高频电子线路Class20

高频电子线路王军wangjun@汕头大学电子工程系7.3调频电路7.3.1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:(7-21)

图7―12变容管的Cj～u曲线-u+(c)

当设加在变容二极管上的反向电压为静态电压EQ与调制信号电压之和时，即：因此结电容为：(7-23)(7-22)(2)变容二极管直接调频性能分析①

Cj为回路总电容(大频偏调制）。图7―13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7―13（a）振荡回路的简化高频电路。图7―13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uΩ(t),就使得Cj随时间变化（时变电容）,如图7―14(a)所示。图7―14变容管线性调频原理此时振荡频率为：达到了线性调频，如图7-14（c）。(7-24)(7-25)一般情况下,γ≠2,这时,式（7―24）可以展开成幂级数(7-26)造成中心频率的变化或不稳定造成谐波失真因此可以看出，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。图7―18加在变容管上的电压为什么？图7―19变容管等效电容随高频电压振幅和偏压的变化

(a）Ｃj随高频振幅U1变化曲线;（b）Cj随EＱ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γ≠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7-15Cj与固定电容串、并联后的特性可以看出，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。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大串、并联前:并联后:串联后:结论之一：通过串、并联可以使得频率稳定度提高！(如果⊿Cj为温度等造成的影响)结论之二：通过串、并联可以使得调制信号的控制能力减弱(如果⊿Cj为控制信号造成的影响)调制灵敏度降低图7―16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7―16（b）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,回路的总电容为部分接入的振荡回路振荡频率为：则总电容为：将上式泰勒展开后得：(7-32)在式(7-32)中为由静态EQ决定的振荡频率从式（7―32）可以看出,当Cj部分接入时：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(Why?)，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为得到高稳定度调频信号,须采取稳频措施,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振荡器调频。

图7―21晶体振荡器直接调频电路（a）实际电路;（b）交流等效电路(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。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10－3～10－4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Π型网络进行阻抗变换，在这种方法中，晶体接于Π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(通过对非正弦信号进行控制实现调频)

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7―22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+ΔI(t),ΔI(t)与调制信号成正比。图7―22三角波调频方框图

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us

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，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7―23电压比较器的迟滞特性和输入、输出波形因为：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：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：则：对每个分量均调频图7―24三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

图7―25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。图7―25单回路变容管调相器icLCCj(a)(b)应该是谐振电路或滤波电路不是振荡电路,而是高频小信号放大电路电路有无问题？调制电压正向增大电容变小谐振回路中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UΩcosΩt,则其瞬时频偏(此处为回路谐振频率的偏移)为：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)式图7―26三级回路级联的移相器

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7.4.1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（FrenquencyDiscriminator,简称FD）。调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器（PhaseDiscriminator,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，我们把这种关系叫做鉴频器的鉴频特性。图7―26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BmBm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：(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ＳD,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：(7-38)7.4.2鉴频方法一般有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FM―AM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7―27所示。图7―27振幅鉴频器原理(a)振幅鉴频器框图；(b)变换电路特性(1)直接时域微分法设调制信号为uΩ=f(t),则调频波为: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。图7―29微分鉴频电路图7―28微分鉴频原理电路有什么问题？放大电路为什么采用共基放大电路？（2）斜率鉴频法①单失谐回路斜率鉴频器图7―30单回路斜率鉴频器(a)(b)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2Δfm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。②双失谐斜率鉴频器一个双失谐斜率鉴频电路如图7-31所示。图7―31双失谐平衡鉴频器Ⅱ、Ⅲ是两个并联谐振回路平衡包络检波器f02f03fcUofcffΔf(t)t0A3

(f)A2

(f)(b)(c)(d)Bm设电感抽头在中心。则U=U1=U2，因此：

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：

则双失谐鉴频特性的线性范围达到最大。图7―32图是7―31(a)电路的各点波形。

图7―32图7―31(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

相位鉴频法的原理框图如图7―34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FM―PM波。然后在通过鉴相电路恢复出调制信号。图7―34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：

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：(7-41)(7-42)(7-43)（1）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(或耦合回路)，而相位检波器为乘积型鉴相器，如图7―35所示。

图7―35乘积型相位鉴频法产生附加相移，变成FM-PM波完成鉴相