放大电路在输入信号
时的方框图。
可改画成图1.4.1
由图可知,若在放大器的输入端<1端)外接一定频率、一定幅度的正弦波信号
经过基本放大器和反馈网络构成的环路传输后,在反馈网络的输出端<2端>,得到反馈信号
与
在大小和相位上都一致,那么就可以去除外接信号
,而将<1)、<2)两端连接在一起(如图中的虚线所示)而形成闭环系统,其输出端可能继续维持与开环时一样的输出信号。
这样由于
便有
或
正弦波振荡器的振荡条件为:
幅度平衡条件:
,
相位平衡条件:
第五节频率稳定度
在工程应用中,要求正弦波振荡电路的振荡频率有一定的稳定度,有必要引用频率稳定度来作为衡量振荡电路的质量指标之一。
频率稳定度一般用频率的相对变化量△f/f0来表示,f0为振荡频率,△f为频率偏移。
频率稳定度有时附加时间条件,如一小时或一日内的频率相对变化量。
各振荡电路频率特性如图1.5.1
图1.5.1振荡电路频率特性
第一章石英晶体
第一节石英晶体基本特性
石英晶体振荡电路之所以具有极高的频率稳定度,主要是由于采用了具有极高Q值的石英晶体元件。
一石英晶体的基本结构
石英晶体是一种各向异性的结晶体,它是硅石的一种,其化学成分是二氧化硅。
从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片称为晶片<可以是正方形、矩形或圆形等>,然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板,就构成石英晶体产品,如图2.1.1所示,一般用金属外壳密封,也有用玻璃壳封装的。
图2.1.1石英晶体结构
二压电效应
若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。
反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。
如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。
它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
第二节石英晶体等效电路
石英晶体的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值(等效于L/C>,因而它的品质因数Q高达10000~500000的范围内。
等效电路中元件的典型参数为:
Co分布电容很小:
几pF~几十pF,L:
几十mH~几百mH,C动态电容:
0.0002pF~0.1pF。
如图2.2.1所示。
由等效电路可知,石英晶体有两个谐振频率,即
图2.1.2石英晶体的符号、等效电路和电抗特性。
<1)L-C-R支路串联谐振
<2)当f>fs时,L-C-R支路呈感性,与Co产生并联谐振。
由于Co>>C,故fP≈fS.
图2.1.3外接可调电容
在实际应用中,通常串入一个用于校正振荡频率的小电容CS,如图2.1.3所示,图电路的电抗为X',则
令上式中的分子为零得<串联谐振):
CS一般采用微调电容,使fs'在fs和fP之间的一个狭窄的范围内调整。
将上式展开成幂级数的形式,并考虑到C<< 因为Co<几pF~几十pF),C<0.0002pF~0.1pF),CS>C,所以振荡频率的相对变化量很小。
串并联石英晶体振荡电路
由英晶体的频率特性可构成两种不同类型的频率高度稳定的正弦波振荡电路:
1)当石英晶体发生串联谐振时,它呈纯阻性,相移是0。
若把石英晶体作为放大电路的反馈网络,并起选频作用,只要放大电路的相移也是0,则满足相位条件。
形成串联型石英晶体正弦波振荡电路。
2)当频率在fs与fp之间,石英晶体呈感性,可将它与两个C构成电容三点式正弦波振荡电路,形成并联型石英晶体正弦波振荡电路。
如图2.1.4
如图2.1.4串并联石英晶体正弦波振荡器
第二章12Mhz石英晶体正弦波振荡器
第一节电路的选择
晶体振荡电路中,与一般LC振荡器的振荡原理相同,只是把晶体置于反馈网络的振荡电路之中,作为一感性元件,与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。
根据实际常用的两种类型,电感三点式和电容三点式。
常用电路简单结构如图3.1.1和3.1.2所示。
由于石英晶体存在感性和容性之分,且在感性荣性之间有一条极陡峭的感抗曲线,而振荡器又被限定在此频率范围内工作。
该电抗曲线对频率有极大的变化速度,亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。
所以他具有很高的稳频能力,或者说具有很高的电感补偿能力。
