通信电子线路实验报告(共17页)

精选优质文档-倾情为你奉上实验名称通信电子线路课设指导教师杨振宇学 院信息科学与工程学院专业班级通信1402班姓 名姜俊宏学 号通信电子线路课程设计报告 目录一 实验内容及要求实验内容: 正弦波振荡器的设计实验要求:采用晶体三极管构成一个正弦波振荡器；（2）额定电源电压5.0V ，电流13mA; （3）输出频率 10 MHz；（4）有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压 1 V (D-P)二正弦波振荡器 振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。与放大器的区别：无需外加激励信号，就能产生具有一定频率、波形和振幅的交流信号。由晶体管等有源器件和具有某种选频能力的无源网络组成。 正弦波振荡器按工作方式不同可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。所谓产生振荡是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。2.1反馈型振荡器的工作原理反馈型振荡器是通过正反馈联接方式实现等幅正弦振荡的电路。这种电路由两部分组成，一是放大电路，二是反馈网络。图2.1所示为反馈振荡器构成方框图及相应电路。由图可知，当开关S在 1 的位置，放大器的输入端外加一定频率和幅度的正弦波信号Ui，这一信号经放大器放大后，在输出端产生输出信号UO，若UO经反馈网络并在反馈网络输出端得到的反馈信号Uf与Ui不仅大小相等，而且相位也相同，即实现了正反馈。若此时除去外加信号，将开关由 1 端转接到 2 端，使放大器和反馈网络构成一个闭环系统，那么，在没有外加信号的情况下，输出端仍可维持一定幅度的电压UO输出，从而实现了自激振荡的目的。图2.1 反馈振荡器的结构网络图为了使振荡器的输出UO为一个固定频率的正弦波，图 2.1 所示的闭合环路内必须含有选频网络，使得只有选频网络中心频率的信号满足Uf与Ui相同的条件而产生自激振荡，对其他频率的信号不满足Uf与Ui相同的条件而不产生振荡。 选频网络可与放大器相结合构成选频放大器，也可与选频网络相结合构成选频反馈网络。2.2起振条件振荡器在实际应用时不应有外加信号，而应是一加上电后即产生输出；振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声。振荡开始时激励信号很弱，为使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡。由可知，称为自激振荡的起振条件，也可写为 分别称为起振的振幅条件和相位条件，其中起振的相位条件即为正反馈条件。2.3平衡条件振荡器的平衡条件即为也可以表示为 即为振幅平衡条件和相位平衡条件。平衡状态下，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时输出幅度将不在变化：振幅平衡条件决定了振荡器输出信号振幅的大小；环路只有在某一特定的频率上才能满足相位平衡条件：相位平衡条件决定了振荡器输出信号频率的大小。2.4稳定条件振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。(1)振幅稳定条件 要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说，就是在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益将减小，从而使振幅减小。(2)相位稳定条件 振荡器的相位平衡条件是T（0）。 在振荡器工作时, 某些不稳定因素可能破坏这一平衡条件。如电源电压的波动或工作点的变化可能使晶体管内部电容参数发生变化, 从而造成相位的变化, 产生一个偏移量。 由于瞬时角频率是瞬时相位的导数, 所以瞬时角频率也将随着发生变化。为了保证相位稳定, 要求振荡器的相频特性T（）在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力。