高频电子电路6.3~6.4

1、1 VCO的特点：的特点：瞬时频率随外加控制信号的变化而变化瞬时频率随外加控制信号的变化而变化。 )(tu VCO)(cos)(0dttuktUtufomFM式中：式中：U0m为振荡信号的振幅，为振荡信号的振幅， o :当当 0)( tu时的振荡频率，时的振荡频率，k f为为:VCO控制灵敏度控制灵敏度。 6.3.2 压控振荡器直接调频电路压控振荡器直接调频电路 用调制信号电压控制振荡回路的参数，如回路用调制信号电压控制振荡回路的参数，如回路电容电容C或回路电或回路电感感L，并使振荡频率，并使振荡频率正比于所加调制信号电压，即可实现正比于所加调制信号电压，即可实现调频调频。 在直接调频法中常采

2、用在直接调频法中常采用压控振荡器压控振荡器（Voltage Control Oscillator）作为频率调制器来产生调频作为频率调制器来产生调频(FM)信号信号。VCO中最常用的压控元件：中最常用的压控元件：变容二极管变容二极管 由晶体管和场效应管组成的电抗电路。由晶体管和场效应管组成的电抗电路。 压控振荡器直接调频压控振荡器直接调频：优点优点：可获得较大频偏：可获得较大频偏.缺点缺点：中心频率稳定性差，：中心频率稳定性差，常采用常采用自动频率微调（自动频率微调（automatic frequency control ，AFC）电路来克服）电路来克服载频偏移。载频偏移。通常有：通常有： ，压

3、控振荡器的输出信号即为调频信号。压控振荡器的输出信号即为调频信号。)()(ftukto 2)1(DRoUuCCj 1、变容二极管：变容二极管： 扩散电容扩散电容(diffusion capacitance)正向偏置正向偏置，电容效应比较小。，电容效应比较小。 势垒电容势垒电容(barrier capacitance)反向偏置反向偏置 ，势垒区呈现的电容效应。，势垒区呈现的电容效应。 所以所以为利用为利用PN结的电容，结的电容，PN结应工作在反向偏置状态。结应工作在反向偏置状态。6.3.3 变容二极管直接调频变容二极管直接调频电路电路 （Varactor diode direct FM） PN结

4、反向偏置时，结电容会随外加反向偏压而变化，而专用的结反向偏置时，结电容会随外加反向偏压而变化，而专用的变容二变容二极管极管，是经过特殊工艺处理的（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布），使，是经过特殊工艺处理的（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布），使势势垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变化而呈现较大变化的垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变化而呈现较大变化的压控压控变容元件变容元件。结电容结电容C j与反偏电压与反偏电压uR的关系：的关系：式中式中Co： 0 Ru时的电容值（零偏置电容）时的电容值（零偏置电容）:Ru反向偏置电压，反向偏置电压，UD：PN结势垒电位差。结势垒电位差。 V3 .0:GeV7

5、 .0:Si ：结电容变化指数，通常：结电容变化指数，通常=1/21/3，经特殊工艺制成的超突变结电容，经特殊工艺制成的超突变结电容 =15 可以看出可以看出C j与与uR之间是非线性关系，即之间是非线性关系，即变容二极管属于变容二极管属于非线性电非线性电容容，这种非线性，这种非线性电容电容基本上不消耗能量，产生的噪声量级也较小，是基本上不消耗能量，产生的噪声量级也较小，是较理想的较理想的高效率高效率，低噪声非线性电容低噪声非线性电容。PN结具有电容效应结具有电容效应 3 tmCtmUUCtUUUUUUCUtUUCUtUUCCjQDQQDmDQDDmQDmQjcos1cos11 cos1cos

