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变容二极管调频电路课程设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.47M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1 方案选择： 产生调频信号的电路叫做调频器，对他有 4 个主要的要求： 1 已调波的瞬时频率与调制信号成比例变化。 2 未调制时的载波频率即已调波的中心频率具有一定的稳定度。 3 最大频偏与调制频率无关。 4 无寄生调幅或寄生调幅尽量小。 产生调频的方法主要归纳为两类： 1 用调制信号直接控制载波的瞬时频率——直接调频。 2 先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波——间 接调频。 变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移（相对于间接调频 而言），线路简单，并且几乎不需要调制功率，其主要缺点是中心频率的稳 定度低。 在满足设计的各项参数的基础上尽量简化电路。因此本次课程设计采 用 2CC1C 变容二极管进行直接调频电路设计。
    2 调频电路设计原理分析 2.1 FM 调制是靠信号使频率发生变化，振幅可保持一定，所以噪声成分易消 除。 FM 调制原理： 设载波 Vc  Vcm cos tw c ,调制波 Vs  Vsm cos tw s 。 w m  w c  w cos tw 或 s f m  f c  f cos 2 tf s ，此时的频率偏移量△f 为最大频率偏移。 最后得到的被调制波 m V V cm  sin m , V m 随 Vs 的变化而变化。  m dtw m  tw c (  ww s / sin) tw s  t  0 V cm sin[ sin( V  m V  cm V  cm sin  m ( tw  c mtw  c tw s ] / ww s sin tw s sin) ) m  w  w s   f f s 为调制系数 2.2 变容二极管直接频率调制的原理： 变容二极管是利用半导体 PN 结的结电容随反向电压变化这一特性制 成的一种半导体二极管，它是一种电压控制可变电抗元件，它的结电容 Cj 与反向电压 VR 存在如下关系： C j  C 0 j v R V D  1( ) 式中，VD 为 PN 结的势垒电压（内建电势差），Cj0 为 VR 为 0 时的结电容， γ为系数，它的值随半导体的掺杂浓度和 PN 结的结构不同而异：对于缓 变结，γ=1/3；突变结：γ=1/2;对于超突变结，γ=1~4，最大可达 6 以上。
    图 2.1 变容二极管的 Cj-v 特性曲线 变容二极管的 Cj-v 特性曲线如图 2.1 所示。 加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压 V0 和调制信号电压 VΩ(t)=VΩ cosΩt，即 )( tvR  V 0   cos V  t 。 结电容在 vR(t)的控制下随时间的变化而变化。把受到调制信号控制的变容 二级管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡回路的频率已收到调制信号的 控制。适当选择调频二极管的特性和工作状态，这样就实现了调频。设电 路工作在线性调制状态，在静态工作点 Q 处，曲线的斜率为 k ΔΔC  VC 2.3 三极管的参数
    3 单元电路设计分析 3.1 LC 振荡电路 本电路采用常见的电容三点式震荡电路实现 LC 振荡，如图 3.1，简便 易行，变容二极管电容作为组成 LC 振荡电路的一部分，电容值会随加在 其两端的电压的变化而变化，从而达到了变频的目的。 Rc，Re，RB1，RB2 设置 LC 震荡电路的静态工作点，L1，C1 构成 LC 震荡电路，CC,DC 接入 LC 振荡电路改变振荡频率构成调频电路。R1、R2、 R3 提供变容二极管工作所需的直流偏置。信号 VΩ从 C5 接入，电感 L2 是一 低通线圈，可以过滤掉信号的高频部分。图 3.2 为调频电路的交流等效电 路。变容二极管的接入方式为部分接入，如果去掉与之串联的 CC 则为全部 接入。 ＋ VCC * RB1 B RB2 CB RC RE T C1 C C2 E C3 A C4 D Cc L2 L1 ＋ C5 C6 LC 振荡器 图 3.1 v 调频电路 调频信号产生电路 * R1 VQ R2 R3 DC
    3.2 调制灵敏度 图 3.2 三点式振荡电路 单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度，以 Sf 表示，单位为 kHz/V，即 S f  m f  V mΩ VΩm 为调制信号的幅度；△fm 为变容管的结电容变化△Cj 时引起的最大 频偏。∵回路总电容的变化量为 C    2 Cp  j 在频偏较小时，△fm 与△C∑的关系可采用下面近似公式，即 m f  f o 1  2 C  C Q  ∴ p↑ △f ↑ ，△Cj↑ △f ↑。 调制灵敏度 S f  f o 2 C Q    C  V mΩ 式中，△C∑为回路总电容的变化 量；CQ∑为静态时谐振回路的总电容， 即 C  Q C 1  ∴ C1↓Sf↑ △f↑ CC QC C C  C Q 调制灵敏度 Sf 可以由变容二极管 Cj-v 特性曲线上 VQ 处的斜率 kc 计 算。Sf 越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。 改变 CC 的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。