具体来说, 在平衡点=0附近, 当不稳定因素使瞬时角频率增大时, 相频特性T（0）应产生一个-, 从而产生一个-, 使瞬时角频率减小。 2.5失真分析2.5.1 三极管的非线形失真 当我们用三极管对信号进行放大的时候，目的是对信号有一定比例地放大，如果不能按比例放大，放大后的信号与原信号相比就改变了性质，这种现象我们称之为信号失真，而这种失真是由于对原信号进行非线形放大而产生的，我们称为非线形失真。2.5.2 非线形失真产生的原因及分类 2.5.2.1 截止失真 现在以NPN型三极管为例说明晶体三极管的工作原理及失真原因的分析，三极管的结构和符号 三极管的发射节相当于一个二极管，而二极管具有单向导电性，其所加电压与通过电流与二极管的伏安特性相同。只有加到发射节上的电压高于Uon(开启电压)时，发射节才有电流通过，而当发射节被加反向电压时（只要不超过其反向击穿电压），只有很小的反向电流通过，我们认为这种情况下三极管处于截止状态，而在实际应用中，我们会遇到各种各样的信号需要放大，有较强的信号，有较弱的信号，也有反向的信号，根据PN结的特性，当加到发射结上的信号为较弱的信号（小于开启电压），或者是反向信号时，发射结是截止的，三极管是不能起到放大的作用，输出的信号，也出现严重的失真，此时的失真，称为截止失真。2.5.2.2 饱和失真 在了解三极管的饱失真前，我们先了解一下三极管的饱和导通，我们知道，当三极管的的发射结被加正向电压且UBEUon，三极管的发射结有电流通过，以NPN三极管为例，三极管的工作过程是这样的：当发射结加正向电压时，发射区通过扩散运动向基区发射电子，形成发射极电流IE；其中一小部分与基区的空穴复合，形成基极电流IB，又由于集电极加反向电压，所以从发射极出来的大部分电子在集电极电压作用下通过漂移运动到达集电极，形成集电极电流IC。当集电结上加不同电压时，有三种情况：2.5.2.2.1 集电结加反向电压，集电结反偏，此时，集电极有能力收集从发射极发射出的电子，三极管处于稳定的放大状态。如电路图3，三极管工作在如图2所示的放大区。2.5.2.2.2 当集电结加正向电压，集电极正偏，此时，发射极发射电子由于而集电极收集电子不足，即使基极电流增大，发射极发射电子电流增大，由于集电极收集电子不足，集电极电流也不会增大，这种情况称为三极管的饱和导通，如图2所示的饱和区。饱和导通时，三极管对信号也失去了发放大作用，此时的三极管的失真称为饱和失真2.5.2.2.3 当集电结所加电压为零，即UCB=0时，三极管出处于饱和放大的临界状态。2.5.3 非线形失真的解决办法2.5.3.1 截止失真的解决办法当输入信号UiUon，保证三极管导通。如图所示 3.2 饱和失真的解决办法2.5.3.2.1 增加VCC 由于三极管饱和的根本原因是集电结收集电子的能力不足，所以增加VCC能够增强集电极收集电子的能力，但必须保证VCC在三极管的能承受范围内，在RC和管子不变的情况下，能够消除饱和失真 2.5.3.2.2 增加基极电阻RB以减小基极电流，从而集电极电流IC=IB，在集电极电阻RC和集电极电源VCC不变的情况下，由VCE=VCC-IBRC得集电极电压变大，从而使集电极收集电子能力增强，消除饱和失 2.5.3.2.3 减小集电极电阻，在电路中其他参数不变的情况下，减小集电极电阻RC就减小了在RC上的压降由UCE=VCC-IBRC知加在集电结的电压增大，也增强了集电极收集电子的能力，从而消除饱和失真 2.5.3.2.4 更换一只较小的管子.在其他参数不变的情况下，换一只放大倍数较小的管子，由UCE=VCC-IBRC知:在集电极电阻上的压降减小，也即增大了加在集电结的电位，增强了集电结收集电子的能力，从而消除饱和失真，同理由式得应满足 结论 以上是从晶体管三极管的放大原理来分析其放大失真的原因，并给出了在其他参数不变的情况下，改变电路中的某一个参数的几种消除非线形时针失真的解决办法，而在实际应用中，有时候某个参数必须满足实际情况，也既是某些参数必须在一定范围内来改变，而且有时候需要改变几个参数才能达到实际的需要，但其基本的分析方法是相同的，以上是我的一点体会，难免会有错误之处，希望批评指正。