半导体物理器件实验综述.docx

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半导体物理器件实验综述

1方案选择：

产生调频信号的电路叫做调频器，对他有4个主要的要求：

1已调波的瞬时频率与调制信号成比例变化。

2未调制时的载波频率即已调波的中心频率具有一定的稳定度。

3最大频偏与调制频率无关。

4无寄生调幅或寄生调幅尽量小。

产生调频的方法主要归纳为两类：

1用调制信号直接控制载波的瞬时频率——直接调频。

2先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波——间接调频。

变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），线路简单，并且几乎不需要调制功率，其主要缺点是中心频率的稳定度低。

在满足设计的各项参数的基础上尽量简化电路。

因此本次课程设计采用BB910变容二极管进行直接调频电路设计。

2调频电路设计原理分析

2.1FM调制原理：

FM调制是靠信号使频率发生变化，振幅可保持一定，所以噪声成分易消除。

设载波

调制波

。

或

，此时的频率偏移量△f为最大频率偏移。

最后得到的被调制波

Vm随Vs的变化而变化。

为调制系数

2.2变容二极管直接频率调制的原理：

变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种半导体二极管，它是一种电压控制可变电抗元件，它的结电容Cj与反向电压VR存在如下关系：

式中，VD为PN结的势垒电压（内建电势差），Cj0为VR为0时的结电容，γ为系数，它的值随半导体的掺杂浓度和PN结的结构不同而异：

对于缓变结，γ=1/3；突变结：

γ=1/2;对于超突变结，γ=1~4，最大可达6以上。

图2.1变容二极管的Cj-v特性曲线

变容二极管的Cj-v特性曲线如图2.1所示。

加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压V0和调制信号电压VΩ（t）=VΩcosΩt，即

。

结电容在vR（t）的控制下随时间的变化而变化。

把受到调制信号控制的变容二级管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡回路的频率已收到调制信号的控制。

适当选择调频二极管的特性和工作状态，这样就实现了调频。

设电路工作在线性调制状态，在静态工作点Q处，曲线的斜率为

2.3三极管的参数

3单元电路设计分析

3.1LC振荡电路

本电路采用常见的电容三点式震荡电路实现LC振荡，如图3.1，简便易行，变容二极管电容作为组成LC振荡电路的一部分，电容值会随加在其两端的电压的变化而变化，从而达到了变频的目的。

Rc，Re，RB1，RB2设置LC震荡电路的静态工作点，L1，C1构成LC震荡电路，CC,DC接入LC振荡电路改变振荡频率构成调频电路。

R1、R2、R3提供变容二极管工作所需的直流偏置。

信号VΩ从C5接入，电感L2是一低通线圈，可以过滤掉信号的高频部分。

图3.2为调频电路的交流等效电路。

变容二极管的接入方式为部分接入，如果去掉与之串联的CC则为全部接入。

图3.1调频信号产生电路

图3.2三点式振荡电路

3.2调制灵敏度

单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度，以Sf表示，单位为kHz/V，即

VΩm为调制信号的幅度；△fm为变容管的结电容变化△Cj时引起的最大频偏。

∵回路总电容的变化量为

在频偏较小时，△fm与△C∑的关系可采用下面近似公式，即

∴p↑△f↑，△Cj↑△f↑。

调制灵敏度式中，△C∑为回路总电容的变化

量；CQ∑为静态时谐振回路的总电容，即

∴C1↓Sf↑△f↑

调制灵敏度Sf可以由变容二极管Cj-v特性曲线上VQ处的斜率kc计算。

Sf越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。

改变CC的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。

3.3增加稳定度的措施：

1、震荡回路参数LC

显然LC如有变化，必然引起震荡频率的变化，影响LC飞变化的因素有：

元件的机械变形，周围温度变化的影响，适度，气压的变化，因此为了维持LC的数值不变，首先就应选取标准性高的，不易发生机械变形的元件；其次，应尽量维持振荡器的环境温度的恒定，因为当温度变化时，不仅会使LC的数值发生变化，而且会引起电子器件的参数变化，因此高稳定度的振荡器可以封闭在恒温箱（杜瓦瓶）内，LC采用温度系数低的材料制成。

2、温度补偿法

使L与C的变化量与△L与△C的变化量相互抵消以维持恒定的震荡频率，其原理如下：

若回路的损耗电阻r很小，即Q值很高，则振荡频率可以近似的用回路的固有频率f0来表示。

由于外界因素的影响，使LC产生微小的变量△L、△C，因而引起振荡频率的变化为

若选用合适的负温度系数的电容器（电感线圈的温度系数恒为正值），使得△C/C与△L/L互相抵消，则△f可减为零。

这就是温度补偿法。

3、回路电阻

r的大小是由振荡器的负载决定的，负载重时，r大，负载轻时r小，当负载变化时，振荡频率也随之变化。

为了减小r的影响尽量使负载小且稳定，r越小，回路的Q值越高，频率的稳定度也越高，

4、加缓冲级

为了减弱后级电路对主振器的影响，可在主振器后面加入缓冲级。

所谓缓冲级，就是实际上是一级不需要推动功率的放大器（工作于甲类）。

5、有源器件的参数

晶体管为有源器件时，若他的工作状态（电源电压或周围温度等）有所改变，则晶体管的h参数会发生变化，即引起振荡频率的改变。

为了维持晶体管的参数不变，应该采用稳压电源，和恒温措施。

6、采用高稳定度LC振荡电路

例如采用克拉泼电路如图3.2所示：

C1>>C3,C2>>C3,Cb为基极耦合电容，C3为可变电容，他的作用是把L与C1，C2分隔开，使反馈系数仅取决于C1，C2的比值，振荡频率基本上由L和C3决定。