6、1)cos(10000tUtumcos)(，则结反偏电压：，则结反偏电压： tUUtuUtumQQRcos)()(而结电容：而结电容： 其中：其中： DQjQUUCC10为静态工作点的结电容。为静态工作点的结电容。 QDmUUUm表示表示结电容调制深度的调制指数结电容调制深度的调制指数。 CjuRUQuRtC jtCjQ设在变容二极管上加一个静态工作电压设在变容二极管上加一个静态工作电压 和一个单频调制信号和一个单频调制信号 QU56QUu6.4(43)4 为了突出调频性能的分析，下图只画出了它的高频交流等效为了突出调频性能的分析，下图只画出了它的高频交流等效电路，没有画出直流馈电电路，电路，

7、没有画出直流馈电电路， 2. 变容二极管直接调频的原理电路变容二极管直接调频的原理电路 图中；图中；C3为高频耦合电容为高频耦合电容，C4为耦合隔直电容为耦合隔直电容，LD为高频扼流圈，为高频扼流圈，阻止高频电流经过调制信号源被旁路，右图为振荡器交流等效电路，阻止高频电流经过调制信号源被旁路，右图为振荡器交流等效电路，C j与振荡器回路并联，与振荡器回路并联，R1、R2为为C j的偏置电路，为的偏置电路，为C j提供静态直流提供静态直流偏压偏压 CQERRRU212，而二极管的反偏电压为：，而二极管的反偏电压为： )(tuUuQR+uR-LCjC1C2VTLCjC1C2VTLDC3C4ECR2

8、+u- -R1QU+-5DQoffomfoDQmoooUUk uktUktUUUtmt其中,coscoscos1)(即满足即满足线性线性调频调频。则则 2 当当2 则则 2cos1)(tmto由上电路可知，振荡频率为：由上电路可知，振荡频率为： LC1 ;而而 2121CCCCCCj 为了简化电路分析，如果设为了简化电路分析，如果设： 2121CCCCCj ，则有则有 jCC 所以：有所以：有 20)cos1 ()cos1 (11tmtmLCLCjQj其中：其中： jQoLC1 为未加调制信号为未加调制信号（ 0)( tu）时的振荡频率时的振荡频率， 3、 调频性能分析：调频性能分析：即为调频

9、振荡器的即为调频振荡器的中心中心频率。频率。讨论：讨论：1 设设 =2LC1C2CjVT+uR-36（利用级数展开忽略高次项，（利用级数展开忽略高次项， 2! 2) 1(1)1 (xnnnxxntcosm)12(2!21tcosm21)t(22o )(t 可近似为：可近似为： tttmtmmtmm2coscos)(2cos)12(8cos2)12(81 )(20020020是由是由C ju R的非线性引起的。显然的非线性引起的。显然 om 0（2） 02 mm ：与调制信号有关的最大与调制信号有关的最大频偏频偏，显然，显然 mom 其中：（其中：（1） oom 2)12(8 ：为为中心频率的偏

10、移量中心频率的偏移量.另外，定义另外，定义调频灵敏度调频灵敏度： DQoDQmmmommfUUUUUUUmUk2220调制信号振幅最大角频偏（3） omm 22)12(8 ：由于由于CjuR的非线性作用，使频偏中增加的非线性作用，使频偏中增加了了的谐波分量（的谐波分量（2）而引起的附加频偏，会造成调频接收时的非线性）而引起的附加频偏，会造成调频接收时的非线性失真，失真，应尽量减少这种失真应尽量减少这种失真。36.4(31)1274. 实用变容二极管调频电路实用变容二极管调频电路 （1）L1，C1、C2串联，串联，C3和和反向串联的两个变容二极管反向串联的两个变容二极管，三个支路并联组成电容反馈

11、三个支路并联组成电容反馈三点式振荡电路三点式振荡电路。 (2) 直流偏置电压直流偏置电压-UQ同时加在同时加在两个变容二极管的正极，调制两个变容二极管的正极，调制信号信号 经经L4扼流圈扼流圈加在二极管加在二极管负极上，二个二极管的动态偏负极上，二个二极管的动态偏置为置为： )(tu )()(tuUtuQd （3）两个变容二极管串联后的总电容）两个变容二极管串联后的总电容 2CCjj （4）两变容二极管反向串联，对）两变容二极管反向串联，对高频信号而言，加到高频信号而言，加到 两管的高频电压降低一半，两管的高频电压降低一半，可减弱高频电压对结电压可减弱高频电压对结电压 的影响的影响，另外在高频

