27MHZ正弦波放大器課題論文

1、 27MHz正弦波發(fā)生器的設(shè)計課題論文 11級電子信息科學(xué)與技術(shù) 1112010023 東國斌 2016-11-25 27MHz正弦波發(fā)生器的課程設(shè)計摘 要：在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中無線電傳輸可謂愈發(fā)成熟，其需要采用如27MHz正弦波這樣的高頻載波才能把音頻、視頻或脈沖信號運(yùn)載出去以起關(guān)鍵性作用。本文介紹了以電容三點(diǎn)式振蕩器和晶體振蕩器兩種設(shè)計方案。電容三點(diǎn)式由放大電路、選頻電路、濾波電路、正反饋電路構(gòu)成，具有波形穩(wěn)定、失真小等特點(diǎn)。晶體振蕩器采用27MHz晶振通過諧振，使頻率具有更高的精確度。實驗中使用了Multisim11.0軟件對設(shè)計的兩個實驗電路進(jìn)行仿真。關(guān)鍵詞：晶振 正弦波 振蕩器 反

2、饋引 言：27MHz無線通信模塊被廣泛應(yīng)用于彩電、計算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號。例如應(yīng)用27MHz無線通信模塊的汽車收費(fèi)設(shè)計在高速公路收費(fèi)站收費(fèi)和日產(chǎn)27MHz業(yè)余頻段40信道車載臺式對講機(jī)芯（簡稱機(jī)芯）。該機(jī)具有石英晶振二次變頻高靈敏度接收、壓控振蕩以及PLL頻率檢測鎖相環(huán)技術(shù)，其收發(fā)頻點(diǎn)準(zhǔn)確穩(wěn)定。本文介紹采用晶振振蕩器制作27MHz正弦波發(fā)生器，實現(xiàn)方法比較簡單，頻率較穩(wěn)定。用晶體振蕩器實現(xiàn)的發(fā)生器頻率更穩(wěn)定，誤差在10-6之內(nèi)，可以應(yīng)用到對頻率精度高的設(shè)備中。 設(shè)計基本內(nèi)容1、 工作原理 1.1 電容三點(diǎn)

3、式振蕩器振蕩器不需要外加信號激勵，自身將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電的裝置。凡是可以完成這一目的的裝置都可以作為振蕩器。本次課程設(shè)計的是自激振蕩器的一種-電容反饋三點(diǎn)式振蕩器。LC振蕩器具有基本放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)、濾波網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)四個部分組成。為了維持震蕩，放大器的環(huán)路增益應(yīng)該等于1，即AF=1，因為在諧振頻率上振蕩器的反饋系數(shù)為C1/C2，所以維持振蕩所需的電壓增益應(yīng)該是A=C2/C1 電容三點(diǎn)式振蕩器的諧振頻率為 f0=1/2*L*(C1*C2)/(C1+C2)1/2 1.2 晶體振蕩器當(dāng)對穩(wěn)定度要求特別高時，在實際中常用石英諧振器來控制振蕩頻率組成晶體振蕩器。如下圖所示這種振蕩器類似于三點(diǎn)式振

4、蕩器。當(dāng)振蕩頻率等于石英諧振器的串聯(lián)諧振頻率時，近似為一短路線，電路產(chǎn)生振蕩。因此，振蕩頻率主要取決于石英諧振器的串聯(lián)諧振頻率。 串聯(lián)型晶體振蕩器示意圖2、 電路原理2.1 電容反饋式三點(diǎn)式振蕩器該振蕩器采用分壓式電流負(fù)反饋偏置電路，如下圖所示。其中，R1用于調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)（影響起振條件）。C3、C4為交流耦合電容，正反饋電壓取自C4兩端，改變C3和 C4的比值，可以改變反饋深度（即反饋系數(shù)），以滿足振蕩的振幅條件。 電容反饋式三點(diǎn)式振蕩器2.2 27MHz晶體振蕩器實驗電路如下圖所示。此電路是在電容三點(diǎn)式振蕩器基礎(chǔ)上改進(jìn)的。R3、R9組成直流偏置電阻，R3為基極可調(diào)電阻，改變其值可以改變振蕩

