电容三点式振荡器与-变容二极管直接调频电路设计.doc

电容三点式振荡器与 变容二极管直接调频电路设计

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

目录

一、 实验目的 3
二、 实验原理 3
2.1 电容三点式振荡器基本原理 3
2.2 变容二极管调频原理 5
2.3 寄生调制现象 8
2.4 主要性能参数与其测试方法 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

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与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、调频基本参数与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：

图3.1 电容三点式振荡器基本结构
在谐振频率上，必有 X1 + 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 ＝－ vce ，即 i X1 = i X2，所以要求 X1 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
求的等效电路如下
图3.4 的等效电路
其中：
（3-1）
为谐振回路导纳，Q0为回路固有品质因数。
回路谐振时有：
（3-2）
（3-3）
是谐振回路广义失谐
其中：
以上讨论中，忽略Cob的影响。
振幅起振条件：
， （3-4）
即， （3-5）
利用小信号等效电路分析，可以将起振条件表达为
（3-6）
其中：
（3-7）
可得到振幅起振条件
（3-8）
考虑到将上式改写为
（3-9）
相位起振条件：
（3-10）
亦即： （3-11）
当忽略等参数影响时，上述条件实际就是。此时，振荡频率为：
（3-12）
精确推导振荡频率需要解方程。实际的振荡频率略高于。
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。
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Cj-v特性曲线如图3.5所示。
（3-13）
Cj0 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
γ 是变容二极管的变容指数，普通PN结，超突变结γ =1～5。γ与频偏的大小有关(在小频偏情况下，选γ＝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γ=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）

图3.5 变容二极管的Cj-v特性曲线
典型变容二极管直接调频电路如图所示：
L、C1、C2 构成电容三点式振荡电路，C3、D 与C1、C2 并联，调频电路由变容二极管D与耦合电容C3组成。R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压，即。变容二极管上叠加有直流偏置电压VDQ与调制信号电压。高频扼流圈L1阻断振荡器信号对调制信号的干扰。

图3.6 电容三点式振荡电路
加入调制信号＝后，变容二极管节电容为
（3-15）
（3-16）
， 为结电容调制度。
假定C3很大，又有 ， 则可认为变容二极管电容为回路总电容。
（3-17）
式称为变容二极管的调制特性方程，显然，当采用γ=2的超突变结变容二极管，能实现较好的线性调频。其中 ，是处于静态工作点时的振荡频率。
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 Cj 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为
（3-18）
振荡频率
（3-19）
幂级数展开，取到2次项，有
（3-20）
其中
（3-21）
部分接入后的最大频偏为
（3-22）
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）
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。

图3.7寄生调制消除电路
2.4 主要性能参数与其测试方法
实验测量电路如图3.8：

图3.8测量电路
1．中心频率 LC振荡器的输出频率称为中心频率或载波频率。用数字示波器监测振荡波形。
同时测量回路的谐振频率，谐振电压，测试点如图3.8 所示，在A点、C点与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 主振频率的相对稳定性用频率稳定度表示。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。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几分钟读一个频率值，然后取其范围内的最大值与最小值，则频率稳定度
小时 (3-24)
3．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，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，频偏在50kHz~75kHz内。
最大线性频偏
(3-25)
M 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Cj-v如图3.5所示。变容二极管的性能参数、、与Q点处的斜率kc等可以通过Cj-v特性曲线估算。测量Cj-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；再接入C5、变容管D1，D2与其偏置电路，其中电位器R6用来改变变容管的静态直流偏压，测出不同时对应的输出频率。由式(3-5)或下式计算对应的回路总电容，即
(3-27)
再由式(3-7) 计算变容管的结电容Cj。然后将VQ与Cj的对应数据列表并绘制Cj-v曲线。不同型号的变容管，其Cj-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Cj-v曲线，得到工作点Q处的斜率式。
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
n 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。
n 主要技术指标：中心频率=90MHz，频率稳定度≤5×10-4/小时，主振级的输出电压Vo≥3V，调制灵敏度≥10kHz／V，最大频偏=20kHz。

图3.10实验电路
步骤：
1． 按照选定的实验电路，分别设计90Mhz与27Mhz的振荡器电路。
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与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；
交流等效电路如下：

