27MHZ正弦波放大器课题论文

1、 27MHz正弦波发生器的设计课题论文 11级电子信息科学与技术 1112010023 东国斌 2016-11-25 27MHz正弦波发生器的课程设计摘 要：在生产实践和科技领域中无线电传输可谓愈发成熟，其需要采用如27MHz正弦波这样的高频载波才能把音频、视频或脉冲信号运载出去以起关键性作用。本文介绍了以电容三点式振荡器和晶体振荡器两种设计方案。电容三点式由放大电路、选频电路、滤波电路、正反馈电路构成，具有波形稳定、失真小等特点。晶体振荡器采用27MHz晶振通过谐振，使频率具有更高的精确度。实验中使用了Multisim11.0软件对设计的两个实验电路进行仿真。关键词：晶振 正弦波 振荡器 反

2、馈引 言：27MHz无线通信模块被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。例如应用27MHz无线通信模块的汽车收费设计在高速公路收费站收费和日产27MHz业余频段40信道车载台式对讲机芯（简称机芯）。该机具有石英晶振二次变频高灵敏度接收、压控振荡以及PLL频率检测锁相环技术，其收发频点准确稳定。本文介绍采用晶振振荡器制作27MHz正弦波发生器，实现方法比较简单，频率较稳定。用晶体振荡器实现的发生器频率更稳定，误差在10-6之内，可以应用到对频率精度高的设备中。 设计基本内容1、 工作原理 1.1 电容三点

3、式振荡器振荡器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。本次课程设计的是自激振荡器的一种-电容反馈三点式振荡器。LC振荡器具有基本放大器、选频网络、滤波网络和正反馈网络四个部分组成。为了维持震荡，放大器的环路增益应该等于1，即AF=1，因为在谐振频率上振荡器的反馈系数为C1/C2，所以维持振荡所需的电压增益应该是A=C2/C1 电容三点式振荡器的谐振频率为 f0=1/2*L*(C1*C2)/(C1+C2)1/2 1.2 晶体振荡器当对稳定度要求特别高时，在实际中常用石英谐振器来控制振荡频率组成晶体振荡器。如下图所示这种振荡器类似于三点式振

4、荡器。当振荡频率等于石英谐振器的串联谐振频率时，近似为一短路线，电路产生振荡。因此，振荡频率主要取决于石英谐振器的串联谐振频率。 串联型晶体振荡器示意图2、 电路原理2.1 电容反馈式三点式振荡器该振荡器采用分压式电流负反馈偏置电路，如下图所示。其中，R1用于调整静态工作点（影响起振条件）。C3、C4为交流耦合电容，正反馈电压取自C4两端，改变C3和 C4的比值，可以改变反馈深度（即反馈系数），以满足振荡的振幅条件。 电容反馈式三点式振荡器2.2 27MHz晶体振荡器实验电路如下图所示。此电路是在电容三点式振荡器基础上改进的。R3、R9组成直流偏置电阻，R3为基极可调电阻，改变其值可以改变振荡

5、的幅度，L1、C8、C4、C5组成并联谐振回路，调谐在振荡频率上。其中，C4为微调电容，用于微调振荡频率。C8为反馈电容，C5为分压电容。 27MHz晶体振荡器实验电路图3、仿真及实验结果3.1 电路选材分析3.1.1 电容三点式电路选材（1）晶体管的型号由于要求f0=27MHz，所以要求晶体管的fT>(80140)MHz。另外查得2N3904的fT=300MHz；结电容为CBE=4pF,CCB=8pF。所以该晶体管可以满足要求。（2）反馈系数Kf通常选择Kf=0.10.5。反馈系数稍大些容易起振（太大则由于Q值降低反而不易起振），发射极输出电压幅度也大些，但是振荡波形失真大些，同时负载

6、的影响也大些。这里试选择Kf=0.2。（3）谐振电容确定谐振电容的时候，需考虑晶体管的结电容和负载电容的影响。LC谐振回路的电容要远大于这两个电容，所以电容C3=330pF。然后根据反馈系数kf=C3/(C3+C4)=0.2。确定C3如下C3=kf/(1-kf)*C4=0.2/(1-0.2)*368=92pF 实际可选用91pF的电容器。（4）谐振电感根据要求，f0=27MHz，由于已经确定谐振电容，所以可以确定谐振电感。但是在计算时需考虑晶体管的结电容CCB=8pF，此电容实际上是并联在LC回路两端的。所以 L=(1/(27*106)/(8+91*330/(91+330)=0.45uH （5

7、）晶体管工作点确定晶体管工作点的根据是gmR4Kf=(35)，在设计中，此条件等效于 在上式中，已经确定的电容和负载电阻，还要确定gab、G0、R3等。gab可以从数据表中查到，当ICQ=0.11mA时gab=0.060.08mS计算G0需要知道电感的Q0值。假设电感的Q0=150。参考数据：内径9mm绕7圈，L=0.40uH，Q0=200，则 G0=1/(Q00L)=0.41mS 通常可以先根据电源电压和输出电压幅度要求，人为设定晶体管基极偏置电压和静态工作点数值，并据此确定射极电阻，最后验算设计是否符合要求。在本文中，确定晶体管基极偏置电位大致在3V左右，则发射极电阻上的压降大致为2.3V