5、的幅度，L1、C8、C4、C5組成并聯(lián)諧振回路，調(diào)諧在振蕩頻率上。其中，C4為微調(diào)電容，用于微調(diào)振蕩頻率。C8為反饋電容，C5為分壓電容。 27MHz晶體振蕩器實驗電路圖3、仿真及實驗結(jié)果3.1 電路選材分析3.1.1 電容三點(diǎn)式電路選材（1）晶體管的型號由于要求f0=27MHz，所以要求晶體管的fT>(80140)MHz。另外查得2N3904的fT=300MHz；結(jié)電容為CBE=4pF,CCB=8pF。所以該晶體管可以滿足要求。（2）反饋系數(shù)Kf通常選擇Kf=0.10.5。反饋系數(shù)稍大些容易起振（太大則由于Q值降低反而不易起振），發(fā)射極輸出電壓幅度也大些，但是振蕩波形失真大些，同時負(fù)載

6、的影響也大些。這里試選擇Kf=0.2。（3）諧振電容確定諧振電容的時候，需考慮晶體管的結(jié)電容和負(fù)載電容的影響。LC諧振回路的電容要遠(yuǎn)大于這兩個電容，所以電容C3=330pF。然后根據(jù)反饋系數(shù)kf=C3/(C3+C4)=0.2。確定C3如下C3=kf/(1-kf)*C4=0.2/(1-0.2)*368=92pF 實際可選用91pF的電容器。（4）諧振電感根據(jù)要求，f0=27MHz，由于已經(jīng)確定諧振電容，所以可以確定諧振電感。但是在計算時需考慮晶體管的結(jié)電容CCB=8pF，此電容實際上是并聯(lián)在LC回路兩端的。所以 L=(1/(27*106)/(8+91*330/(91+330)=0.45uH （5

7、）晶體管工作點(diǎn)確定晶體管工作點(diǎn)的根據(jù)是gmR4Kf=(35)，在設(shè)計中，此條件等效于 在上式中，已經(jīng)確定的電容和負(fù)載電阻，還要確定gab、G0、R3等。gab可以從數(shù)據(jù)表中查到，當(dāng)ICQ=0.11mA時gab=0.060.08mS計算G0需要知道電感的Q0值。假設(shè)電感的Q0=150。參考數(shù)據(jù)：內(nèi)徑9mm繞7圈，L=0.40uH，Q0=200，則 G0=1/(Q00L)=0.41mS 通常可以先根據(jù)電源電壓和輸出電壓幅度要求，人為設(shè)定晶體管基極偏置電壓和靜態(tài)工作點(diǎn)數(shù)值，并據(jù)此確定射極電阻，最后驗算設(shè)計是否符合要求。在本文中，確定晶體管基極偏置電位大致在3V左右，則發(fā)射極電阻上的壓降大致為2.3V

8、，在考慮一般振蕩器的工作點(diǎn)為亞毫安級，則可以先設(shè)定R3=4.7。由于gab比G0小許多，故忽略。令系數(shù)為5，則 =13.8mS ICQ=gmVT=13.8mS*26mV=0.36mA 代回原設(shè)計驗算，R3上的壓降為1.7V，略小于原來的假設(shè)值。但從上面計算可看到，數(shù)值R3的改變對于gm影響甚小。因此，下面我們就以此值為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計。 由于R3上的壓降為1.7V，假定晶體管的VBE(on)=0.7V，則VBQ=1.7+0.7=2.4V，R1=62千歐，R2=24千歐 。3.1.2 晶體振蕩器電路選材同電容三點(diǎn)式振蕩器器材同，只在4與6節(jié)點(diǎn)間加一個27MHz晶振。3.2 仿真結(jié)果電容三點(diǎn)式仿真如圖

9、1所示，晶體振蕩器仿真如圖下圖2所示： 圖1 電容三點(diǎn)式仿真 圖2 晶體振蕩器仿真從圖3-1中可得到周期為37.127ns即頻率26.93MHz，幅度約為2V的正弦波。 其波形稍有失真。從圖3-2中可得到周期也為37.127ns即頻率26.93MHz，幅度也約為2V的正弦波。較圖3-1，它的正弦波頻率更為穩(wěn)定波形也更完整。3.3 實際制作及調(diào)試3.3.1 電容三點(diǎn)式焊接電路如下圖a所示，調(diào)試結(jié)果如下圖b所示： 圖a 電容三點(diǎn)式焊接電路 圖b 電容三點(diǎn)式調(diào)試結(jié)果 圖b顯示本實驗得到振幅4V，頻率為27.06MHz的正弦波，與上圖1仿真結(jié)果一致。3.3.2 晶體振蕩器焊接電路如圖下圖a所示，調(diào)試結(jié)