3 电路设计3.1振荡电路模块振荡电路模块我选用了电感反馈三端式振荡器。X1和X2为感性，X3为容性，满足三端式振荡器的组成原则，因为反馈网络是由电感元件完成的，称为电感反馈三端式振荡器，也称为哈特莱振荡器。 （a）电感反馈振荡器 （b）实际电路电感反馈振荡器中，电感通常是绕在同一带磁芯的骨架上，它们之间存在互感，用M表示。同电容反馈振荡器的分析一样，振荡器的振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示，即式中的L为回路的总电感，由相位平衡条件分析，振荡器的振荡频率表达式为 电感反馈式三端振荡器优点(1)容易起振 (2)调整频率方便，变电容而不影响反馈系数。缺点(1) 振荡波形不够好，高次谐波反馈较强，波形失真较大。 (2) 不适于很高频率工作。如图3.1所示即为设计的第一个模块，也是此次设计的主要模块振荡电路模块。 图3.1振荡电路模块图与前面的对振荡器电路的分析一样，图3.1中的R2和R3均为电路的偏置电阻，C3、C1分别为旁路电容和隔直流电容，而C5、L1和L2的连接方式也符合电感三点式振荡器的原则，因此整个电路就构成了设计所需要的振荡电路。由振荡器的原理可以看出，振荡器实际上是一个具有反馈的非线性系统，精确计算是很困难的，而且也是不必要的。因此，振荡器的设计通常是进行一些设计考虑和近似估算，选择合理的线路和工作点，确定元件的参数值，而工作状态和元件的准确数值需要在调试中最后确定。设计时一般都要考虑一下一些问题：（1）晶体管的选择从稳频的角度出发，应选择较高的晶体管，这样的晶体管内部相移较小。通常选择。同时希望电流放大系数大些，这既容易振荡，也便于减小晶体管和回路之间的耦合。虽然不要求振荡器中的晶体管输出多大的功率，但考虑到稳频等因素，晶体管的额定功率也应有足够的余量。因此，在本次设计中将会 选取2N222作为振荡电路的三极管。该三极管的集电极电流最大值为800mA，在25时其功率可达到0.5W，最大集电极电压可达60V，足够满足此次设计的各方面要求。（2）直流馈电线路的选择为保证振荡器起振的振幅条件，起振工作点应设置在线性放大区；从稳频出发，稳定状态应该在截至区，而不应在饱和区，否则回路的有载品质因数QL将降低。所以，通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路应采用自偏压。对于小功率晶体管，集电极电流约为1-4mA。（3）振荡回路元件的选择从稳频出发，振荡回路中电容C5应尽可能大，但C5过大，不利于波段工作，因此，前页图3.1中电容C5选为480pF已经可以满足电路的设计要求。而电感L原本也应尽可能大，但L大后，体积大，分布电容大，L过小，回路的品质因数过小，因此应该合理选择L的大小。根据此次设计的要求，输出频率为10MHz，若两电感为理想耦合时，选择L1=380nH,L2=130nH.由计算公式 （式中L=L1+L2+2M,M为L1和L2之间的互感，理想耦合时M为0）得到。又因为，满足反馈系数的要求。3.2缓冲级模块常用的输出缓冲级是在电路的输出端加一射极跟随器，从而提高回路的带负载能力。射极跟随器的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大倍数略低于1，带负载能力强，具有较高的电流放大能力，它可以起到阻抗变换和极间隔离的作用，因而可以减小负载对于振荡回路的影响，射极跟随器的典型电路下图所示。输出缓冲级电路输出缓冲级主要完成对所产生的振荡信号进行输出，不管是并联谐振正弦波晶体电路还是串联谐振晶体电路，它们的带负载都不是很强，负载值改变时可能造成振荡器的输出频率变化，也可能影响振荡器的输出幅度，输出缓冲级的作用就是提高整个振荡器的带负载能力，即使振荡器的输出特性不受负载影响，或影响较小。输出缓冲级为了有较好的波形输出，加入了RC滤波器，使得输出波形更加完美，避免了波形失真。