实验8 LC正弦波振荡器和选频放大电路

实验8 LC 正弦波振荡器和选频放大器1. 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。

2. 实验仪器双踪示波器、信号发生器、交流毫伏表、数字万用表。

3. 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。

4. 实验内容1) 电容三端式LC 振荡器 电路原理电路如图8.1。

这是一个电容三端式LC 振荡器，其简化的原理示意图如图8.2，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流为i F 。

放大器输 出电压为V o =i F X C1，反馈电压为V F =-i F X C ， 反馈系数为221C C V V F 21o F -=-==（1） i F放大器反向输入端的反馈电压为V F =FV o =–(C 1/C 2)V o ，从输出、经反馈到反向输入端、经放大器反向、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V A 大于22，则满足振荡器起振的幅值条件1F A V> ，电路就能起振。

显然，对于图8.1所示电路，通过调整电位器R P2，使放大器A 的放大倍数大于22，该电路就能起振。

若电路起振后，V A 能自动地减小，达到稳定时使1F A V= ，那末，振荡器就能输出幅值稳定的正弦波。

图8.1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V o 较小。

由于1F A V> ，信号在从输出端、经反馈到反向输入端、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V o 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C e 充电，使发射极直流电位上升，从而使V BE 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1F A V = 。

若出现1F A V< ，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V BE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1F A V= 。

称这种性能为自动稳幅性能。

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，Hz ))C C /(C C (L 2/1f 2121+π= （2）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c b C '、ce C 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V B 、V C 、V E ，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底一些。

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8.1接上LC 回路。

取C 1=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R P1），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R P2。

再取C 1=0.047μF ，重复上述实验。

2) LC 选频放大回路电路原理图8.3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LC 1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LC 1并联调谐回路如图8.4(1)。

由于电感有损耗，实际电感 可等效为一个无损耗电感L 1和一个等效电阻RS 的串联，如图8.4(2) 。

L1、R S 、C 1的等效阻抗为11S 1S 11S 1111S 11S 1C j 1L j R C j R C j 1L j R C L C j 1L j R C j 1)L j R (Z ω+ω+ω+ω+ω+=ω+ω+ωω+= （3）记11o C L 1=ω，ξ=ωω-ωωω)(R L j o o S 1o 为广义失谐，1S 1SP C R L R =，11C C 1X ω=， 21C SP 21C SP 1C SP 11X R j1X R j 1jX j 1R Z ξ+-ξ-+ξ+ξ-=ξ+-ξ+=（4） 回路谐振时，Z 1虚部为0，由X C1=–R SP ξ可得谐振频率21o 112S o 212S 2o1o Q 11L C R 1L R -ω=-ω=-ω=ω （5）其中，11S 1C L R 1Q =为L 1C 1谐振回路的品质因数。

当L 1C 1回路的品质因数较大时，回路的谐振频率ω1≈ωo 。

当ω=ωo1时, Z 1虚部为0，用X C1=–R SP ξ代入(4)式，可得Z 1实部1S 1SP 1C R L R Z == (6) 现在可将图8.4(2)改画成图7.4(3)。

将R SP 与R C 并联，就得到了图8.4(4)。

当输入信号频率为L 1C 1并联谐振频率ωo1时，L 1C 1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8.4(4)中的R eq ，放大器放大倍数最大。

若输入信号频率偏离L 1C 1并联谐振频 率ωo1，L 1C 1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。

在本实验中，可如图8.5所示，测量f L 、 f H 。

记谐振时电路的输出电压幅值为V o1，频率为f o1；保持输入信号的幅值不变，降低其频率，当输出电压为0.707V o1时的频率为f L ；再升高输入信号的频率，当输出电压再 为0.707V o1时的频率为f H ，电路的品质因数 为LH 1o f f f Q -=（7）（7）式所示的品质因数是图7.4(4)所示电路的品质因数。

由于Q 可测得，R C 为已知，所以可以估算出电感的等效损耗电阻R SP 、R S 。

设Q=4。

Ω=⨯⨯⨯===--k 41001.010104C L Q R 6311eq（8）由于R eq =R C //R SP ，所以Ω≈-⨯=-=k 545.1841.541.5R R R R R eqC eq C SP （9）由（6）式可得电感的等效损耗电阻R SΩ≈⨯⨯⨯==--9.531001.0185451010C R L R 631SP 1S （10） 对于频率为f o1的输入信号，电路的放大倍数为2P be eq1Vo R )1(r R A +β+β-= （12）实验内容(1) 如图8.3接线。

将输入端短路，R P2=100Ω，调R P1，使V C =6V 。

(2) 用（8）估算R eq ，用（12）式估算A V o1。

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R eq 、电压放大倍数A V o1。

(3) 取信号源频率为谐振频率，调整R P2，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R eq ， 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 、C=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。

5. 思考题1) 绘制图8.1所示电路的交流微变等效电路。

2) 图8.1所示电路起振时要求1F A V > ，稳态时要求1F A V= 。

试述该电路的电压放大倍数能自动调节，以满足上述要求。

3) 您在实验中使用什么方法改善图8.1所示电路的输出波形的？试分析其原因。

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？。