12、电压的任一半周内，一个变容管，另外在高频电压的任一半周内，一个变容管 寄生电容增大，而另一个减少，使结电容的变化不对寄生电容增大，而另一个减少，使结电容的变化不对 称性相互抵消，从而削弱寄生调制的影响。称性相互抵消，从而削弱寄生调制的影响。 C1C2L1C3Cj1Cj2C1C3Cj1Cj2uR1R2LeReC2L1CbC4C5C6C7L2L3+- -VT- -UQECL4ud 与与C3串联后接入振荡回路，串联后接入振荡回路， 对振荡回路来说是对振荡回路来说是部分接入，与单二极管直接接入比较，在部分接入，与单二极管直接接入比较，在 相同相同的情况下，的情况下，m值降低。值降低。 jCmf jC8

13、)(10oLqqCCCff 在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采用直接对晶体振荡器调频的方法。用直接对晶体振荡器调频的方法。 6.3.4 晶体振荡器直接调频晶体振荡器直接调频电路电路 1晶体振荡器直接调频原理晶体振荡器直接调频原理右图为并联型右图为并联型Pierce Oscillator，其振荡频率为：，其振荡频率为： )(21 0oLqqCCCff式中：式中：Cq为晶体的动态电容，为晶体的动态电容，C o：晶体的静态电容，：晶体的静态电容， j21LC1C1C11C ， f q：晶体的串联谐振频率：晶体的串联谐振频率

14、。在电路中，当在电路中，当Cj变化时，变化时，CL将变化，从而使晶体振荡器的振荡频率也发生将变化，从而使晶体振荡器的振荡频率也发生变化，如果压控元件变化，如果压控元件Cj受调制电压受调制电压控制，则控制，则Pierce Oscillator就成为就成为一个一个晶体调频振荡器。晶体调频振荡器。)(tu 431010 oqpfff量级，再加上量级，再加上Cj的串联，晶体的的串联，晶体的可调振荡频率更窄可调振荡频率更窄。 C2ClCjJT例如载频为例如载频为40MHZ的晶体调频振荡器，能获得的晶体调频振荡器，能获得最大频偏最大频偏只有只有7.5KHZ，所，所以采用晶体调频振荡器虽然可以获得以采用晶体

15、调频振荡器虽然可以获得较高的频率稳定度较高的频率稳定度，但，但缺点是最大频偏缺点是最大频偏很小很小，实际中需要采用扩大频偏的措施。，实际中需要采用扩大频偏的措施。扩大频偏的方法有两种：扩大频偏的方法有两种：晶体支路中串接小电感；晶体支路中串接小电感； 利用利用型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感 性的工作频率范围。性的工作频率范围。 CoCqLqrq fXqOqfpf11采用倍频混频扩大频偏比较采用倍频混频扩大频偏比较(适用）简单。适用）简单。注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，故只能工作于晶体的串故只能工作于晶体的串联谐

16、振频率联谐振频率f q与并联谐振频率与并联谐振频率f p之间之间，而，而f q与与 f p之间的频率变化范围之间的频率变化范围只有只有6.4(45)9 采用采用串接小电感串接小电感L的方法来扩大调频的频偏的方法来扩大调频的频偏，变容二极管的反向偏压由，变容二极管的反向偏压由EC经稳经稳压管压管VDZ稳压后经稳压后经RZ2=2.4k和和RP1=47k电位器分压后，经电位器分压后，经R=10K电阻加至变容管电阻加至变容管正极。改变正极。改变47K电位器电位器RP1的活动端可以调整变容管的的活动端可以调整变容管的Uo从而改变从而改变Cj ，把调频器把调频器的中心频率调至规定值的中心频率调至规定值。调