取IEQ=1 mA，
这里取电路静态工作点由下式确定：

取,

实验时，为了能相对较大地调整静态工作点，适当将取大，取=33k，=1.5k，由18k电阻和47 k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L1的值以与电容三点式振荡器的起振条件，选择合适的谐振电容C2和C3

，其中为电路要求的振荡频率，为电路空载时的品质系数。
电路的负载导纳，一般在105，可忽略。振荡器输出一般接设计跟随器，阻抗很大，一般在105， 可忽略。这样可得
，其中相比较，也可忽略，所以可以认为

由起振条件

得：

＝
则可得起振条件
显然在很宽得范围内都可满足起振条件，一般情况下，取＝1/（2～8）
当振荡频率为37.7MHz
由于振荡器谐振频率

实际电感取值为0.9uH，

已知

则

取＝1/4，由于

从而求得，
实际取，，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

实际电感取值为0.2uH，

已知

则

取＝1/4，由于

从而求得，
实际取，，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= 37.68～37.70 Mhz
频率稳定度：

2、 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：

3、变容二极管直接调频电路
电压
频率
0.401
87.73
0.752
89.36
1.51
91.84
2.05
94.51
2.38
98.69
3.04
101.48
3.57
102.36
4.05
103.00
4.33
103.59
4.91
103.78
5.52
104.56
6.00
103.64
6.47
105.11
6.69
105.59
7.38
106.05
7.98
106.38
8.43
106.55
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 ，输出电压Vo与振荡波形有何变化?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 ，随着Ic的增大， 也增大，进而使得增大。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，频率稳定性变差，甚至会出现限幅失真。此时，|Ａ|会随着输出电压幅度的增大而下降，当时，振荡器达到平衡，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1.5KΩ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：
根据实验原理公式，反馈系数：，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，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。

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，对振荡回路有何影响?用实验说明。
答：
根据实验原理公式，反馈系数：，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，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。

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。

4． 影响载波频率与输出电压Vo的主要因素有哪些?用实验说明。
答：
根据实验原理公式，反馈系数：，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，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。

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：
根据实验原理公式，反馈系数：，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，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。

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。

6． 为什么说高频电路的测试点选择不当，会影响回路的谐振频率和Q值，甚至电路不能正常工作?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：
因为示波器的探头上有分布电容，又因为高频实验所需的电容小，探头上的分布电容就不能忽略了，所以若测试点不当，则分布电容可能对反馈系数，谐振频率有影响，甚至产生自激震荡或者根本不能起振。对于图3.4所示的电路，。而在J1点测量加入了C4、R4，减小了示波器的接入系数，对电路的谐振回路影响较小，从而降低了示波器探头的输入阻抗对回路的谐振频率和Q值的影响。
至于，如果在B端（基极）进行测量的话，测试点没有在接入系数后，即在射级跟随器的输入端测，考虑到射级跟随器输入阻抗比较大，以与示波器探头的输入阻抗(包含电阻和电容)与连接电缆的分布参数，直接放在集电极，频率会造成偏差，影响反馈系数，输出电压可能会很低，频率改变，而且波形可能会抖动不止甚至波形失真。

7． 如果变容管的静态偏置电阻取得比较小，对回路有什么影响?
答：
因为示波器的探头上有分布电容，又因为高频实验所需的电容小，探头上的分布电容就不能忽略了，所以若测试点不当，则分布电容可能对反馈系数，谐振频率有影响，甚至产生自激震荡或者根本不能起振。对于图3.4所示的电路，。而在J1点测量加入了C4、R4，减小了示波器的接入系数，对电路的谐振回路影响较小，从而降低了示波器探头的输入阻抗对回路的谐振频率和Q值的影响。
至于，如果在B端（基极）进行测量的话，测试点没有在接入系数后，即在射级跟随器的输入端测，考虑到射级跟随器输入阻抗比较大，以与示波器探头的输入阻抗(包含电阻和电容)与连接电缆的分布参数，直接放在集电极，频率会造成偏差，影响反馈系数，输出电压可能会很低，频率改变，而且波形可能会抖动不止甚至波形失真。
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