变容二极管调频电路课程设计剖析

1、南华大学通信线路设计报告变容二极管调频电路设计姓名：王佳杰学号：20114400218专业班级：通信1102班指导老师：邓胫君所在学院：电气工程学院2014年6月12日摘要随着电子与通信技术的不断进步，各种新兴电子产品的开发速度越来越快。现代计算机技术和微电子技术的进一步结合和发展使得电子电路和通信线路出现了二个分支。一个是朝着更高集成度的集成电路发展：而另一个是利用分立元件和硬件描述语言对新型器件进行专门设计。调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。调频电台的频带通常大约是200250kHz,其频带宽度是调幅电台的数十倍，便于传送高保真立体声信号。由于调幅波受到频带宽度的

2、限制，在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾，因此音频信号的频率局限于308000Hz的范围内。在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至3015000Hz,使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。目前，应用最广泛的是采用变容二极管直接调频技术，即利用二极管反偏工作的PN结呈现的势垒电容，它与回路中的电感共同构成振荡器的振荡回路，从而作为振荡频率直接调频电路。它具有工作频率高、固有损耗小和使用方便等优点。变容二极管为特殊二极管的一种。当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN（正负极）接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电

3、流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。在变容二极管直接调频电路中，变容二极管作为一压控电容接入到谐振回路中，有所学的正弦波振荡器章节中，我们知道振荡器的振荡频率由谐振回路的谐振频率决定。因此，当变容二极管的结电容随加到变容二极管上的电压变化时，由变容二极管的结电容和其他回路元件决定的谐振回路的谐振频率也就随之变化，若此时谐振回路的谐振频率与加到变容二极管上的调制信号呈线性关系，就完成了调频的功能，这也是变容二极管调频的原理。目录1系统方案论证51.1 电路设计原理51.2 电路的设计方案51.3 电路设计51.4 主振电路设计原理分析71.5 变容二极管直接调频电路设计原理分析71.6 调频信

4、号分析91.7 变容二极管直接调频电路92电路工作分析112.1 谐振回路总电容112.2 调制灵敏度113电路元器件参数123.1 振荡回路参数LC.123.2 温度补偿法123.3 回路电阻113.4 加缓冲级123.5 有源器件的参数134电路元器件参数设置134.1 LC震荡电路直流参数设置134.2 变容管调频电路参数设置134.3 T2管参数设置114.4 调制信号的幅度计算1445元器件清单136电路仿真结果137课程设计心得与体会138主要参考文献13附件1电路仿真原理图13附件2PCES131 .系统方案论证1.1 电路设计原理变容二极管为特殊二极管的一种。当外加顺向偏压时，

5、有大量电流产生，PN（正负极）接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。在变容二极管直接调频电路中，变容二极管作为一压控电容接入到谐振回路中，有所学的正弦波振荡器章节中，我们知道振荡器的振荡频率由谐振回路的谐振频率决定。因此，当变容二极管的结电容随加到变容二极管上的电压变化时，由变容二极管的结电容和其他回路元件决定的谐振回路的谐振频率也就随之变化，若此时谐振回路的谐振频率与加到变容二极管上的调制信号呈线性关系，就完成了调频的功能，这也是变容二极管调频的原理。1.2 电路的设计方案变容二极管

6、直接调频电路由于变容二极管的电容变化范围大，因而工作频率变化就大，可以得到较大的频偏，且调制灵敏度高、固有损耗小、使用方便、构成的调频器电路简单。因而变容二极管直接调管频器是一种应用非常广泛的调频电路。1.3 电路设计变容二极管调频电路主要是由主振电路和变容二极管直接调频电路构成，电路如图所示。不加调制信号加入调制信号1.4 主振电路设计原理分析端口通过滤直电容C82输入频率为1KHz大小为200mv的调制信号，并且频率由零慢慢增大，端口12输出调频信号。T1,T2为3DG12CE极管，C9C10C7、L4、CC1C8为主振回路，D1为Bb910变容二极管。为了减小三极管的极问电容Ge、Coe

