高頻電路課程設(shè)計(jì)晶體振蕩器的設(shè)計(jì)與制作

1、*科技大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告課程名稱(chēng)： 高頻電路課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)名稱(chēng)： 晶體振蕩器的設(shè)計(jì)與制作 姓 名： 學(xué) 號(hào): 班 級(jí)： 電子1002班 指導(dǎo)教師： 起止日期： 2012.12.24-2013.1.6 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院制課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)學(xué)生班級(jí)： 電子1002班 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 設(shè)計(jì)名稱(chēng)： 晶體振蕩器的設(shè)計(jì)與制作 起止日期： 2012.12.24-2013.1.6 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)要求：考察知識(shí)點(diǎn)：晶體振蕩器的靜態(tài)偏置、電路原理以及振蕩幅度、振蕩頻率相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握。設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)晶體振蕩器，與后級(jí)電路有良好的隔離，振蕩信號(hào)幅度>500mV；振蕩頻率：a：b：

2、c：課 程 設(shè) 計(jì) 學(xué) 生 日 志時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容課 程 設(shè) 計(jì) 評(píng) 語(yǔ) 表指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 成績(jī)： 指導(dǎo)教師： 年 月 日晶體振蕩器的設(shè)計(jì)與制作一、 設(shè)計(jì)目的和意義振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，它不需要外部激勵(lì)就能自動(dòng)地將直流電源共給的功率轉(zhuǎn)換為制定頻率和振幅的交流信號(hào)功率輸出，凡是能完成這一功能的裝置都可以作為振蕩器。振蕩器一般由晶體管等有源器件和某種具有選頻能力的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)組成。石英晶體振蕩器（quatrz oscillator），是利用具有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場(chǎng)的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特

3、性的反應(yīng)。利用這種特性，就可以取代LC(線圈和電容)諧振回路、濾波器等。石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中。石英諧振器因具有極高的頻率穩(wěn)定性，故主要用在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件。本設(shè)計(jì)對(duì)利用石英晶體構(gòu)成振蕩器的方法做了較深入的研究，對(duì)振蕩器的原理及石英晶體振蕩器原理做了詳細(xì)的介紹并通過(guò)Multisim 11.0軟件設(shè)計(jì)、仿真出并聯(lián)的石英晶體振蕩器，最后按照原理圖進(jìn)行調(diào)試和參數(shù)的計(jì)算。二、 設(shè)計(jì)原理1、 反饋振蕩器振蕩的基本原理2、 振蕩器的條件a)、起振條件保證接通電源后能逐步建立起振蕩 反饋電壓幅度必須大于輸入電壓幅度，即：

4、T（0）>1 反饋電壓相位必須與放大器輸入相位相同正反饋。 T=2nb)、平衡條件保證進(jìn)入維持等幅持續(xù)振蕩的平衡狀態(tài) T（0）=1T=2n c)、穩(wěn)定條件保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞 在0附近T（0）的變化率為負(fù)值 在0附近相位的變化率為負(fù)值3、 石英晶體振蕩器石英晶體的特點(diǎn)在于它具有很高的質(zhì)量與彈性的比值 (等效于L/C)，因而它的品質(zhì)因數(shù)Q高達(dá)10000500000的范圍內(nèi)。等效電路中元件的典型參數(shù)為：Co分布電容很?。簬譸F幾十pF，L：幾十mH幾百mH，C動(dòng)態(tài)電容：0.0002 pF 0.1pF。如圖所示。由等效電路可知，石英晶體有兩個(gè)諧振頻率，即（1）L-C-R

5、支路串聯(lián)諧振（2）當(dāng)f>fs時(shí)，L-C-R支路呈感性，與Co產(chǎn)生并聯(lián)諧振。由于Co>>C，故fPfS.和一般LC振蕩器相比，石英晶體振蕩器在外界因素變化而影響到晶體的回路固有頻率時(shí)，它還具有使頻率保持不變的電抗補(bǔ)償能力，原因是石英晶體諧振器的等效電感Le與普通電感不同，當(dāng)頻率由Wq變化到Wo時(shí)，等效電感值將由零變到無(wú)窮大，這段曲線十分陡峭，而振蕩器又剛好被限定在工作在這段線性范圍內(nèi)，也就是說(shuō)，石英晶體在這個(gè)頻率范圍內(nèi)具有極陡峭的相頻特性曲線，因而它具有很高的電感補(bǔ)償能力。4、串聯(lián)型晶體振蕩器原理電路交流等效電路LC回路一定要調(diào)諧在石英諧振器的串聯(lián)諧振頻率上。5、 并聯(lián)型晶體振

