高频课设_LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计与制作 2

1、武汉理工大学通信电子线路课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 通信1006班 指导教师： 周云耀 工作单位： 武汉理工大学 题 目: LC三点式反馈振荡器设计 初始条件： （1）Multisim软件（2）高频课程中振荡器的相关知识要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1）设计一个LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器，其设计技术性能指标为：振荡频率 频率稳定度 输出幅度 （2）设计一个高频小信号调谐放大器的电路，其设计技术性能指标为：谐振频率：10.7MHz,谐振电压放大倍数：，通频带：，矩形系数：。（3）设计一个高频谐振功率放大器电路，其

2、设计技术性能指标为：输出功率Po125mW，工作中心频率fo=6MHz，>65%， 已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51，晶体管用3DA1，其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益Ap13dB（20倍）。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘要4Abstract51 LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计与制作61.1设计目的和意义：61.2设计原理61.2.1电容三点式振荡器原理工作原理分析71.2.2并联型改进电容三端式振荡器(西勒电路)91.3仿真结果及调试101.3.1静态工作

3、电流的确定101.3.2电路结构101.3.3仿真结果波形及实物111.3.4焊接实物图131.3.5性能测试152高频小信号电路设计162.1 高频小信号调谐放大器的原理分析172.2 高频小信号调谐放大器参数设置173 高频谐振功率放大器电路设计与制作213.1设计要求及原理213.2设计过程223.2.1确定功放的工作状态223.2.2基极偏置电路计算233.2.3计算谐振回路与耦合线圈的参数243.2.4电源去耦滤波元件选择243.3 电路仿真254心得与体会26参考文献27摘 要 随着社会的发展，通讯工具在我们的生活中的作用越来越重要。通信工程专业的发展势头也一定会更好，为了自己将来

4、更好的适应社会的发展，增强自己对知识的理解和对理论知识的把握，本次课程设计我准备制作具有实用价值的电容反馈三点式振荡器。振荡器简单地说就是一个频率源，一般用在锁相环中能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。所谓“振荡”，其涵义就暗指交流，振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。能够完成从直流电能到交流电能的转化，这样的装置就可以称为“振荡器”。 关键词：振荡器 信号AbstractWith the development of society, communicatio

5、n tools in our life function more and more important. Communication engineering specialty momentum of development also will be better, for your own future better adapt society's development, increase their understanding of knowledge and to grasp the theoretical knowledge, this course design I am

6、 ready to make practical capacitance feedback SanDianShi oscillators. Oscillator is simply stated a frequency source, general use in PLL can convert to dc signal output has a certain frequency exchange of electronic circuit or device. Detailed said is a don't need outside signal motivation, ones

7、elf can be dc power could be transformed to exchange the device. Generally fall into the positive feedback and negative resistance type two kinds. The so-called "oscillation", its meaning is alluding to exchange, oscillator includes a never oscillation to oscillation of process and functio

8、n. Can completion from dc to ac power transformation, this device can be called "oscillator". Keywords: oscillator signal 1 LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计与制作1.1设计目的和意义在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期信号的电子电路，这种在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为振荡器。振荡器的种类很多，根据工作原理可以分为反馈型

9、振荡器和负阻型振荡器。根据选频网络采用的器件可分为LC振荡器、晶体振荡器、变压器耦合振荡器等。振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。为此,振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路,也是从事电子技术工作人员必须要熟练掌握的基本电路。1.2设计原理1.2.1电容三点式振荡器原理工作原理分析本次课程设计我设计的是电容反馈三点式振荡器，而电容反馈三点式振荡器是自激振荡器的一种，因此更好进行设计了。振荡器是不需要外加信号激励，自身将直流电能转换为交流电的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。由我们所学过的知识知道，构成一个振荡器必须具备下列一些最基本的条件：（1）任何一个振

10、荡回路，包含两个或两个以上储能元件。在这两个储能元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。接收和释放能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。（2）电路中必须要有一个能量来源，可以补充由振荡回路电阻所产生的损耗。在电容三点式振荡器中，这些能量来源就是直流电源。（3）必须要有一个控制设备，可以使电源在对应时刻补充电路的能量损失，以维持等幅震荡。这是由有源器件（电子管，晶体管或集成管）和正反馈电路完成的。 对于本次课程设计，所用的最基本原理如下：（1）振荡器起振条件为AF>1（矢量式），振荡器平衡条件为:AF=1（矢量式），它说明在平衡状态时其闭环增益等于1。在起振时A>1/F，当振

