高频电子线路课件

緒論

1.1無線通信系統概述1.2信號、頻譜與調製1.3本課程的特點思考題與習題

1.1無線通信系統概述

高頻電路是通信系統,特別是無線通信系統的基礎,是無線通信設備的重要組成部分。

1.1.1無線通信系統的組成

無線通信(或稱無線電通信)的類型很多,可以根據傳輸方法、頻率範圍、用途等分類。不同的無線通信系統,其設備組成和複雜度雖然有較大差異,但它們的基本組成不變,圖1——1是無線通信系統基本組成的方框圖。圖中虛線以上部分為發送設備（發信機）,虛線以下部分為接收設備（收信機）,天線及天線開關為收發共用設備。通道為自由空間。話筒和揚聲器屬於通信的終端設備,分別為信源和信宿。

圖1—1無線通信系統的基本組成

超外差接收機的主要特點就是由頻率固定的中頻放大器來完成對接收信號的選擇和放大。當信號頻率改變時,只要相應地改變本地振盪信號頻率即可。由上面的例子可以總結出無線通信系統的基本組成,從中也可看出高頻電路的基本內容應該包括:

（1）高頻振盪器（2）放大器（3）混頻或變頻（4）調製與解調

1.1.2無線通信系統的類型

按照無線通信系統中關鍵部分的不同特性,有以下一些類型:

（1）按照工作頻段或傳輸手段分類,有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛星通信等。所謂工作頻率,主要指發射與接收的射頻（RF）頻率。射頻實際上就是“高頻”的廣義語,它是指適合無線電發射和傳播的頻率。無線通信的一個發展方向就是開闢更高的頻段。（2）按照通信方式來分類,主要有（全）雙工、半雙工和單工方式。（3）按照調製方式的不同來劃分,有調幅、調頻、調相以及混合調製等。

（4）按照傳送的消息的類型分類,有模擬通信和數字通信,也可以分為話音通信、圖像通信、數據通信和多媒體通信等。各種不同類型的通信系統,其系統組成和設備的複雜程度都有很大不同。但是組成設備的基本電路及其原理都是相同的,遵從同樣的規律。本書將以模擬通信為重點來研究這些基本電路,認識其規律。這些電路和規律完全可以推廣應用到其他類型的通信系統。

1.2信號、頻譜與調製

在高頻電路中,我們要處理的無線電信號主要有三種:基帶（消息）信號、高頻載波信號和已調信號。所謂基帶信號,就是沒有進行調製之前的原始信號,也稱調製信號。

1.時間特性一個無線電信號,可以將它表示為電壓或電流的時間函數,通常用時域波形或數學運算式來描述。無線電信號的時間特性就是信號隨時間變化快慢的特性。

信號的時間特性要求傳輸該信號的電路的時間特性（如時間常數）與之相適應。

2.頻譜特性

對於較複雜的信號（如話音信號、圖像信號等）,用頻譜分析法表示較為方便。

圖1—2信號分解

對於週期性信號,可以表示為許多離散的頻率分量（各分量間成諧頻關係）,例如圖1—3即為圖1—2所示信號的頻譜圖;對於非週期性信號,可以用傅裏葉變換的方法分解為連續譜,信號為連續譜的積分。頻譜特性包含幅頻特性和相頻特性兩部分,它們分別反映信號中各個頻率分量的振幅和相位的分佈情況。任何信號都會佔據一定的帶寬。從頻譜特性上看,帶寬就是信號能量主要部分（一般為90%以上）所佔據的頻率範圍或頻帶寬度。

圖1—3頻譜圖

3.頻率特性

任何信號都具有一定的頻率或波長。我們這裏所講的頻率特性就是無線電信號的頻率或波長。電磁波輻射的波譜很寬,如圖1—4所示。無線電波只是一種波長比較長的電磁波,佔據的頻率範圍很廣。在自由空間中,波長與頻率存在以下關係:

c=fλ（1—1）

圖1—4電磁波波譜

式中:c為光速,f和λ分別為無線電波的頻率和波長,因此,無線電波也可以認為是一種頻率相對較低的電磁波。對頻率或波長進行分段,分別稱為頻段或波段。不同頻段信號的產生、放大和接收的方法不同,傳播的能力和方式也不同,因而它們的分析方法和應用範圍也不同。

應當指出,不同頻段的信號具有不同的分析與實現方法,對於米波以上（含米波,λ≥1m）的信號通常用集總（中）參數的方法來分析與實現,而對於米波以下（λ<1m）的信號一般應用分佈參數的方法來分析與實現，當然,這也是相對的。

4.傳播特性

傳播特性指的是無線電信號的傳播方式、傳播距離、傳播特點等。無線電信號的傳播特性主要根據其所處的頻段或波段來區分。電磁波從發射天線輻射出去後,不僅電波的能量會擴散,接收機只能收到其中極小的一部分,而且在傳播過程中,電波的能量會被地面、建築物或高空的電離層吸收或反射,或者在大氣層中產生折射或散射等現象,從而造成到達接收機時的強度大大衰減。根據無線電波在傳播過程所發生的現象,電波的傳播方式主要有直射（視距）傳播、繞射（地波）傳播、折射和反射（天波）傳播及散射傳播等,如圖1—5所示。決定傳播方式和傳播特點的關鍵因素是無線電信號的頻率。