10、果如下圖b所示： 圖a 晶體振蕩器焊接電路 圖b 晶體振蕩器調(diào)試結(jié)果 本實驗可視為在電容三點(diǎn)式基礎(chǔ)上通過27.0000MHz晶振的諧振，本實驗得到振幅約為3V，頻率為27.0008MHz的正弦波，與上圖2仿真結(jié)果一致。3.4 性能分析27MHz正弦波的穩(wěn)定性主要受兩方面的影響，一是負(fù)載阻抗變化對發(fā)生器的輸入電阻或分壓電容的影響，二是系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生頻率與所需的頻率大小的差距。3.4.1 電容三點(diǎn)式性能分析輸出波形的穩(wěn)定度在實驗中發(fā)現(xiàn)，輸出波形的頻率和幅度受負(fù)載影響。因為緩沖器7輸入電阻趨于無窮，輸出電阻趨于零，因此當(dāng)負(fù)載變化時，輸出電壓幾乎不變的特點(diǎn)。本文介紹了在原先負(fù)載部分前加入一緩沖器，如下圖

11、a所示。仿真結(jié)果如下圖b所示。 圖a 加入緩沖器的電路圖 圖b 加入緩沖器的仿真結(jié)果從圖b中得知，加入緩沖器后波形幅度有所下降，但也有1V左右，而且變化前后頻率沒有發(fā)生改變，達(dá)到設(shè)計要求。下面兩個表格是記錄兩個變量變化而得的數(shù)據(jù)。表格3-1數(shù)據(jù)是在C4=0，R1從0千歐變化到10千歐的過程。表格3-2數(shù)據(jù)是在R1=0，C4從0pF變化到100pF的過程。表3-1 在電容C4=0pF時VR1和R4的關(guān)系R1（千歐）0246810VR1（V）1.000.980.950.960.980.99表3-2 在R1=2千歐時VR1和C4的關(guān)系C5（pF）020406080100VR4（V）1.010.990

12、.980.980.980.99由兩表格數(shù)據(jù)得知，如果負(fù)載阻抗變化，在緩沖器的作用下，輸出波形也不會對發(fā)生器產(chǎn)生明顯的影響。3.4.2 晶體振蕩器性能分析觀察靜態(tài)工作點(diǎn)變化對振蕩器工作頻率和幅度的影響 取R1=200k，調(diào)節(jié)R3以改變靜態(tài)工作點(diǎn)電流IEQ，使其分別為表3-5所示各值，用示波器觀察振蕩波形的電壓峰峰值VP-P，用頻率計測量頻率值（建議有效位數(shù)取5或6位），填表3-3。 表 3-3 （R1=200千歐）R30%*2020%*2040%*2060%*2080%*20100%*20f（MHz） 24.324.424.624.6無無VP-P（V） 0.95.18.21000從表3-3看出輸

13、出波形的頻率隨著靜態(tài)工作點(diǎn)IE的減小而逐漸增大；當(dāng)頻率達(dá)到一定值時，頻率幾乎不變；靜態(tài)工作點(diǎn)太低時，電路不起振，Vp-p也變?yōu)榱?。設(shè)計結(jié)論此次實驗利用電容三點(diǎn)式振蕩器和晶體振蕩器兩種方法來實現(xiàn)27MHz正弦波。在輸出波形頻率方面，兩種方法都能產(chǎn)生較為穩(wěn)定的27MHz正弦波。在輸出波形幅度上，電容三點(diǎn)式振蕩器采用串聯(lián)電壓負(fù)反饋，起到了穩(wěn)定電壓幅度的效果。不足之處是兩種方法建立振幅穩(wěn)定和相位穩(wěn)定所需時間比較長。參考文獻(xiàn): 1.杜武林 武漢理工大學(xué)高頻電子線路課程任務(wù)指導(dǎo)書EB.武漢理工大 學(xué)出版,2010.3-5. 2.高吉祥 高頻電子線路M.北京:電子工業(yè)出版社,2003.172-175.3.韓廣興 電子元器件與實用電路基礎(chǔ)M.北京:電子工業(yè)出版社.2002.30.4.程勇 實例講解multisim11.0電路仿真M. 北京：人民郵