半导体物理器件实验

1、1方案选择：产生调频信号的电路叫做调频器，对他有4个主要的要求： 已调波的瞬时频率与调制信号成比例变化。 未调制时的载波频率即已调波的中心频率具有一定的稳定度。 最大频偏与调制频率无关。 无寄生调幅或寄生调幅尽量小。产生调频的方法主要归纳为两类：1 用调制信号直接控制载波的瞬时频率直接调频。2先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波间接调频。变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），线路简单，并且几乎不需要调制功率，其主要缺点是中心频率的稳定度低。在满足设计的各项参数的基础上尽量简化电路。因此本次课程设计采用BB910变容二极管进行直接调频电路设计。2调频

2、电路设计原理分析2.1FM调制原理：FM调制是靠信号使频率发生变化，振幅可保持一定，所以噪声成分易消除。设载波,调制波。或，此时的频率偏移量f为最大频率偏移。最后得到的被调制波 , V m 随Vs的变化而变化。为调制系数2.2变容二极管直接频率调制的原理：变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种半导体二极管，它是一种电压控制可变电抗元件，它的结电容Cj与反向电压VR存在如下关系：式中，VD为PN结的势垒电压（内建电势差），Cj0为VR为0时的结电容，为系数，它的值随半导体的掺杂浓度和PN结的结构不同而异：对于缓变结，=1/3；突变结：=1/2;对于超突变结，=14，

3、最大可达6以上。图2.1 变容二极管的Cj-v特性曲线变容二极管的Cj-v特性曲线如图2.1所示。加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压V0和调制信号电压V(t)=Vcost，即。结电容在vR(t)的控制下随时间的变化而变化。把受到调制信号控制的变容二级管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡回路的频率已收到调制信号的控制。适当选择调频二极管的特性和工作状态，这样就实现了调频。设电路工作在线性调制状态，在静态工作点Q处，曲线的斜率为2.3三极管的参数3单元电路设计分析3.1LC振荡电路本电路采用常见的电容三点式震荡电路实现LC振荡，如图3.1，简便易行，变容二极管电容作为组成LC振荡电路的一部分，电

4、容值会随加在其两端的电压的变化而变化，从而达到了变频的目的。Rc，Re，RB1，RB2设置LC震荡电路的静态工作点，L1，C1构成LC震荡电路，CC,DC接入LC振荡电路改变振荡频率构成调频电路。R1、R2、R3提供变容二极管工作所需的直流偏置。信号V从C5接入，电感L2是一低通线圈，可以过滤掉信号的高频部分。图3.2为调频电路的交流等效电路。变容二极管的接入方式为部分接入，如果去掉与之串联的CC则为全部接入。图3.1调频信号产生电路图3.2三点式振荡电路3.2调制灵敏度单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度，以Sf表示，单位为 kHz/V，即Vm为调制信号的幅度；fm为变容管的结电容变化

5、Cj时引起的最大频偏。回路总电容的变化量为在频偏较小时，fm与C的关系可采用下面近似公式，即 pà f ，Cjà f 。 调制灵敏度 式中，C为回路总电容的变化量；CQ为静态时谐振回路的总电容， 即 C1àSfà f调制灵敏度Sf可以由变容二极管Cj-v 特性曲线上VQ处的斜率kc计算。Sf越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。 改变CC的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。3.3增加稳定度的措施：1、 震荡回路参数LC显然LC如有变化，必然引起震荡频率的变化，影响LC飞变化的因素有：元件的机械变形，周围温度变化的影响，适度，气压的变化

6、，因此为了维持LC的数值不变，首先就应选取标准性高的，不易发生机械变形的元件；其次，应尽量维持振荡器的环境温度的恒定，因为当温度变化时，不仅会使LC的数值发生变化，而且会引起电子器件的参数变化，因此高稳定度的振荡器可以封闭在恒温箱（杜瓦瓶）内，LC采用温度系数低的材料制成。2、 温度补偿法使L与C的变化量与L与C的变化量相互抵消以维持恒定的震荡频率，其原理如下：若回路的损耗电阻r很小，即Q值很高，则振荡频率可以近似的用回路的固有频率f0来表示。由于外界因素的影响，使LC产生微小的变量L、C，因而引起振荡频率的变化为若选用合适的负温度系数的电容器 （电感线圈的温度系数恒为正值）， 使得C/C与L

