电容三点式振荡器与 变容二极管直接调频电路设计

1、 高频实验报告（三）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1 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.62。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.152 一、 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

2、电路基本原理、调频基本参数及特性曲线的测量方法。二、 实验原理2.1 电容三点式振荡器基本原理电容三点式振荡器基本结构如图所示：X2iX3图 3.1 电容三点式振荡器基本结构在谐振频率上，必有X +X +X =0，由于晶体管的v 与v 反相，而根据振荡器的振荡条件123bcT|=1，要求v v ，即i X = i X ，所以要求X 与X 为同性质的电抗。bece1212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：3 VCCC1C2图 3。3

3、共基极实际电路求 (的等效电路如下 T jec1vCggCG LC2vfiRbE图( j 3。4 T的等效电路其中：1A( j g R1 jmL11 g G k (g )2R0RobfibLE11（3-1）g ，g obrribcbe1CG ， k ，C C C1C C 0QLf22be0012为谐振回路导纳,Q 为回路固有品质因数.G00回路谐振时有：CF( j ) k 1(3-2)C C f121T( j) A j F j g R k( ) ( )(33）1 jmLf是谐振回路广义失谐其中：以上讨论中，忽略 C 的影响。ob振幅起振条件：T( j) AF1，（34）4 即1 ，（35）y

4、R kfe Lf利用小信号等效电路分析，可以将起振条件表达为11yRkfeLf（36）11k12 ()frRr / Rkob0eEf1( g g ) k g k0obfibf其中：y g ，fem1g ，robob1（3-7）g ，Q LL001 1g r RibeE可得到振幅起振条件1g (g g ) k g （3-8）k0mobfibf1Cg g ，k ,1考虑到将上式改写为reC C ibmf12(C C )C 12g (g g ) 121(3-9）C C C Rmob0122E相位起振条件:1 () 0，即Im() 0 （3-10）y R kfe L1 jTfy Im 0亦即：fe（3

5、-11)g g g oboib当忽略,， ， 等参数影响时，上述条件实际就是0 。此时，振荡频率为: ygggfeoeLie1 （312)0C CL12C C 121精确推导振荡频率需要解方程Im() 0 。实际的振荡频率略高于 。y R kfe L01 jf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，所以此接法的晶体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.5 2.2 变容二极管调频原理实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

6、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，它有工作频率高、损耗小和使用方便等优点。本实验采用变容二极管直接调频电路。变容二极管的 C -v 特性曲线如图 3.5 所示。jCC （3-13）j0vj(1 )VDC 是二极管在零偏压时的结电容j0v 是加在二极管两端的反向电压V 是二极管 PN 结的势垒电压D是变容二极管的变容指数,普通 PN 结，超突变结 =15.与频偏的大小有关(在小频偏情况下，

7、选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=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。v V v V v cost （314）QQmC (t)C (v)jjC0tVv00V +VQt)t图 3。5 变容二极管的 C -v 特性曲线j典型变容二极管直接调频电路如图所示：6 L、C 、C 构成电容三点式振荡电路,C 、D 与 C 、C 并联，调频电路由变容二极管D12312及耦合电容 C 组成。R 与 R 为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压 V ，即312DQV R / (R R ) V .变容二极管上叠加有直流偏置电压与调制信号电

8、压 。高vVDQDQ212CC频扼流圈 L 阻断振荡器信号对调制信号的干扰。1VCCC3C1C2R1vDR2图 3。6 电容三点式振荡电路cos t加入调制信号v V后，变容二极管节电容为CCCC （315）j0j0jQM(1 cosV V cos tV v )t j(1) (1)DQDQVVDDCC jQ（316）j0V V()D DQVDVM ，为结电容调制度。V VDQDC C1假定 C3 很大，又有C，则可认为变容二极管电容为回路总电容。2C Cj1211( )t (1 M cos )t （317）2LCLCjQ(1 M cost)Cj式称为变容二极管的调制特性方程，显然，当采用=2

9、的超突变结变容二极管,能实1现较好的线性调频。其中,是处于静态工作点时的振荡频率。CLCjQ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 V 变化时，造Q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7 路.图中当 C 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3j路总电容C 为C C3C C1C （3-18）2jC C C C123j振荡

