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2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...........................................................................................52.3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...................................................................................................................153一、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：X1X2X3i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iX1=iX2，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：VCCC2C1L图3.3共基极实际电路4求jT(的等效电路如下gibgobG0vigmviC1C2LvfebcCbeCbcRE1图3.4jT(的等效电路其中：20102200121(111()111''mLobfibLEobibcbefbeAjgRjgGkgRRggrrCGkCCCQLCC，＝，，（3-1）0G为谐振回路导纳，Q0为回路固有品质因数。回路谐振时有：112()'fCFjkCC（3-2）1()()()1mLfTjAjFjgRkj（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：1)(AFjT，（3-4）即1fLfekRy，（3-5）利用小信号等效电路分析，可以将起振条件表达为20011111()//1()'feLffobeEfobfibfyRkkrRrRkggkgk（3-6）5其中：0011'11'femobobLibeEyggrgQLgrR，，，（3-7）可得到振幅起振条件01()'mobfibfgggkgk（3-8）考虑到1121,'ibmfeCggkrCC，将上式改写为21210122(')1()''mobECCCgggCCCR（3-9）相位起振条件：0)11Im(0)(jkRyfLfeT，即（3-10）亦即：Im0'feoboibyggg（3-11）当忽略'',ieLoefegggy，，等参数影响时，上述条件实际就是0。此时，振荡频率为：''121210CCCCL（3-12）精确推导振荡频率需要解方程0)11Im(jkRyfLfe。实际的振荡频率略高于0。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。6变容二极管的Cj-v特性曲线如图3.5所示。(1)CCvVj0jD（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。cosvVvVvtQQm（3-14）t0vCj(v)VΩ(t)tCj(t)00VQVQ+VΩm△C△V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及耦合电容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DQV，即DQ212CC[/()]VRRRV。变容二极管上叠加有直流偏置电压VDQ与调制信号电压v。高频扼流圈L1阻断振荡器信号对调制信号的干扰。7LC1C3C2DvVCCR1R2L1图3.6电容三点式振荡电路加入调制信号v＝cosVt后，变容二极管节电容为00cos(1cos)(1)(1)jjjQjDQDQDDCCCCVvVVtMtVV（3-15）0()jjQDQDDCCVVV（3-16）DQDVMVV，为结电容调制度。假定C3很大，又有1212jCCCCC，则可认为变容二极管电容为回路总电容。211()(1cos)(1cos)CjjQtMtLCLCMt（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1CjQLC，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C为312123jjCCCCCCCCC（3-18）8振荡频率31212311()()(1cos)jQjQtLCCCCCLCCCMtC（3-19）幂级数展开，取到2次项，有222212()coscos222coscos2CCCCCCmmAAtMAMtMttt（3-20）其中3121232212211212121231213(1),2842(1)(1)(1)1,()CjQjQjQjQCCCCLCCCCAAPPPPPPPPPPCCCPPCCCC（3-21）部分接入后的最大频偏为2mCMP（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'P（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。9LC1C3C2+vVDQD1D2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：R1C8C7C4C3C1L2R3L1R2R5C5VccC6R6R4J2D1R7J1R8LEDR9C2BC2AL3D2ACB图3.8测量电路1．中心频率LC振荡器的输出频率0f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0f，谐振电压0v，测试点如图3.8所示，在A点、C点及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0f的相对稳定性用频率稳定度0/ff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0f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0f必须保持足够高的频率稳定度。电容三点式改进型电路，其0/ff可达5410~10。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maxf与最小值minf，则频率稳定度maxmin000//fffff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mf，m0/ff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3m0/10ff，频偏mf在50kHz~75kHz内。最大线性频偏2mCMP(3-25)10M越大，频偏越大4．调制灵敏度2mCfMkVPV(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QV、j0C、jC及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0f；再接入