变容二极管调频电路设计

1、 4/4变容二极管调频电路设计 目录 1、方案选择 变容二极管调频方式有两种：间接调频和直接调频。 （1）间接调频 先将调制信号进行积分处理，然后用它控制载波的瞬时相位变化，从而实现间接控制载波的瞬时频率变化的方法，称为间接调频法。 根据前述调频与调相波之间的关系可知，调频波可看成将调制信号积分后的调相波。 这样，调相输出的信号相对积分后的调制信号而言是调相波，但对原调制信号而言则为调频波。这种实现调相的电路独立于高频载波振荡器以外，所以这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳定性可以做得较高，但可能得到的最大频偏较小。 （2）直接调频 用调制信号直接控制振荡器的瞬时频率变化的方法称为直接调频法

2、。如果受控振荡器是产生正弦波的 LC 振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。 可变电抗器件的种类很多，其中应用最广的是变容二极管。作为电压控制的可变电容元件，它有工作频率高、损耗小和使用方便等优点。具有铁氧体磁芯的电感线圈，可以作为电流控制的可变电感元件。此外，由场效应管或其它有源器件组成的电抗管电路，可以等效为可控电容或可控电感。 直接调频法原理简单，频偏较大，但中心频率不易稳定。在正弦振荡器中，若使可控电抗器连接于晶体振荡器中，可以提高频率稳定度，但频偏减小。 在满足设计的各项参数的

3、基础上尽量简化电路。因此本次课程设计采用变容二极管直接调频设计电路。 2、变容二极管直接调频原理 变容二极管调频电路是有主振电路和调频电路构成，如变容二极管调频仿真图，T C、4C、5C、1L为主振回路，D2为变容二极管，Cc为耦合电容隔离直流，为振荡管，3 C为高频滤波电容，7C为耦合电容，1C为旁路电容。6R、8R为变容二极管提供一个6 静态反偏电压，7R 为隔离电阻，1R 、2R 、4R 、5R 给三极管提供一个合适静态工作点。 设调制信号为u (t)=m u cos t,加在二极管上的反向直流偏压为Q V ,Q V 的取值应保证在未加调制信号时振荡器的振荡频率等于要求的载波频率,同时还

4、应保证在调制信号u (t)的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。加在变容二极管上的控制电压为 r u (t)=Q V +m u cos t 式(2-1) 根据式(3-1)可得，相应的变容二极管结电容变化规律为 (1)当调制信号电压u (t)=0时，即为载波状态。此时r u (t)=Q V ，对应的变容二极管结电容为jQ C ，其中 Q j C =)U V 1(C D Q 0j + 式（2-2） (2)当调制信号电压u (t)=m u cos t 时,对应的变容二极管的结电容与载波状态时变容二极管的结电容的关系是 j C =+U t cos U V 1C D m Q 0j 式（2-3） 令

5、m= u /(D U +Q V )为电容调制度,则可得 j C = +)t cos m 1(C jQ 式（2-4） 上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。而变容二极管调频器的瞬时 频率与调制电压的关系由振荡回路决定 无调制时，谐振回路的总电容为 Q C =1C +Q C Q C C C C C + 式（2-5） Q C 为静态工作点所对应的变容二极管节电压。 当有调制时，谐振回路的总电容为： C =1C +j C j C C C C C + 式（2-6） 回路的总电容的变化量为：C C C Q ；频偏与f 的关系:f=1/2*f 0*/C Q 。 由变容二极管部分接入振荡器振荡回路的

6、等效电路。调频特性取决于回路的总电容C ,而C 可以看成一个等效的变容二极管, C 随调制电压u (t)的变化规律不仅决定于变容二极管的结电容C j 随调制电压u (t)的变化,而且还与C 1和C 2的大小有关。因为变容二极管部分接人振荡回路,其中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但其最大频偏要减小。 3、变容二极管直接调频 3.1 变容二极管工作原理 变容二极管又称可变电抗二极管。是一种利用PN 结电容（势垒电容)与其反向偏置电压Vr 的依赖关系及原理制成的二极管。所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术。反偏电压愈大，则结电容愈小。变容二极管具有与衬底材料电阻率有关的串联电阻。主要

