变容二极管调频电路设计

目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"目录 1\o"CurrentDocument"1方案选择： 2\o"CurrentDocument"2调频电路设计原理分析 3\o"CurrentDocument"FM调制原理： 3\o"CurrentDocument"变容二极管直接频率调制的原理： 3\o"CurrentDocument"2.3三极管的参数 5\o"CurrentDocument"单元电路设计分析 5\o"CurrentDocument"LC振荡电路 5调制灵敏度 6\o"CurrentDocument"增加稳定度的措施： 7震荡回路参数LC 7温度补偿法 8回路电阻 8加缓冲级 93.3.5有源器件的参数 9\o"CurrentDocument"各单元电路元器件参数设置： 10\o"CurrentDocument"LC震荡电路直流参数设置： 10\o"CurrentDocument"调频电路的直流参数设置 10\o"CurrentDocument"交流电路参数设置： 10计算调制信号的幅度 12\o"CurrentDocument"元器件清单 13\o"CurrentDocument"设计体会 14\o"CurrentDocument"参考文献 15附录 161方案选择：产生调频信号的电路叫做调频器，对他有4个主要的要求：已调波的瞬时频率与调制信号成比例变化。未调制时的载波频率即已调波的中心频率具有一定的稳定度。最大频偏与调制频率无关。无寄生调幅或寄生调幅尽量小。产生调频的方法主要归纳为两类：1用调制信号直接控制载波的瞬时频率一一直接调频。2先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波一一间接调频。变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），线路简单，并且几乎不需要调制功率，其主要缺点是中心频率的稳定度低。在满足设计的各项参数的基础上尽量简化电路。因此本次课程设计采用2CC1C变容二极管进行直接调频电路设计。2调频电路设计原理分析FM调制原理:FM调制是靠信号使频率发生变化，振幅可保持一定，所以噪声成分易消除。设载波％=%mcoswt,调制波Us=VsmC°SwstWm=W+AW*吁或fm=fc*W*2兀仃，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/=匕mSin9m,VO随Vs的变化而变化。0=Ifwdt=wt+(Aw/w)sinwtm0m c s sAw_AfwAw_Afws fs为调制系数=Vsin[wt+(Aw/w)sinwt]=Vsin(wt+msinwt)变容二极管直接频率调制的原理：变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种半导体二极管，它是一种电压控制可变电抗元件，它的结电容Cj与反向电压VR存在如下关系：C=^^

J（i+｝）丫D式中，VD为PN结的势垒电压（内建电势差），Cj0为VR为0时的结电容，Y为系数，它的值随半导体的掺杂浓度和PN结的结构不同而异：对于缓变结，Y=1/3；突变结：Y=1/2；对于超突变结，Y=1〜4，最大可达6以上。C/pF图2.1变容二极管的Cj-v特性曲线变容二极管的Cj-v特性曲线如图2.1所示。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V。(t)二V。cosQt，即vr(t)=Uo+y。cos。t。结电容在vR(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Q处，曲线的斜率为kC=ACAV2.3三极管的参数HPN型高频小功率三祖管3DG100(3DG6)^原型号新型号3DG6测试条件3DG1003DG1003DG1003DG100DPCM(mW)100100100100ICM(mA)20202020B7CB0(V)330340330340IC=IOOllABVCEO(V)上表为NPN型高频小功率三根管3DG1皿(3DG6)参数图2.2高频三极管的参数3单元电路设计分析3.1LC振荡电路本电路采用常见的电容三点式震荡电路实现LC振荡，如图3.1,简便易行，变容二极管电容作为组成LC振荡电路的一部分，电容值会随加在其两端的电压的变化而变化，从而达到了变频的目的。Rc，Re，RB1，RB2设置LC震荡电路的静态工作点，L1，C1构成LC震荡电路，CC,DC接入LC振荡电路改变振荡频率构成调频电路。R1、R2、R3提供变容二极管工作所需的直流偏置。信号V。从C5接入，电感L2是一低通线圈，可以过滤掉信号的高频部分。图3.2为调频电路的交流等效电路。变容二极管的接入方式为部分接入，如果去掉与之串联的CC则为全部接入。

