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理论背景参数设计直流工作点分析瞬态分析ICQI_{CQ}ICQ 对起振时间和电压幅度的影响回路电容C2C_2C2，对起振时间、振荡频率的影响。负载电阻RLR_LRL 对起振时间，输出电压幅值的影响理论背景
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【实验目的】
掌握应用电路仿真软件Pspice/Multisim等对高频电容反馈型LC振荡器的仿真设计方法。
掌握高频电容反馈型LC振荡器的直流工作点、反馈系数和负载等变化时对其主要性能如振荡频率、输出电压幅度和起振时间等的影响。
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【实验原理】
高频LC振荡器广泛应用于通信电子系统、射频测试测量仪器、医疗仪器和物体探测装置中，其本质是将直流供电电源的能量转换为交流输出信号，本身不需要外部激励就能自动地实现能量转换，一般由晶体管、选频回路、反馈电路等组成。选频电路采用LC谐振回路的振荡器称为LC振荡器。在通信系统中，LC振荡器可以产生发射机中的载波，或作为接收机的本地振荡器。常用的LC振荡器有电容反馈型和电感反馈型两种类型，其中，电容反馈型振荡器由于高频波形较好，应用更加广泛。
常见的电容反馈型LC振荡器有共基极和共发射极两种结构。共基极组成的典型电路如图1所示，其中L、C1和C2组成振荡回路，Rb1、Rb2为晶体管的直流偏置电阻，Re为发射极电阻，Cb、Cc分别是基极和集电极耦合电容，取值较大，RL为负载电阻。
该振荡器的振荡频率为
f0=12πLCΣ≈12πLC1C2C1+C2f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC_\Sigma}}\approx \frac{1}{2\pi\sqrt{L\frac{C_1C_2}{C_1+C_2}}}f0=2πLCΣ1≈2πLC1+C2C1C21
实际仿真时，由于考虑了晶体管结电容的影响，如集电结电容与C1并联，发射结电容与C2并联，实际电路的电容值要比理论计算值大，故振荡频率会低一些。
该振荡器的反馈系数为
F≈C1C1+C2F \approx \frac{C_1}{C_1+C_2}F≈C1+C2C1
可见，若通过改变C1或C2来改变反馈系数F，振荡频率也将随之改变。
高频LC振荡器的设计涉及晶体管的选型、晶体管直流工作点的选择、振荡频率的计算、反馈系数的确定和输出信号幅度的调整等。
高频振荡器在选择晶体管时与高频小信号放大器类似，尽量选择特征频率fT较高（大于5～10倍的振荡频率）、结电容小一些的晶体管，同时要求晶体管的 b 值不能太小，否则不容易起振。
振荡器在起振时，晶体管需工作在放大状态，其发射结要导通。为了确保能够起振，需要有足够大的增益A，以满足AF > 1的振幅起振条件，F为反馈系数。起振后，振幅逐渐增大，达到稳定的平衡状态时，AF = 1。增益A的大小与晶体管的直流工作点和负载都相关，也关系到输出电压的幅值。
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【实验内容】
用电路仿真软件Pspice/Multisim仿真设计一个高频电容反馈型LC振荡器，满足以下要求：
晶体管采用共基组态；
实现无目测失真的正弦波输出；
振荡频率在15～20MHz15～20MHz15～20MHz之间；
输出电压的幅值不小于2V；
晶体管的ICQ=2～4mAI_{CQ}=2～4mAICQ=2～4mA；
反馈系数F=0.2～0.5F=0.2～0.5F=0.2～0.5；
电源电压VCC为12V；
晶体管推荐采用Q2N2222，其β=255.9β=255.9β=255.9，特征频率fT≈398MHzf_T ≈ 398MHzfT≈398MHz。
参数设计
首先我们控制变量，让L1=1μHL1=1\mu HL1=1μH
之后由：f0=12πLCΣ≈12πLC1C2C1+C2f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC_\Sigma}}\approx \frac{1}{2\pi\sqrt{L\frac{C_1C_2}{C_1+C_2}}}f0=2πLCΣ1≈2πLC1+C2C1C21
可以估算出CΣC_\SigmaCΣ的数量级大概是10−10F10^{-10}F10−10F
之后，由于F≈C1C1+C2F \approx \frac{C_1}{C_1+C_2}F≈C1+C2C1，我们就限定C1:C2=1:2C_1:C_2=1:2C1:C2=1:2，这样F系数一定能满足要求。
静态工作点方面，我设计成：
其他元器件主要是经验数据：
直流工作点分析
直流偏置VB=VCC⋅R2R1+R2=3.3VV_B=\frac{VCC·R_2}{R_1+R_2}=3.3VVB=R1+R2VCC⋅R2=3.3V