11、幅增大到一定的程度后，由于晶体管工作状态有放大区进入饱和区，放大倍数A迅速下降，直至AF=1（矢量式），此时开始谐振。假设由于某种因素使AF<1,此时振幅就会自动衰减，使A与1/F逐渐相等。 （2）振荡器的平衡条件包括两个方面的内容：振幅稳定和相位稳定 。我们可以假设横坐标是振荡电压，而纵坐标分别是放大倍数K和反馈系数F，假设因为某种情况使电压增长，这时K.F<1，振荡就会自动衰减。反之，若电压减少，出现KF>1的情况，振荡就会自动增强，而又回到平衡点。由此可知结论为：在平衡点，若K曲线斜率小于0，则满足振荡器的振幅稳定条件。反馈式正弦波振荡器有RC、LC和晶体振荡器三种形式

12、，电路主要由放大网络、选频回路和反馈网络三个部分构成。本实验中，我们研究的主要是LC三点式振荡器。所谓三点式振荡器，是晶体管的三个电极（B、E、C），如图1： 图1 三点式振荡器的基本电路根据相位平衡条件，图1 (a)中构成振荡电路的三个电抗元件，X1、X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗，若X1和X2均为容抗，X3为感抗，则为电容三点式振荡电路（如图1 (b)）；若X2和X1均为感抗，X3为容抗，则为电感三点式振荡器（如图1(c)）。由此可见，为射同余异。共基电容三点式振荡器的基本电路如图2：图2 共基电容三点式振荡器由图可见：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

13、；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。 其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件， 反馈系数F为：。 若要它产生正弦波，必须满

14、足F= 1/2-1/8，太小不容易起振，太大也不容易起振。一个实际的振荡电路，在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值。但是如静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真，严重时，甚至使振荡器停振。所以在实用中，静态电流值一般ICO=0.5mA-4mA。共基电容三点式振荡器的优点是：1）振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高。工作频率可以做得较高，可达到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。 电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。为克服共基电容三点式振荡器的缺点，在本次课程设计中采用

15、并联型改进电容三端式振荡器(西勒电路)。1.2.2并联型改进电容三端式振荡器(西勒电路)电路组成如图3：图3 西勒振荡电路电路特点是在克拉泼振荡器的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。电路的振荡频率为： 特点：1.振荡幅度比较稳定； 2.振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8；所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。 频率稳定度是振荡器的一项十分重要技术指标，它表示在一定的时间范围内或一定的温度、湿度、电压、电源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

16、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。1.3仿真结果及调试1.3.1静态工作电流的确定合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间选取，故本实验电路中： 选ICQ=2mA VCEQ=6V =

17、100 则有为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1K则Rc2K 因：UEQ=ICQ·RE 则： UEQ =2mA×1K=2V 因： IBQ=ICQ/ 则： IBQ =2mA/100=0.02mA为调整振荡管静态集电极电流的方便，Rb1由8.2K电阻与50K电位器串联构成，Rb2 是8.2K的电阻。1.3.2电路结构根据设计要求和条件可采用如图4所示的电路结构。图4 总体电路图1.3.3仿真结果波形及实物在原理图中，由L1，C4，和C2共同构成的LC振荡电路，交信号转化成固定频率的正弦波，其仿真波形及其峰-峰值如图5，6所示：图5 LC振荡电路波形图6 LC振荡电路峰峰

18、值X1构成晶体振荡电路，其波形及其峰-峰值如图7，8所示：图7 晶体振荡电路波形图8 晶体振荡电路峰峰值1.3.4焊接实物图 图9 实物电路板 图10 电路板反面效果图11 LC振荡器输出波形图12 晶体振荡器输出波形1.3.5性能测试调整R1，进行测试： foVop-pVceIc测量值Ic计算值6MHZ4.40V6.20V1.96mA2mA因此，本电路板制作符合本课程的要求。2高频小信号电路设计2.1 高频小信号调谐放大器的原理分析高频小信号放大器一般用于放大微弱的高频信号,此类放大器应具备如下基本特性:只允许所需的信号通过,即应具有较高的选择性。放大器的增益要足够大。放大器工作状态应稳定且

19、产生的噪声要小。放大器应具有一定的通频带宽度，如图13所示：图13 单调谐放大器电路典型的单调谐谐振放大器原理如图，图中，RB1,RB2,RE用以保证晶体管工作于放大区域，从而放大器工作于甲类，CE是RE的旁路电容，C1,C2是输入输出耦合电容，LC是谐振电路，R是集电极（交流）电阻，他决定了回路的Q值，带宽。为了减轻负载对回路的的影响，输出采用了部分接入的方式。2.2 高频小信号调谐放大器参数设置在初级设计时,大致以此特性作考虑即可. 基本步骤是: （1）选定电路形式依设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器，设计参考电路见图14所示。 图14

20、单调谐高频小信号放大器电原理图图中放大管选用9018，该电路静态工作点Q主要由Rb1和Rw1、Rb2、Re与Vcc确定。利用和、的分压固定基极偏置电位，如满足条件：当温度变化，抑制了变化，从而获得稳定的工作点。由此可知，只有当时，才能获得恒定，故硅管应用时， 。只有当负反馈越强时，电路稳定性越好，故要求，一般硅管取：（2）设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.82mA之间选取为宜，设计电路中取 ，设因为： 而 所以：因为：(硅管的发射结电压为0.7V) 所以： 因为： 所以：因为： 而 取 则： 取标称电阻6.2K因为： 则：，考虑调整静态电流的方便，用22K

