半導體物理器件實驗

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。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。在滿足設計的各項參數(shù)的基礎上盡量簡化電路。因此本次課程設計采用 BB910 變?nèi)荻O管進行直接調(diào)頻電路設計。

2、2 調(diào)頻電路設計原理分析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。設載波 VcVcmcoswct ,調(diào)制波 VsVsmcoswst 。wmwcwcoswst 或 f mfcf cos2 fst ，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VmVcm sin m , V m 隨 V s 的變化而變化。tmwmdtwct( w / ws) sin wst01VmVcm sin mVcm sin wct(w / ws) sin wstVcm sin(wctmsin wst )wfm為調(diào)制系數(shù)wsfs2.2變?nèi)荻O管直接頻率調(diào)制的原理：變?nèi)荻?/p>

3、極管是利用半導體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 V R 存在如下關系：C jC j 0vR )(1VD式中， V D 為 PN 結(jié)的勢壘電壓（內(nèi)建電勢差）， Cj0 為 V R 為 0 時的結(jié)電容， 為系數(shù)，它的值隨半導體的摻雜濃度和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，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)=V

4、 2cos t，即vR (t )V0V cost 。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kCCV2.3 三極管的參數(shù)3 單元電路設計分析3.1 LC 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 設置

5、 LC 震蕩電路的靜態(tài)工作點， L 1， 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3部接入。AVRB1*RCC4R1 *C1CcR3CDVQBTC2L 2RCBEL1DCR2B2REC3C5C6vLC 振蕩器調(diào)頻電路圖 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

6、，以Sf 表示，單位為kHz/V ，即fmSfVmV m 為調(diào)制信號的幅度； fm 為變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容變化 Cj 時引起的最大頻偏。回路總電容的變化量為Cp2 Cj在頻偏較小時，f m 與 C 的關系可采用下面近似公式，即4f m1Cfo2CQ p f ， C f 。j調(diào)制靈敏度foC式中， C為回路總電容的變化SfVm2CQCCCQ量； CQ 為靜態(tài)時諧振回路的總電容，即CQ C1CCCQ C1 Sf 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

7、.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，因此為了維持 LC 的數(shù)值不變，首先就應選取標準性高的，不易發(fā)生機械變形的元件；其次，應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

8、 值很高，則振蕩頻率可以近似的用回路的固有頻率 f 0 來表示。1f f 02 LC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5ff 0Lf0C1f 0LCLC2LC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/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

9、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 振蕩電路例如采用克拉潑電路如圖3.2 所示：C1>>C 3,C2>>C 3,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

10、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)設置：4.1LC 震蕩電路直流參數(shù)設置：I CQ 一般為 (14)mA 。I CQ 偏大，振蕩幅度增加，但波形失真加重，頻率穩(wěn)定性變差。 取 I CQ=2mA 。取 V CEQ =1/2VCC=6V ?？梢郧蟪鯮c+Re=3K ，取 Rc=2K ，Re=1K ； =60 ，IBQ= × I BQ，為使減小 IBQ 對偏執(zhí)電阻的電位偏執(zhí)效果的

11、影響，取 RB1 和 RB2 上流過的電流 IB >>I BQ ，取 RB1=28K ， RB2=8.2K 。64.2調(diào)頻電路的直流參數(shù)設置根據(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。 已知 VQ =4V ，若取R2 =10k ，隔離電阻R3=150k 。則 R1=20K 4.3交流電路參數(shù)設置：由 LC 震蕩頻率的計算公式

12、可求出fo1，若取 C1=100pF，2 L1C1則 L110 H。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 FC2 /C3 1/ 8 1/ 2 ，則取 C3=3000 pF，取耦合電容 Cb=0.01 F。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管部分接入振蕩回路的等

13、效電路，接入系數(shù) p 及回路總電容 C 分別為pCcC C1CcCjCcCjCc C j為減小振蕩回路高頻電壓對變?nèi)莨艿挠绊?，p 應取小，但 p 過小又會使頻偏達不到指標要求。可以先取 p=0.2 ，然后在實驗中調(diào)試。 當 V Q= 4V 時，對應 CQ=75pF，則 CC18.8 pf 。取標稱值 20pF。7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f m 的要求， 調(diào)制信號的幅度V m，可由下列關系式求出。fm1foC2CQ由 Cj-v 曲線得變?nèi)莨?2CC1C 在 VQ= 4V 處的斜率kCCj V12.5 PF/V,得調(diào)制信號的幅度V m=Cj / kc= 0.9

14、2V 。調(diào)制靈敏度 Sf為 Sff m V m10.9 KHz/V頻率穩(wěn)定度： f 0/f 0 5× 10-4 /小時。 f 0KA0 f0CcK p2C0Vp2CmCcCjVD V0 =1/2 時， A01 (1)m21 m2416-4 f0/f 0=KA 0 5× 10 /小時5 元器件清單8表 5.1 元器件清單電阻阻值 (k )電容電 容值電感電感 值（ pF）(uH)RB129.8C1100L 1100RB29.18C2510L 247Rc2.37C32200Re1.16C433R120(初始值 )C54.7×106R210(初始值 )C64700R38

15、1Cc3(初始值 )6 測試及結(jié)果分析測試結(jié)果電 容偏 置1.191.702.393.9345.97.8411.87Cc(V)容 值諧 振(pF)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：李銀華電子線路設計