高频电子线路Class20

1、高频电子线路王军王军汕头大学电子工程系汕头大学电子工程系7.3 调频电路调频电路7.3.1 直接调频电路直接调频电路1.变容二极管直接调频电路 （1）变容二极管调频原理变容二极管的结电容Cj与在其两端所加反偏电压u之间存在着如下关系:叫超突变结。为突变结，称为缓变结，变容指数，零时的电容值变容二极管在结电压为二极管的势垒电压外加反向电压512/13/1)3 . 0,7 . 0()1 (00CVGeVSuuuuCCij(7-21)0Cj 2 1/3 1/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)2060402468 图712 变容管的Cju曲线 - u +(c) 当设加在变容二极管上的反向电压为静态

2、电压EQ与调制信号电压之和时，即： 00( )cos1111111cos1cos1cosQQjQQQQQQQuEutEUtCCCEuEuuuEuCCCmtmtUtE 因此结电容为：的的调调变变程程度度。受受称称为为电电容容调调制制度度，表表示示态态电电容容，而而是是调调制制信信号号为为零零时时的的静静式式中中 uCEUuEUmuECCjQQQQ )/1(0(7-23)(7-22)(2)变容二极管直接调频性能分析变容二极管直接调频性能分析 Cj为回路总电容(大频偏调制）。 图713为一变容二极管直接调频路,Cj作为回路总电容接入回路。图7-13（b）是图713（a）振荡回路的简化高频电路。Rb2

3、Rb1ReEcCcLCcVDuEQCbLcCjL(a)(b)Cc图713 变容管作为回路总电容全部接入回路 Lc、Cb保证直流通路，阻止高频信号电感三点式振荡器 由此可知,由于变容管上加u(t), 就使得Cj随时间变化（时变电容）,如图714(a)所示。oCjCQtuoCjt(a )off0tCoft(b )off0toft(c )uEQCQEQ图714 变容管线性调频原理此时振荡频率为：2111( )(1cos)(1cos)jQctLCLCmtmt 的的二二极极管管时时。当当采采用用超超突突变变结结2 ttmtmtmcccc coscos)cos1()( 达到了线性调频，如图7-14（c）。

4、(7-24)(7-25)一般情况下,2,这时,式（724）可以展开成幂级数.2coscos.2cos16)2(cos216)2(1.)2cos1(16)2(cos21.)cos8)2(cos21()cos1()(2222222 tttmtmmtmtmtmtmtmtmmcccccc (7-26)造成中心频率的变化或不稳定造成谐波失真222221:(2)16:,22(2)16(2)82()2()2ccmmccmcmfmmccfcQQQQmmmmmkdUdkdUdUEuEuEUEm 中心频率偏移最大角频偏相对频偏二次谐播失真：二次谐波失真系数：调制灵敏度：所以，当和确定后， 就一定，相对频偏是常数，

5、可以通过改变中心|QcE 频率来；在不影响线性的情况下，可以取的小点，以求获的比较大获的较大频偏的灵敏度。因此可以看出，在全接入情况下，有：在全接入时，高频振荡电压也加在了变容二极管上，由于u-Cj 特性的非线性，使的高频电压带来的电容的平均值不一样，因此会带来频率不完全按调制信号变化，中心频率不稳定，也会带来寄生调幅（why?）。因此应避免在低偏压下工作。图7-18是变容管上的电压变化。0Cj直流偏置点高频电压低频调制信号u图718 加在变容管上的电压为什么？为什么？Cj/pF353025201510500.5 0.71.01.52.0U1/VCj/pF40251574321.522.54E

6、Q/V2.55689102030356 7 8 9 10U1 1.5V1V0.5V(a)(b)EQ 2 V2.6 V2.7 V3 V3.3 V3.5 V4 V4.5 V5 V6 V图719变容管等效电容随高频电压振幅和偏压的变化 (a）j随高频振幅U1变化曲线;（b）Cj随E变化曲线 （2）Cj作为回路部分电容接入回路。 在实际应用中,通常2,Cj作为回路总电容将会使调频特性出现非线性,输出信号的频率稳定度也将下降。因此,通常利用对变容二极管串联或并联电容的方法来调整回路总电容C与电压u之间的特性。C2串联Cj和C1并联Cj对频率的影响如图7-15。图 7-15 Cj与固定电容串、 并联后的特