10、频率11( )t （319）LCL(2)jQ )C C C (1 M cos t C123jQ幂级数展开，取到 2 次项，有AA( ) 2 cos2 cos 2tt M A Mt M2222（320）CC1CC cos cos 2t t CCm2m其中1CjQL 2jQ C C CC1233 ( 1)22, A (321）A12P8P24P2P(1 P)21P (1 P)(1 P PP ) 1121 2CC C1P 1, P jQ2C2(C C )C312jQ部分接入后的最大频偏为M（322)2PmC与非部分接入的相比,可等效成变容二极管的变容指数下降为 （3-23）P所以，部分接入的电路要求

11、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.8 C3D1C1C2LDQ+vVD2图 3.7 寄生调制消除电路2.4 主要性能参数及其测试方法实验测量电路如图 3。8：VccR9ABD1C4C6R5CC1D2图 3。8 测量电路1中心频率 LC 振荡器的输出频率f 称为中心频率或载波频率。用数字示波器监测0振荡

12、波形。同时测量回路的谐振频率 f ,谐振电压v ,测试点如图 3。8 所示，在 A 点、C 点及射级输出00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。f 的相对稳定性用频率稳定度f / f 表示。虽然调频信号的2频率稳定度主振频率00瞬时频率随调制信号改变，但这种变化是以稳定的载频 f 为基准的。若载频不稳,则有可能0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，f / f而且振荡频率 f 必须保持足够高的频率稳定度。电容三点式改进型电路，其可达0010 1054 。测量频率稳定度的方法是，在一定的时间范围(如 1 小时)内或温度范围内每隔

13、几分钟读一个频率值,然后取其范围内的最大值 f 与最小值 f ，则频率稳定度maxminf fmaxff / f / 小时（324）min0003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f，f / f称mm0f / f 10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3，m0f频偏在 50kHz75kHz 内。m最大线性频偏M (3-25）2PmC9 M 越大，频偏越大4调制灵敏度Mk (3-26）CmV2P Vf3、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

14、参数V 、C 、C及QjQj0j点处的斜率k 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,cjj用数字示波器测量射级跟随器的输出信号频率 f ;再接入C 、变容管D ，D 及其偏置电路，5120其中电位器R 用来改变变容管的静态直流偏压V ,测出不同V 时对应的输出频率 f 。由式6QQj(3-5）f或下式计算 对应的回路总电容C ，即j 2fC（3-27） 0f C j1再由式(37）计算变容管的结电容 C 。然后将 V 与 C 的对应数据列表并绘制 C -v 曲线。jQjj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

15、查j C / V阅手册）变容管的 C -v 曲线，得到工作点 Q 处的斜率式k。jc三、 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 1V。 主要技术指标：中心频率 =90MHz，频率稳定度510-4/小时，主振级ff / f00f的输出电压 Vo3V，调制灵敏度 S 10kHzV，最大频偏=20kHz。fm+9VR9ALEDBCC1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的振荡器电路。10 2 根据上述设计的参数，在实验板上插入相应的器件。通

16、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确定电路形式，设置静态工作点;+12VRR691RLEDDDC2BR65L2JJC1CRRR1234823交流等效电路如下：C1ec1vCggCC2vfibeibobbc0RbE取 I =1 mA，EQ 6I这里取 I电路静态工作点由下式确定：1BQV VVR BQBEEQ3IIEQEQ 1.5V V 7.5V取V,

17、EQcEQVIR 31.5kEQEQV V V 2.2VBQEQBERV V V V 2.2V1RBQEQBQCC211 V6IVBQIVBQ6IR 18.3kBQ21BQCQV VR 1 55.6kCCBQI1实验时，为了能相对较大地调整静态工作点，适当将 取大，取R =33k ， R =1.5k ，R223R 由 18k 电阻和 47 k 电位器串连，以便调整静态工作点。12计算主振回路元件值:根据电感 L 的值以及电容三点式振荡器的起振条件，选择合1适的谐振电容 C 和 C23I1mA26mVg m 38mSEQVTgg be 0.77mSm1r e 26gm 100 2 90 10 4