6、蕩器 c-b型電路 b-e型電路皮爾斯原理電路交流等效電路 C3用來(lái)微調(diào)電路的振蕩頻率，使其工作在石英諧振器的標(biāo)稱(chēng)頻率上，C1、C2、C3串聯(lián)組成石英晶體諧振器的負(fù)載電容CL上，其值為CL=C1C2C3/(C1C2+C2C3+C1C3)由于Cq/ (C0+CL)<<1，故皮爾斯振蕩器的振蕩頻率非常接近串聯(lián)諧振頻率。三、 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟1、 電路的選擇晶體振蕩電路中，與一般LC振蕩器的振蕩原理相同，只是把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路之中，作為一感性元件，與其他回路元件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成三端振蕩器。根據(jù)實(shí)際常用的兩種類(lèi)型，電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式。常用電路簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)如圖3.1.1和

7、3.1.2所示。由于石英晶體存在感性和容性之分，且在感性榮性之間有一條極陡峭的感抗曲線，而振蕩器又被限定在此頻率范圍內(nèi)工作。該電抗曲線對(duì)頻率有極大的變化速度，亦即石英晶體在這頻率范圍內(nèi)具有極陡峭的相頻特性曲線。所以它具有很高的穩(wěn)頻能力，或者說(shuō)具有很高的電感補(bǔ)償能力。因此選用c-b型皮爾斯電路進(jìn)行制作。工作電路2、選擇晶體管和石英晶體根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按公式max= T(210)H=（24120MHz）選擇高頻管2N3904型晶體管作為振蕩管。查手冊(cè)其參數(shù)如下： T =300MHz；ß40，取ß =60；NPN型通用；額壓：20V；Icm=20mA；Po= 0.1W；ß

8、T / ß=5 MHz。 石英諧振器可選用HC-49S系列，其性能參數(shù)為： 標(biāo)稱(chēng)頻率。=6 MHz；工作溫度：-40+70；25時(shí)頻率偏差：士3×10-6士30×10-6；串聯(lián)諧振電阻：60；負(fù)載電容：CL=10PF,激勵(lì)功率：0.010.1mW。3、元器件參數(shù)的計(jì)算a）、 確定三極管靜態(tài)工作點(diǎn)正確的靜態(tài)工作點(diǎn)是振蕩器能夠正常工作的關(guān)鍵因素，靜態(tài)工作點(diǎn)主要影響晶體管的工作狀態(tài)，若靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置不當(dāng)則晶體管無(wú)法進(jìn)行正常的放大，振蕩器在沒(méi)有對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)是無(wú)法工作的。振蕩器主電路的靜態(tài)工作點(diǎn)主要由Rb1、Rb2、Re、R決定，將電感短路，電容斷路，得到直流通路

9、如圖4-7所示。圖4-7 直流通路等效電路高頻振蕩器的工作點(diǎn)要合適，若偏低、偏高都會(huì)使振蕩波形產(chǎn)生嚴(yán)重失真，甚至停振。取ICQ=0.55mA,若取VCC=12V,ICQ=2mA,VCEQ=0.8VCC10V,則有Re=VCC-VCEQ / ICQ=(12-10)V/2mA=1k (3.1.1) IBQ=ICQ /=2mA / 50=0.04mA若取流過(guò)Rb2的電流Ib2為10 IBQ，則Ib2=10 IBQ=0.40mA，則?。篤BQ= Rb2 *VCC / (Rb1+Rb2) VEQ +0.7V=2V+0.7V=2.7V(3.1.2)Rb2= VBQ / Ib2 =2.7V/0.40mA=6

10、.75k, Rb1 =23.25 k (3.1.3)實(shí)際電路中，Rb1用6.5 k與50 k電位器串聯(lián)，Rb2取6.5 k，以便工作點(diǎn)的調(diào)整。b）、交流參數(shù)的確定對(duì)于振蕩器，當(dāng)電路接為并聯(lián)型振蕩器時(shí)，晶體起到等效電感的作用，輸出頻率應(yīng)為6MHZ，則由晶振參數(shù)知負(fù)載電容CL=10pF，即C2，C3，C1串聯(lián)后的總電容為10 pF 根據(jù)負(fù)載電容的定義，CL=1/(1/C1,2)+1/C3由反饋系數(shù)F=C1/C2和C1,2=C1C2/C1-C2兩式聯(lián)立解，并取F=1/2則C1=51pF，C2=100pF，C3=30pF為了提高振蕩器的工作性能和穩(wěn)定度，在電路中還應(yīng)有高頻扼流圈。四、 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析仿