7、性可以看出，可以通过调整串、并电容，实现线性调频，但串联或并联电容后，调制信号的控制能力减弱，最大频偏将减小。jjjCCCCCC在Cj较小时Cj偏离Cj+C大在Cj较大时Cj偏离Cj+C小在Cj较小时Cj偏离Cj+C小在Cj较大时Cj偏离Cj+C大111lnlnln22LCLC 12jjCC 串、并联前:1122jjjjjjCCCCCCC C 并联后:21121122jjjjjjjjjjjjC CCC CCC CCCCCCCCCCC CCCC 串联后:结论之一：通过串、并联可以使得频率稳结论之一：通过串、并联可以使得频率稳定度提高！定度提高！(如果如果Cj为温度等造成的影响为温度等造成的影响)

8、结论之二：通过串、并联可以使得调制信号的结论之二：通过串、并联可以使得调制信号的控制能力减弱控制能力减弱(如果如果Cj为控制信号造成的影响为控制信号造成的影响)调制灵敏度降低调制灵敏度降低1000 pF4.3 k10 k1 k12 H3AG 80D10 pF15 pF15 pF输出12 H33 pFL1000 pF20 H1000 pF1000 pF 12 V22CC1E12 H调制信号输入偏置电压33 pFL15 pF10 pF(a)(b)1000 pF图716 变容二极管直接调频电路举例 （a）实际电路;（b）等效电路 图7-16是一个变容二极管直接调频电路和它的等效电路 将图716（b）

9、的振荡回路简化为下图,这就是变容管部分接入回路的情况。这样,回路的总电容为LC1C2Cj部分接入的振荡回路振荡频率为： 2012122121121220002,01( )(1cos)()(1cos)QQQQQQC CCCCCC CtLCCmtCLCC CCLCCCCmtC 令：即为调制信号为 时的回路电容。QQQQjjCtmCCCCtmCCtmCCCCCCCCC )cos1()cos1()cos1(221221221则总电容为：将上式泰勒展开后得：(7-32)在式(7-32)中1,)1)(1(,)1(24)1(83222111221122221 ppppppCCpCCpppppApAQQ可可以

10、以看看出出， 221222221( )1coscoscoscos 2)22cccctA mtA mtAAmA mtmt2121 /QcQC CLCCC为由静态EQ决定的振荡频率从式（732）可以看出,当Cj部分接入时：2222212222:mccmcccmcA mmpmpAmA m 中心频率偏移最大角频偏相对频偏：二次谐波失真：因此： 部分接入时，最大频偏比全接入时小了p倍，而且p越大，频偏越小。C2越小，C1越大Cj的接入系数也就越小，p也就越大，Cj对整个回路的影响也越小，即调制信号的控制能力减弱，致使频偏变小，但同时整个回路受温度影响也减小，中心频率的稳定度将提高，寄生调幅也将减小(Wh

11、y?)，非线性也会减小。总之： 采用变容二极管LC振荡器实现直接调频时，电路相对简单，但由于晶体管以及变容二极管的非线性作用，以及它们的参数易受环境温度等影响，因此中心频率稳定度不是很高，具有高次谐波失真，同时还会带来寄生调幅，严重时可能会产生间歇振荡等。2. 晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路 为得到高稳定度调频信号, 须采取稳频措施稳频措施, 如增加自动频率微调电路或锁相环路。还有一种稳频的简单方法是直接对晶体直接对晶体振荡器调频振荡器调频。调制信号R3CjR4R2C2C1R5C3R1R6输出EcC2CjC1(a)(b) 图721 晶体振荡器直接调频电路（a）实际电路;（b）交流