圖1—5無線電波的主要傳播方式（a）直射傳播;（b）地波傳播;（c）天波傳播;（d）散射傳播

5.調製特性

無線電傳播一般都要採用高頻（射頻）的另一個原因就是高頻適於天線輻射和無線傳播。只有當天線的尺寸到可以與信號波長相比擬時,天線的輻射效率才會較高,從而以較小的信號功率傳播較遠的距離,接收天線也才能有效地接收信號。所謂調製,就是用調製信號去控制高頻載波的參數,使載波信號的某一個或幾個參數（振幅、頻率或相位）按照調製信號的規律變化。根據載波受調製參數的不同,調製分為三種基本方式,它們是振幅調製（調幅）、頻率調製（調頻）、相位調製（調相）,分別用AM、FM、PM表示，還可以有組合調製方式。1.3本課程的特點

高頻電子線路是在科學技術和生產實踐中發展起來的,也只有通過實踐才能得到深入的瞭解。因此,在學習本課程時必須要高度重視實驗環節,堅持理論聯繫實際,在實踐中積累豐富的經驗。隨著電腦技術和電子設計自動化（EDA技術）的發展,越來越多的高頻電子線路可以採用EDA軟體進行設計、仿真分析和電路板製作,甚至可以做電磁相容的分析和實際環境下的仿真。因此,掌握先進的高頻電路EDA技術,也是學習高頻電子線路的一個重要內容。思考題與習題

1.畫出無線通信收發信機的原理框圖,並說出各部分的功用。

2無線通信為什麼要用高頻信號？“高頻”信號指的是什麼？

3無線通信為什麼要進行調製？如何進行調製？

4無線電信號的頻段或波段是如何劃分的？各個頻段的傳播特性和應用情況如何？

非线性电路的分析方法

例2-1

高頻電路基礎

2.1高頻電路中的元器件

高頻電路是由有源器件、無源元件和無源網路組成的。高頻電路中使用的元器件與在低頻電路中使用的元器件基本相同,但要注意它們在高頻使用時的高頻特性。高頻電路中的元件主要是電阻(器)、電容(器)和電感(器),它們都屬於無源元件。2.2.1高頻電路中的元件

1）電阻一個實際的電阻器,在低頻時主要表現為電阻特性,

但在高頻使用時不僅表現有電阻特性的一面,而且還表現有電抗特性的一面。電阻器的電抗特性反映的就是其高頻特性。一個電阻R的高頻等效電路如圖1—1所示,其中,CR為分佈電容,LR為引線電感,R為電阻。

圖1-1電阻的高頻等效電路2）電容由介質隔開的兩導體即構成電容。一個電容器的等效電路卻如圖1-2（a）所示。理想電容器的阻抗1/(jωC),如圖1-2（b）虛線所示.其中,f為工作頻率,ω=2πf。

(a)電容器的等效電路;（b）電容器的阻抗特性圖1—2電容器的高頻等效電路

3）電感高頻電感器的電感量是其主要參數。感抗為jωL,其中,ω為工作角頻率。高頻電感器也具有自身諧振頻率SRF。在SRF上,高頻電感的阻抗的幅值最大,而相角為零,如圖1—3所示。

圖1—3高頻電感器的自身諧振頻率SRF2.2.2高頻電路中的有源器件1）二極體半導體二極體在高頻中主要用於檢波、調製、解調及混頻等非線性變換電路中,工作在低電平。

2）電晶體與場效應管（FET）在高頻中應用的電晶體仍然是雙極電晶體和各種場效應管，這些管子比用於低頻的管子性能更好,在外形結構方面也有所不同。

高頻電晶體有兩大類型:一類是作小信號放大的高頻小功率管,對它們的主要要求是高增益

和低雜訊;另一類為高頻功率放大管,除了增益外,要求其在高頻有較大的輸出功率。3）積體電路用於高頻的積體電路的類型和品種要比用於低頻的積體電路少得多,主要分為通用型和專用型兩種。

2.2簡單振盪回路

高頻振盪回路是高頻電路中應用最廣的無源網路,也是構成高頻放大器、振盪器以及各種濾波器的主要部件,在電路中完成阻抗變換、信號選擇等任務,並可直接作為負載使用。振盪回路就是由電感和電容串聯或並聯形成的回路。只有一個回路的振盪電路稱為簡單振盪回路或單振盪回路。

2.2.1串聯諧振回路。圖2—4（a）是最簡單的串聯振盪回路。

圖1—4串聯震盪回路及其特性

若在串聯振盪回路兩端加一恒壓信號,則發生串聯諧振時因阻抗最小,流過電路的電流最大,稱為諧振電流,其值為（1—1）（1—2）

（1—3）

在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為(1—4)

其模為其中,

（1—5）

（1—6）

稱為回路的品質因數,它是振盪回路的另一個重要參數。根據式（1-6）畫出相應的曲線如圖1-5所示,稱為諧振曲線。

圖1-5串聯諧振回路的諧振曲線圖1-6串聯回路在諧振時的電流、電壓關係

在實際應用中,外加信號的頻率ω與回路諧振頻率ω0之差Δω=ω-ω0表示頻率偏離諧振的程度,稱為失諧。當ω與ω0很接近時,（1—7）（1—8）

令

為廣義失諧,則式（2—5）可寫成(1—9)

