实验 LC电容反馈三点式振荡器

实验 LC电容反馈三点式振荡器 正弦波振荡器是指振荡波形为正弦波或接近正弦波的振荡器，它广泛应用于各类信号发生器中，如高频信号发生器、电视遥控器等。产生正弦信号的振荡电路形式很多，但归纳起来，则主要有RC、LC和晶体振荡器三种形式。本实验主要研究LC电容反馈三点式振荡器。 一、实验目的 1、理解LC三点式振荡器的工作原理，掌握其振荡性能的测量方法。 2、理解振荡回路Q值对频率稳定度的影响。 3、理解晶体管工作状态、反馈深度、负载变化对振荡幅度与波形的影响。 4、了解LC电容反馈三点式振荡器的设计方法。 二、实验仪器 1、高频实验箱 1台 2、高频信号发生器 1台 3、双踪高频示波器 1台 、扫频仪 1台 4 5、万用 1块 6、LC电容反馈三点式振荡器实验板 1块 三、预习要求 1、复习正弦波振荡器的工作原理及技术指标的计算方法。 2、分析实验电路，理解各元件的作用并计算相关技术指标。 四、实验原理 XceXbeXcb三点式振荡器的交流等效电路如图4-1所示。图中，、、为谐振 XceXbeXcbXce回路的三个电抗。根据相位平衡条件可知，、必须为同性电抗，与、Xbe相比必须为异性电抗，且三者之间满足下列关系: Xcb,,(Xce，Xbe) (4-1) Xce这就是三点式振荡器相位平衡条件的判断准则。在满足式(4-1)的前提下，若、XbeXceXbeXcb呈容性,呈感性，则振荡器为电容反馈三点式振荡器;若、呈感性，呈容性，则为电感反馈三点式振荡器。下面以“考毕兹”电容三点式振荡器为例分析其原理。 1、“考毕兹”电容三点式振荡器工作原理 “考毕兹”电容三点式振荡器电路如图4-2所示，图中L和C1、C2组成振荡回路，反馈电压取自电容C2的两端，Cb和Cc为高频旁路电容，Lc为高频扼流圈，对直流可视为短路，对交流可视为开路。显然，该振荡器的交流通路满足相位平 衡条件。若要它产生正弦波，还必须满足振幅条件和起振条件，即: Auo,Fuo,1 (4-2) AuoFuo式中为电路刚起振时，振荡管工作状态为小信号时的电压增益;为 反馈系数，只要求出二者的值，便可知道电路有关参数与它的关系。为此，我们 y,0re画出图4-3所示的Y参数等效电路。若忽略晶体管的内反馈，即,可得图''g,g，GC,C，CC,C，Cieieb11oe22ie4-4所示的简化等效电路。图4-4中，，，，'2gg,Pgoooce1为LC并联谐振回路折合到晶体管端的等效谐振电导，即， '''P,(C，C)/C1122。 AuoFuo由图4-4可求出小信号工作状态时电压增益和反馈系数分别为 yUfeoA,,u0Ug,i (4-3) I(mA)Eyg,,2'''femg,g，g，PgP,C/C26(mV),oeo2ie212式中，，，。 g若忽略各个的影响，电路的反馈系数为 'UCf1F,,,Pu02'UCo2 (4-4) 由式(4-2)可得起振条件为 'yCfe1AF,,,100uu'gC,2 (4-5) 故有 'C2y,gfe,'C1 (4-6) 上式即为振荡器起振的振幅条件。为了进一步说明起振的一些关系，可将式(4-6) 变换为 1112''y,g,(g，g，Pg),(g，g)，Fgfe,oeoieoeoie2FFF (4-7) 式(4-7)第一项表示输出电导和负载电导(这里未考虑负载电导)对振荡的影响，F 'gie越大，越容易起振。第二项表示输入电导对振荡的影响，和F越大，越不容 易起振。可见，考虑到晶体管输入电导对回路的加载作用时，反馈系数F并不是 yggfeoeie越大越容易起振。由式(4-7)可知，在晶体管参数、、一定的情况下， RRgb1b2L可以改变、和负载电导及F来保证起振。F一般取0.1~0.5。 2、振荡管工作状态对振荡器性能的影响 对于一个振荡器，在其负载阻抗及反馈系数F已经确定的情况下，静态工作点的位置对振荡器的起振以及稳定平衡状态(振幅大小，波形好坏)有着直接的影响。工作点偏高，振荡管工作范围易进入饱和区，输出阻抗的降低将会使振荡波形严重失真，严重时甚至使振荡器停振;工作点偏低，避免了晶体管工作范围进入饱和区，对于小功率振荡器，一般都取在靠近截止区，但不能取得太低，否则不易起振。 Fuo由式(4-3)可知，实际的振荡电路在确定之后，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。实际中静态电流值一般取0.5mA,1mA。 3、振荡器的频率稳定度 频率稳定度是振荡器的一项重要技术指标，它表示在规定的时间间隔内和规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频率的相对变化量。振荡频率的相对变化量越小，振荡器的频率稳定度越高。 要改善振荡频率稳定度，必须减小振荡频率随温度、负载、电源等外界因素影响的程度。振荡器的电路结构和振荡回路是决定振荡频率稳定度的主要因素，因此，改善振荡频率稳定度的主要措施一是改善电路结构，减小电路分布参数对频率稳定度的影响;二是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率稳定的能力，即提高振荡回路的标准性。 