21、电位器与15K电阻串联。（3）谐振回路参数计算 回路中的总电容C因为： 则: 回路电容C因有 所以取C为标称值30pf,与5-20Pf微调电容并联。求电感线圈N2与N1的匝数：根据理论推导，当线圈的尺寸及所选用的磁心确定后，则其相应的参数就可以认为是一个确定值，可以把它看成是一个常数。此时线圈的电感量仅和线圈匝数的平方成正比，即： 式中：K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关；N-线圈的匝数一般K值的大小是由试验确定的。当要绕制的线圈电感量为某一值时，可先在骨架上(也可以直接在磁心上)缠绕10匝，然后用电感测量仪测出其电感量，再用下面的公式求出系数K值： 式中： 为实验所绕匝数，由此根据和K值

22、便可求出线圈应绕的圈数，即： 实验中，L采用带螺纹磁芯、金属屏蔽罩的10S型高频电感绕制。在原线圈骨架上用0.08mm漆包线缠绕10匝后得到的电感为2uH。由此可确定要得到4 uH的电感，所需匝数为 最后再按照接入系数要求的比例，来绕变压器的初级抽头与次级线圈的匝数。因有，而匝。则： 匝确定耦合电容与高频滤波电容：耦合电容C1、C2的值，可在1000 pf0.01uf之间选择 ，一般用瓷片电容。旁路电容Ce 、C3、C4的取值一般为0.01-1F，滤波电感的取值一般为220-330uH。3 高频谐振功率放大器电路设计与制作3.1设计要求及原理电路的主要技术指标：输出功率Po125mW，工作中心

23、频率fo=6MHz，>65%， 已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51，晶体管用3DA1，其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益Ap13dB（20倍）。放大器工作时，设输入信号电压：则加到晶体管基极,发射级的有效电压为: 由晶体管的转移特性曲线可知，如图15所示： 图15 谐振功率放大器晶体管的转移特性曲线当时，管子截止，。当时，管子导通，式中：为折线的斜率： 所以有： ，即功放输出的Ic为一连串不连续的余弦脉冲。高功放为什么能不失真地放大信号呢?因为尖顶余弦脉冲的数学表达式为： 若对 傅里叶级数分解，即：由此可知，

24、任何一个余弦脉冲，都是由许多不同频率的谐波（基波、二次谐波。n次谐波）分量所构成，利用功放负载LC回路的选频功能，适当选择LC的参数使之谐振与基波频率, 尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，故功率放大器的输出仍为不失真的正弦波。此时，谐振回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即：式中，Ucm为uc的振幅；Ro为LC回路的谐振电阻,为集电极基波电流振幅。在集电极电路中，LC谐振回路得到的高频功率为:集电极电源EC供给的直流输入功率为： ICO为集电极电流脉冲ic的直流分量。集电极效率C为输出高频功率Po与直流输入功率PE之比，即：3.2 设计过程3.2

25、.1确定功放的工作状态对高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角在600900范围。现设=700。集电极电流余弦脉冲直流ICO分解系数，集电极电流余弦脉冲基波ICM1分解系数，。设功放的输出功率为0.5W。功率放大器集电极的等效电阻为：集电极基波电流振幅为：集电极电流脉冲的最大振幅为： 集电极电流脉冲的直流分量为：电源提供的直流功率为：集电极的耗散功率为：集电极的效率为： (满足设计要求)已知： 即则：输入功率：基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的=10） 基极基波电流的振幅为：得基极输入的电压振幅为：3.2.2 基极偏置

26、电路因 则有 ：因 则有 ：取高频旁路电容3.2.3计算谐振回路与耦合线圈的参数图16 谐振回路图 输出采用L型匹配网路， 则匹配网路的电感L为，电容C为。3.2.4电源去耦滤波元件选择 高频电路的电源去耦滤波网络通常采用型LC低通滤波器，滤波电感0可按经验取50100H，滤波电感一般取0.01F。综合上述设计，得电路如图17所示。图17 高频功放电路原理图3.3电路仿真电路的仿真波形如图18所示：图18 电路的仿真波形图输入高频信号100mv前级放大（甲类）7.60v后级放大（丙类）15.8v4 心得与体会经过一段时间的忙忙碌碌，在完成为期两周的高频电子综合设计的过程中，我对以前所学的知识有了一个更深的的了解，并且不再局限于以前的书面上的东西，而是把所学的内容举一反三并不断扩展。例如，在设计高频小信号谐振放大器中，首先是参数的计算，为了保证小信号调谐放大器稳定地工作，选用Cbc小的晶体管，或采用减小Cb