當保持外加信號的幅值不變而改變其頻率時,將回路電流值下降為諧振值的時對應的頻率範圍稱為回路的通頻帶,也稱回路帶寬,通常用B來表示。令式（1—9）等於,則可推得ξ=±1,從而可得帶寬為.(1—10)2.2.2並聯諧振回路。串聯諧振回路適用於電源內阻為低內阻（如恒壓源）的情況或低阻抗的電路（如微波電路）。

圖1-7並聯諧振回路及其等效電路、阻抗特性和輻角特性

(a)並聯諧振回路;（b）等效電路;（c）阻抗特性;（d）輻角特性並聯諧振回路的並聯阻抗為(1—11)

定義使感抗與容抗相等的頻率為並聯諧振頻率ω0,令Zp的虛部為零,求解方程的根就是ω0,可得式中,Q為回路的品質因數,有當時,。回路在諧振時的阻抗最大,為一電阻R0（1—12）（1—13）（1—14）並聯回路通常用於窄帶系統,此時ω與ω0相差不大,式（1—13）可進一步簡化為式中,Δω=ω-ω0。對應的阻抗模值與幅角分別為（1—15）（1-16）（1-17）圖2-8表示了並聯振盪回路中諧振時的電流、電壓關係。

例1

設一放大器以簡單並聯振盪回路為負載,信號中心頻率fs=10MHz,回路電容C=50pF,(1)試計算所需的線圈電感值。

(2)若線圈品質因數為Q=100,試計算回路諧振電阻及回路帶寬。

(3)若放大器所需的帶寬B=0.5MHz,則應在回路上並聯多大電阻才能滿足放大器所需帶寬要求?

解

(1)計算L值。由式(1—2),可得將f0以兆赫茲(MHz)為單位,Ｃ以皮法(pF)為單位,L以微亨（μH）為單位，上式可變為一實用計算公式:

將f0=fs=10MHz代入,得(2)回路諧振電阻和帶寬。由式(1—12)回路帶寬為(3)求滿足0.5MHz帶寬的並聯電阻。設回路上並聯電阻為R1,並聯後的總電阻為R1∥R0,總的回路有載品質因數為QL。由帶寬公式,有此時要求的帶寬B=0.5MHz,故回路總電阻為2)抽頭並聯振盪回路

需要在回路上並聯7.97kΩ的電阻。（1—18）（1—19）圖1—9幾種常見抽頭振盪回路

（1—20）

對於圖2—9（b）的電路,其接入係數p可以直接用電容比值表示為（1—21）

（1—22）

諧振時的回路電流IL和IC與I的比值要小些,而不再是Q倍。由圖1—10電流源的折合

及

例2

如圖1—11，抽頭回路由電流源激勵,忽略回路本身的固有損耗,試求回路兩端電壓u(t)的表示式及回路帶寬。

（1—23）可得圖1—11例2的抽頭回路

解由於忽略了回路本身的固有損耗,因此可以認為Q→∞。由圖可知,回路電容為

諧振角頻率為電阻R1的接入係數等效到回路兩端的電阻為

回路兩端電壓u(t)與i(t)同相,電壓振幅U=IR=2V,故輸出電壓為

回路有載品質因數回路帶寬2.3耦合振盪回路在高頻電路中,有時用到兩個互相耦合的振盪回路,也稱為雙調諧回路。把接有激勵信號源的回路稱為初級回路,把與負載相接的回路稱為次級回路或負載回路。圖1—12是兩種常見的耦合回路。圖1—12（a）是互感耦合電路,圖2—12(b)是電容耦合回路。

圖1—12兩種常見的耦合回路及其等效電路（1—24）對於圖2—12（b）電路,耦合係數為（1—25）

（1—26）（1—27）

（1—28）耦合因數

初次級串聯阻抗可分別表示為

耦合阻抗為由圖1—12（c）等效電路,轉移阻抗為(1—29)由次級感應電勢產生,有考慮次級的反映阻抗,則

將上兩式代入式(2—29),再考慮其他關係,經簡化得(1—30)

同樣可以得到電容耦合回路的轉移阻抗特性為（1—32）

（1—31）（1—33）（1—34）（1—36）

高频功率放大器

D問題:高頻功放在丙類工作狀態時對於正弦輸入信號輸出時變成了何種波形?丙類功放集電極負載用普通電阻可以嗎?為什麼?丙類功放的導通角為多少?通常取多少為宜?書P74例3—1講義P46反面例題1講義P47反面例題2問題丙類功放分別有哪幾種工作狀態?在只有負載變化的情況下,電流電壓及功率效率都有哪些特點?改變VCC會對工作狀態有何影響?分別描述.利用VCC和Vbe的變化對功放輸出的影響,可實現調幅,那麼集電極調幅是利用功放的哪個狀態,改變哪個電壓?基極調幅又怎樣?2基極饋電線路3.3.2輸出輸入與級間耦合回路3.3.3諧振功放的實用電路3.4倍頻器