    3.3 增加稳定度的措施： 1、 震荡回路参数 LC 显然 LC 如有变化，必然引起震荡频率的变化，影响 LC 飞变化的因素 有：元件的机械变形，周围温度变化的影响，适度，气压的变化，因此为 了维持 LC 的数值不变，首先就应选取标准性高的，不易发生机械变形的 元件；其次，应尽量维持振荡器的环境温度的恒定，因为当温度变化时， 不仅会使 LC 的数值发生变化，而且会引起电子器件的参数变化，因此高 稳定度的振荡器可以封闭在恒温箱（杜瓦瓶）内，LC 采用温度系数低的 材料制成。 2、 温度补偿法 使 L 与 C 的变化量与△L 与△C 的变化量相互抵消以维持恒定的震荡 频率，其原理如下： 若回路的损耗电阻 r 很小，即 Q 值很高，则振荡频率可以近似的用回 路的固有频率 f0 来表示。 f  f 0  1 2 LC 由于外界因素的影响，使 LC 产生微小的变量△L、△C，因而引起振 荡频率的变化为 f  f  0 L  L  f  0 C   C  1 f 02    L  L  C  C    若选用合适的负温度系数的电容器 （电感线圈的温度系数恒为正 值）， 使得△C/C 与△L/L 互相抵消，则△f 可减为零。这就是温度补偿法。 3、 回路电阻 r 的大小是由振荡器的负载决定的，负载重时，r 大，负载轻时 r 小， 当负载变化时，振荡频率也随之变化。为了减小 r 的影响尽量使负载小且 稳定，r 越小，回路的 Q 值越高，频率的稳定度也越高， 4、 加缓冲级 为了减弱后级电路对主振器的影响，可在主振器后面加入缓冲级。所 谓缓冲级，就是实际上是一级不需要推动功率的放大器（工作于甲类）。
    5、 有源器件的参数 晶体管为有源器件时，若他的工作状态（电源电压或周围温度等）有 所改变，则晶体管的 h 参数会发生变化，即引起振荡频率的改变。为了维 持晶体管的参数不变，应该采用稳压电源，和恒温措施。 6、 采用高稳定度 LC 振荡电路 例如采用克拉泼电路如图 3.2 所示： C1>>C3,C2>>C3,Cb 为基极耦合电容，C3 为可变电容，他的作用是把 L 与 C1，C2 分隔开，使反馈系数仅取决于 C1，C2 的比值，振荡频率基本上由 L 和 C3 决定。这样，C3 就减弱了晶体管与振荡电路之间的耦合，使折算到 回路内的有源器件的参数减小，提高了频率的稳定度，另一方面，不稳定 电容（如分布电容）则与 C1，C2 并联，基本上不影响震荡频率。C3 越小， 则频率的稳定度越好，但起振也就越困难。因此 C3 也不能无限制的减小。 3.4 高频功率放大器设计 晶体管 T1 与高频变压器 Tr1 组成宽带功率放大器，晶体管 T2 与选频 网络 L2、C2 组成丙类谐振功率放器。 晶体管 T1 与 RB1、RB2、RE1、RF 组成的宽带功率放大器工作在甲类 状态。其特点是：晶体管工作在线性放大区。其静态工作点的计算方法与 低频电路相同。 宽带功率放大器集电极的输出功率 PC 为： PC= PH /T 式中，PH 为输出负载上的实际功率；T 为变压器的传输效率，一般T = 0.75~0.85。 ＋ Vi － RB1 * C1 RB2 L10 C10 C11 L1 N1 N2 ＋ ＋VCC C21 L20 C20 ＋ Ｖo － RL L2 N1 N3 C2 N2 T2 Tr2 T1 Tr1 RF RE1 CE1 V i － RE2 CE2 宽带功率放大器 丙类功率放大器 图 3.3 高频功率放大器的设计
    集电极的输出功率 PC 的表达式为 P C  1 2 IV Cm Cm 1  2 2 V Cm  R H 式中，R'H 为集电极等效负载电阻；Vcm 为集电极交流电压的振幅，其表 达式为 V Cm  V CC  RI E1 CQ  V CES 与电压放大器不同的是，功放应有一定的功率增益，对于图３.３所示 电路，宽带功放要为下一级丙类功放提供一定的激励功率，必须将前级输 入的信号进行功率放大，功率增益为 式中 Pi 为功放的输入功率，它与功放的输入电压 Vim 及输入电阻 Ri 的 AP=PC /Pi 关系为 集电极基波电压的振幅 V  im 2 PR i i V C1m  I C1m R p 式中,IC1M 为集电极基波电流的振幅:RP 为集电极负载阻抗。 丙类功放的基极偏置电压–VBE 是利用发射极电流的直流分量 IE0(IE0 IC0)在射极电阻 RE2 上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。 当放大器的输入信号 vi 为正弦波时，集电极的输出电流 iC 为余弦脉冲 波。利用谐振回路 L2C2 的选频作用可输出基波谐振电压 vC1、电流 iC1。
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