1、1 实验 8 LC 正弦波振荡器和选频放大电路 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 实 验仪 器 示波器 信 号发 生器 交 流毫伏 表 数字 万用 表 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 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
2、的振 荡电 流为 iF 放大 器输 出电压 为 V o iFXC1 反馈 电 压为 VF iFXC2 反馈系 数为 22 1 C C V V F 2 1 o F 8 1 图 8 1 电容 三端 式 LC 振 荡器 图 8 2 图 8 1 电 路简 化的 原理示 意图 i F V F 2 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 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
3、 1 F 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 RP2 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 1 F 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 Vo 较小 由于 1 F 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 Vo 不 断增 大 在此 过
4、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 下 降 放大 器 A 的放 大 倍数下 降 这时电 路达 到 1 F A V 若出 现 1 F 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 VBE
5、上升 三 极管 Q1 的电 流放 大倍数 上 升 放 大器 A 的 放大倍 数增 大 电 路重 新回 到 1 F 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 1 f 2 1 2 1 8 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
6、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 C b 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 素 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 调整静 态工 作点 按 图 8 1 接好电 路 断开 Cb 将 Rp2 短路 调整 Rp1 使 VC 0 6V 测量电 路的
7、 静态 参 数 VB VE 以及 Rp1 的值 VB V VC V VE V RP1 k 2 8176 6 0111 2 1635 25 965 由实验 1 中式 1 1 可 算得 三极管 139 2 按图 8 1 接 回 Cb 恢复 Rp2 取 C1 0 01 F 调 整 Rp2 测量 记录 输出 波形 的频 率 峰 峰值 再取 C1 0 047 F 重复上 述实 验 C1 F Vopp V 测量 f kHz 理论 f kHz 0 01 8 32 14 4716 16 3 0 047 9 44 10 2976 8 09 当 C1 增大 时 输出 波 的频 率明显 下降 当 C1 0 047
8、F 时 实验 值与 理论 值的 相对误 差比 较 大 可 能是 实验 所 用 电容 不准确 3 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 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 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 L1 和一个 等效 电阻 RS 的 串 联 如 图 8 4 2 L1 RS
9、C1 的 等效 阻 抗为 1 1 S 1 S 1 1 S 1 1 1 1 S 1 1 S 1 C j 1 L j R C j R C j 1 L j R C L C j 1 L j R C j 1 L j R Z 8 3 图 8 3 LC 选频 放大 器 图 8 4 图 8 3 所示 LC 选 频放大 器的 输出 回路 1 2 3 4 Z1 4 记 1 1 o C L 1 R L j o o S 1 o 为广义 失谐 1 S 1 SP C R L R 1 1 C C 1 X 2 1 C SP 2 1 C SP 1 C SP 1 1 X R j 1 X R j 1 jX j 1 R Z 8 4
10、回路谐 振时 Z1 虚部 为 0 由 XC1 RSP 可得 谐振 频 率 2 1 o 1 1 2 S o 2 1 2 S 2 o 1 o Q 1 1 L C R 1 L R 8 5 其中 1 1 S 1 C L R 1 Q 为 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 o1 o 当 o1 时 Z1 虚部为 0 用 XC1 RSP 代入 8 4 式 可得 Z1 实部 1 S 1 SP 1 C R L R Z 8 6 现在可 将 图 8 4 2 改 画成 图 8 4 3 将 RSP 与 RC 并 联 就得 到了 图 8 4 4 当输入
11、信号 频率 为 L1C1 并 联谐振 频率 o1 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 8 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 o1 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 在本实 验中 可 如 图 8 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
12、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 L H 1 o f f f Q 8 7 8 7 式所 示的品 质因 数 是图 8 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 k 4 10 01 0 10 10 4 C L Q R 6 3 1 1 eq 8 8 由于 Req RC RSP 所 以 k 545 18 4 1 5 4 1 5 R R R R R eq C eq C SP 8
13、 9 图 8 5 二阶 谐振 回路 的幅 频特性 曲线 f L f H V o V o1 0 707V o1 f 5 由 8 6 式 可得电 感的 等 效损耗 电 阻 RS 9 53 10 01 0 18545 10 10 C R L R 6 3 1 SP 1 S 8 10 对于频 率 为 fo1 的输入 信号 电路 的放 大倍 数为 2 P be eq 1 Vo R 1 r R A 8 11 实验 内容 如图 8 3 接 线 将输 入端 短路 RP2 103 58 调 RP1 使 VC 5 9915V 2 用 8 8 估 算 Req 用 8 11 式 估算 AVo1 测量 其 幅频特 性曲
14、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 fol kHz fH kHz fL kHz Vopp mV AVol 14 3 16 15 12 54 364 36 04 由 实验 数据 可算 得 品质 因数 Q 3 96 Req 3 9 6 k 相对 误差 约 为 1 在 式 8 11 中 rbe rbb 26 IB 3 28k 再 由已测得 139 代入得 理论电压 放大倍 数 为 30 96 实验 相对 误差 为 16 4 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
15、 1 F A V 稳 态时 要求 1 F 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 答 电路 刚起 振时 电 路 输出 Vo 较小 由于 1 F 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 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
16、 流电 位上 升 从 而 使 VBE 下 降 三极 管 Q1 的 电流放 大倍 数 下降 放 大 器 A 的放 大倍 数下 降 这 时电路 达到 1 F A V 若 出现 6 1 F 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 VBE 上升 三 极管 Q1 的电 流 放大倍 数 上升 放 大器 A 的放大 倍数 增大 电 路重 新回到 1 F A V 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 答 减小 C
17、1 的 大小 虽然 减小 C1 会降低 电路 的 放大 倍数 但是 会减小 二 次谐 波 的失真 改善输出 波 形 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 频等效 电路 一般 工作 频率 低 通频 带大 高 频 等效电路 工作 频率 高 有 中心频率 具有 选 频特性 高频 电路 多用作 前置 放大 电路 输出 信号 稳定 增益 需要 保持 足够 大 低频 电路 用 于放大 高 频电路 筛选 过的 信号 用 作后 级放 大 电路 若减小 L C1 的数 值 由于 实验 中不 是理想 三 极 管 三极 管的 分布 参数 如 C b c C b 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 素