高頻小信號放大器

4.1高頻小信號放大器

高頻小信號諧振放大器的功用就是放大各種無線電設備中的高頻小信號。

4.1.1高頻小信號諧振放大器的工作原理

圖3─1(a)是一典型的高頻小信號諧振放大器的實際線路。

4.1.2放大器性能分析

1．電晶體的高頻等效電路

圖3─2(a)是電晶體在高頻運用時的混Π等效電路,

它反映了電晶體中的物理過程,也是分析電晶體高頻時的基本等效電路。

圖3─1高頻小信號諧振放大器

(a)實際線路;(b)交流等效電路

在忽略rb′e及滿足Cπ»Cμ的條件下,Y參數與混Π參數之間的關係為(3─1)

(3─2)

(3─3)

(3─4)

由圖3─2可以得到電晶體Y參數等效電路的Y參數方程(3─5a)(3─5b)

圖3─2晶體三極管等效電路

(a)混Π等效電路;(b)Y參數等效電路

2．放大器的性能參數

忽略管子內部的回饋,即令Yre=0,由圖3─3可得(3─6a)

圖3─3圖3─1高頻小信號放大器的高頻等效電路(3─6b)(3)輸出導納Yo(3─9)

(1)電壓放大倍數K(2)輸入導納Yi(3─7)

(3─8)

4.1.3高頻諧振放大器的穩定性

1．放大器的穩定性反向傳輸導納Yre引入的輸入導納,記為Yir。忽略

r

bb′的影響,則由式(3─3)、(3─4)有將Yoe歸入負載中,並考慮諧振頻率ω0附近情況,有(4)通頻帶B

0.707與矩形係數K

0.1

通頻帶B

0.707為(3─10)將Yoe歸入負載中,並考慮諧振頻率ω0附近情況,有(3─11)

則2.提高放大器穩定性的方法

是利用中和電容Cn的中和電路。為了抵消Yre的回饋,從集電極回路取一與反相的電壓,通過Cn回饋到輸入端。根據電橋平衡有則中和條件為(3─12)

圖3─5中和電路(a)原理電路;(b)某收音機實際電路

圖3─6共發—共基電路

圖3─7雙柵場效應管調諧放大器

4.1.4多級諧振放大器

1．多級單調諧放大器

多級單調諧放大器的諧振頻率相同,均為信號的中心頻率。(3─13)(3─14)

(3─15)

2.多級雙調諧放大器

(3─16)

4.參差調諧放大器

圖3─8是採用單調諧回路和雙調諧回路組成的參差調諧放大器的頻率特性。圖3─9示出了一彩色電視機高頻頭的調諧放大器的簡化電路。

4.1.5高頻集成放大器高頻集成放大器有兩類:一種是非選頻的高頻集成放大器,主要用於某些不需要選頻功能的設備中,通常以電阻或寬頻高頻變壓器作負載;另一種是選放大器,用於需要有選頻功能的場合,如接收機的中放就是它的典型應用。

圖3─10(a)中,集中選頻濾波器接於寬頻集成放大器的後面。圖3─10(b)是另一種接法。

圖3─9電視機高頻放大器的簡化電路

圖3─10集中選頻放大器組成框圖

圖3─11示出了MiniCircuits公司生產的一集成放大器MRA8的應用電路，MRA8是矽單片放大器,其主要指標見表3─3。圖3─11集成選頻放大器應用舉例

正弦波振荡器

Vs

振幅平衡條件Uf＝Ui或T(jω)＝1相位平衡條件φT=2nπn=0,1,2,3，…

調集共射調基共射調發共基調集共基習題4-3問題:正弦波振盪器需要外加激勵信號嗎?回饋式振盪器起振平衡的條件是什麼?正回饋振盪器主要包括哪幾部分環節?非線性環節最好選擇在哪個區?互感耦合LC振盪器在連接時要注意什麼的接法?考畢茨電路哈特萊電路習題4-3習題4-5習題4-64.2.3三點式振盪器的電路分析以電容三點式為例來分析:問題:三點式振盪器的結構?何為電感三點式,何為電容三點式?三點式振盪器的構成原則是什麼?電感三點式與電容三點式的優缺點各是什麼?頻率穩定：就是在各種外界條件發生變化的情況下，要求振盪器的實際工作頻率與標稱頻率間的偏差及偏差的變化最小。不適合做可變頻率振盪器.

適合做可變頻振盪器.

不論是克拉潑電路還是西勒電路都是電容三點式的改進電路.

