半導(dǎo)體物理器件實驗

1、1方案選擇：產(chǎn)生調(diào)頻信號的電路叫做調(diào)頻器，對他有4個主要的要求： 已調(diào)波的瞬時頻率與調(diào)制信號成比例變化。 未調(diào)制時的載波頻率即已調(diào)波的中心頻率具有一定的穩(wěn)定度。 最大頻偏與調(diào)制頻率無關(guān)。 無寄生調(diào)幅或寄生調(diào)幅盡量小。產(chǎn)生調(diào)頻的方法主要歸納為兩類：1 用調(diào)制信號直接控制載波的瞬時頻率直接調(diào)頻。2先將調(diào)制信號積分，然后對載波進行調(diào)相，結(jié)果得到調(diào)頻波間接調(diào)頻。變?nèi)荻O管調(diào)頻的主要優(yōu)點是能夠獲得較大的頻移（相對于間接調(diào)頻而言），線路簡單，并且?guī)缀醪恍枰{(diào)制功率，其主要缺點是中心頻率的穩(wěn)定度低。在滿足設(shè)計的各項參數(shù)的基礎(chǔ)上盡量簡化電路。因此本次課程設(shè)計采用BB910變?nèi)荻O管進行直接調(diào)頻電路設(shè)計。2調(diào)頻

2、電路設(shè)計原理分析2.1FM調(diào)制原理：FM調(diào)制是靠信號使頻率發(fā)生變化，振幅可保持一定，所以噪聲成分易消除。設(shè)載波,調(diào)制波?；?，此時的頻率偏移量f為最大頻率偏移。最后得到的被調(diào)制波 , V m 隨Vs的變化而變化。為調(diào)制系數(shù)2.2變?nèi)荻O管直接頻率調(diào)制的原理：變?nèi)荻O管是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓變化這一特性制成的一種半導(dǎo)體二極管，它是一種電壓控制可變電抗元件，它的結(jié)電容Cj與反向電壓VR存在如下關(guān)系：式中，VD為PN結(jié)的勢壘電壓（內(nèi)建電勢差），Cj0為VR為0時的結(jié)電容，為系數(shù)，它的值隨半導(dǎo)體的摻雜濃度和PN結(jié)的結(jié)構(gòu)不同而異：對于緩變結(jié)，=1/3；突變結(jié)：=1/2;對于超突變結(jié)，=14，

3、最大可達6以上。圖2.1 變?nèi)荻O管的Cj-v特性曲線變?nèi)荻O管的Cj-v特性曲線如圖2.1所示。加到變?nèi)荻O管上的反向電壓包括直流偏壓V0和調(diào)制信號電壓V(t)=Vcost，即。結(jié)電容在vR(t)的控制下隨時間的變化而變化。把受到調(diào)制信號控制的變?nèi)荻壒芙尤胼d波振蕩器的振蕩回路，則振蕩回路的頻率已收到調(diào)制信號的控制。適當選擇調(diào)頻二極管的特性和工作狀態(tài)，這樣就實現(xiàn)了調(diào)頻。設(shè)電路工作在線性調(diào)制狀態(tài)，在靜態(tài)工作點Q處，曲線的斜率為2.3三極管的參數(shù)3單元電路設(shè)計分析3.1LC振蕩電路本電路采用常見的電容三點式震蕩電路實現(xiàn)LC振蕩，如圖3.1，簡便易行，變?nèi)荻O管電容作為組成LC振蕩電路的一部分，電

4、容值會隨加在其兩端的電壓的變化而變化，從而達到了變頻的目的。Rc，Re，RB1，RB2設(shè)置LC震蕩電路的靜態(tài)工作點，L1，C1構(gòu)成LC震蕩電路，CC,DC接入LC振蕩電路改變振蕩頻率構(gòu)成調(diào)頻電路。R1、R2、R3提供變?nèi)荻O管工作所需的直流偏置。信號V從C5接入，電感L2是一低通線圈，可以過濾掉信號的高頻部分。圖3.2為調(diào)頻電路的交流等效電路。變?nèi)荻O管的接入方式為部分接入，如果去掉與之串聯(lián)的CC則為全部接入。圖3.1調(diào)頻信號產(chǎn)生電路圖3.2三點式振蕩電路3.2調(diào)制靈敏度單位調(diào)制電壓所引起的最大頻偏稱為調(diào)制靈敏度，以Sf表示，單位為 kHz/V，即Vm為調(diào)制信號的幅度；fm為變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容變化