提高振荡回路标准性的方法除了采用稳定性好和高Q值的回路电容和电感外，还可以采用与正温度系数电感作相反变化的具有负温度系数的电容，以实现温度补偿作用;或采用部分接入法以减小不稳定的晶体管极间电容和分布电容对振荡频率稳定度的影响。 石英晶体具有十分稳定的物理化学特性，在谐振频率附近，晶体的等效参数LqCqrq很大，很小，也不大，因此晶体Q值可达百万数量级，所以晶体振荡器的频率稳定度比LC振荡器高很多。 五、实验内容及步骤 (一)实验电路 实验电路如图4-5所示。 实验前请根据原理图在实验板上找到相应器件及插孔并弄清其作用。 (二)静态工作点测试 1、在实验板，12V插孔上接入，12V直流电源，注意电源极性不能接反。 2、反馈电容C、R、CT不接，接入C’,680pf，用示波器观察振荡器停振时的情况。(电路连接情况如图4-6所示) 注意:连接C’的接线要尽量短，以减小导线分布电容的影响。 3、改变电位器RP(0,47kΩ)测得晶体管V的发射极电位VE，VE可连续变化，记下VE的最大值VEmax，计算IEmax的值。 IEmax,VEmax/R4，设:R4=1KΩ。 三)振荡频率与振荡幅度测试 ( 1、实验条件:IEQ=2mA、C=120pf、C’=680pf、R=110k。 按步骤(二)调节RP使IEQ=2mA或VEQ= IEQR4=2V。 (1) (2)按图4-7连接电路。 2、实验内容: (1)改变C电容(C分别接为C9，C10，C11)，记录相应输出信号(OUT节点的TT 电压)的频率，并用示波器测量各电压的峰,峰值Up-p,填入表4-1中。 表4-1 负载的影响 f(MHz) Up-p(V) CT 51pF 100pF 150pF (2)测试当C、C’不同时，起振点、振幅与工作电流IE的关系 1取R,110KΩ。 2取C=C3=100pf、C’=C4=1200pf, 调电位器RP使IEQ(静态值)分别为表4-2所标各值，用示波器测量输出振荡幅度Up-p(峰,峰值)，并填入表4-2第二行中。 表4-2 IEQ对振荡幅度的影响 IEQ(mA) 0.8 1.0 1.5 2.0 2,5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Up-p(V) Up-p(V) Up-p(V) 3取C=C5=120pF、C’=C6=680pF，分别重复测试表4-2中所示内容并填入表3-2第三行中。 4取C=C7=680pF、C’=C8=120pF ，分别重复测试表4-2中所示内容并填入表3-2第四行中。 5以IEQ为横轴，输出电压峰-峰值Up-p为纵轴，将不同C/ C’值下测得的三组数据，在同一座标上绘制成曲线，说明振荡器静态工作点对振荡幅度的影响。 (四)频率稳定度的影响 1、回路LC参数固定时，改变并联在L上的电阻使谐振回路等效Q值变化，测试Q值对频率稳定度的影响。 (1)实验条件:C,100 pF ,f=6.5MHz时，C/C′=100/1200pF、I=3mA。 TEQ (2)实验内容: 1改变L的并联电阻R的值，使其分别为1KΩ、10KΩ、110KΩ，分别记录电路的振荡频率，并填入表4-3中。 表4-3 谐振回路Q值对频率稳定度的影响 R 1KΩ 10KΩ 110KΩ f(MHz) 注意:频率计后几位跳动变化的情况。 2回路LC参数及Q值不变，改变IEQ对频率的影响。 实验条件:C,100 pF,f=6.5MHz、C/C′=100/1200 pF、R=110KΩ。 T 实验内容:改变晶体管IEQ使其分别为表4-4所标各值，测出振荡频率，并填入表中。 表4-4 IEQ对频率稳定度的影响 IEQ(mA) 1 2 3 4 f(MHz) 六、实验报告要求 1、写明实验目的、原理、内容及步骤。 2、写明实验所用仪器设备。 3、画出电路的直流与交流等效电路，整理实验数据，分析实验结果。 4、以IEQ为横轴，输出电压峰-峰值Up-p为纵轴，将不同C/ C′值下测得的三组数据，在同一座标上绘制成曲线，说明振荡器静态工作点对振荡幅度的影响。 5、根据电路给出的LC参数计算回路中心频率，阐述本电路的优点。 七、思考与讨论 1、振荡器与一般放大器的主要区别是什么, 2、振荡器中晶体管、振荡回路、反馈网络各起什么作用,对它们应有什么要求, 3、振荡器波形不好与哪些因素有关,如何改善, 八、实验仿真分析 1、利用EWB仿真软件绘制出如图4-8所示的西勒(Seiler)振荡器实验电路。 图4-8 西勒振荡器实验电路 2、按图4-8设置各元件参数，打开仿真开关，从示波器上观察振荡波形如 图2所示，读出振荡频率f，并作好记录。 0 图4-9 西勒振荡器的输出波形 3、改变电容C的容量，分别为最大或最小(100%或0%)时，观察振荡频6 率变化，并作好记录。 4、改变电容C的容量，分别为0.33μF和0.001μF，从示波器上观察起振4 情况和振荡波形的好坏(与C为0.033μF时进行比较)，并分析原因。 4 5、将C恢复为0.033μF，分别调节R为最大和最小时，观察输出波形振幅4P 的变化，并说明原因。