石英諧振器（簡稱晶體）是利用石英晶體（二氧化矽）的壓電效應而製成的一種諧振元件。

它的內部結構如右圖所示，在一塊石英晶片的兩面塗上銀層作為電極，並從電極上焊出引線固定於管腳上，通常做成金屬封裝的小型化元件

石英諧振器

石英晶體振盪器的等效電路由右圖可求得石英晶體的等效阻抗為ωp為晶體並聯諧振角頻率，圖4.15晶體的阻抗頻率特性並聯型問題:振盪器的頻率穩定度的定義?根據觀測時間的長短又可將其分為哪幾種?減小電晶體結電容對振盪頻率的影響可採取哪些方法?克拉潑和西勒電路採用的是哪種方法,它們各自適用於作哪種振盪器?都屬於哪種電路的改進形式?晶體振盪器在振盪電路中有幾種使用形式?在並聯型中充當什麼?並聯型有哪些典型電路?串聯型集成晶體振盪器寄生振盪現象7

頻率調製與解調8.1調頻信號分析8.1.1調頻信號的參數與波形設調製信號為單一頻率信號uΩ(t)=UΩcosΩt,未調載波電壓為uC=UCcosωct,則根據頻率調製的定義,調頻信號的暫態角頻率為(7―1)

它是在ωc的基礎上,增加了與uΩ(t)成正比的頻率偏移。式中kf為比例常數。調頻信號的暫態相位φ(t)是暫態角頻率ω(t)對時間的積分,即式中,φ0為信號的起始角頻率。為了分析方便,不妨設φ0=0,則式（7―2）變為（7―2）（7―3）

式中，為調頻指數。FM波的表示式為(7―4)圖8―1調頻波波形圖8―2調頻波Δfm、mf與F的關係8.1.2調頻波的頻譜

1．調頻波的展開式因為式（7―4）中的是週期為2π/Ω的週期性時間函數,可以將它展開為傅氏級數,其基波角頻率為Ω,即（7―5）

式中Jn(mf)是宗數為mf的n階第一類貝塞爾函數,它可以用無窮級數進行計算:（7―6）

它隨mf變化的曲線如圖8―3所示,並具有以下特性:Jn(mf)=J-n(mf),n為偶數

Jn(mf)=-J-n(mf),n為奇數因而,調頻波的級數展開式為（7―7）圖8―3第一類貝塞爾函數曲線2．調頻波的頻譜結構和特點將上式進一步展開,有

uFM(t)=UC［J0(mf)cosωct+J1(mf)cos(ωc+Ω)t

-J1(mf)cos(ωc-Ω)t+J2(mf)cos(ωc+2Ω)t

+J2(mf)cos(ωc-2Ω)t+J3(mf)cos(ωc+3Ω)t

-J3(mf)cos(ωc-3Ω)t+…］（7―8）圖8―4單頻調製時FM波的振幅譜（a）Ω為常數;（b）Δωm為常數圖8―5調頻信號的向量表示

圖8―6|Ｊn(mf)|≥0.01時的n/mf曲線8.1.3調頻波的信號帶寬通常採用的準則是,信號的頻帶寬度應包括幅度大於未調載波1%以上的邊頻分量,即

|Jn(mf)|≥0.01

由圖可見,當mf很大時,n/mf趨近於1。因此當mf1時,應將n=mf的邊頻包括在頻帶內,此時帶寬為

Bs=2nF=2mfF=2Δfm

（7―9）當mf很小時,如mf<0.5,為窄頻帶調頻,此時

Bs=2F

（7―10）

對於一般情況,帶寬為

Bs=2(mf+1)F=2(Δfm+F)（7―11）更準確的調頻波帶寬計算公式為（7―12）

當調製信號不是單一頻率時,由於調頻是非線性過程,其頻譜要複雜得多。比如有F1、F2兩個調製頻率,則根據式(7-7)可寫出8.1.4調頻波的功率調頻信號uFM(t)在電阻RL上消耗的平均功率為

由於余弦項的正交性,總和的均方值等於各項均方值的總和,由式（7―7）可得（7―13）（7―14）（7―15）8.1.5調頻波與調相波的比較

1．調相波調相波是其暫態相位以未調載波相位φc為中心按調製信號規律變化的等幅高頻振盪。如uΩ(t)=UΩcosΩt,並令φ0=0,則其暫態相位為

φ(t)=ωct+Δφ(t)=ωct+kpuΩ(t)

=ωct+ΔφmcosΩt=ωct+mpcosΩt

（7―16）從而得到調相信號為

uPM(t)=UCcos(ωct+mpcosΩt)（7―17）

調相波的暫態頻率為（7―18）圖8―8調相波Δfm、mp與F的關係

圖8―7調相波波形

至於PM波的頻譜及帶寬,其分析方法與FM相同。調相信號帶寬為

Bs=2(mp+1)F(7―19)

圖8―9調頻與調相的關係2．調頻波與調相波的比較調頻波與調相波的比較見表7―1。在本節結束前,要強調幾點:

（1）角度調製是非線性調製,在單頻調製時會出現（ωc±nΩ）分量,在多頻調製時還會出現交叉調製（ωc±nΩ1±kΩ2+…）分量。（2）調頻的頻譜結構與mf密切相關。mf大,頻帶寬。（3）與AM制相比,角調方式的設備利用率高,因其平均功率與最大功率一樣。表7―1調頻波與調相波的比較表

8.2調頻器與調頻方法

8.2.1調頻器對於圖8―10的調頻特性的要求如下:（1）調製特性線性要好。（2）調製靈敏度要高。（3）載波性能要好。

圖8―10調頻特性曲線8.2.2調頻方法

1．直接調頻法這種方法一般是用調製電壓直接控制振盪器的振盪頻率,使振盪頻率f(t)按調製電壓的規律變化。若被控制的是LC振盪器,則只需控制振盪回路的某個元件(L或C),使其參數隨調製電壓變化,就可達到直接調頻的目的。2．間接調頻法實現間接調頻的關鍵是如何進行相位調製。通常,實現相位調製的方法有如下三種:(1）向量合成法。這種方法主要針對的是窄帶的調頻或調相信號。對於單音調相信號

uPM=Ucos(ωct+mpcosΩt)

