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实验7 LC正弦波振荡电路和选频放大电路_图文

注:本实验报告仅供学习、参考,谢绝抄袭。如有发现抄袭,作者概不负责!
实验 7 LC 正弦波振荡电路和选频放大电路实验
一、实验目的 (1)研究、学习 LC 正弦波振荡器的特性; (2)研究、学习 LC 选频放大电路的特性。 二、实验仪器
示波器、信号发生器、交流毫伏表、数字多用表。 三、预习内容 (1)复习 LC 正弦波振荡器的基础知识; (2)复习 LC 选频放大回路的基础知识。 四、实验内容 (1)电容三端式 LC 振荡器
电路原理:
图 1 电容三端式 LC 振荡器 电路如图 1 所示。这是一个电容三端式 LC 振荡器,其简化的原理示意图如 图 2,它由一个放大器 A 和一个 LC 回路组成。设振荡回路内流过电容的振荡电
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流为 iF。放大器输出电压为 vo=iFXC1,反馈电压为 vF=-iFXC2,反馈系数为 F ? vF ? ? C1 ? ? 1 vo C2 22
放大器反向输入端的反馈电压为 vF=Fvo=–(C1/C2)vo,从输出、经反馈到反 相输入端、经放大器反相、再到输出端,信号的相移为零,满足振荡器起振的相 位条件。若放大器 A 不接 LC 回路时的放大倍数 AV 大于 22,则满足振荡器起振 的幅值条件 AV F ? 1,电路就能起振。显然,对于图 1 所示电路,通过调整电位 器 RP2,使放大器 A 的放大倍数大于 22,该电路就能起振。
图 2 图 1 电路简化的原理示意图
若电路起振后, AV 能自动地减小,达到稳定时使 AV F ? 1,那么,振荡器 就能输出幅值稳定的正弦波。图 1 所示电路具有自动调节放大倍数的能力。电路 刚起振时,电路输出 vo 较小。由于 AV F ? 1,信号在从输出端、经反馈到反相输 入端、再到输出端的过程中被放大,集电极电压和电流不断被放大,电路输出 vo 不断增大。在此过程中,集电极电流逐步被限幅,由于发射极 PN 结的非线性 特性,使基极、发射极电流正半周幅值大,负半周幅值小,由此产生直流电流分 量。直流电流分量对发射极旁路电容 Ce 充电,使发射极直流电位上升,从而使 VBE 下降,三极管 Q1 的电流放大倍数 β 下降,放大器 A 的放倍数下降。这时电 路达到 AV F ? 1。若出现 AV F ? 1,即集电极电流减小,输出电压减小,则由于 发射极 PN 结的非线性特性产生的直流电流减小,发射极电容上的直流电位减小, 从而使 VBE 上升,三极管 Q1 的电流放大倍数 β 上升,放大器 A 的放大倍数增大, 电路重新回到 AV F ? 1。称这种性能为自动稳幅性能。
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综上所述,放大器 A 提供了-180°相移,LC 振荡回路与放大器的连接方式又 提供了-180°相移,所以,LC 振荡回路在整个电路中的相移必须为 0,才能满足 起振的相位条件。使 LC 回路的相移为 0 的频率只有其固有频率
f ?1/ 2? L(C1C2 / (C1 ? C2))Hz 所以,振荡器输出的是幅值稳定的频率为 f 的正弦波。 本实验电路的 LC 回路的固有频率仅为十几 kHz,三极管的分布参数完全可 以忽略。若使 LC 振荡器 LC 回路的固有频率为几百 kHz 到几十 MHz,三极管的 分布参数,如 Cb?c , Cb?e 等,将成为制约振荡器输出信号频率进一步提高和提高 频率稳定性的主要因数,LC 振荡器是工作在中、短波频带上的电子系统常用的 电路,其工作频率大致为几百 kHz 到几十 MHz。 实验内容: 1)用 EWB 做模拟,观察其起振过程,并分析电路起振与哪些元件参数有关。 2)先接成放大器 A(不接 LC 回路),调整 Rp1、Rp2,使电路有较适合的静 态工作点。测量电路的静态参数 VB,VC,VE,估算其静态工作点。为了使振荡 器有较好的自动稳幅性能,建议静态工作点应适当的低一些。测量其电压放大倍 数。考虑到 LC 回路有损耗,建议 A 的电压放大倍数大于 30。 3)按图 1 接上 LC 回路。取 C1=0.01μF,测量输出波形的频率和幅值,测量 输出的二次谐波失真和三次谐波失真,调整 Rp2(有需要时也可调整 RP1),使二 次谐波失真尽可能小,测量记录此时的输出波形的频率、幅值,二次谐波失真和 RP2。再取 C1=0.047μF,重复上述实验。
(2)LC 选频放大回路 电路原理 图 3 为 LC 选频放大器。与实验 1 的电路相比,两者的差别是:实验 1 的电 路的集电极仅接了电阻负载,为宽带放大器;本电路的集电极接的是 LC1 并联调 谐回路,为选频窄带放大器。 对于交流信号,集电极接的 LC1 并联调谐回路如图 4(1)所示。由于电感有 损耗,实际电感可等效为一个无损耗电感 L1 和一个等效电阻 RS 的串联,如图 4(2)所示。L1,RS,C1 的等效阻抗为
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图 3 LC 选频放大器