7、、Gb这些不稳定电容对振荡频率的影响，要求C9>C7,C10>C7且C7越小，这种影响就越小，回路的标准性也就越高。则回路的谐振频率是本电路采用常见的电容三点式振荡电路实现LC振荡，简便易行。式中，L为LC振荡电路的总电感量，C为振荡电路中的总电容，主要取决于C3C7、C&Cc1及变容二极管反偏时的结电容Cj0,变容二极管电容Cj作为组成LC振荡电路的一部分，电容值会随加在其而端的电压的变化而变化，从而达到变频的目的。R4R5R&R7和W2H节并设置电容三点式振荡器中T1管的静态工作点，R&R9R10调节并设置T2管的静态工作点，C7、C9C10以及L4、C

8、C1C8构成LC振荡电路。电容三点式振荡器电路等效电路如下图所示。T7L"?1.2uHIT3t111C9/100PF3DG12C6_C10-p330pF电容三点式振荡器等效电路1.5 变容二极管直接调频电路设计原理分析图1.1中，直接调频电路由变容二极管（Bb910）D1,耦合电容C1、C3C82,偏置电C阻R1、R2,隔离电阻R3和电位器W1构成。接入系数p=C3,（C3由不同电容值的C3Cj电容代替，保证接入系数不同）其中等效电路图如下图所示。变容二极管部分接入等效图无调制时，谐振回路的总电容为:CQ7-CaC3CQC3Cq式中Ca=（C8+CC1|C7,（由于C9和C10电容值

9、远大于C7,C9和C10可串联忽略）nlCQ为静态工作点是所对应的变容二极管结电容。调频电路中，R1、R2R3和W1调节并设置变容二极管的反偏工作点电压Vq,调制信号vq经C82和高频扼流圈L1加到二极管上。为了使Vq和vo能有效的加到变容管上，而不至于被振荡回路中L4所短路，须在变容管和L4之间接入隔直流电容C3,要求它对高频接近短路，而对调制频率接近开路。C1为高频滤波电容，要求它对高频的容抗很小，近似短路，而对调制频率的容抗很大，近似开路。信号Vq从端口通过C82输入，C82为隔直电容，滤除输入信号中掺杂的直流成分。电感L1为高频扼流圈，要求它对高频的感抗很大，近似开路，而对直流和调制频

10、率近似短路。对高频而言，L1相当于断路，C3相当于短路，因而C3和二极管D1接入LC振荡电路，并组成振荡器中的电抗分量，等效电路如下左图所示。对直流和调制频率而言，由于C3的阻断，因而Vq和vq可以有效的加到变容管上，不受振荡回路的影响，等效电路如下右图所示。C3直流和调制频率通路1.6 调频信号分析FM调制是靠调频使信号频率发生变化，振幅可保持不变，所以噪声易消除。设载波VcWcmcosw/,调制波Vs=VsmcosWst。则wm*WC0SWst或fm=fc+38s2也t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Vm=Vcmsin6m,Vm随Vs的变化而变化。t%=0Wmdt=Wc

11、t(w/ws)sinwstVm=Vcmsin4:Vcmsinwct(w/ws)sinwst=Vcmsin(wctmsinwst)wfm=Wsfs为调制系数1.7变容二极管直接调频电路变容二极管具有PN结，利用PN结反向偏置时势垒电容随外加反向偏压变化的机理，在制作半导体二极管的工艺上进行特殊处理，以控制半导体的掺杂浓度和掺杂分布，可以使二极管的势垒电容灵敏地随反偏电压变化且呈现较大的变化，这样就制作成了变容二极管。变容二极管的结电容Cj,与在其而端所加反向电压u之间存在着如下关系:Cjo/u1Vb式中，VB为PN结的势垒位差（硅管约为0.7V,错管约为0.3V）,Co为变容二极管在零偏置时的结