=Ucosωctcos(mpcosΩt)-Usin(mpcosΩt)sinωct

當mp≤π/12時,上式近似為

uPM≈Ucosωct-UmpcosΩtsinωct

（7―20）圖8―11向量合成法調(2）可變移相法。可變移相法就是利用調製信號控制移相網路或諧振回路的電抗或電阻元件來實現調相。

(3）可變延時法。將載波信號通過一可控延時網路,延時時間τ受調製信號控制,即

τ=kduΩ(t)

則輸出信號為

u=Ucosωc(t-τ)=Ucos［ωct-kdωcuΩ(t)］由此可知,輸出信號已變成調相信號了。

3.擴大調頻器線性頻偏的方法對於直接調頻電路,調製特性的非線性隨最大相對頻偏Δfm/fc的增大而增大。當最大相對頻偏Δfm/fc限定時,對於特定的fc,Δfm也就被限定了,其值與調製頻率的大小無關。

8.3調頻電路

8.3.1直接調頻電路

1.變容二極體直接調頻電路

1)變容二極體調頻原理其結電容Cj與在其兩端所加反偏電壓u之間存在著如下關係:（7―21）

圖8―12變容管的Cj～u曲線

靜態工作點為EQ時,變容二極體結電容為（7―22）

設在變容二極體上加的調製信號電壓為

uΩ(t)=UΩcosΩt,則（7―23）

將式（7―23）代入式（7―21）,得(7―24)2)變容二極體直接調頻性能分析（1）Cj為回路總電容。圖8―13為一變容二極體直接調頻電路,Cj作為回路總電容接入回路。圖8-13（b）是圖8―13（a）振盪回路的簡化高頻電路。由此可知,若變容管上加uΩ(t),就會使得Cj隨時間變化（時變電容）,如圖8―14(a)所示,此時振盪頻率為（7―25）圖8―13變容管作為回路總電容全部接入回路圖8―14變容管線性調頻原理

振盪頻率隨時間變化的曲線如圖8―14(b)所示。

在上式中,若γ=2,則得（7―26）一般情況下,γ≠2,這時,式（7―25）可以展開成冪級數

忽略高次項,上式可近似為(7―27)二次諧波失真係數可用下式求出:(7―28)

調頻靈敏度可以通過調製特性或式（7―27）求出。根據調頻靈敏度的定義,有（7―29）

（2）Cj作為回路部分電容接入回路。在實際應用中,通常γ≠2,Cj作為回路總電容將會使調頻特性出現非線性,輸出信號的頻率穩定度也將下降。因此,通常利用對變容二極體串聯或並聯電容的方法來調整回路總電容C與電壓u之間的特性。圖8―15Cj與固定電容串、並聯後的特性圖8―16變容二極體直接調頻電路舉例（a）實際電路;（b）等效電路

將圖8―16（b）的振盪回路簡化為圖8―17,這就是變容管部分接入回路的情況。這樣,回路的總電容為（7―30）圖8―17部分接入的振盪回路

振盪頻率為式中從式（7―32）可以看出,當Cj部分接入時,其最大頻偏為（7―33）圖8―18加在變容管上的電壓2.晶體振盪器直接調頻電路變容二極體（對LC振盪器）直接調頻電路的中心頻率穩定度較差。為得到高穩定度調頻信號,須採取穩頻措施,如增加自動頻率微調電路或鎖相環路（第8章討論）。還有一種穩頻的簡單方法是直接對晶體振盪器調頻。圖8―19變容管等效電容隨高頻電壓振幅和偏壓的變化

(a）Ｃj隨U1變化曲線;（b）Cj隨EＱ變化曲線

圖8―20（a）為變容二極體對晶體振盪器直接調頻電路,圖（b）為其交流等效電路。由圖可知,此電路為並聯型晶振皮爾斯電路,其穩定度高於密勒電路。其中,變容二極體相當於晶體振盪器中的微調電容,它與C1、C2的串聯等效電容作為石英諧振器的負載電容CL。此電路的振盪頻率為（7―34）

圖8―20晶體振盪器直接調頻電路（a）實際電路;（b）交流等效電路3.張弛振盪器直接調頻電路圖8―21是一種調頻三角波產生器的方框圖。調製信號控制恒流源發生器,當調製信號為零時,恒流源輸出電流為I;當有調製電壓時,輸出電流為I+ΔI(t),ΔI(t)與調製信號成正比。圖8―21三角波調頻方框圖圖8―22電壓比較器的遲滯特性和輸入、輸出波形圖8―23三角波變為正弦波變換特性