8、，在考虑一般振荡器的工作点为亚毫安级，则可以先设定R3=4.7。由于gab比G0小许多，故忽略。令系数为5，则 =13.8mS ICQ=gmVT=13.8mS*26mV=0.36mA 代回原设计验算，R3上的压降为1.7V，略小于原来的假设值。但从上面计算可看到，数值R3的改变对于gm影响甚小。因此，下面我们就以此值为基础进行设计。 由于R3上的压降为1.7V，假定晶体管的VBE(on)=0.7V，则VBQ=1.7+0.7=2.4V，R1=62千欧，R2=24千欧 。3.1.2 晶体振荡器电路选材同电容三点式振荡器器材同，只在4与6节点间加一个27MHz晶振。3.2 仿真结果电容三点式仿真如图

9、1所示，晶体振荡器仿真如图下图2所示： 图1 电容三点式仿真 图2 晶体振荡器仿真从图3-1中可得到周期为37.127ns即频率26.93MHz，幅度约为2V的正弦波。 其波形稍有失真。从图3-2中可得到周期也为37.127ns即频率26.93MHz，幅度也约为2V的正弦波。较图3-1，它的正弦波频率更为稳定波形也更完整。3.3 实际制作及调试3.3.1 电容三点式焊接电路如下图a所示，调试结果如下图b所示： 图a 电容三点式焊接电路 图b 电容三点式调试结果 图b显示本实验得到振幅4V，频率为27.06MHz的正弦波，与上图1仿真结果一致。3.3.2 晶体振荡器焊接电路如图下图a所示，调试结

10、果如下图b所示： 图a 晶体振荡器焊接电路 图b 晶体振荡器调试结果 本实验可视为在电容三点式基础上通过27.0000MHz晶振的谐振，本实验得到振幅约为3V，频率为27.0008MHz的正弦波，与上图2仿真结果一致。3.4 性能分析27MHz正弦波的稳定性主要受两方面的影响，一是负载阻抗变化对发生器的输入电阻或分压电容的影响，二是系统内部产生频率与所需的频率大小的差距。3.4.1 电容三点式性能分析输出波形的稳定度在实验中发现，输出波形的频率和幅度受负载影响。因为缓冲器7输入电阻趋于无穷，输出电阻趋于零，因此当负载变化时，输出电压几乎不变的特点。本文介绍了在原先负载部分前加入一缓冲器，如下图

11、a所示。仿真结果如下图b所示。 图a 加入缓冲器的电路图 图b 加入缓冲器的仿真结果从图b中得知，加入缓冲器后波形幅度有所下降，但也有1V左右，而且变化前后频率没有发生改变，达到设计要求。下面两个表格是记录两个变量变化而得的数据。表格3-1数据是在C4=0，R1从0千欧变化到10千欧的过程。表格3-2数据是在R1=0，C4从0pF变化到100pF的过程。表3-1 在电容C4=0pF时VR1和R4的关系R1（千欧）0246810VR1（V）1.000.980.950.960.980.99表3-2 在R1=2千欧时VR1和C4的关系C5（pF）020406080100VR4（V）1.010.990

12、.980.980.980.99由两表格数据得知，如果负载阻抗变化，在缓冲器的作用下，输出波形也不会对发生器产生明显的影响。3.4.2 晶体振荡器性能分析观察静态工作点变化对振荡器工作频率和幅度的影响 取R1=200k，调节R3以改变静态工作点电流IEQ，使其分别为表3-5所示各值，用示波器观察振荡波形的电压峰峰值VP-P，用频率计测量频率值（建议有效位数取5或6位），填表3-3。 表 3-3 （R1=200千欧）R30%*2020%*2040%*2060%*2080%*20100%*20f（MHz） 24.324.424.624.6无无VP-P（V） 0.95.18.21000从表3-3看出输

13、出波形的频率随着静态工作点IE的减小而逐渐增大；当频率达到一定值时，频率几乎不变；静态工作点太低时，电路不起振，Vp-p也变为零。设计结论此次实验利用电容三点式振荡器和晶体振荡器两种方法来实现27MHz正弦波。在输出波形频率方面，两种方法都能产生较为稳定的27MHz正弦波。在输出波形幅度上，电容三点式振荡器采用串联电压负反馈，起到了稳定电压幅度的效果。不足之处是两种方法建立振幅稳定和相位稳定所需时间比较长。参考文献: 1.杜武林 武汉理工大学高频电子线路课程任务指导书EB.武汉理工大 学出版,2010.3-5. 2.高吉祥 高频电子线路M.北京:电子工业出版社,2003.172-175.3.韩广兴 电子元器件与实用电路基础M.北京:电子工业出版社.2002.30.4.程勇 实例讲解multisim11.0电路仿真M. 北京：人民邮