12、等效电路 (b)(a)C1C2Cj 这个电路是并联型皮尔斯晶体振荡器，通过变容二极管，使电路的振荡频率在串联和并联频率之间改变。)( 21 )21 (11111010021LqqqqLqqLqjLCCCfpfpffCCCCCCCpCCCC 总并联电容为：晶体的接入系数为：振荡频率为：由于振荡器工作于晶体的感性区，f1只能处于晶体的串联谐振频率fq与并联谐振频率f0之间。由于晶体的相对频率变化范围很窄，只有103104量级，再加上Cj的影响，则可变范围更窄。因此，晶体振荡器直接调频电路的最大频偏非常小（也就意味着调制灵敏度低）。在实际电路中，需要采取扩大频偏的措施。 扩大频偏的方法有两种: 第一

13、种方法是在晶体支路中串接小电感，使总的电抗曲线中呈现感性的工作频率区域加以扩展(主要是频率的低端扩展)。这种方法简便易行，是一种常用的方法，但用这种方法获得的扩展范围有限，且还会使调频信号的中心频率的稳定度有所下降。另一种方法是利用型网络进行阻抗变换，在这种方法中，晶体接于型网络的终端(把大电感变换为一个小的电感)。 晶体振荡器直接调频电路的主要缺点就是相对频偏非常小，但其中心频率稳定度较高，一般可达10的5次方以上。如果为了进一步提高频率稳定度，可以采用晶体振荡器间接调频的方法。3. 张弛振荡器直接调频电路张弛振荡器直接调频电路(通过对非正弦信号进行控制实现调频通过对非正弦信号进行控制实现调

14、频) 通过张弛振荡器，可以获得三角波、方波和锯齿波等调频信号。还可以经过滤波器或波形变换器，再形成正弦调频信号。图722是一种调频三角波产生器的方框图。调制信号控制恒流源发生器,当调制信号为零时,恒流源输出电流为I0; 当有调制电压时,输出电流为I0+I(t),I(t)与调制信号成正比。图722 三角波调频方框图 恒流源发生器反相器调制电压积分器I/C电压比较器-IIab调 频三角波uTI压控开关usuT(a)UminUmaxus0U1U20uTU2U1t0usUmaxUmint(b) 因为比较器具有电压滞后特性，所以，当输出UT=U1时，开关倒向“a”，正向积分，电压上升；当输出UT=U2时

15、，开关倒向“b”，反向积分，电压下降。调制信号控制电流的大小，因此在输出得到调频三角波，而在比较器输出可以得到调频方波。图723 电压比较器的迟滞特性和输入、输出波形 因为：)()(2)()(21)()(2)(2)(2)(12120012121200tukfUUCtkuUUCITftkuIUUCIUUCTUUTCIkuItIIIfc 所以则周期为：频率为： 如要得到正弦调频信号,可在其输出端加波形变换电路或滤波器。（1）幅度为UT，频率为fc三角波的Fourier级数展开式为：.)sin(3sin31)sinsin(8.)5sin513sin31(sin822222 tmttmtUutttUu

16、fcfcTTcccTT 调制后为：（2）采用波形变换 设一个非线性网络,其传输特性为：sin2TomTuuUU tUtTUtTUUUummTTmo sin2sin42sin 则：对每个分量均调频UmuoUmuTuTttuo000UT图724 三角波变为正弦波变换特性 从该图我们还得到什么？一个信号经过一个非线性环节或非线性电路，输出信号的频谱不一定变丰富了或频谱分量不一定变多了！7.3.2 间接调频电路间接调频电路 图725是一个变容二极管调相电路。它将受调制信号控制的变容管作为振荡回路的一个元件。Lc1、Lc2为高频扼流圈,分别防止高频信号进入直流电源及调制信号源中。 高频振荡输入Rb2Rb

17、1Lc1VReCeLC1CVDR2R1EcC3Lc2C2调相信号输 出调制信号输 入图725 单回路变容管调相器 123456ABCD654321DCBAT itleN um berR evisionSizeBD ate:5-Feb-2005 Sheet of File:D :D E SIG N E X PL O R E R 99E X A M PL E SM yD esign5.ddbD raw n B y:icLCCj(a)(b)应该是谐振电路或滤波电路不是振荡电路不是振荡电路, ,而是而是高频小信号放大电路高频小信号放大电路电路有无问题？电路有无问题？c调制电压正向增大电容变小谐振回路中