電壓比較器輸出的是調頻方波電壓。如要得到正弦調頻信號,可在其輸出端加波形變換電路或濾波器。圖8-23便是由三角波變為正弦波的變換器特性。它是一個非線性網路,其傳輸特性為8.3.2間接調頻電路圖8―24是一個變容二極體調相電路。它將受調製信號控制的變容管作為振盪回路的一個元件。Lc1、Lc2為高頻扼流圈,分別防止高頻信號進入直流電源及調製信號源中。高Q並聯振盪電路的電壓、電流間相移為（7―35）圖8―24單回路變容管調相器

當Δφ＜π/6時,tanφ≈φ,上式簡化為設輸入調製信號為UΩcosΩt,其暫態頻偏(此處為回路諧振頻率的偏移)為（7―36）當Δφ＜π/6時,tanφ≈φ,上式簡化為（7―37）圖8―25三級回路級聯的移相器

鑒頻器與鑒頻方法9.1.1鑒頻器角調波的解調就是從角調波中恢復出原調製信號的過程。調頻波的解調電路稱為頻率檢波器或鑒頻器（FD）,調相波的解調電路稱為相位檢波器或鑒相器（PD）。圖9―26鑒頻器及鑒頻特性

對鑒頻器的另外一個要求,就是鑒頻跨導要大。所謂鑒頻跨導ＳD,就是鑒頻特性在載頻處的斜率,它表示的是單位頻偏所能產生的解調輸出電壓。鑒頻跨導又叫鑒頻靈敏度,用公式表示為（7―38）9.1.2鑒頻方法

1.振幅鑒頻法調頻波振幅恒定,故無法直接用包絡檢波器解調。鑒於二極體峰值包絡檢波器線路簡單、性能好,能否把包絡檢波器用於調頻解調器中呢？顯然,若能將等幅的調頻信號變換成振幅也隨暫態頻率變化、既調頻又調幅的FM―AM波,就可以通過包絡檢波器解調此調頻信號。用此原理構成的鑒頻器稱為振幅鑒頻器。其工作原理如圖9―27所示。(a)振幅鑒頻器框圖；(b)變換電路特性圖9―27振幅鑒頻器原理1）直接時域微分法設調製信號為uΩ=f(t),調頻波為（7―39）（7―40）對此式直接微分可得

圖9―28微分鑒頻原理圖9―29微分鑒頻電路2）斜率鑒頻法雙離諧鑒頻器的輸出是取兩個帶通回應之差,即該鑒頻器的傳輸特性或鑒頻特性,如圖9-33中的實線所示。其中虛線為兩回路的諧振曲線。從圖看出,它可獲得較好的線性回應,失真較小,靈敏度也高於單回路鑒頻器。圖9―30單回路斜率鑒頻器圖9―31雙離諧平衡鑒頻器圖9―32圖9―31各點波形圖9―33雙離諧鑒頻器的鑒頻特性2.相位鑒頻法相位鑒頻法的原理框圖如圖9―34所示。圖中的變換電路具有線性的頻率—相位轉換特性，它可以將等幅的調頻信號變成相位也隨暫態頻率變化的、既調頻又調相的FM―PM波。圖9―34相位鑒頻法的原理框圖

相位鑒頻法的關鍵是相位檢波器。相位檢波器或鑒相器就是用來檢出兩個信號之間的相位差，完成相位差—電壓變換作用的部件或電路。設輸入鑒相器的兩個信號分別為(7―41)(7―42)

同時加於鑒相器，鑒相器的輸出電壓uo是暫態相位差的函數，即(7―43)1)乘積型相位鑒頻法利用乘積型鑒相器實現鑒頻的方法稱為乘積型相位鑒頻法或積分(Quadrature)鑒頻法。在乘積型相位鑒頻器中，線性相移網路通常是單諧振回路(或耦合回路)，而相位檢波器為乘積型鑒相器，如圖9―35所示。

圖9―35乘積型相位鑒頻法

設乘法器的乘積因數為K，則經過相乘器和低通濾波器後的輸出電壓為

2)疊加型相位鑒頻法利用疊加型鑒相器實現鑒頻的方法稱為疊加型相位鑒頻法。對於疊加型鑒相器，就是先將u1和u2(式(7―41)和(7―42))相加，把兩者的相位差的變化轉換為合成信號的振幅變化，然後用包絡檢波器檢出其振幅變化，從而達到鑒相的目的。(7―44)圖9―36平衡式疊加型相位鑒頻器框圖3.直接脈衝計數式鑒頻法調頻信號的資訊寄託在已調波的頻率上。從某種意義上講，信號頻率就是信號電壓或電流波形單位時間內過零點(或零交點)的次數。對於脈衝或數字信號，信號頻率就是信號脈衝的個數。基於這種原理的鑒頻器稱為零交點鑒頻器或脈衝計數式鑒頻器。圖9―37直接脈衝計數式鑒頻器9.2鑒頻電路9.2.1疊加型相位鑒頻電路

1.互感耦合相位鑒頻器互感耦合相位鑒頻器又稱福斯特―西利(Foster―Seeley)鑒頻器，圖9-38是其典型電路。相移網路為耦合回路。圖9―38互感耦合相位鑒頻器1)頻率—相位變換頻率—相位變換是由圖9―39(a)所示的互感耦合回路完成的。由圖9―39(b)的等效電路可知，初級回路電感L1中的電流為(7―45)圖9―39互感耦合回路

