高频课程设计.docx
《高频课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频课程设计.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
高频课程设计
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
陈永泰工作单位：
信息工程学院
题目：
正弦波压控振荡器
初始条件：
具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有必然的了解；具有高频电子电路的大体设计能力及大体调试能力；能够正确利用实验仪器进行电路的调试与检测。
要求完成的要紧任务：
（包括课程设计工作量及其技术要求，和说明书撰写等具体要求）
一、采纳晶体三极管组成一个正弦波压控振荡器；
二、额定电源电压5.0V，电流1～3mA;
3、输出频率10MHz～13MHz；
4、频率转变时，输出幅度波动小；
五、有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压≥1V（D-P）;
六、完成课程设计报告（应包括电路图，清单、调试及设计总结）。
时刻安排：
二十一周一周，其中4天硬件设计与制作，3天调试及答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
在没有外在输入信号的条件下，能自动将直流电源提供的能量转换为具有必然振荡频率、移动波形、必然振幅的周期性交变振荡信号的电子线路称为振荡器，在通信技术等领域，振荡器应用超级普遍，如信号源，时刻标准等。
同时，振荡器的种类也有很多，包括反馈式振荡器、负阻式振荡器等，本次课程设计要紧完成正弦波压控振荡器的设计，利用晶体管，变容二极管等分立元件完成相关设计，并达到设计要求：
输出必然频率及幅度的正弦波。
关键字：
振荡器变容二极管
Abstract
Intheabsenceofexternalinputsignalconditions,theDCpowersupplycanbeautomaticallyconvertedtotheenergyofacertainoscillationfrequency,mobilewave,acertainoscillationamplitudeofthecycleofsexualsignalsinelectroniccircuitsbecomeknownastheoscillator,incommunicationstechnologyandotherfields,oscillatoriswidelyused,suchasthesignalsource,thetimestandards.Atthesametime,therearemanytypesofoscillators,includingthefeedbackoscillator,negativeresistanceoscillator,etc.,thiscourseprimarilydesignedtocompletethedesignofsine-wavevoltage-controlledoscillator,theuseoftransistors,varactordiodesandotherdiscretecomponentstoperformarelateddesign,andtomeetthedesignrequirements:
acertainfrequencyandamplitudeoftheoutputsinewave
Keywords：
OscillatorVaractor
1压控振荡器原理
指输出频率与输入操纵电压有对应关系的振荡电路（VCO）。
其特性用输出角频率ω0与输入操纵电压uc之间的关系曲线（图）来表示。
图1.1压控振荡器操纵特性
图中,uc为零时的角频率ω0,0称为自由振荡角频率；曲线在ω0,0处的斜率K0称为操纵灵敏度。
使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入操纵电压的操纵，就可组成一个压控振荡器。
在通信或测量仪器中，输入操纵电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。
人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。
在自动频率操纵环路和锁相环环路中，输入操纵电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。
压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。
对压控振荡器的技术要求要紧有：