7、参量是：零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围（以皮法为单位）以及截止频率等，对于不同用途，应选用不同C 和Vr 特性的变容二极管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。 变容二极管是根据PN 结的结电容随反向电压大小而变化的原理设计的一种二极管。它的极间结构、伏安特性与一般检波二极管没有多大差别。不同的是在加反向偏压时，变容二管呈现较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路

8、的电容量会随调制信号电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。 已知，结电容C j 与反向电压v R 存在如下关系： C j =V v 1C D R 0 j + 式（4-1） 加到变容管上的反向电压，包括直流偏压V 0和调制信号电压 v (t)=V cos t ，如图3.1，即 v R (t)= V 0+V cos t 式（4-2） 此外假定调制信号为单音频简谐信号。结电容在v R (t)的控制下随时间发生变化。 图3.1 用调制信号控制变容二极管结电容 把受到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡频率亦受到调制信号的控制。适当选择变容二极管的特性和工作状态，可以使振荡频

9、率的变化近似地与调制信号成线性关系。这样就实现了调频。 4、电路实现 4.1课程设计指标 (1)主振频率：f 0=12MHz (2)频率稳定度： (3)最大频偏： (4)振荡器输出电压： (5)电源电压：2.5V 4.2元件参数选择 （1）电源电压：2.5V （2）高频三极管采用2N2222（硅NPN 管，C I =600mA ，P=625mW ，ce V =30V ，cb V =60V ，eb V =5V ） （3）变容二极管采用FMMV2109:反向偏置电压为4V ，R6与R8为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压V Q ，电阻R3称为隔离电阻，常取R7R6，R7R8，以减小调制信号V

10、Q 对V Q 的影响。已知V Q =4V ，若取R8=10k ，隔离电阻R7=150k ,则R6=10K 。 （4）LC 振荡器：由公式f 0=LC 21可知，假设L=10uH ，则LC 振荡回路总电容C=18pF,那么C 4取10pF ，C 5取8pF 。 4.3电路设计仿真图 变容二极管直接调频电路仿真图如图4.1。 图4.1 变容二极管直接调频电路仿真图 4.4电路仿真结果 （1）LC振荡器输出频率测量值f0=12MHz。仿真结果如图4.2 图4.2 主振频率测量值f0 (2)输出波形如图4.3。 图4.3 仿真结果输出波形 4.5 PCB如图4.4所示 图4.4 变容二极管PCB图 总

11、结与体会 通过本周的课程设计，我对高频电子线路这门课程有了更深的了解，更值得我开心的是我明白了自身的不足。说起来很惭愧，上了三年大学，学了三年电子，发觉自己竟然连一只三极管还没有学会。以前上课总是抱着不求甚解的心态去学习，结果发现真没学到多少东西，很多曾经觉得学会的东西在实际应用的时候就成了文盲了。看来做什么都要有追根求底的精神。不然什么都只是知道，却什么都不精通，这是将来走上社会最忌讳的。虽然只是短暂的一周，但在这期间，却让我受益匪浅。 这次课程设计再次让我认识到了知识和实践的重要性。在我们平时的学习过程中，一定要认真掌握所学知识，咱们电气的知识都是科学知识，来不得半点马虎。只有牢固掌握了所学的知识，才能有清晰的思路，才能在遇到实际问题的时候及时找到最合理的方案，这样不仅节省了很多时候，也为我们的学习提供了很多帮助。就是因为平时没做好这一点，在做这个课程设计的时候真的无从下手，而这都是老师在课堂上为我们讲解的知识。这时候不得不回头复习书上的知识，也去网上查了好多资料。选择元器件参数是件很让人头痛的事，同一个三极管有很多型号，有时候这不仅靠的是知识，也靠我们的经验，这