考慮初、次級回路均為高Q回路，r1也可忽略。這樣，上式可近似為初級電流在次級回路產生的感應電動勢為(7―46)(7―47)感應電動勢在次級回路形成的電流為(7―48)(7―49)ξ=2QΔf/f0,則上式變為(7―50)圖9―40頻率—相位變換電路的相頻特性2)相位—幅度變換根據圖中規定的與的極性，圖9―38電路可簡化為圖9―41。這樣，在兩個檢波二極體上的高頻電壓分別為(7―51)

圖9―41圖9―38的簡化電路

合成向量的幅度隨與間的相位差而變化(FM―PM―AM信號)，如圖9―42所示。

①f=f0=fc時，與的振幅相等，即UD1=UD2;②f>f0=fc時，UD1>UD2，隨著f的增加，兩者差值將加大；

③f<f0=fc時，UD1<UD2,隨著f的增加，兩者差值也將加大。圖9―42不同頻率時的與向量圖3)檢波輸出設兩個包絡檢波器的檢波係數分別為Kd1,Kd2(通常Kd1=Kd12=Kd)，則兩個包絡檢波器的輸出分別為uo1=Kd1UD1,uo2=Kd2UD2。鑒頻器的輸出電壓為(7―52)

圖9―43鑒頻特性曲線

圖9―44SD～A曲線2.電容耦合相位鑒頻器圖9―45(a)是電容耦合相位鑒頻器的基本電路。兩個回路相互遮罩。圖中Cm為兩回路間的耦合電容，其值很小，一般只有幾個皮法至十幾個皮法。耦合回路部分單獨示於圖9―45(b)，其等效電路示於圖9―45(c)。根據耦合電路理論可求出此電路的耦合係數為(7―53)

設次級回路的並聯阻抗Z2為

由於Cm很小，滿足1/(ωCm)>>p2Z2,p=1/2。分析可得,AB間的電壓為(7―54)(7―55)由此可得圖9―45電容耦合相位鑒頻器9.2.2比例鑒頻器

1.電路比例鑒頻器是一種類似於疊加型相位鑒頻器，而又具有自限幅(軟限幅)能力的鑒頻器，其基本電路如圖9―46(a)所示。它與互感耦合相位鑒頻器電路的區別在於：

(1)兩個二極體順接；

(2)在電阻(R1+R2)兩端並接一個大電容C，容量約在10μF數量級。時間常數(R1+R2)C很大，約0.1～0.25s，遠大於低頻信號的週期。

(3)接地點和輸出點改變。2.工作原理圖9―46(b)是圖(a)的簡化等效電路，電壓、電流如圖所示。由電路理論可得

i1(R1+RL)-i2RL=uc1(7―56)

i2(R2+RL)-i1RL=uc2(7―57)

uo=(i2-i1)RL(7―58)

當R1=R2=R時，可得(7―59)(7―60)

當f=fc時，UD1=UD2,i1=i2,但以相反方向流過負載RL,所以輸出電壓為零；當f>fc時，UD1>UD2,i1>i2,輸出電壓為負；當f<fc時，UD1<UD2,i1<i2，輸出電壓為正。圖9―46比例鑒頻器電路及特性

自動頻率控制系統中要特別注意。當然，通過改變兩個二極體連接的方向或耦合線圈的繞向(同名端)，可以使鑒頻特性反向。另一方面，輸出電壓也可由下式導出：(7―61)3.自限幅原理

(1)回路的無載Q0值要足夠高，以便當檢波器輸入電阻Ri隨輸入電壓幅度變化時，能引起回路Qe明顯的變化。

(2)要保證時常數(R1+R2)C大於寄生調幅干擾的幾個週期。比例鑒頻器存在著過抑制與阻塞現象。圖9―47減小過抑制及阻塞的措施9.2.3正交鑒頻器

1.正交鑒頻原理正交鑒頻器實際上是一種乘積型相位鑒頻器，它由移相網路、乘法器和低通濾波器三部分組成。調頻信號一路直接加至乘法器，另一路經相移網路移相後(參考信號)加至乘法器。由於調頻信號和參考信號同頻正交，因此，稱之為正交鑒頻器。2.集成正交鑒頻器圖9―48是某電視機伴音積體電路，它包括限幅中放(V1,V2;V4、V5;V7、Ｖ8為三級差分對放大器，V3、V6和V9為三個射極跟隨器)、內部穩壓(VD1～VD5、V10)和鑒頻電路三部分。移相網路如圖9―49(a)所示，其傳輸函數為(7―62)

圖9―48集成正交鑒頻器

其中，可見，u1與u2(實際上是ur與us)之間的相位差為相頻特性曲線見圖9―49(b)。若設(7―64)

當Δf/f0<<1時，上式可寫為(7―65)

可見，鑒頻器的輸出與輸入調頻信號的頻偏成正比。在上面電路中，調整L、C和C1均可改變回路諧振頻率，只要滿足(7―66)

圖9―49移相網路機器相頻特性9.2.4其他鑒頻電路

1.差分峰值斜率鑒頻器差分峰值斜率鑒頻器是一種在積體電路中常用的振幅鑒頻器。圖9―50(a)是