11、真電路輸出穩(wěn)定正弦波，頻率和幅度均達(dá)到了課題要求，但是幅度大小調(diào)節(jié)不方便，故作出以下改進(jìn)調(diào)整改進(jìn)實(shí)物電路通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器R1可以調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)，調(diào)整R5可以改變輸出波形幅值的大小。輸出波形由仿真輸出波形可知，輸出波頻率為6.08MHZ，幅度為3.3V，可以通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)整輸出幅度的大小滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求500mV，頻率和幅度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)。根據(jù)老師提供的元器件在實(shí)物制作中做了一些微調(diào)。測(cè)試得輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波頻率5.998MHZ±0.01,幅度500mV可調(diào)，且在該電路中其輸出頻率幾乎不受外圍電路的影響，嚴(yán)格按照石英晶體振蕩器的頻率工作，到達(dá)了設(shè)計(jì)的要求指標(biāo)。在實(shí)物調(diào)試時(shí)，出

12、現(xiàn)波形不穩(wěn)定時(shí)顯時(shí)不顯，在老師的指導(dǎo)下找到原因，在某個(gè)元件的焊點(diǎn)出現(xiàn)了虛焊造成輸出不穩(wěn)定，對(duì)于高頻電路來(lái)說(shuō)這是個(gè)很關(guān)鍵的因素。經(jīng)過(guò)不斷調(diào)式、改進(jìn)，最終達(dá)到了理想的輸出信號(hào)。在一級(jí)放大后加一級(jí)射極跟隨器，其輸入電阻很大起隔斷后級(jí)對(duì)前級(jí)影響的作用，同時(shí)增大了帶載能力，實(shí)現(xiàn)了輸出幅值可調(diào)，滿(mǎn)足并提高了設(shè)計(jì)要求指標(biāo)。PCB制作底層 頂層附銅器件清單電阻6.8K210K21K15101100K變阻15K變阻1電容50P1100P120P130P可調(diào)電容10.01u1電感10uH1三極管2N39042晶振6MHZ1排針4五、 體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)使自己進(jìn)一步熟悉、掌握高頻課程設(shè)計(jì)原理與基本知識(shí)；綜合訓(xùn)練自

13、己掌握高頻課程設(shè)計(jì)所需電子元件的原理和選擇，從而初步學(xué)會(huì)從分析到調(diào)試的基本過(guò)程、方法和思路，為今后的設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。1、在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我基本能按照規(guī)定的程序進(jìn)行，調(diào)查有關(guān)資料，然后進(jìn)入草案階段，期間與同學(xué)進(jìn)行幾次設(shè)計(jì)的分析、討論、再分析，最后進(jìn)行正式電路調(diào)試階段。調(diào)試結(jié)束后，又在老師指導(dǎo)下進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)計(jì)算，并開(kāi)始寫(xiě)報(bào)告。在調(diào)試中我也遇到了很多疑惑的地方。通過(guò)這一階段的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，我得到了很多收獲，有很多感想。學(xué)歷與能力并重“學(xué)問(wèn)未必全在書(shū)本上” ，學(xué)好書(shū)本上的東西是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。 2、我的石英晶體振蕩器，包括任務(wù)和要求、設(shè)計(jì)思路、原理框圖以及這為本學(xué)科階段的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并充分地利用了這段時(shí)間。    3、從做設(shè)計(jì)的過(guò)程中掌握并運(yùn)用以前所學(xué)的知識(shí)，提高自學(xué)能力和獨(dú)立思考解決問(wèn)題的能力。同時(shí)使我所學(xué)的知識(shí)得以運(yùn)用。 4、本次設(shè)計(jì)能使我看清差距，擴(kuò)大視野，認(rèn)識(shí)自己的真實(shí)水平。正是在學(xué)校所學(xué)的扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和不斷培養(yǎng)的實(shí)踐動(dòng)手能力，使我能很快地處理和解決以后學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。并不斷的充實(shí)自己。以上是本次課程設(shè)計(jì)的心得與體會(huì)以及對(duì)設(shè)計(jì)情況的總結(jié)，希望在以后