18、心频率变大调频时我们希望输出的信号幅度不变，该电路如何做到这一点？ 设输入调制信号为Ucost, 则其瞬时频偏(此处为回路谐振频率的偏移)为：tpmQffQffQtmfpf cos22arctancos20600 并联谐振电路的电压、电流间相移为： 上式说明，回路产生的相移按调制信号的规律变化，若调制信号先积分后在加入，则输出信号的频率将随积分前调制信号的规律变化。Page17,(2-16)式式060arctan 22cosfQffQ mQtfp 接下级放大管4703 pF22 k1 pF0.00222 k0.00222 k1 pF0.00247 ku47 k8 V5 pF图726 三级回路级

19、联的移相器 显然，上面这种电路的频偏很小，应该采取扩大频偏措施。图7-26是一种由三级谐振回路组成的调相电路，以便增大频偏(也增大了调制的灵敏度)。7.4 鉴频器与鉴频方法鉴频器与鉴频方法7.4.1 7.4.1 鉴频器鉴频器角调波的解调就是从角调波中恢复出原调制信号的过程。调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器（Frenquency Discriminator,简称FD）。调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器（Phase Discriminator ,简称PD）。鉴频器实际是一个频率电压变换器(f-V转换器)。如图7-26所示。它反映了输出低频调制信号与输入已调信号频率或偏频之间的关系，我们

20、把这种关系叫做鉴频器的鉴频特性。变换器fuofBuomaxuofcfAf(a)(b)图726 鉴频器及鉴频特性 对于鉴频特性，有以下几个重要参数：（1）峰-峰带宽Bm Bm指的是鉴频特性曲线中左右两个输出电压最大值间对应的频率间隔。在这个范围内，要求应该有比较好的线性。因此要想解调失真小，应满足：mmfB 2 (a)(b)（2）鉴频跨导 对鉴频器的另外一个要求,就是鉴频跨导要大。所谓鉴频跨导D,就是鉴频特性在载频处的斜率,它表示的是单位频偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导又叫鉴频灵敏度,用公式表示为：)/(0HzVfddudfduSfoffoDc (7-38)7.4.2 鉴频方法鉴频方法一般有

21、直接鉴频和间接鉴频方法。 直接鉴频：从调频信号中直接恢复出调制信号。如脉冲计数式。 间接鉴频：先对FM信号进行变换和处理，从而间接恢复出调制信号，如波形变换法、锁相环解调PLLDM、调频负反馈解调FM-EBDM、正交鉴频等。1.振幅鉴频法振幅鉴频法 若能将等幅的调频信号变换成振幅也随瞬时频率变化、既调频又调幅的FMAM波,就可以通过包络检波器解调此调频信号。用此原理构成的鉴频器称为振幅鉴频器。所以只要具有在FM信号频率范围内具有频率-电压变换作用的网络都可以获得FM-AM波。其工作原理如图727所示。 图727 振幅鉴频器原理(a)振幅鉴频器框图；(b)变换电路特性 (1) 直接时域微分法 设

22、调制信号为u=f(t), 则调频波为:00( )cos( )( )si( ) n( )cftFMcftFMcfutUtkfddututkUktfdtfd 对此式直接微分可得到一个FM-AM波： (7-40) 显然微分后的电压振幅与瞬时频率成正比。经包络检波器就可以解调出原来的调制信号。图7-28和图7-29分别为微分鉴频原理和一个简单的实际鉴频电路。uouFMu微分电路包络检波uououFMuFMu微分电路包络检波ui(t)EcCuc(t)ii(t)RCcEcRoCouo图729 微分鉴频电路 图728 微分鉴频原理电路有什么问题？电路有什么问题？放大电路为什么采用放大电路为什么采用共基放大电

23、路？共基放大电路？（2）斜率鉴频法）斜率鉴频法 单失谐回路斜率鉴频器uF MuiUouF Mtuit0Uot00( a)Ui0工作区(线性区)fcf0fUitf ( t )fmt( b)0图730 单回路斜率鉴频器uFMuiUouFMtuit0Uot00(a )Ui0工作区(线性区)fcf0fUit f (t ) fmt(b )0uF MuiUouF Mtuit0Uot00( a)Ui0工 作 区 (线 性 区 )fcf0fUitf ( t )fmt( b)0(a)(b)uFMuiUouFMtuit0Uot00(a)Ui0工 作 区 ( 线 性 区 )fcf0fUitf ( t)fmt(b)0