频率稳固度好，操纵灵敏度高，调频范围宽，频偏与操纵电压成线性关系并宜于集成等。
晶体压控振荡器的频率稳固度高，但调频范围窄，RC压控振荡器的频率稳固度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。
LC压控振荡器在任何一种LC振荡器中，将压控可变电抗元件插入振荡回路就可形成LC压控振荡器。
初期的压控可变电抗元件是电抗管，后来多数利用变容二极管。
RC压控振荡器在单片集成电路中经常使用RC压控多谐振荡器（见调频器）。
晶体压控振荡器在用石英晶体稳频的振荡器中，把变容二极管和石英晶体相串接，就可形成晶体压控振荡器。
为了扩大调频范围，石英晶体可用AT切割和取用其基频率的石英晶体，在电路上还可采纳展宽调频范围的变换网络。
在微波频段，用反射极电压操纵频率的反射速调管振荡器和用阳极电压操纵频率的磁控管振荡器等也都属于压控振荡器的性质。
压控振荡器的应用范围很广。
集成化是重要的进展方向。
石英晶体压控振荡器频率稳固度和调频范围之间的矛盾也有待于解决。
随着通信的进展，将需要内部噪声电平极低的压控振荡器。
2正弦波压控振荡器设计方案
正弦波压控振荡器有多种实现方案，在本次课程设计进程中，我也充分考虑了各类方案，分析了各个方案的可行性、性能等相关指标，最后选出了最适合的设计方案
基于积存型MOS变容器的正弦波压控振荡器
将MOS晶体管的漏，源和衬底短接即可成为一个简单的MOS电容，其电容值随栅极与衬底之间的电压VBG转变而转变。
在PMOS电容中，反型载流子沟道在VBG大于阈值电压绝对值时成立，当VBG远远大于阈值电压绝对值时，PMOS电容工作在强反型区域。
另一方面，在栅电压VG大于衬底电压VB时，PMOS电容工作在积存区，现在栅氧化层与半导体之间的界面电压为正且能使电子能够自由移动。
如此，在反型区和积存区的PMOS电容值Cmos等于Cox（氧化层电容）。
在强反型区和积存区之间还有三个工作区域：
中反型区，弱反型区和耗尽区。
这些工作区域中只有很少的移动载流子，使得Cmos电容值减小（比Cox小），现在的Cmos能够看成Cox和Cb与Ci的并联电容串联组成。
Cb表示耗尽区域电容的闭环，而Ci与栅氧化层界面的空穴数量转变量相关。
若是Cb（Ci）占主导地位，PMOS器件工作在耗尽（中反型）区；若是两个电容都不占主导地位，PMOS器件工作在弱反型区。
Cmos电容值随VBG转变的曲线如图1所示。
图2-1C-U转变曲线
设计原理电路如以下图所示：
图2-1原理电路图
该方案能够取得较高的振荡频率，而且超级稳固，可是用MOS管在实际电路中不容易焊接
本方案全数采纳晶体管来实现正弦波压控振荡器，设计电路如下所示：
图2-3设计方案二电路原理图
通过调剂直流操纵电压能够改变反馈网络C3、C4、C1和晶体管的有效电阻，从而实现改变振荡频率的目的，可是本设计方案频率不够稳固，高频特性不行。
利用变容二极管结电容随反向电压的转变这一特性设计正弦波压控振荡器，该振荡器为反馈式振荡器，为西勒型压控振荡器，设计原理图如下所示：
图2-4西勒型压控振荡器原理图
该电路为电容三点式振荡器电路，随着变容二极管两头反向电压的转变，其等效结电容也将发生转变，从而振荡频率也将发生转变。
如此就实现了正弦波压控振荡器的设计。
此方案取得的输出频率较稳固，高频特性较好。
综合比较方案一、方案二、方案三，从振荡频率大小及稳固性，还有高频特性等方方面面考虑，我选择方案三作为本次课程设计的设计方案。
3设计原理
变容二极管又称"可变电抗二极管"。
是一种利用PN结电容（势垒电容）与其反向偏置电压Vr的依托关系及原理制成的二极管。
所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采纳外延工艺技术。
反偏电压愈大，那么结电容愈小。
变容二极管具有与衬底材料电阻率有关的串联电阻。
要紧参量是：
零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容转变范围（以皮法为单位）和截止频率等，关于不同用途，应选用不同C和Vr特性的变容二极管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管和用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等
其结电容Cj与加在其两头的反偏电压u之间的关系如下所示：
式（3-1-1）
式中C0为变容二极管零偏时的电容，uφ为变容二极管PN结的势垒电位差，γ为结电容转变指数。
为了取得线性操纵特性，能够采取各类补偿方法。
以下图示出了不同指数γ时的Cj-u曲线和实际变容管的Cj-u曲线。
γ=1/3称为缓变结，扩散型管多属此种。
γ=1/2为突变结，合金型管属于此类。
超突变结的在1~5之间。
图3.1不同指数γ时实际变容管的Cj-u曲线
用于自动频率操纵（AFC）和调谐用的小功率二极管称变容二极管。