Rb*ALC振荡器调频电路RB2Rb*ALC振荡器调频电路RB2图3.1 调频信号产生电路图3.2三点式振荡电路3.2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，即S =-lm/VfirnVQm为调制信号的幅度；△/为变容管的结电容变化△"时引起的最大频偏。.・•回路总电容的变化量为△q二p2AC在频偏较小时，△/与ACE的关系可采用下面近似公式，即△f〜_1AC77"—2•亏・.・pi△t,△CjI△tos=上.土调制灵敏度 厂2CC式中，^C工为回路总电容的变化Q£Qm量；CQE为静态时谐振回路的总电容， 即C°£=C1+CCCQrQ1C十CCQ・.・C1!3Sft3△£t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CC的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。3.3增加稳定度的措施：3.3.1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飞变化的因素有：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）内，LC采用温度系数低的材料制成。3.3.2温度补偿法使L与C的变化量与AL与AC的变化量相互抵消以维持恒定的震荡频率，其原理如下：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。faf=w由于外界因素的影响，使LC产生微小的变量AL、AC，因而引起振荡频率的变化为颂=%运耳AC"Wf。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△C/C与AL/L互相抵消，则Af可减为零。这就是温度补偿法。3.3.3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，3.3.4加缓冲级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）。3.3.5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，则晶体管的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。采用高稳定度LC振荡电路例如采用克拉泼电路如图3.2所示：C1>>C3,C2>>C3,Cb为基极耦合电容，C3为可变电容，他的作用是把L与C1，C2分隔开，使反馈系数仅取决于C1，C2的比值，振荡频率基本上由L和C3决定。这样，C3就减弱了晶体管与振荡电路之间的耦合，使折算到回路内的有源器件的参数减小，提高了频率的稳定度，另一方面，不稳定电容（如分布电容）则与C1，C2并联，基本上不影响震荡频率。C3越小，则频率的稳定度越好，但起振也就越困难。因此C3也不能无限制的减小。4各单元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（1〜4）mA。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=1/2VCC=6V。可以求出Rc+Re=3K。，取Rc=2K。，Re=1K。；P=60，IBQ=pXIBQ，为使减小IBQ对偏执电阻的电位偏执效果的影响，取RB1和RB2上流过的电流IB>>IBQ，取RB1=28K。，RB2=8.2K。。调频电路的直流参数设置根据2CC1C数据手册提供的变容二极管的Cj-v特性曲线（如图1），取变容二极管的正常工作的反向偏置电压为4V，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>>R2,R3>>R1，以减小调制信号V。对VQ的影响。已知VQ=4V，若取R2=10k。，隔离电阻R3=150k。。则R1=20KQ交流电路参数设置:由LC震荡频率的计算公式可求出°2n"fi，若取C1=100pF，则L1R10叫。实验中可适当调整L1的圈数或C1的值。电容C2、C3由反馈系数F及电路条件C1<<C2,C1<<C3所决定，若取C2=510pF，由F=C2/£=1/8~1/2，则取C3=3000pF，取耦合电容Cb=0.01pF。本题给定变容二极管的型号为2CC1C，已测量出其Cj-v曲线如图1所示。取变容管静态反向偏压VQ=-4V，由特性曲线可得变容管的静态电容CQ=75pF。2CC1C属于突变结，y=0.5，图4为变容二极管部分接入振荡回路的等效电路，接入系数p及回路总电容冒分别为CCCp cC+C"1+C；Cc j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。当VQ=-4V时，对应CQ=75pF，则C&18.8pf。取标称值20pF。图4.1 交流等效电路图

4.4计算调制信号的幅度4.4计算调制信号的幅度为达到最大频偏△/的要求，调制信号的幅度V。m,可由下列关系式求出。* 1cAC△f=二/km 2oCQZ由Cj-v曲线得变容管2CC1C在VQ=-4V处的斜率kc=AC「AV=12.5PF/V,得调制信号的幅度V。m=ACj/kc=0.92V。调制灵敏度Sf为*=△匕m=10.9KHz/V

元器件清单DesignatorCommentFootprintDescriptionC5CapPol1RB7.6-15PolarizedCapacitor(Radial)C,C1,C2,C3,C4,C6,C7,Cb,Cb3,CcCapRAD-0.3CapacitorDc2CC1CSOT23AVariableCapacitanceDiodeLInductor0402-AInductorL1,L2InductorIronAXIAL-0.9Magnetic-CoreInductorQ13DG100TO-92ANPNAmplifierR1,R2,R3,Rb1,Rb2,Rb3,Rb4,Rb5,Rb6,Rc,Re,Re4,Re21,Re31,Re32,RLRes2AXIAL-0.4Resistor设计体会通过本周的课程设计，我认识到课本上的知识的实际应用，激发了学习兴趣，增强了思考和解决实际问题的能力。这次做课程设计，给我留下了很深的印象。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。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。这次课程设计让我认识到了知识和实践的重要性。只有牢固掌握了所学的知识，才能有清晰的思路，知道每一步该怎样走。才能顺利的解决每一个问题。就以这次课程设计为例，刚拿到题目的时候，大致看一下要求，根据平时所学的知识，脑海中就立刻会想到应该用到的元器件，然后再去图书馆去查这些元器件的资料，很快地初步方案以及大概的电路原理图就出来了。但是，在具体的细节设计上，我却不知道为什么，从而明白了自己基础知识掌握得不牢固。所以，这次课程设计在让我认识了知识的重要性之外，更让我明白了自己理论知识和实践知识的欠缺。一周的