搜索
电子线路实验调频无线话筒姓名：蒋毅学号：1228402052一、选题利用三极管实现调频，将由驻极体话筒采集到的信号和改进型电容三点式振荡器产生的载波进行调频，用天线发射。核心电路：三极管高频放大电路（调频电路），LC振荡电路。核心元器件：三极管S9018，驻极体话筒，谐振电容、电感，天线。基本原理：正弦波振荡器起振条件：|FA0|=11，φ=2nπ；稳定条件：|FA0|=1=1，φ=2nπ。电容值的改变引起谐振频率的改变。电路指标：3V供电，集电极静态电流4~8mA，功率约20mW，振荡频率80~100MHz。二、电路Q1、L1、C1、C2、C3和晶体管极间电容组成改进型电容三点式振荡器；R1、R2为三极管偏置电阻；R3为驻极体话筒MK1的偏置电阻；C5为耦合电容；C6、C7为滤波电容；C4使得高频信号为共基接法；MK1为驻极体话筒；E1为天线。三、核心器件1.S9018S9018是NPN高频小功率放大管，典型值：f𝑇=1000𝑀𝐻𝑧，h𝐹𝐸=100。本实验使用的具体型号为S9018H128，h𝐹𝐸=97~146。2.驻极体话筒驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。驻极体话筒可以提供50到100毫伏的电压，足够进行调频。四、电路原理高频振荡1.信号输入驻极体话筒需要偏置电压，R3为限流电阻。话筒产生100~10KHz的声音经C5耦合至三极管基极。2.载波产生和调频Q1、L1、C1、C2、C3和晶体管极间电容Cbe组成改进型电容三点式振荡器。L1、C1组成LC并联谐振作为放大电路的负载，输出电压经由C2、C3的分压正反馈到集电极。因为三极管极间电容Cbe的电容值随两端声音信号电压的变化而变化，以此改变振荡频率，实现调频。C4使得高频信号是共基接法，而直流偏置是共射接法。因为共基接法高频性能好，而共射接法电压放大倍数高。3.功率放大和信号发射信号输入低频信号放大调频功率放大天线发射末级功放采用甲类功率放大，串入滑变R6来调整输出功率。L2和C11为LC选频网络，选出与振荡频率相同的信号，经C12耦合至天线发射。此功放电路的主要目的不是放大功率，而是隔离天线和高频振荡回路，防止环境通过天线影响振荡。五、设计过程1.振荡条件计算此LC振荡电路是电容三点式振荡电路，集电极与发射极同相，因此满足起振的相位条件。因为调频需要用到三极管极间电容，所以需要采用三极管混合π参数模型进行分析。高频段工作时，通常满足1𝜔𝐶𝑏′c≪R𝑏′𝑐和R𝐿≪𝑅𝑐𝑒,可将R𝑏′𝑐、𝑅𝑐𝑒忽略，Cce并入负载电容中。可得简化的混合π模型：C𝑏′𝑒为发射结电容，包括发射极的势垒电容和扩散电容。由于发射结正偏，所以主要是扩散电容，一般在100~500pF。𝐶𝑏′c为集电结电容，因为集电结反偏，所以主要是势垒电容，一般在2~10pF。R𝑏′𝑏为基极体电阻，一般为一百欧姆左右。R𝑏′𝑒为有效基极到发射极间电阻，值约为(1+β)26mV/I𝐷𝑄。所以实验电路的高频等效电路为：为了计算开环放大倍数，先断开C2与集电极的连接。若电感的Q值够高，则负载有谐振电阻等效，R𝐿=𝑄𝜔𝐿。从集电极看进去的输入电阻：R𝐼𝑁=𝑅2||(1jωC𝑏′𝑒||R𝑏′𝑒+R𝑏′𝑏||(1jω𝐶𝑏′c+1jωC1||1jω𝐿1)。取R𝑏′𝑒=1.3𝑘𝛺，R𝑏′𝑏=100𝛺，C𝑏′𝑒=300𝑝𝐹，𝐶𝑏′c=6𝑝𝐹，估算值为R𝐼𝑁=𝑅2||1jω𝐶3||150。开环放大倍数|A0|=R𝐿/R𝐼𝑁，而反馈系数F=C2/(𝐶2+C3)。所以：|FA0|=𝑄𝜔𝐿1(1+𝑗𝜔𝐶3𝑅)𝐶2𝑅(𝐶2+𝐶3)，其中R=R2||150。取R2为常用标称值220Ω。返回系数F大容易起振，但过大时谐振电路向BJT提供过多电流而影响起振，取F=1/4，C2=10𝑝𝐹，C3=30𝑝𝐹。暂时假设f=100MHz且L1、C1并联决定谐振频率，取C1=39𝑝𝐹。因为在实际电路调试时，需要改变电感值来改变谐振频率。