7、/L互相抵消，则f可减为零。这就是温度补偿法。3、 回路电阻r的大小是由振荡器的负载决定的，负载重时，r大，负载轻时r小，当负载变化时，振荡频率也随之变化。为了减小r的影响尽量使负载小且稳定，r越小，回路的Q值越高，频率的稳定度也越高，4、 加缓冲级为了减弱后级电路对主振器的影响，可在主振器后面加入缓冲级。所谓缓冲级，就是实际上是一级不需要推动功率的放大器（工作于甲类）。5、 有源器件的参数晶体管为有源器件时，若他的工作状态（电源电压或周围温度等）有所改变，则晶体管的h参数会发生变化，即引起振荡频率的改变。为了维持晶体管的参数不变，应该采用稳压电源，和恒温措施。6、 采用高稳定度LC振荡电路例

8、如采用克拉泼电路如图3.2所示：C1>>C3,C2>>C3,Cb为基极耦合电容，C3为可变电容，他的作用是把L与C1，C2分隔开，使反馈系数仅取决于C1，C2的比值，振荡频率基本上由L和C3决定。这样，C3就减弱了晶体管与振荡电路之间的耦合，使折算到回路内的有源器件的参数减小，提高了频率的稳定度，另一方面，不稳定电容（如分布电容）则与C1，C2并联，基本上不影响震荡频率。C3越小，则频率的稳定度越好，但起振也就越困难。因此C3也不能无限制的减小。4 各单元电路元器件参数设置：4.1LC震荡电路直流参数设置：ICQ一般为(14)mA。ICQ偏大，振荡幅度增加，但波形失真加

9、重，频率稳定性变差。取ICQ=2mA。取VCEQ=1/2VCC=6V。可以求出Rc+Re=3K，取Rc=2K，Re=1K；=60，IBQ=×IBQ，为使减小IBQ对偏执电阻的电位偏执效果的影响，取RB1和RB2上流过的电流IB>>IBQ，取RB1=28K，RB2=8.2K。4.2调频电路的直流参数设置根据BB910数据手册提供的变容二极管的Cj-v特性曲线（如图1），取变容二极管的正常工作的反向偏置电压为4V，R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压VQ，电阻R3称为隔离电阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以减小调制信号V对VQ的影响。

10、已知 VQ=4V，若取 R2=10kW ，隔离电阻R3=150k。则R1=20K4.3交流电路参数设置：由LC震荡频率的计算公式可求出，若取C1=100pF，则L110mH。实验中可适当调整L1的圈数或C1的值。电容C2、C3由反馈系数 F 及电路条件C1<<C2，C1<<C3 所决定，若取C2=510 pF，由，则取 C3=3000 pF，取耦合电容 Cb=0.01mF。本题给定变容二极管的型号为2CC1C，已测量出其Cj-v 曲线如图1所示。取变容管静态反向偏压VQ=4V，由特性曲线可得变容管的静态电容CQ=75pF。2CC1C属于突变结，=0.5，图4为变容二极管

11、部分接入振荡回路的等效电路，接入系数p及回路总电容C分别为为减小振荡回路高频电压对变容管的影响， p应取小，但p过小又会使频偏达不到指标要求。可以先取p=0.2，然后在实验中调试。当VQ=4V时，对应CQ=75pF，则CC» 18.8 pf 。取标称值20pF。图4.1交流等效电路图4.4计算调制信号的幅度为达到最大频偏fm的要求，调制信号的幅度Vm，可由下列关系式求出。由Cj-v 曲线得变容管 2CC1C 在VQ= 4V 处的斜率PF/V,得调制信号的幅度Vm=Cj / kc= 0.92V。调制灵敏度Sf 为KHz/V频率稳定度：f0/f05×10-4/小时。=1/2时，

12、f0/f0=KA05×10-4/小时m0.7可以达到要求。5 元器件清单表5.1 元器件清单电阻阻值(k)电容电容值（pF）电感电感值(uH)RB129.8C1100L1100RB29.18C2510L247Rc2.37C32200Re1.16C433R120(初始值)C54.7×106R210(初始值)C64700R381Cc3(初始值)6 测试及结果分析测试结果电容Cc偏置(V)1.191.702.393.9345.97.8411.87容值(pF)谐振频率31.6461.6431.6381.671.6471.6351.6371.63451.6221.6261.6231.6651.6341.6281.6261.625331.5711.5721.5721.6581.5821.5861.5671.5673301.5221.5261.5181.6531.5311.5161.5161.519本征频率 1.6851.6851.6851.6851.6851.6851.6851.685参考文献1：李银华电子线路设计指导北京航空航天大学出版社2005.62：谢自美电子线路设计·试