因此选用c-b型皮尔斯电路进行制作。
图3.1.1c-b型电路图3.1.2b-e型电路
第二节石英晶体振荡器设计
一主要技术指标:
振荡频率:
ƒ。
=12MHz
短期稳定度:
∆ƒ。
/ƒ。
优于士15×10-6
工作环境温度范围:
-40℃~+85℃
电源电压:
+12V
二设计说明
<1)选择电路形式:
选用12MHz皮耳斯c-b型电路如图3.2.1所示
图3.2.112MHz皮尔斯c-b型电路
<2)选择晶体管和石英晶体。
根据设计要求,按公式ƒmax=
ƒT≥(2∽10>ƒH=<24∽120MHz)
选择高频管3DG6C型晶体管作为振荡管。
查手册其参数如下:
ƒT=250MHz;ß≥40,取ß=50;NPN型通用;额压:
20V;Icm=20mA;Po=0.1W;ƒß≈ƒT/ß=5MHz。
石英谐振器可选用HC-49S系列,其性能参数为:
标称频率ƒ。
=12MHz;工作温度:
-40℃~+85℃;25℃时频率偏差:
士3×10-6士30×10-6;串联谐振电阻:
60
;负载电容:
CL=10PF,激励功率:
0.01~0.1mW。
<3)确定直流工作点并计算偏置电路元件参数
根据3DG6C的静态特性曲线选取工作点为:
IE=2mA,Uce=0.6Vcc=0.6×12=7.2V;
取Uc=0.8Vcc=0.8×12=9.6V;Ue=0.2Vcc=0.2×12=2.4V
则有Rc=Re=Ue/IE=2.4/0.002=1.2K
取RB2=5Re=6K
RB1={根据实际的标称电阻值,取Rc、Re、RB1、RB2取精度为1%的金属膜电阻
Rc=Re=1.2K
;RB1=24K
,RB2=6.2K
;
<4)求C1\C2\Ct的电容值在计算时,由下式计算
的值
=26ß/IE=650
根据C1×C2=
=50/{<2π×12×106)×650×1200[1+(ƒ/ƒß>2]½}=4341.3(PF>2
根据负载电容的定义,对于图3.2.1所示的电路可以得出
CL=1/[(1/C1,2>+1/Ct]
式中,C1,2为C1与C2相串联的电容值,由上式可得
C1,2=CtCL/C1,2=CtCL/由反馈系数F=C1/C2和C1,2=C1C2/C1-C2两式联立解,并取F=1/2
则C1=C1,2(1+F>=22.5pF
C2=C1,2(1+1/F>=45pF
根据电容量的标称值,取C1、C2为聚苯乙烯电容,C1=20pF,C2=40pF,C1×C2=20×40=800(PF>2≤4341.3(PF>2
可见该值远小于由C1×C2乘机的极限值,故该电路满足起振条件。
心得体会
这次课程设计历时一个星期多左右,通过这一个星期的学习,发现了自己的很多不足,自己知识的很多漏洞,理论知识还不够扎实。
这次的课程设计也让我看到了个人力量的渺小,我认为一个人工作是很艰难的工作,自己犯了错误是很难发现的,只有等到做完在同学们检查以后才知道还有许多不足之处。
我需要团队,需要合作,需要帮助。
刚开始的时候,按照老师给的任务书,去找了资料,后来又积极的查询了相关资料,自己就动手开始一星期的设计。
在课程设计中一个人知识的有限性往往是导致最终设计的片面,甚至是失败。
而这次设计也正好锻炼我们这一点,这也是非常宝贵的。
在这个过程中,我也曾经因为无从下手,对设计问题的迷茫而失落过,也曾经为成功的画了一个原理图而热情高涨过。
生活就是这样,汗水预示着结果也见证着收获。
劳动是人类生存生活永恒不变的话题。
虽然这只是一次的极简单的课程设计,可是平心而论,也耗费了我不少的心血,这就让我不得不佩服技术编书方面前辈,让我意识到老一辈对我们社会的付出是艰辛的。
通过这次课程设计,我想说:
为完成这次课程设计我们确实很辛苦,但苦中仍有乐,和自己的这一星期一起面对,和同学们一起忙碌的日子,让我们相互帮助,多少人间欢乐在这里洒下。
对我而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。
让我知道了学无止境的道理。
我们每一个人永远不能满足于现有的成就,人生就像在爬山,一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。
挫折是一份财富,经历是一份拥有。
这次课程设计将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!
最后,我要感谢我的高频老师,谢谢老师这一学期来对我的教导。
参考文献:
1、李银华电子线路设计指导北京航天航空大学出版社2005.6
2、谢自美电子线路设计·实验·测试华中科技大学出版社2003.10
3、张肃文高频电子线路高等教育出版社2004.11