静态工作点
ICQ=2.598mA∈(2mA,4mA)I_{CQ}=2.598mA\in(2mA, 4mA)ICQ=2.598mA∈(2mA,4mA)
放大倍数
β=ICQIBQ=2.598mA14.60μA=177.9\beta= \frac{I_{CQ}}{I_{BQ}}=\frac{2.598mA}{14.60\mu A}=177.9β=IBQICQ=14.60μA2.598mA=177.9
工作状态
VBE=3.281V−2.613V=0.668VV_{BE}=3.281V-2.613V=0.668VVBE=3.281V−2.613V=0.668V
VCE=VCC−VE=9.387V>>Vsat=0.3VV_{CE}=VCC-VE=9.387V\gt\gt V_{sat}=0.3VVCE=VCC−VE=9.387V>>Vsat=0.3V
因此可以确定是处于放大区
瞬态分析
图一
图二 傅里叶分析图 指数Y轴
图三 傅里叶分析图 普通Y轴
图三
这里说几个非常重要的细节，就是仿真的参数设计：
Analysis type 分析方式 选择时域分析Run to time 仿真的总时间 选择大概5~10us左右就好 按自己构图的喜好调节Maximum step size 这里一般选择5ns为好
这里如果没有设置，你的波形就会是这个样子：
因此这个设置非常关键！
ICQI_{CQ}ICQ 对起振时间和电压幅度的影响
Re=1.5kΩR_e=1.5k\OmegaRe=1.5kΩICQ=1.749mAI_{CQ}=1.749mAICQ=1.749mA
VCPP=2.71VV_{CPP}=2.71VVCPP=2.71V
t起振时间=1.61ust_{起振时间}=1.61ust起振时间=1.61usRe=2kΩR_e=2k\OmegaRe=2kΩ
ICQ=1.320mAI_{CQ}=1.320mAICQ=1.320mA
VCPP=1.93VV_{CPP}=1.93VVCPP=1.93V
t起振时间=1.83ust_{起振时间}=1.83ust起振时间=1.83usRe=2.5kΩR_e=2.5k\OmegaRe=2.5kΩ
ICQ=1.060mAI_{CQ}=1.060mAICQ=1.060mA
VCPP=1.49VV_{CPP}=1.49VVCPP=1.49V
t起振时间=3.77ust_{起振时间}=3.77ust起振时间=3.77us
对比以上数据，我们可以得到下表：
因此，在一定范围内，ReR_{e}Re与VCPPV_{CPP}VCPP和ICQI_{CQ}ICQ均呈负相关关系，同时与t起振时间t_{起振时间}t起振时间呈现正相关关系。
回路电容C2C_2C2，对起振时间、振荡频率的影响。
600pF波形图 t起振时间=1.31ust_{起振时间}=1.31ust起振时间=1.31us
傅里叶分析 频谱图 f0=14.0MHzf_0=14.0MHzf0=14.0MHz
900pF t起振时间=1.57ust_{起振时间}=1.57ust起振时间=1.57us
傅里叶分析 频谱图 f0=13.4MHzf_0=13.4MHzf0=13.4MHz
1200pF
波形图 t起振时间=1.83ust_{起振时间}=1.83ust起振时间=1.83us
傅里叶分析 频谱图 f0=13.2MHzf_0=13.2MHzf0=13.2MHz
总结
由此可知，在一定范围内，
回路电容C2C_2C2与起振时间t起振时间t_{起振时间}t起振时间呈现正相关，而与振荡频率呈现负相关
又因为F=C1C1+C2F = \frac{C_1}{C_1+C_2}F=C1+C2C1，因此反馈系数FFF与起振时间t起振时间t_{起振时间}t起振时间呈现负相关，而与振荡频率呈现正相关
负载电阻RLR_LRL 对起振时间，输出电压幅值的影响
增大负载电阻RL，观测、记录输出电压的波形，并说明负载增大对起振时间、输出电压幅度的影响。
RL=1.1kΩR_L=1.1k\OmegaRL=1.1kΩ
VCPP=4.83VV_{CPP}=4.83VVCPP=4.83V
t起振时间=1.3ust_{起振时间}=1.3ust起振时间=1.3usRL=1.2kΩR_L=1.2k\OmegaRL=1.2kΩ
VCPP=5.82VV_{CPP}=5.82VVCPP=5.82V
t起振时间=1.23ust_{起振时间}=1.23ust起振时间=1.23usRL=1.3kΩR_L=1.3k\OmegaRL=1.3kΩ
VCPP=6.53VV_{CPP}=6.53VVCPP=6.53V
t起振时间=1.16ust_{起振时间}=1.16ust起振时间=1.16us总结
因此，在一定范围内，RLR_{L}RL与VCPPV_{CPP}VCPP呈现正相关关系，同时与t起振时间t_{起振时间}t起振时间呈现负相关关系
另外值得注意的是，当RLR_LRL上升到一定程度，波形会发生削底失真。
