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1、正弦振荡实验一、实验目的1、握晶体管(振荡管)工作状态、反馈大小对振荡幅度与波形的影响。2、掌握改进型电容三点式正弦波振荡器的工作原理及振荡性能的测量方法。3、研究外界条件变化对振荡频率稳定度的影响。4、比较LC振荡器和晶体振荡器频率稳定度，加深对晶体振荡器频率稳定高的原因理解。二、实验原理与线路正弦波振荡器是指振荡波形接近理想正弦波的振荡器，这是应用非常广泛的一类电路产生正弦信号的振荡电路形式很多，但归纳起来，不外是RC、LC和晶体振荡器三种形式， 在本实验中，我们研究的主要是LC三端式振荡器及晶体振荡器。LC三端式振荡器的基本电 路如图(4-1) 所示：根据相位平衡条件，图中构成振荡 电路
2、的三个电抗中间， X1、 X2 必须为同 性质的电抗， X3 必须为异性质的电抗， 且它们之间应满足下列关系式： X3=(X1+X2)(4-1)这就是LC三端式振荡器相位平衡条件的 判断准则。若X1和X2均为容抗，X3为感抗， 则为电容三端式振荡电路；若 Xl 和 X2 均为感抗， X3 为容抗，则为电感三端式 振荡器。下面以电容三端式振荡器为例分析 其原理。1、电容三端式振荡器共基电容三端式振荡器的基本电路如图42所示。图中C3为耦合电容。由图可见：与 发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极连接的为两个异性质的电 抗元件C2和L,根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条
3、件。若要它产生正弦波，还 须满足振幅，起振条件，即：AO F1(4-2)Vcc式中 AO 为电路刚起振时， 振荡管工作状态为小信号时的电压 增益；F是反馈系数，只要求出AO 和F值，便可知道电路有关参数与 它的关系。为此，我们画出图 4-2 的简化， y 参数等效电路如图 4-3 所示，其中设yb0 y 0,图rbob图42共基组态的“考华兹”振荡器中 Go 为振荡回路的损耗电导， GL为负载电导。 rT、L GO；G,；1i图43简化Y参数等效电路由图可求出小信号电压增益和反馈系数分别为户/ = S% Z + Jx式中:Y = Gp +1 ! 1Z2 +j*3经运算整理得七=wZZ2Z +
4、jXM + jNx式中：M = G + g.b+ -1 G p i. x p2x+gx3ibN 二 g G x. p 11 1 xLxx2当忽略yfb的相移时根据自激条件应有N=0 及yfbyfb1M4-3)由 N=O ，可求出起振时的振荡频率，即g G xi. p 1 x21 1 x-1=0 x x x3 2 3则 XlX2X3 g G =Xl+X2+X3 ib p将 XlX2X3 的表示式代入上式，解出：.1 1 g G二+i._pg 2兀 LC C C“ 1 24-4)当晶体管参数的影响可以忽略时，可得到振荡频率近似为g 2n JLC式中：CCC二才是振荡回路的总电容。 C +C12由式
5、(4-3)求M,当gi. F g + Gfb ib F p此式给出了满足起振条件所需要的晶体管最小正向传输导纳值。Yfb F 1F 2 g + Gib F pY不等式左端的一 = A 是共基电压增益，显然F增大时，固然可以使T增加,1 0 0 F 2 g + G ib F p但F过大时，由于g的影响将使增益降低，反而使T减小，导致振荡器不易起振，若F取 ib0得较小，要保证T 1，则要求Y很大，可见，反馈系数的取值有一合适的范围，一般取 0fbF=l/81/2。2、振荡管工作状态对振荡器性能的影响对于一个振荡器，当其负载阻抗及反馈系数F已经确定的情况，静态工作点的位置对振 荡器的起振以及稳定平
6、衡状态(振幅大小，波形好坏)有着直接的影响，如图4-4中(a)和山) 所示。1C1CQlbC：/图44振荡管工作态对性能的影响(a)工作点偏高(b)工作点偏低图4-4(a)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。图4-4(b)中工作点偏低，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，但是不能取得太低，否则不易起振。一个实际的振荡电路，在F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。 在实际中，我们将会看到输出幅度随着静态电流值的增加而增大。但是如静态电流取得太大， 不仅会出现图4-4(a)
7、所示的现象，而且由于晶体管为输入电阻变小同样会使振荡幅度变小。 所以在实用中，静态电流值一般取Ico=0.5mA-5mA。为了使小功率振荡器的效率高，振幅稳定性好，一般都采用自给偏压电路，我们以图4-2所示的电容三端式振荡器电路为例，简述自偏压的产生。图中，固定偏压V由R和R B12所组成的偏置电路来决定，在忽略1对偏置电压影响的情况下，可以认为振荡管的偏置电B压U 是固定电压V和R上的直流电压降共同决定的，即BE B eRU = V V =2 V - I RBE B B R + R CC E E12由于R上的直流压降是由发射极电流1建立的，而且随1的变化而变化，故称自 e E E偏压。在振荡