先假设L1=65𝑛𝐻，Q=100，所以R𝐿=4kΩ。|FA0|=11.71，满足起振条件。2.谐振频率计算进行阻抗等效变换，将两个电阻变换至受控电流源两端，因接入系数很大，变化后R𝑏′𝑏和R𝑏′𝑒对于高频信号来说阻抗很高，所以忽略。再加上LC振荡电路后的等效电路为：Z=jωL1||1𝑗𝜔𝐶1||(1𝑗𝜔𝐶2||(1𝑗𝜔𝐶𝑏`𝑐+1𝑗𝜔𝐶𝑏`𝑒)+𝑅2||1𝑗𝜔𝐶3)。取R𝑏′𝑒=1.3𝑘𝛺，R𝑏′𝑏=100𝛺，C𝑏′𝑒=300𝑝𝐹，𝐶𝑏′c=6𝑝𝐹，C2=10𝑝𝐹，C3=30𝑝𝐹，C1=39𝑝𝐹，L1=65𝑛𝐹。使用Multisim仿真，谐振频率为88MHz，符合要求。重新带入上式计算，|FA0|=9.06，仍然符合起振条件。3.直流静态工作点设定为了获得较大的Ic，采用基极直接偏置。为了稳定幅度，三极管偏置于靠近截止区而远离饱和区。当幅度被放大到一定数值后，三极管接近截止区，闭环放大倍数降低，最终使|FA0|=1，达成稳定条件。现已设定R2=220𝛺，I𝐷𝑄=5𝑚𝐴，三极管9018的开启电压𝑉𝐵𝐸约为0.7V，所以：V𝐵𝑄=𝑉𝐵𝐸+I𝐷𝑄R2=1.81𝑉I𝐵𝑄=𝐼𝐶𝑄𝛽=0.05𝑚𝐴基极偏置电阻R1=𝑉𝐶𝐶−𝑉𝐵𝑄𝐼𝐵𝑄=23.8kΩ，取标称值2.2kΩ。六、模拟仿真利用Multisim软件进行仿真，三极管用高频管2N2369代替。仿真电路图：得到仿真波形和频率：因三极管替换等原因，仿真存在偏差，振荡频率为83.8MHz，但显示出电路可以稳定振荡。七、实际测试天线使用导线，为了稳定天线，将天线用胶带固定在电路板上。采用两节1.5V电池供电，电阻选择色环电阻，电容选择瓷片电容（高频性能好），电感为单层空心线圈（高频性能好且易于调整振荡频率）。使用万用表测试三极管放大倍数为122。驻极体话筒两个引脚，与外壳相连的是负极。驻极体话筒不耐高温，焊接时应迅速到位，电烙铁接触时间不应超过3秒。通电后，将话筒靠近音源，打开调频收音机，缓慢调整频率直到听到声音并最清晰。如果听不到声音，则需要调整电感L1。根据经验公式：拉长电感则振荡频率升高，缩短电感则振荡频率降低。找到发生频率后，调整电感L2，通过示波器观察，使波形幅度最大，即功率放大电路谐振于前一级振荡器的频率。话筒输入波形：调频波波形：功率放大后波形：由图可知，调频输出电压幅值为V1=110𝑚𝑉。功放输入阻抗估算为18kΩ。所以功放输入功率为P1=𝑉122𝑅𝐼𝑁=0.336mW。功放电压输出幅度均方根值V2=175𝑚𝑉。功放输出阻抗估算为QωL=4kΩ。所以功放输出功率为P2=𝑉222𝑅𝐿=3.83mW。所以功率增益A𝑝=P2P1=11.4。用万用表测得R5两端电压为0.7V，总功率P=3V*7mA=21mW。功放效率为η=P2P1=18.2%。八、元器件清单名称值数量名称值数量三极管S90182驻极体话筒\1电池座\1导线\18cm单层空心线圈5T2瓷片电容39pF2瓷片电容30pF2瓷片电容10pF1瓷片电容100nF4瓷片电容100nF2色环电阻2.2kΩ1色环电阻220Ω1色环电阻22kΩ1色环电阻10kΩ1色环电阻100Ω1滑动变阻器10kΩ1九、心得体会书本的知识必须通过实践才能真正化为自己的能力，在本次实验中我从一开始的一窍不通到后来可以理解电路，最后设计电路，需要不断的尝试，总结，学习。在实验中，以所要做的东西为中心，不断的去尝试不同的思路，学习相关的只是，再参考别人成功的经验，方能做成实验。并且在实验探索的过程中，尝试了使用不同的工具，如Matlab、Cadence等，增长了自己的能力。虽然最终对于电压如何改变极间电容的具体原理未能明白，但在往后的实验中一定会不断明晰。十、参考文献【1】朱代先，《高频电子线路原理及应用》，西安电子科技大学。【2】《S9018》，FairChildSemiConductor。【3】林熙，《实验调频无线话筒——高频振荡器入门知识》。【4】元增名，《模拟电子技术》，清华大学出版社。