5、Cj時引起的最大頻偏。回路總電容的變化量為在頻偏較小時，fm與C的關(guān)系可采用下面近似公式，即 pà f ，Cjà f 。 調(diào)制靈敏度 式中，C為回路總電容的變化量；CQ為靜態(tài)時諧振回路的總電容， 即 C1àSfà f調(diào)制靈敏度Sf可以由變?nèi)荻O管Cj-v 特性曲線上VQ處的斜率kc計算。Sf越大，說明調(diào)制信號的控制作用越強，產(chǎn)生的頻偏越大。 改變CC的值可以使變?nèi)荻O管的工作點調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。3.3增加穩(wěn)定度的措施：1、 震蕩回路參數(shù)LC顯然LC如有變化，必然引起震蕩頻率的變化，影響LC飛變化的因素有：元件的機械變形，周圍溫度變化的影響，適度，氣壓的變化

6、，因此為了維持LC的數(shù)值不變，首先就應(yīng)選取標準性高的，不易發(fā)生機械變形的元件；其次，應(yīng)盡量維持振蕩器的環(huán)境溫度的恒定，因為當溫度變化時，不僅會使LC的數(shù)值發(fā)生變化，而且會引起電子器件的參數(shù)變化，因此高穩(wěn)定度的振蕩器可以封閉在恒溫箱（杜瓦瓶）內(nèi)，LC采用溫度系數(shù)低的材料制成。2、 溫度補償法使L與C的變化量與L與C的變化量相互抵消以維持恒定的震蕩頻率，其原理如下：若回路的損耗電阻r很小，即Q值很高，則振蕩頻率可以近似的用回路的固有頻率f0來表示。由于外界因素的影響，使LC產(chǎn)生微小的變量L、C，因而引起振蕩頻率的變化為若選用合適的負溫度系數(shù)的電容器 （電感線圈的溫度系數(shù)恒為正值）， 使得C/C與L

7、/L互相抵消，則f可減為零。這就是溫度補償法。3、 回路電阻r的大小是由振蕩器的負載決定的，負載重時，r大，負載輕時r小，當負載變化時，振蕩頻率也隨之變化。為了減小r的影響盡量使負載小且穩(wěn)定，r越小，回路的Q值越高，頻率的穩(wěn)定度也越高，4、 加緩沖級為了減弱后級電路對主振器的影響，可在主振器后面加入緩沖級。所謂緩沖級，就是實際上是一級不需要推動功率的放大器（工作于甲類）。5、 有源器件的參數(shù)晶體管為有源器件時，若他的工作狀態(tài)（電源電壓或周圍溫度等）有所改變，則晶體管的h參數(shù)會發(fā)生變化，即引起振蕩頻率的改變。為了維持晶體管的參數(shù)不變，應(yīng)該采用穩(wěn)壓電源，和恒溫措施。6、 采用高穩(wěn)定度LC振蕩電路例

8、如采用克拉潑電路如圖3.2所示：C1>>C3,C2>>C3,Cb為基極耦合電容，C3為可變電容，他的作用是把L與C1，C2分隔開，使反饋系數(shù)僅取決于C1，C2的比值，振蕩頻率基本上由L和C3決定。這樣，C3就減弱了晶體管與振蕩電路之間的耦合，使折算到回路內(nèi)的有源器件的參數(shù)減小，提高了頻率的穩(wěn)定度，另一方面，不穩(wěn)定電容（如分布電容）則與C1，C2并聯(lián)，基本上不影響震蕩頻率。C3越小，則頻率的穩(wěn)定度越好，但起振也就越困難。因此C3也不能無限制的減小。4 各單元電路元器件參數(shù)設(shè)置：4.1LC震蕩電路直流參數(shù)設(shè)置：ICQ一般為(14)mA。ICQ偏大，振蕩幅度增加，但波形失真加