这样，C3就减弱了晶体管与振荡电路之间的耦合，使折算到回路内的有源器件的参数减小，提高了频率的稳定度，另一方面，不稳定电容（如分布电容）则与C1，C2并联，基本上不影响震荡频率。

C3越小，则频率的稳定度越好，但起振也就越困难。

因此C3也不能无限制的减小。

4各单元电路元器件参数设置：

4.1LC震荡电路直流参数设置：

ICQ一般为（1~4）mA。

ICQ偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。

取ICQ=2mA。

取VCEQ=1/2VCC=6V。

可以求出Rc+Re=3KΩ，取Rc=2KΩ，Re=1KΩ；

β=60，IBQ=β×IBQ，为使减小IBQ对偏执电阻的电位偏执效果的影响，取RB1和RB2上流过的电流IB>>IBQ，取RB1=28KΩ，RB2=8.2KΩ。

4.2调频电路的直流参数设置

根据BB910数据手册提供的变容二极管的Cj-v特性曲线（如图1），取变容二极管的正常工作的反向偏置电压为4V，R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压VQ，电阻R3称为隔离电阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以减小调制信号VΩ对VQ的影响。

已知VQ=4V，若取R2=10k，隔离电阻R3=150kΩ。

则R1=20KΩ

4.3交流电路参数设置：

由LC震荡频率的计算公式可求出

，若取C1=100pF，则L1≈10H。

实验中可适当调整L1的圈数或C1的值。

电容C2、C3由反馈系数F及电路条件C1<

，则取C3=3000pF，取耦合电容Cb=0.01F。

本题给定变容二极管的型号为2CC1C，已测量出其Cj-v曲线如图1所示。

取变容管静态反向偏压VQ=－4V，由特性曲线可得变容管的静态电容CQ=75pF。

2CC1C属于突变结，γ=0.5，图4为变容二极管部分接入振荡回路的等效电路，接入系数p及回路总电容C∑分别为

为减小振荡回路高频电压对变容管的影响，p应取小，但p过小又会使频偏达不到指标要求。

可以先取p=0.2，然后在实验中调试。

当VQ=－4V时，对应CQ=75pF，则CC18.8pf。

取标称值20pF。

图4.1交流等效电路图

4.4计算调制信号的幅度

为达到最大频偏△fm的要求，调制信号的幅度VΩm，可由下列关系式求出。

由Cj-v曲线得变容管2CC1C在VQ=–4V处的斜率

PF/V,得调制信号的幅度

VΩm=ΔCj/kc=0.92V。

调制灵敏度Sf为

KHz/V

频率稳定度：

△f0/f0≤5×10-4/小时。

∵

γ=1/2时，

∴△f0/f0=KA0≤5×10-4/小时

m≤0.7可以达到要求。

5元器件清单

表5.1元器件清单

电阻

阻值（kΩ）

电容

电容值（pF）

电感

电感值（uH）

RB1

29.8

C1

100

L1

100

RB2

9.18

C2

510

L2

47

Rc

2.37

C3

2200

Re

1.16

C4

33

R1

20（初始值）

C5

4.7×106

R2

10（初始值）

C6

4700

R3

81

Cc

3（初始值）

6测试及结果分析

测试结果

电容Cc

偏置（V）

1.19

1.70

2.39

3.93

4

5.9

7.84

11.87

容值（pF）

谐振频率

3

1.646

1.643

1.638

1.67

1.647

1.635

1.637

1.634

5

1.622

1.626

1.623

1.665

1.634

1.628

1.626

1.625

33

1.571

1.572

1.572

1.658

1.582

1.586

1.567

1.567

330

1.522

1.526

1.518

1.653

1.531

1.516

1.516

1.519

本征频率

1.685

1.685

1.685

1.685

1.685

1.685

1.685

1.685

参考文献

1：

李银华电子线路设计指导北京航空航天大学出版社2005.6

2：

谢自美电子线路设计·试验·测试华中科技大学出版社2003

3：

张肃文高频电子电路高等教育出版社2004.11

4：

阳昌汉高频电子电路哈尔滨工程大学出版社2001

4：

张凤言电子电路基础高等教育出版社1995

5：

阳昌汉高频电子线路学习与解题指导哈尔滨工程大学出版2004

6：

杨翠娥高频电子线路实验与课程设计哈尔滨工程大学出版社2001

7：

罗伟雄通信原理与电路北京理工大学出版社1999

附录

图0.1调频电路原理图