17、制信号。调制信号 经电位器经电位器RP2加于变容管加于变容管VD，改变，改变4.7K电位器电位器RP2的活动头，可以调整加在变容二极管上的调制信号电压幅值，的活动头，可以调整加在变容二极管上的调制信号电压幅值，从而获得要求的从而获得要求的频偏频偏。KHzfm102 、 晶体调频振荡器的实际电路晶体调频振荡器的实际电路 ：C1C2CjLJT)(tu-Uo+C5u(t)RP1RP2VDJTCLRb1Rb2C1C2ReC3ECRz2Rz1VDzRC4+- - fXqOqfpfqqqCLf21qqqCLLf）（21扩展频偏。扩展频偏。11101、间接调频法间接调频法 ：高稳定度高稳定度载波振荡器载波振

18、荡器 相位相位调制器调制器积分积分 电路电路多级倍频多级倍频和混频器和混频器宽带宽带 )(tuFM)(tu dttu)( 窄带窄带)(tuFM6.3.5 间接间接调频调频电路电路 但最大频偏小的缺点可以通过但最大频偏小的缺点可以通过多级倍频器后获得符合要求的调频频偏，再配合多级倍频器后获得符合要求的调频频偏，再配合采用混频器变换频率可以得到符合要求的调频波工作范围采用混频器变换频率可以得到符合要求的调频波工作范围。如下图所示。如下图所示 采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得到号进行调相

19、，这样一来就可得到中心频率稳定度高中心频率稳定度高的调频信号。的调频信号。在间接调频时，要获得线性调频必需以线性调相为基础。在间接调频时，要获得线性调频必需以线性调相为基础。但在实现线性调但在实现线性调相时，要求最大瞬时相位偏移相时，要求最大瞬时相位偏移 om30 ，因而线性调相的范围很窄，因而线性调相的范围很窄，因此转换成的因此转换成的调频波的最大频偏调频波的最大频偏 mf 很小很小，即：，即：m f1，这是间接调频，这是间接调频法的主要缺点法的主要缺点.间接调频法就是利用调相的方法来实现调频。间接调频法就是利用调相的方法来实现调频。 11晶体晶体振荡器振荡器调相电路调相电路积分器积分器96

20、倍倍倍频电路倍频电路混频器混频器16倍倍倍频电路倍频电路功率功率放大器放大器调制信号调制信号KHz100KHzMHz688. 46 . 9HzKHz83.48100Hz01500100MHz85.15本振信号本振信号KHzMHz688. 425. 6KHzMHz751008f6.4(45)12R1R2R3R4C1C2C3C4CjL载波输入载波输入 )(tu间接调频的关键电路是间接调频的关键电路是调相器调相器.高稳定度高稳定度 振荡器振荡器 调相器调相器 积分器积分器)(tu )(tuFM )(tu2. 变容二极管调相电路变容二极管调相电路 如果忽略二次方以上各项，可得回如果忽略二次方以上各项，

21、可得回路的谐振频率为路的谐振频率为 ： 将变容二极管接在将变容二极管接在高频放大器高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。管调相电路。 CjLUQ=9V载波输入载波输入调相波调相波 输出输出cos21cos11)(o2ojtmtmLCt 回路的频率偏移为：回路的频率偏移为： tmtt cos2)()(oo 在高在高Q值及谐振回路失谐不大的情况下，并联值及谐振回路失谐不大的情况下，并联LC谐谐振回路电压和电流间的振回路电压和电流间的相位关系相位关系为：为：)(2arctan)(o tQt Oo幅频特性幅频特性 2 2 /6 -/6 当当 /6（或（或30

22、o）时，）时，tan o)(2)( tQt 可得可得:tmQt cos)( 表明表明: :单级单级LC谐振回路在满足谐振回路在满足 /6（30o）的条件下，回路输出电压的相移是与输入调制的条件下，回路输出电压的相移是与输入调制电压电压u(t)成线性关系的。成线性关系的。 如果将调制电压如果将调制电压u(t)先积分后再加在变容二先积分后再加在变容二极管上，则单级极管上，则单级LC谐振回路输出电压的瞬时谐振回路输出电压的瞬时频率频率(t)就与输入调制电压就与输入调制电压u(t)成线性关系，成线性关系，即可实现对调制电压即可实现对调制电压u(t)的的间接调频间接调频。调相波调相波 输出输出载波输入载