图 4 图 3 所示 LC 选频放大器的输出回路

Z1

?

(RS ? j?L1) RS ? j?L1 ?

1 j?C1
1 j?C1

?

RS

?

L1 C1
j?L1 ?

1 j?C1

?

RS

?

RS j?C1
j?L1 ?

1 j?C1

记 ?o ?

1 L1C1

,

j?o L1 RS

(? ?o

? ?o ?

)

??

为广义失谐, RSP

?

L1 RS C1

,

X C1

?

1 ?C1

,

Z1

? RSP 1? j?

? jX C1 1? j?

?

RSP ? ? X C1 1? ? 2

?

j

?RSP? ? X C1 1? ? 2

回路谐振时,Z1 虚部为 0,由 XC1=-RSPξ 可得谐振频率

?o1 ?

?o2

?

RS2 L12

??o

1? RS2C1 L1

? ?o

1? 1 Q12

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其中, Q1

?

1 RS

L1 C1



L1C1 谐振回路的品质因数。当

L1C1 回路的品质因数

较大时,回路的谐振频率 ωo1≈ωo。当 ω=ωo1 时, Z1 虚部为 0,用 XC1=-RSPξ 代入 前式,可得 Z1 实部

Z1

?

RSP

?

L1 R S C1

现在可将图 4(2)改画成图 4(3)。将 RSP 与 RC 并联, 就得到了图 4(4)。当输入信号频率为 L1C1 并联谐振频 率 ωo1 时,L1C1 回路因谐振而等效为开路,放大器的集 电极负载等效为纯阻,集电极阻抗最大,为图 4(4)中的 Req,放大器放大倍数最大。若输入信号频率偏离 L1C1 并联谐振频率 ωo1,L1C1回路因失谐而不再等效为开路, 集电极阻抗下降,放大器放大倍数下降。从而实现选频 放大。

图 5 二阶谐振回路 的幅频特性曲线

在本实验中,可如图 5 所示,测量 fL,fH。记谐振时电路的输出电压幅值为 Vo1,频率为 fo1;保持输入信号的幅值不变,降低其频率,当输出电压为 0.707Vo1 时的频率为 fL;再升高输入信号的频率,当输出电压再为 0.707Vo1 时的频率为 fH, 电路的品质因数为

Q ? fo1 fH ? fL
上式所示的品质因数是图 4(4)所示电路的品质因数。 由于 Q 可测得,RC 为已知,所以可以估算出电感的等效损耗电阻 RSP,RS。 设 Q=4。

Req ? Q

L1 ? 4? C1

10?10?3 ? 4k? 0.01? 10?6

由于 Req=RC//RSP,所以

RSP

?

RC Req RC ? Req

?

5.1? 4 5.1? 4

? 18.545k?

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由前式可得电感的等效损耗电阻 RS

RS

?

L1 RSPC1

?

10 ?10?3 18545? 0.01?10?6

? 53.9?

对于频率为 fo1 的输入信号,电路的放大倍数为

AVo1

?

?

rbe

?

? R eq (? ?1)RP2

实验内容:

(1)如图 3 接线。将输入端短路,RP2=100Ω,调 RP1,使 VC=6V。 (2)用前式估算 Req,用上式估算 AVo1。测量其幅频特性曲线,求其品质因 数和谐振时的集电极等效负载电阻 Req,电压放大倍数 AVo1。 (3)取信号源频率为谐振频率,调整 RP2,分析负反馈对电路性能的影响, 如电压放大倍数、谐波失真等。

(4)根据测量估算得到的 Req,Q1 分别取理想三极管和接近实验中所用实际 三极管,用 EWB 做仿真求其幅频特性和相频特性。若取 L=10μH,C1=10pF, Q1 分别取理想三极管和接近实验中所用实际三极管,用 EWB 做仿真求其幅频特 性和相频特性。分析仿真结果的差异,并试述三极管哪些主要参数与选频放大器

的幅频特性有较大的关系。

五、数据记录与处理 (1)电容三端式 LC 振荡器
①C=0.01μF 时: f=16.501kHz;Vpp=1.32V;
RP1=13.46057kΩ;RP2=145.008Ω。
②C=0.047μF 时: f=7.9613kHz;Vpp=9.0V;
RP1=13.46057kΩ;RP2=145.008Ω。 实验得到如图 6 所示的正弦波形。

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图 6 电容三端式 LC 振荡器输出波形

与输出频率的理论值进行对比:

f11?

