调相(PM)放大器设计讲解

课程设计课程名称高频电子电路课题名称调相（PM）放大器设计专业电子信息工程班级电信1202 学号 ************ 姓名王杰指导教师熊卓列2014年6月日湖南工程学院课程设计任务书课程名称高频电子电路题目调相（PM）放大器设计专业班级王杰学号 ************ 指导老师熊卓列审批任务书下达日期 2014年6月日设计完成日期 2014年6月日目录一、总体设计思路、基本原理和组成 (1)1.总体思路 (1)2.基本原理 (1)3.系统组成 (2)二、单元电路设计 (3)1. 载波信号10MHz产生电路 (3)2. 调制信号1000Hz产生电路 (5)3. 前置放大电路 (6)4. 调相电路 (7)5. 谐振功率放大及匹配网络电路 (10)三、总结与体会 (12)四、参考文献 (14)五、附录 (15)电路器件连接总图 (15)六、评分表 (16)一、设计思路1.总体思路调相发射机的核心部分是调相，调相分为直接调相与间接调相。

直接调相利用调制信号直接改变谐振回路的参数，使载波信号通过回路时产生相移而形成调相波。

间接调相先对受调波进行调幅，再转变为调相。

相位调制电路是使受调波的相位随调制信号而变化的电路。

调相波与调频波的差别是调相波的瞬时相位的变化与调制信号成线性关系,调频波的瞬时频率与调制信号成线性关系。

正弦载波的瞬时相位随调制信号而变化的调制，简称调相(PM)。

正弦波调相器分直接调相和间接调相两类。

前一种方法利用调制信号直接改变谐振回路的参数，使载波信号通过回路时产生相移而形成调相波。

本设计采用一种简易的相位调制电路，该电路的调制信号由电容三点式振荡电路产生，经放大后和载波信号经相位调制器后，输出调相波，输出的调相波经前置放大后再经过功率放大，最后通过匹配网络匹配后就可产生用于天线发送的调相波。

2.基本原理低频调制信号频率为1000Hz，采用改进型电容三点式振荡电路实现。

高频载波信号频率为10MHz，采用频率稳定度高的石英晶体振荡器，使晶体作为电感元件接入谐振回路，构成并联型晶体振荡器。

相位调制是通过一个可控相移网络使角频率为ωc的高频载波uc(t) 产生受调制电压uΩ(t)控制,满足Δφ=kpuΩ(t)的关系的相移Δφ,即实现调相。

高频载波信号由晶体振荡器产生，低频调制信号用RC振荡电路产生，经放大后与载波信号一同送入可控相移网络，可控相移网络以多级变容二极管调相模块为核心进行相位调制。

最后调相后的信号经功率放大后输出。

二、单元电路设计1. 载波信号10MHz产生电路LC振荡器的频率稳定度主要取决于回路的标准性和品质因数。

由于L、C元件的标准性比较差，而且回路的Q 值也不可能做得很高，一般不超过300，因此LC的频率稳定度一般比较差，但是在实际生活中对频率稳定度要求越来越高，如广播发射机的日频率要到达1.5×10-5，单边带发射机的日频率要达到10-6，作为频率标准的振荡器要到达10-8～10-9数量级。

显然LC振荡器是无法达到的。

因此我选择了石英晶体振荡器作为载波信号的产生电路。

晶体振荡器有并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。

并联型晶体振荡器：将石英晶振作为等效电感元件用在三点式电路中，且工作在感性区，称为并联型晶体振荡器。

此时，石英晶振接在晶体管ｃ、ｂ极之间称为皮尔斯振荡电路，接在晶体管ｂ、ｅ极之间称为密勒振荡电路。

电路及等效电路如下图所示：图 1 10MHz晶体振荡电路图2 交流等效电路对石英晶振电路分析：石英谐振器参量具有高度的稳定性。

皮尔斯特振荡器的等效电路如图：电路图3振荡器等效忽略晶体管极间参数的影响及q r 的影响，近似认为振荡频率等于回路的谐振频率。

L q q L q L q C C C C C C C C C L ++=+++=000001)()(1ωω因为1)0q<<+L C C C （,用二项式定理，取前两项，则上式为⎥⎦⎤⎢⎣⎡++≈L C C C 0q q 0211ωω式中 2121C C CC C L +=由此可以看出，由于石英谐振器的参量具有高度稳定性，晶体回路的标准性很高；串联谐振频率也非常稳定。

2. 调制信号1000Hz 产生电路调制信号频率为1000Hz ，采用改进型电容三点式振荡电路产生。

电路如图3所示：图3 1000Hz 电容三点式振荡电路图 4 电容三点式交流等效图因 74C C >>, 75C C >>故=≈0ωωg LC1式中 7747554754C C C C C C C C C C C ≈++=故 701LC g ≈=ωω可见，gω只取决于L 、7C 大小，而与54C C 、基本上无关。

3. 前置放大电路信号发生电路产生信号幅度一般较小，所以需对产生的信号首先进行前置放大后使其满足下一级的输入信号范围，再输入到下级电路中，可以用三极管放大电路实现。

本电路采用共发射极放大电路实现信号的放大。

使发射极正偏：Vb>Ve，且Vbe>0.6V，集电极反偏Vb < Vc，同时Vce>1V，使三极管工作在甲类放大状态。

放大电路如图5所示：图5 共射放大器4. 调相电路4.1变容二极管调相电路组成电路及等效电路如图所示：图6变容二极管调相电路图7 等效电路当13131C R Ω<<时，即11313<<ΩC R 时，即构成调相电路。