18、00 1022.6R QL k,其中 为电路要求的振荡频率，69000oQ 为电路空载时的品质系数.011 1 R r / R / Rk12电路的负载导纳, r 一般在 105ob，可忽略。振荡器输出一fRrrobLob0e34般接设计跟随器，阻抗很大，一般在 105 , R 可忽略.这样可得411k2/ R r 26R ，其中 r相比较, 也可忽略，所以可以认为fRR r / Re3e0L0e311 k2 fRRrL由起振条件0e1 1y R kLfef得：12 1 1y R kLfef1 k12 ( )r kfR0ef1kk R rff0eI1mA 38mS gyEQ26mVfemVT1k

19、则可得起振条件38 f22.6k 0.026f显然 k 在很宽得范围内都可满足起振条件，一般情况下，取k 1/（28）ff当振荡频率为 37.7MHz由于振荡器谐振频率1f osc2 LCT 360实际电感取值为 0。9uH，Q0C (C C )C C 19.8pF23 C C CT23 4 pF已知CC (C C ) 15.8pF则23C C C23C1/ 4取 k 1/4，由于k2C C Cff32C C 63.2pF3 55.2pF，C 21pF从而求得C32 47pF 18C实际取C，CpF , 采用固定电容和可调电容并联方式，以便调节。232当振荡频率为 90MHz由于振荡器谐振频率

20、1f osc2 LCT实际电感取值为 0.2uH，13 C (C C )C C 15.6pF23 C C CT23 4 pF已知CC (C C ) 11.6pF则23C C C23C1/ 4取k 1/4，由于k2ffC C C32C C 46.4pF3从而求得C3 38.4pF ，C215.5pF 18pF ，C 采用固定电容和可调电容并联方式,以便调节. 33pF实际取C，C223五、 实验参数测试1、 当 f37。7Mhz 时，测得 Vopp=3。04 V振荡频率 f0= 37。6837.70Mhz频率稳定度：Df / f = (37.72-37.68)/ 37.7= 0.001102、

21、当 f90Mhz 时,测得 Vopp= 2。26 V振荡频率 f0= 90。0290。78Mhz频率稳定度：Df / f = (90.78-90.02)/ 90= 0.008403、变容二极管直接调频电路电压频率87.730.4010.7521.5189。3691.8494。5198.693.04101。4814 102。36103。00103。59103.78104。56103.64106。38106.55f0及振荡波形有何变化？为什么？用实验说明。答：15 不是很大，对于频率的影响主要来自电路中的电感和电容。11 j( 也增大，进而使得A j 增大。但当Ic 增大到一mLm定程度时，由于受

22、晶体管放大器动态范围的限制，使波形失真加重，频率稳定性变差，甚至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Ck 2f根 据 实 验 原 理 公 式 ， 反 馈 系 数 :, 而 起 振 条 件 是231k0mobfibf大平坦下的输出电压将急剧下降.16 1A( j g R1 jmL11 g G k (g )2R0RobfibLE11g ，g obrribcbe1CG ， k ，C C C10C C0Q Lf22b e012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。3变容二极管的接入系数如过大或过小，对振荡回路

23、有何影响?用实验说明。答：Ck 2C C f根 据 实 验 原 理 公 式 ， 反 馈 系 数 :， 而 起 振 条 件 是231g (g g ) k g k0mobfib，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,f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 在最大平坦下的输出电压将急剧下降.1A( j g R1 jmL11 g G k (g )2R0RobfibLE11g ，g obrribcbe1CG ， k ，C C C10C C0Q Lf22b e012在实验中改变反馈系数时，我们能观察

24、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。f4影响载波频率 0及输出电压 Vo的主要因素有哪些？用实验说明。答:17 Ck 2C C f根 据 实 验 原 理 公 式 ， 反 馈 系 数 ：， 而 起 振 条 件 是231g (g g ) k g k0mobfib，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，f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 在最大平坦下的输出电压将急剧下降.1A( j g R1 jmL11 g G k (g )2R0RobfibLE11g ，g obrr

25、ibcbe1CG ， k ，C C C10C C0Q Lf22b e012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。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?答：Ck 2C C f根 据 实 验 原 理 公 式 ， 反 馈 系 数 ：, 而 起 振 条 件 是231g (g g ) k g k0mobfib，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，f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 在最大平坦下的输出电压将急剧下降.18 1A( j g R1 jmL11 g G k (g )2R0RobfibLE11g ，g obrribcb