24、uF MuiUouF Mtuit0Uot00( a)Ui0工 作 区 (线 性 区 )fcf0fUitf ( t )fmt( b)0既调频又调幅和调相的信号(FM-PM-AM) 图7-30是一个单失谐回路斜率鉴频器。并联谐振回路的谐振频率f0大于FM信号的中心频率。显然，对输入信号是失谐的，在2fm范围内，并联谐振回路的幅频特性近似为直线（见图7-30(b)。当输入信号频率变化时，回路两端的电压振幅将与频率成正比，实现了FM-AM变换。通过后面的包络检波器，便可恢复出原来的调制信号。 由于谐振特性曲线近似直线的范围非常窄，因此只适用用窄带小频偏的FM信号的解调。双失谐斜率鉴频器一个双失谐斜率鉴

25、频电路如图7-31 所示。uFMf01 fcu1u2Uo1Uo2Uo(a)ff03fcf02t f (t)(b)f02f03图731 双失谐平衡鉴频器 、是两个并联谐振回路平衡包络检波器f02f03fcUofcfff(t)t0A3 ( f )A2 ( f )(b)(c)(d)Bm设电感抽头在中心。则U=U1=U2，因此：)()()()()()(3232322121fAfAUfAfAUkfAUkfAUkUUUdddooo 显然，输出正比与两个谐振回路的幅频特性之差，这个特性正好是一个“S”形鉴频特性，如图7-31（c），而且线性范围要比单失谐鉴频范围宽的多，灵敏度也高。 值得注意的是，三个谐振回

26、路的谐振频率要选择合适，一旦谐振特性差别比较大，或者 f02和 f03相距比较远，则会产生较大失真。可以证明，如选择：7 .07 .003021 .0423BBffffcc 则双失谐鉴频特性的线性范围达到最大。图732 图是731(a)电路的各点波形。t0uFM(a)t0Uo1tUo2(b)(c)tUo(d)00 图732 图731(a)电路的各点波形各自均允许有失真，但两者失真相互补偿即可得到波形良好的解调输出2. 相位鉴频法相位鉴频法 相位鉴频法的原理框图如图734所示。图中的变换电路具有线性的频率相位转换特性，它可以将等幅的调频信号变成相位也随瞬时频率变化的、既调频又调相的FMPM波。然

27、后在通过鉴相电路恢复出调制信号。图734 相位鉴频法的原理框图 相位鉴频法的关键是相位检波器。相位检波器或鉴相器就是用来检出两个信号之间的相位差，完成相位差电压变换作用的部件或电路。设输入鉴相器的两个信号分别为：11122222cos( )cos( )sin( )2cccuUttuUttUtt 同时加于鉴相器，鉴相器的输出电压uo是瞬时相位差的函数，即：21( )( )ouftt (7-41)(7-42)(7-43)（1）乘积型相位鉴频法）乘积型相位鉴频法 利用乘积型鉴相器实现鉴频的方法称为乘积型相位鉴频法或积分(Quadrature)鉴频法。在乘积型相位鉴频器中，线性相移网络通常是单谐振回路

28、(或耦合回路)，而相位检波器为乘积型鉴相器，如图735所示。 us移相网络us低通滤波uoK 图735 乘积型相位鉴频法 产生附加相移，产生附加相移，变成变成FM-PM波波完成鉴相完成鉴相 设移相网络为单谐振回路，乘法器的乘积因子为K，而且： 则经过相乘器后为：1220cos(sin)cossin22cossinarctan()2scfscfcfuUtmtuUtmtQ fUtmtf 12cos 22sincos222sscfKU UKu utmt 012121210121200cos()sin2222sin arctan22sin2offKU UKU UuKU UQ ffKU UKU U Q fQ fff 再经低通滤波器后的输出电压为：(7-44)（2）叠加型相位鉴频法）叠加型相位鉴频法 利用叠加型鉴相器实现鉴频的方法称