4.2工作原理（1）当0)(=Ωt V 时，变容二极管反向电压Q r V V =，谐振回路谐振频率为c jw C L =21。

输出电压与输入电压同相)(t V V V Q r Ω+=。

（2）当0)(>Ωt V 时，变容二极管反向电压加大，j C减小，谐振回路谐振频率为c jC L ω>21输出电压的相位为ϕ+t w c 。

（3）当0)(<Ωt V 时，变容二极管反向电压减小，j C 增大，谐振回路谐振频率为c jC L ω<21输出电压的相位为ϕω-t c 。

附加相移在调制信号控制下变化，导致输出电压的相位也随调制信号变化，从而实现调相。

4.3调相分析设输入载波信号t w V t V c cm c cos )(=调制信号t V t V cm Ω=Ωcos )(变容二极管作为回路总电容，当m 很小时，回路的谐振频率为：)()cos 21()(t t m t C C ωωγωω∆+=Ω+=t m t C Ω=∆cos 2)(ωγω输出电压：)cos()()(ϕωω+=t Z I t V C c cmϕω和)(C Z 分别是谐振回路在c ωω=上呈现的阻抗幅值和相移。

在失谐不大的条件下,()()t t Q C ωωωϕ--=2arctanϕϕπϕ≈<tg rad 时，当6)()]([2)()(2t t Q t t QC C C C ωωωωωωωωϕ∆+∆+--=--≈Ct Qωω)(2∆≈t m t C Ω=∆cos 2)(ωγω)(cos cos m Q m t m t m Q p p γγϕ=Ω=Ω≈]cos cos[)()(t m t Z I t V p C C cm Ω+=ωω实现线性调相的条件：)6(6ππϕ<<p m m rad 。

设计要求最大相偏为2π，由于单级变容二极管调相电路最大相偏为6π，所以得采用三级单回路变容二极管调相电路，扩大相偏，最大相偏263ππ=⨯=。

电路如下图所示：图8 变容二极管调相电路5. 谐振功率放大及匹配网络电路谐振功率放大有串馈与并馈之分，串馈的优点是V c c、L’、C’均处于高频低压，分布电容不会影响回路；缺点是回路处于直流高电位，因此电容片不能直接接地，安装调整不方便。

而并联优点是回路处于直流地电位，电容片可以直接接地，利于安装。

所以采用并联馈电方式。

本电路中采用自给基极偏置电路，使其工作在丙类状态。

谐振功率放大器原理电路及等效电路如下图所示：图9谐振功率放大器图10 等效电路选频网络（滤波器）的功能：从众多频率中选出有用信号，滤除或抑制无用信号，以保证放大器工作在要求的状态，即起到阻抗变换的作用，又可以抑制工作频率范围以外的频率。

本设计中采用LC并联谐振回路使回路谐振在输入信号频率上。

图11中RL 为外接负载，呈阻抗性。

L7 和 C19、C21 为 T 型匹配网络，与 RL 组成并联谐振回路。

调节 C19、C21 使回路谐振在输入信号频率。

VBB 为基极偏置电压，使功率管 Q 点设在截止区，以实现丙类工作。

工作原理：在Vs 产生激励电流为t Ism I S ωcos =作用下: Ib 的波形为一串余弦脉冲I c 的波形为一串余弦脉冲)(0max φa I I c CO = )(max φn c a I Icnm = n a a a ......10称为电流分解系数V b 的波形为余弦波t I I sm S ωcos = t l I I V m b sm b ωcos Re )(1•-=b bb be V V V +=V be t l I I V m b sm bb ωcos Re )(1•-+=t V V bm bb ωcos •+=其中l m Ib Ism V bm Re )1(-=V ce 的波形为余弦波因负载是具有选频作用的L r 、C r 并谐回路；所以 )Re 1(cos l m Ic Vcm t V Vce cm •==其中ωt Vcm Vcc Vce ωcos •-=工作原理描述：在 i s 为余弦信号的激励下,丙类谐振功放的 i b ，ic 均是余弦脉冲，而 Vb, V c 是完整的余弦波。

（因为输入输出均为LC 选频网络）。

本设计电路中由于晶体管3DA21A输入阻抗与前级输出阻抗不匹配，所以在放大器之间加入T型选频匹配网络（C18、C20、L6），在放大器输出的与负载之间也加入T 型匹配网络（C19、C21、L7）。

由于晶体管参数的分散性和分布参数的影响, C18～C19均采用可变电容器, 其最大容量应为计算值的2～3倍。

三、总结与体会在这短短的两周期间我感觉十分踏实，真正的感觉学到了东西。

我知道这样的机会不多，要好好珍惜。

本次课程设计我学到了很多，把自己学到的知识运用于实践十分有趣。

实践是检验真理的唯一标准。

通过实践，把我们的知识融会贯通，这样知识记得牢，体会深刻。

当然这个过程不是那么简单，刚开始感觉不知道从哪里开始着手，然后就查查资料，把设计的系统模块化，接着一步一步的按着模块做下去。

在做每个模块的时候也便不是那么一帆风顺，中途有好多地方都不明白，这时候我才体会到什么叫“书到用时方恨少”，没办法做不走了，只好仔细看书，看完后在去把模块完成。

不知道的地方可以跟同学讨论，向老师请教，我在这里要感谢那些给予我帮助的同学，谢谢老师的耐心指导。