8、器起振之前，直流自偏压取决于静态电流1 和R的乘积，即EO eV = V I RBEQ B EO e一般振荡器工作点都选得很低，故起始自偏压也较小，这时起始偏压卩衍为正偏置，BEQ因而易于起振，如图4-5(a)所示，图中C上的电压是在电源接通习瞬间卩 对电容C充 b B b电在上建立的电压；是R与R。的并联值。 b12根据自激振荡原理，在起振之初，振幅迅速增大，当反馈电压Uf对基极为正半周时， 基极上的瞬时偏压u = U -U + U 变得更正，ic增大，于是电流通过振荡管向BE B BEQfC充电，如图4-5(b)所示。电流向C充电的时间常数工充=R C ，e e D e(a)(b)图4一5
9、 自给编压形成RD是振荡管BE结导通时的电阻，一般较小(几十到几百欧)，所以T充较小，Ce上的 电压接近 U f 峰值。当Uf负半周，偏置电压减小，甚至成为截止偏压，这时，Ce上的电荷将通过Re放电， 放电的时间常数为T放=ReCe,显然T放T充，在Vf的一周期内，积累电荷比释放的 多，所以随着起振过程的不断增强，即在Re上建立起紧跟振幅强度变化的自偏压，经若干 周期后达到动态平衡，在Ce上建立了一个稳定的平均电压I R，这时振荡管BE之间EO e的电压：V = V 一 I RBEO B EO e因为1 1,所以有U U，可见振荡管BE间的偏压减小，振荡管EO EQ BEO BEQ 的工作点向
10、截止方向移动。这种自偏压的建立过程如图4-6 所示。由图看出，起振之初，(0tl之间)，振幅较小，振荡管工作在甲类状态，自偏压变化不大，随着正反馈作用，振 幅迅速增大，进入非线性工作状态，自偏压急剧增大，使U 变为截止偏压。振荡管的非BE 线性工作状态，反过来又限制了振幅的增大。可见，这种自偏压电路起振时，存在着振幅与 偏压之间相互制约，互为因果的关系。在一般情况下，若ReCe的数值选得适当，自偏压就 能适时地紧跟振幅的大小而变化。正是由于这两种作用相互依存，又相互制约的结果。如图 4-6所示，在某一时刻t2达到平衡。这种平衡状态，对于自偏压来说，意味着在反馈电压 的作用下，Ce在一周期内其充
11、电与放电的电量相等。因此，b、e两端的偏压U保持不BE变，稳定在U BEZ。对于振幅来说，也意味着在此偏压的作用下，振幅平衡条件正好满足 输出振幅为UFz的等幅正弦波。AV图4-6 起振时直流偏压的建立过程VBE2； I coA VBEVBEo3、振荡器的频率稳定度 频率稳定度是振荡器的一项十分重要技术指标，这表示在一定的时间范围内或一定的温 度、湿度、电源、电压等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小， 则表明振荡器的频率稳定度越高。改善振荡频率稳定度，从根本上来说就是力求减小振荡频率受温度、负载、电源等外界 因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此改善振荡
12、频率稳定度的最重要 措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率不变的能力，这就是所谓的提高振荡回路的 标准性。提高振荡回路标准性除了采用稳定性好和高q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，或采用部分接入的 方法以减小不稳定的晶体管极间电容和分布电容对振荡硕率的影响。石英晶体具有十分稳定的物理和化学特性，在谐振频率附近，晶体的等效参量 Lq 很大， Cq很小，Rq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。4、实验线路见附图 G5电源供电为12V,振荡管Q52为3DG12C。隔离级晶体管Q51
13、也为3DG12C, LC振工作频 率为10.7MHz，晶体振为10.245MHz。1）静态工作电流的确定选 I =2mAV=6VB =60CQCEQU-U6则有R+ R = CCCEQ :二=3 K Q5554I2CQ为提高电路的稳定性Re值适当增大，取R 55 =曲则R 54 =曲则 u = I R =2X1=2VEQ CQ eIBO = cq /B=1/30mA取流过R的电流为10 I c56BQ2）确定主振回路元器件f =102-jrc当为LC振荡时，f =10.7MHz设 L= L =2.2 H051则1C 二二 100 pFQf / L0C=C53+CC51+C512+C55 II C56 II C57由 C56 、C57 远大于 C55C53+CC51+C512取C55为24PC53+C512为55P（而实际上对高频电路由于分布电容的影响，往往取值
