =ii.6pF2 C3 CC2=1/4取kf = 1/4，由于kfC3 C -46.4 pF从而求得 C3 =38.4pF , C2 =15.5pF实际取C3 =33pF , C2 =18pF , C2采用固定电容和可调电容并联方式，以便调节五、实验参数测试1、当 f = 37.7Mhz 时，测得 Vopp=3.04 V振荡频率 f0= 37.68?

19、 37.70 Mhz频率稳定度：Df/fo= (37.72- 37.68)/37.7= 0.00112、当 f = 90Mhz 时,测得 Vopp= 2.26 V振荡频率 f0= 90.02? 90.78 Mhz频率稳定度：Df/f0=(90.7& 90.02)/90=0.00843、变容二极管直接调频电路电压频率0.40187.730.75289.361.5191.842.0594.512.3898.693.04101.483.57102.364.05103.004.33103.594.91103.785.52104.566.00103.646.47105.116.69105.597.381

20、06.057.98106.388.43106.55用matlab拟合以后图形如下六、思考题1. LC振荡器的静态工作点在（0.5? 4） mA之间变化时，输出频率f输出电压 V及振荡波形有何变化？为什么？用实验说明。答：首先，对于频率，随着Ic的增大，频率呈下降趋势。但是在试验中，我们发现这种影响不是很大，对于频率的影响主要来自电路中的电感和电容第二，对于输出电压Vo则随静态工作点的增大显现出上升趋势，这是因为甚至会出现限幅失真。此时,A( JC | gmRLg1 +，随着Ic的增大，gm也增大，进而使得Aj ）增大。但当IC增大到一定程度时，由于受晶体管放大器动态范围的限制，使波形失真加重，

21、频率稳定性变差,衡，输出幅度最终稳定。当静态工作点电流增大时，| A |变大，而F不变，最终输出峰峰值会变大。实际的振荡电路在中心频率确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值，静态电流越大，输出幅度越大。但是如果静态电流取得太大，不仅会出现波形失真现象，而且由于晶体管的输入电阻变小同样会使振荡幅度变小。而在实验中，我们通过调节电阻R3来调节静态工作点，最后R3的选择在几百欧姆，小于实验设计时的1.5K Q的理论值，此时，输出的峰峰值可以到达2.5V左右。2.反馈系数过大或过小时，对振荡器起振有无影响?对输出电压的幅度有无影响 ？用实验说明答:kf根据实验原理公式，反馈系数:C2C1

22、 2 C3,而起振条件是,由于不等式的右边没有最大值,所以，反馈系数过大或者过小,A(j : gmR1、g Go kf (gAregob,gibcbGG C2C2 :C2 .Cbe在实验中改变反馈系数时我们能观察到输出电压有变化反馈系数下降时，输出电压峰峰值略微增大。变容二极管的接入系数如 ？用实验说明。3.过大或过小，对振荡回路有何影响 答:根据实验原理公式，反馈系数:C2kfC2 C3而起振条件是1 gm . (gob g kfgj所以，反馈系数过大或者过小,由于不等式的右边没有最大值,都可以使上式不成立，从而电路不满足起振条件振荡器停振另一方面，对于输出电压，输出幅度也受反馈系数的影响。

23、在起振范围内，因为最大平坦下的输出电压将急剧下降A(r : gmRL1RL2gob Go kf (gA1reC1kf C1 C2，C21gob , gibrcb1Qo 0L在实验中改变反馈系数时 峰峰值略微增大。我们能观察到输出电压有变化反馈系数下降时，输出电压4.影响载波频率f。及输出电压Vo的主要因素有哪些？用实验说明gm根据实验原理公式，反馈系数：19 go) kfgbkf，由于不等式的右边没有最大值,C2C2 C3，而起振条件是所以，反馈系数过大或者过小都可以使上式不成立，从而电路不满足起振条件振荡器停振另一方面，对于输出电压，输出幅度也受反馈系数的影响。在起 振范围内，因为 最大平坦

24、下的输出电压将急剧下降。1 2 -gob - Go kf (gARl11gobgib :rcbreG。一,kfG C2，C 八 Cgm(gob go) kfgb k CbeQo o L反馈系数下降时，输出电压在实验中改变反馈系数时，我们能观察到输出电压有变化，峰峰值略微增大。5.如何测量变容二极管的特性曲线，如何选择静态工作点 Q并确定斜率？kf答:C2根据实验原理公式，反馈系数:C2 C3而起振条件是所以，反馈系数过大或者过小,A(j : gmRg Go kf (gAgobcbgibreGG C2C2 :C2.Cbe在实验中改变反馈系数时 峰峰值略微增大。我们能观察到输出电压有变化反馈系数下降时，输出电压为什么说高频电路Q值，甚至电路？因为示波器的探头上有分布电容,又因为咼频实验所需的电容小，探头上的分布电容就6.的测试点选择不当，会影响回路的谐振频率和不能正常工作？对于图3.10，如果在A端测波形、频率可能会出现什么现象 答:甚至产生示波器的接入系数，对电路的谐