23、波输入见书见书11面（面（1-32）66.4(43)133. 实用变容二极管调相电路（实用变容二极管调相电路（放大器放大器） 由晶体管组成单由晶体管组成单LC回路调谐回路调谐放大电路放大电路，电感，电感L、电容、电容C1、C2与变与变容管容管Cj组成并联谐振回路；组成并联谐振回路； ttud)(载波输入载波输入 uFM(t) C3、C4、C5为耦合电容；为耦合电容；LZ为高频扼流圈，以防高频载波被调制信为高频扼流圈，以防高频载波被调制信号源旁路号源旁路; ; R5、R6对电源对电源EC分压后为变容二极管提供静态偏置电压分压后为变容二极管提供静态偏置电压UQ。 放大的载波信号经放大的载波信号经C

24、3耦合输入，调制信号经耦合输入，调制信号经C5耦合输入，调相信耦合输入，调相信号经号经C4耦合输出。耦合输出。如果将调制电压如果将调制电压u(t)先积分后再输入，那么从先积分后再输入，那么从C4耦耦合输出的信号就是对调制电压合输出的信号就是对调制电压u(t)的间接调频波。的间接调频波。 R5R1R3R4R3CbC1CjC3C2C4C5LLZECR6Ce+UQ-6.4(43)146.4 调频波的解调原理及电路调频波的解调原理及电路 15 调频信号的解调是从调频波调频信号的解调是从调频波 中恢复出原调中恢复出原调制信号制信号 的过程，完成的过程，完成调频波解调过程的电路称为频率检波器调频波解调过程

25、的电路称为频率检波器(鉴频鉴频)。)(cos0dttumtUuomFM)(tu 第一种方法，将调频波通过第一种方法，将调频波通过频率频率幅度线性变换网络幅度线性变换网络，将调频波变换将调频波变换成成调频调频调幅波调幅波，再通过包络检波器检测出反映幅度变化的解调电压。再通过包络检波器检测出反映幅度变化的解调电压。把这种鉴频器称为把这种鉴频器称为斜率鉴频器，或称斜率鉴频器，或称振幅鉴频器振幅鉴频器 。 将调频波进行特定的波形变换，根据波形变换特点的不同，将调频波进行特定的波形变换，根据波形变换特点的不同，可归纳以下几种实现方法：可归纳以下几种实现方法： 6.4.1 鉴频方法及其实现模型鉴频方法及其

26、实现模型 1. 1. 鉴频方法鉴频方法 频率频率幅度线幅度线性变换网络性变换网络包络检波器包络检波器utuFMtuFM-AMt16第二种方法，第二种方法，将调频波通过频率将调频波通过频率相位线性变换网络，变换成调频相位线性变换网络，变换成调频调相波，再通过鉴相器检测出反映相位变化的解调电压。调相波，再通过鉴相器检测出反映相位变化的解调电压。把这种鉴频把这种鉴频器称为器称为相位鉴频器相位鉴频器 。第三种方法，是随着近年来集成电路的广泛应用，在集成电路调频第三种方法，是随着近年来集成电路的广泛应用，在集成电路调频机中较多采用的机中较多采用的移相乘积鉴频器移相乘积鉴频器。它是将输入。它是将输入FM信

27、号经移相网络信号经移相网络后生成与后生成与FM信号电压正交的参考信号电压，它与输入的信号电压正交的参考信号电压，它与输入的FM信号电信号电压同时加入相乘器，相乘器输出再经低通滤波器滤波后，便可还原压同时加入相乘器，相乘器输出再经低通滤波器滤波后，便可还原出原调制信号。出原调制信号。 频率频率相位线相位线 性变换网络性变换网络 相位检波器相位检波器uFMuFM-PMu 相乘器相乘器 低通滤波器低通滤波器uFMu 90o移相网络移相网络第四种方法，第四种方法，先将调频波通过非线性变换网络，变换为先将调频波通过非线性变换网络，变换为调频脉冲序调频脉冲序列列，该脉冲序列含有反映该调频信号瞬时频率变化的