3.3放大级模块在输出缓冲级后加100欧姆电阻后，经过仿真发现，输出电压啊无法满足要求：振荡器输出电压 1 V (D-P)，特别加入了一个射级放大器。以本次仿真中NPN型三极管为例，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib;把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制(假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话)，并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的倍，即电流变化被放大了倍，所以我们把叫做三极管的放大倍数(一般远大于1，例如几十，几百)。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。4 仿真与调试4.1仿真初步设计电路时，本人设计了克拉泼电路，在第一级电路可以满足要求，且波形理想，放大效果较好，具体如下图所示：电路原理图 波形如图所示为：如上图所示，波形无失真，且放大倍数较大，可以较为理想实现题目要求。放置探针数据如下所示：输出电压为5V，输出电流为2Ma,恰好满足13mA的要求。加入缓冲级如下：满足晶体三极管的静态工作点，在改变偏置电阻和相关耦合电容及电感L后，始终无法满足前后级匹配，最后在不断地分析调试后，改变方案，使用电感反馈三端式振荡器（哈特来电路）。分析调试如下。4.2分析调试最终电路原理如下图：电路初步分析分为三个部分，振荡电路（1级），输出缓冲级（2级），放大器（3级）。（1） 电感L1与L2理论比例在2到8之间，又因为L1，L2和C5共同控制输出频率，所以经过计算，得出三者为以上数值（忽略互感影响），同时调整偏置电阻R2,R3比例，满足三极管静态工作点，并可以起振，加上耦合电容C1，减少干扰。得到输出波形如下为了有较好的波形输出，在振荡电路和输出缓冲级之间加入了RC滤波器，使得输出波形更加完美，避免了波形失真。（2） 输出缓冲器中，经过不断调试，取消了基极与发射级之间的偏置电阻，保证了射极跟随器与前一级电路的匹配，实现波形跟随。（3） 利用三级管设计了射级放大器，将无法达到输出要求的射极跟随器进行改进，满足题目要求，但由于供电电源5V，又要达到前后匹配，所以存在饱和失真问题，前文已经进行分析，所以增大基极电阻并调整集电极电阻，进行匹配，改善波形失真问题。最后得到波形如下：由于放大器使得波形正好反向，所以得到较为合理波形，同时满足要求。 五心得体会我在本次课设中心得体会如下：1.实验过程总是山重水复疑无路，柳暗花明又一村。在实验的开始，首设计了一个克拉泼电容振荡电路，单在振荡级电路中，实现较为理想，但是在与缓冲级匹配方面始终无法实现，不能跟随，自己也询问了老师同学，最终没能实现，但是，在老师点拨下，发现电感振荡器相对来讲，比较容易实现，前后级也比较容易进行匹配，网上相关资料也远远多于自己最初设计的克拉泼电路，果断更改方向，最后取得了实验成功。2.搞研究不能只是闭门造车，要多交流。当我一个人想没什么思路时，多和同学交流下就会有新的想法。多问问老师就会有解决的思路。就像我在加缓冲级后发现电压不满足1V的条件后，和同学交流才认识到可以加入一个共射放大电路，可以说没有与同学的交流我不可能完成本次课设。正如萧伯纳说的：你有一个苹果，我有一个苹果，交换之后我们还是只有一个苹果。你有一个想法，我有一个想法，交流后就有两种想法。所以要多与同学交流。3.纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。通过课程设计，我对书本的知识有了更深刻的理解，对知识更融会贯通。虽然，但是当我真正开始动手才发现并不是那么简单，尤其在静态工作点的调试过程中，通过书本上的计算得到的结果并不是测试得那么准确，最后只能自己慢慢调试才能得到合适静态工作点。正如我们校训所说：知行合一，经世致用。这正是课程设计的目的与意义所在。最后，谢谢杨振宇老师在本次课设中对我的耐心教导，才让我有了如此大的进步。专心-专注-专业