12、电容值，n为变容二极管的结电容变化指数，它取决于PN结的杂质分布规律:n=1/3对于缓变结，扩散型管多属此种；n=1/2为突变结，合金型管属于此类。采用特殊工艺制程的超突变结的n在15之间。变容二极管的结电容变化曲线如所示。变容二极管的Cj-u特性曲线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Vq（t）=VQCOsQt,即u=Vq+Vq=Vq+VqmCOsQt（n）将式（n）带入（i）,得Cj二CjoVq+cosQt'1+VbJCjoniVqVb1mcosQtVqVb=CjQ1mcosQt式中,n、为静态工作点的结电容，m=，VmVbVq映结电容调深度的调制指数。结电容在

13、u(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，在静态工作点处，曲线的斜率为=AC/V。2电路工作分析2.1 谐振回路总电容J=Ca.C3CjC3Cj回路总电容变化量2.2 调制灵敏度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,Sf=Afm/VQmVQm为调制信号的幅度；4fm为变容管的结电容变化Cj时引起的最大频偏。在频偏较小时，fm与ACE的关系可采用下面近似公式，即fm1。由一*Jfo2Cq三调制灵

14、敏度fo：CZ2CqtVqm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CC1的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。3电路元器件参数3.1 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

15、）内，LC采用温度系数低的材料制成。3.2 温度补偿法使L与C的变化量与与AC的变化量相互抵消以维持恒定的震荡频率，：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。由于外界因素的影响，使LC产生微小的变量L、因而引起振荡频率的变化，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ac/c与L/L互相抵消，则可减为零。这就是温度补偿法。3.3 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，3.4 加缓冲级

16、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)。3.5 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，则品体管的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。4.电路元器件参数设置4.1 LC震荡电路直流参数设置ICQ一般为14mA若ICQ偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。取IcQ=2mA取VCeq=(1/2)VCc=1.25V0可以求出R11+R4=625,取R11=20QQ,R4=10(n；B=60,IbcfBX

17、Ibq,为使减小EQ对偏执电阻的电位偏执效果的影响，取R6和R7上流过的电流IB>>IBQ,取R6=15©,R7=8.2KQ,W2的可调最大阻值为20K。4.2 变容管调频电路参数设置1由LC震汤频率的计算公式可求出f0=,若取C=Ca=(C8+CC1C7,本次2二，LC实验中可调电容CC1规格为5120pF,计算时取5pF,C7=24pFL4=1.2H。实验中可适当调整CC1的值。电容C9KC10由反馈系数F及电路条件C7<<C9C7<<C10所决定,若取C9=100pF由F=。2/。3=1/81/2,则取C10=330pF,取耦合电容C1=4.

18、7F,C14=0.1uR图1.3为变容二极管部分接入振荡回路的等效电路，接入系数p及回路总电容8分别为C3p=C3CjC-CaC3CjC3Cj为减小振荡回路高频电压对变容管的影响,p应取小，但p过小又会使频偏达不到指标要求。可以先取p=0.2,然后在实验中调试。取C3=30pFC82=330pF电位器W1规格为5K。R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压Vq,电阻R3称为隔离电阻，常取R3>>R2R3>>R1以减小调制信号VQ对VQ的影响。取R2=3.9kQ,隔离电阻R3=180kQ,R1=20KK实际调试时，L1用1.2uH代替，测得C3与L1之间节点对地

19、电压为0.5V,较理论值偏小。R1与R2之间节点对地电压为2.7V。4.3 T2管参数设置对输出电路，为保证T2管正常工作，可取R8=8.2K,R9=10KR10=1.5K取耦合电容C12=33pFC13=0.01uF4.4 调制信号的幅度计算为达到最大频偏fm的要求，调频信号的主振频率和最大频偏fm,可由下列关系式求出。12二LC2CQ三计算以上各式可得fo12MHzfm=±25KHz满足实验要求5.元器件清单名称规格数量备注电阻20K,3.9K,180K,200,100,15K,8.2K,10K,1.5K8.2K2个其余各一个电位器5K,20K各一个电容4.7UF,30PF,0.1UF,330PF,5PF,24PF,100PF,33PF,0.01UF5-12