28、平均分量该脉冲序列含有反映该调频信号瞬时频率变化的平均分量，因，因而通过低通滤波器便可得到反映平均分量变化的解调电压。也可将而通过低通滤波器便可得到反映平均分量变化的解调电压。也可将调频脉冲序列通过脉冲计数器，直接得到反映瞬时频率变化的解调调频脉冲序列通过脉冲计数器，直接得到反映瞬时频率变化的解调电压。将这种鉴频器称为电压。将这种鉴频器称为脉冲计数式鉴频器。脉冲计数式鉴频器。 非线性变换网络非线性变换网络低通滤波器或低通滤波器或脉冲计数器脉冲计数器uFM调频脉调频脉冲序列冲序列u172. 鉴频器的主要特性鉴频器的主要特性 能全面描述鉴频器主要特性的是能全面描述鉴频器主要特性的是鉴频特性曲线鉴频

29、特性曲线。它是指鉴频器的输。它是指鉴频器的输出电压出电压uo(t)与其输入与其输入FM信号瞬时频偏信号瞬时频偏(t)或或f(t)之间的关系曲线之间的关系曲线 fofuo(t)Bm 鉴频器鉴频器)(tuuo ）或或 ()(ftuFMf(t)uo(t)()()(ttuktofo 或：或： )()(2)(tfftukftfofo 由调频信号的特征：由调频信号的特征：)(2)(tuktff 所以：所以：表明：表明：要实现无失真鉴频，要求鉴频器的输出电压要实现无失真鉴频，要求鉴频器的输出电压 与频偏与频偏 成线性关系，上图为典型鉴频特性曲线。成线性关系，上图为典型鉴频特性曲线。 )()(tutuo )(

30、tf （1）定义：鉴频跨导）定义：鉴频跨导 表明了鉴频特性曲线在原点（表明了鉴频特性曲线在原点（）处的斜率，反映了）处的斜率，反映了鉴频灵敏度鉴频灵敏度。显然显然希望希望Sd值应尽可能的大值应尽可能的大。 00|ffffdfudfduS0 f对鉴频特性曲线的对鉴频特性曲线的主要要求主要要求：（2）鉴频器的峰值频带宽度）鉴频器的峰值频带宽度B m ，要求要求B m 应大于输入应大于输入FM波最大频偏摆动波最大频偏摆动范围范围 。 mf 2Bm2fm 单位频偏所产生单位频偏所产生的输出电压要大的输出电压要大)()(tuktff18 FM波波(频幅变换频幅变换)FMAMFMAM(包络检波包络检波)恢

31、复原调制信号恢复原调制信号6.4.2 振幅鉴频器振幅鉴频器（斜率鉴频器（斜率鉴频器slope discriminator）1、失谐（、失谐（detvning）回路振幅鉴频器）回路振幅鉴频器振幅鉴频器的基本原理：振幅鉴频器的基本原理： 频频-幅幅 变换器变换器包络检波器包络检波器)(tuFM)(1AMFMu )(tu 19最简单的频最简单的频幅变换电路就是幅变换电路就是并联谐振回路并联谐振回路，其工作特点：，其工作特点：例例1： 失调单回路振幅鉴频器失调单回路振幅鉴频器FM信号工作在并联谐振回路的失谐区信号工作在并联谐振回路的失谐区，即（，即（），当），当FM波波电流流过回路时，由于瞬时频率随调制信号而变化，电流流过回路时，由于瞬时频率随调制信号而变化，对于不同的瞬时频对于不同的瞬时频偏，失谐回路阻抗不同，回路输出电压偏，失谐回路阻抗不同，回路输出电压 振幅将随瞬时频偏振幅将随瞬时频偏 的变化而变化，即可完成的变化而变化，即可完成 变换。变换。 1uopff )(AMFMFM)(tf f o)(tf 1umf