?

1 2?

L C11C2 ? 16.308kHz C11 ? C2

f12?

?

1 2?

L C12C2 ? 8.087kHz C12 ? C2

与实验值之间的误差分别为 1.18%和 1.55%,体现出较大的准确性。

(2)LC 选频放大回路 电路得到图 7 所示的输出波形。

图 7 LC 选频放大回路输出波形
该电路的幅频特性表如表 1 所示。 第 7 页 共 10 页

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表 1 LC 选频放大回路幅频特性关系

( (VPP)max=6.31V 对应 f=15.708kHz;RP1=18.55736kΩ;RP2=11.9265Ω)

频率

4.21kHz 5.18kHz 6.05kHz 6.90kHz 8.93kHz 10.5kHz

20lg|AV/AVo| 频率

-19dB 11.6Hz

-17dB -15dB -13dB -11dB -9dB 12.6kHz 13.4kHz 14.5kHz 15.7kHz 17.5kHz

20lg|AV/AVo| -7dB

-5dB

-3dB

-1dB

0dB

-1dB

频率

19.2kHz 20.6kHz 22.1kHz 24.4kHz 27.4kHz 31.6kHz

20lg|AV/AVo| -3dB

-5dB

-7dB

频率

35.3kHz 41.7kHz 50.5kHz

-9dB

-11dB -13dB

20lg|AV/AVo| -15dB -17dB -19dB

得到该放大电路的品质因数: Q ? foL ? 15.708kHz ? 2.708 fH ? fL 19.2kHz ?13.4kHz
以及如图 8 所示的幅频特性曲线:

图 8 LC 选频放大回路幅频特性曲线 下面,根据品质因子的计算值,以及实验原理中关于放大倍数的公式,计算 最大放大倍数。
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Req ? Q

L1 ? 4? C1

10?10?3 ? 2.71k? 0.01?10?6

RSP

?

RC Req RC ? Req

?

5.1? 2.71 ? 5.78k? 5.1? 2.71

RS

?

L1 RSPC1

?

10 ?10?3 5780? 0.01?10?6

? 173.01?

AVo1

?? rbe

? R eq ? (? ?1)RP2

? ?216

六、思考题 (1)绘制图 1 所示电路的交流微变等效电路。

(2)图 1 所示电路起振时要求 AV F ? 1,稳态时要求 AV F ? 1。试述该电路的电 压放大倍数能自动调节,以满足上述要求。 答:若 AV F ? 1,信号在从输出端、经反馈到反相输入端、再到输出端的过程中 被放大,集电极电压和电流不断被放大,电路输出 vo 不断增大。在此过程中, 集电极电流逐步被限幅,由于发射极 PN 结的非线性特性,使基极、发射极电流 正半周幅值大,负半周幅值小,由此产生直流电流分量。直流电流分量对发射极 旁路电容 Ce 充电,使发射极直流电位上升,从而使 VBE 下降,三极管 Q1 的电流
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放大倍数 β 下降,放大器 A 的放倍数下降。这时电路达到 AV F ? 1。若出现 AV F ? 1,即集电极电流减小,输出电压减小,则由于发射极 PN 结的非线性特 性产生的直流电流减小,发射极电容上的直流电位减小,从而使 VBE 上升,三极 管 Q1 的电流放大倍数 β 上升,放大器 A 的放大倍数增大,电路重新回到 AV F ? 1。 称这种性能为自动稳幅性能。 (3)您在实验中使用什么方法减小图 1 所示电路输出波形的谐波失真?试分析 其原因。 答:采用调整 RP2(有必要时调整 RP1)来减小谐波失真。其原因是:在此电路 中,RP1 和 RP2 决定了三极管的静态工作点。通过调整这两个变阻器的阻值,能 够使得输出的饱和失真、截止失真最小化。 (4)试述晶体管低频等效电路与高频等效电路的主要差别。若减小 L、C1 的数 值,电路的谐振频率将受到什么因素的制约? 答:低频情况下,电感以及三极管的极间电容可以被忽略;在高频情况下,就必 须考虑它们的存在。减小 L、C1 的数值,会使得固有频率进入高频区域。此时三 极管的分布参数,就成为制约振荡器频率进一步提高和提高频率稳定性的主要因 素。
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