9、重，頻率穩(wěn)定性變差。取ICQ=2mA。取VCEQ=1/2VCC=6V?？梢郧蟪鯮c+Re=3K，取Rc=2K，Re=1K；=60，IBQ=×IBQ，為使減小IBQ對偏執(zhí)電阻的電位偏執(zhí)效果的影響，取RB1和RB2上流過的電流IB>>IBQ，取RB1=28K，RB2=8.2K。4.2調(diào)頻電路的直流參數(shù)設(shè)置根據(jù)BB910數(shù)據(jù)手冊提供的變?nèi)荻O管的Cj-v特性曲線（如圖1），取變?nèi)荻O管的正常工作的反向偏置電壓為4V，R1與R2為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時的反向直流偏置電壓VQ，電阻R3稱為隔離電阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以減小調(diào)制信號V對VQ的影響。

10、已知 VQ=4V，若取 R2=10kW ，隔離電阻R3=150k。則R1=20K4.3交流電路參數(shù)設(shè)置：由LC震蕩頻率的計算公式可求出，若取C1=100pF，則L110mH。實驗中可適當調(diào)整L1的圈數(shù)或C1的值。電容C2、C3由反饋系數(shù) F 及電路條件C1<<C2，C1<<C3 所決定，若取C2=510 pF，由，則取 C3=3000 pF，取耦合電容 Cb=0.01mF。本題給定變?nèi)荻O管的型號為2CC1C，已測量出其Cj-v 曲線如圖1所示。取變?nèi)莨莒o態(tài)反向偏壓VQ=4V，由特性曲線可得變?nèi)莨艿撵o態(tài)電容CQ=75pF。2CC1C屬于突變結(jié)，=0.5，圖4為變?nèi)荻O管

11、部分接入振蕩回路的等效電路，接入系數(shù)p及回路總電容C分別為為減小振蕩回路高頻電壓對變?nèi)莨艿挠绊懀?p應(yīng)取小，但p過小又會使頻偏達不到指標要求?？梢韵热=0.2，然后在實驗中調(diào)試。當VQ=4V時，對應(yīng)CQ=75pF，則CC» 18.8 pf 。取標稱值20pF。圖4.1交流等效電路圖4.4計算調(diào)制信號的幅度為達到最大頻偏fm的要求，調(diào)制信號的幅度Vm，可由下列關(guān)系式求出。由Cj-v 曲線得變?nèi)莨?2CC1C 在VQ= 4V 處的斜率PF/V,得調(diào)制信號的幅度Vm=Cj / kc= 0.92V。調(diào)制靈敏度Sf 為KHz/V頻率穩(wěn)定度：f0/f05×10-4/小時。=1/2時，

12、f0/f0=KA05×10-4/小時m0.7可以達到要求。5 元器件清單表5.1 元器件清單電阻阻值(k)電容電容值（pF）電感電感值(uH)RB129.8C1100L1100RB29.18C2510L247Rc2.37C32200Re1.16C433R120(初始值)C54.7×106R210(初始值)C64700R381Cc3(初始值)6 測試及結(jié)果分析測試結(jié)果電容Cc偏置(V)1.191.702.393.9345.97.8411.87容值(pF)諧振頻率31.6461.6431.6381.671.6471.6351.6371.63451.6221.6261.6231.6651.6341.6281.6261.625331.5711.5721.5721.6581.5821.5861.5671.5673301.5221.5261.5181.6531.5311.5161.5161.519本征頻率 1.6851.6851.6851.6851.6851.6851.6851.685參考文獻1：李銀華電子線路設(shè)計指導(dǎo)北京航空航天大學(xué)出版社2005.62：謝自美電子線路設(shè)計·試