通过施加反向电压，使其PN结的静电容量发生转变。
因此，被利用于自动频率操纵、扫描振荡、调频和调谐等用途。
通常，尽管是采纳硅的扩散型二极管，可是也可采纳合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管关于电压而言，其静电容量的转变率专门大。
结电容随反向电压VR转变，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环路，经常使用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。
电路原理图如下所示：
图3.2电路原理图
此电路为反馈式振荡器，为电容三点式振荡器，近似参数计算如下所示：
在电路输出端加缓冲级有助于减小负载等对电路的阻碍，即能够起到隔离的作用，本设计利用晶体管组成射极跟从器作为电路输出缓冲级。
能够专门好的起到作用，原理电路如下所示：
图3.3输出缓冲级原理图
信号从三极管基极输入，射极输出，电压大体维持不变，起到设计跟从的作用，与此同时，射极跟从器具有较高的输入阻抗，可有提高电路的功率利用率
4正弦波压控振荡器设计电路图
该电路由两部份组成，振荡电路部份和输出缓冲部份，振荡电路部份采纳反馈式振荡，且为西勒型振荡器，输出缓冲部份由射极跟从器组成。
5电路元件参数设定
5.1振荡电路参数的确信
第一确信电容C二、C3、C4，依照设计要求，振荡频率为10-13MHz，故设定C二、C3别离为15pF，10pF,C4为33pF，以后确信变容二极管。
变容二极管结电容Cj-u关系曲线如以下图所示：
图5.1变容二极管结电容Cj-u关系曲线
在实际应用中，通常γ≠2，Cj作为回路总电容将会使调频特性显现非线性，输出信号的频率稳固度也将下降。
因此，通常利用对变容二极管串联或并联电容的方式来调整回路总电容C与电压u之间的特性
变容管部份接入回路的一样电路可简化为如以下图所示：
图5.2振荡器原理图
如此，回路的总电容为：
式（5-1-1）
式（5-1-2）
变容二极管在零偏置时的结电容值约为几pF,本次设计采纳硅管，故其势垒电位差为0.7V，变容二极管的结电容转变指数γ由PN结的杂质散布规律决定，本次设计所用变容二极管γ约为1/2，变容二极管偏置电压设定为2V，为了达到实验所要求的振荡频率，电感L采纳可调电感，依照公式
式（5-1-3）
计算出电感L的值，求得L约为200uH，故取可变电感的变换范围为0-500uH，由此即可知足设计振荡频率要求。
设计要求电源电压为5V，电流为1-3mA，本设计采纳-5V作为三极管的电源电压，设定R4、R5别离为1K、3K，由此得电流为2.5mA，知足设计要求。
关于输出缓冲电路，设定R二、R1别离为1K。
5.3其他相关元件参数选定
电感L2，L3参数定为12uH，关于直流可视为短路；L4设定为20uH，
电容C2设定为0.1uF，交流通路可视为短路，以便电路知足起振条件。
6基于Multisim的仿真调试
UbQ（V）
Uce（V）
IcQ（mA）
IbQ（mA）
Ube（V）
表6.1静态工作点数据记录
6.2振荡电路性能测量
表6.2输出正弦波平频率及电压幅度随偏置电压的转变情形
偏置电压（V）
3
5
6
8
振荡频率（MHz）
电压幅度（V）
1．1
表6.3输出正弦波频率随可变电感的转变情形
可变电感（uH）
100
150
200
250
振荡频率（MHz）
同时仿真测得输出波形如以下图所示：
图6.1输出波形图
由于元器件不稳固等缘故，波形不够稳固，有些失真。
7元器件清单
表7.1电路元器件清单
型号
参数
数量
型号
参数
数量
33
33pF
1
10
10pF
1
105
1uF
1
15
15pF
3
102
1nF
2
104
1
电感
12uH
2
可变电感
500uH
1
电感
20uH
1
电阻
3K
1
电阻
1K
5
三极管
9012
2
8课程设计心得体会
课设的进程是艰辛的，可是收成是庞大的。
第一，咱们再一次的加深巩固了对已有的知识的明白得及熟悉，通过本次课设，我不仅把握了各类高频电路的原理；还了解了他们的功能及利用方式，为尔后的设计提供了人更多的选择；第二，咱们将讲义知识运用到了实际设计，使得所学知识在更深的层次上取得了加深。
这对咱们来讲都是一种锻炼，培育了我自学、查阅搜集资料的能力；在课程设计的进程中，咱们一路到图书馆查资料，借书，上网查东西，还有向他人讨教，真的是很有趣的，只是最重要的是尝试到了合作的乐趣，真正体验到了大伙儿一路交流的乐趣，咱们每人本来只有一个思想，交流后就有了两个思想。
还有，和他人交流后，才发觉好多问题，明白了一个问题原先还有许多种解法，乃至为这些东西而感到难以想象。
同时感觉到了自己在试探问题时自己的疏漏的地方，幸免下次在考虑一样问题的时候犯一样的错误。
在尔后的日子里，它必将成为咱们的宝贵财富。
9参考文献
升级会员 