第8章 调频与鉴频

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所以,在实际电路中,不宜使C1的数值过大
以免要求变容管的 太大而无法实现。
讨论C:当P0
2 3
时,C1
1 2
C jQ
由(19)式解出 为负值。实际不存在这样的
管子,必然要引起非线性失真。
通常取 C1 10 : 30%CjQ
对于接有C1的电路,应该选择 2 的超突变结变容二极管
例:给定调频电路的载频 f0 70MHz ,谐振回路如下 图所示。
20 2 20
0.91pF
U m
fm f0
2(U B UQ )
P0
5 106 7 106
7.7 0.91
0.605V
605mV
(2)由不产生非线性失真的最小条件
1 1 2.7
3 2
P0
1
3 0.911 2
最好选 2.7 的 变容二极管
③ 部分接入
前面两种情况,变容二极管直接与L并联,能够得到较 大的频偏。但是,在要求频偏较小的情况下,常将变 容二极管串接一个不大的电容C2。
C7
C11
R7
C5
R6 C4
R5 R4
C3
VD
Cj
C4 (b) C2
R1 - 9V
R2 R3
C10
C9
Cj
C1
L1
C∑
L1
(a)
(c)
图 8.27
图8.27(a)示出的是部分接入式变容二极管调频电路。图 中,C3、C9、C10、C11都是高频滤波电容。R1、R4、 R5是晶体管的直流偏置电阻。R6是自偏置电阻。R2、 R3是变容二极管的静态偏置电阻,R7是变容二极管直流 通路电阻。L3是高频扼流圈。C8是调制信号耦合电容。
1
L
C1
C
jQ
1
C j C1 C
jQ
1
L C1 C jQ
1
C j C1 C jQ
1 2
C
1
C j C1 C jQ
1 2
(9)
将(9)式中括号部分用幂级数展开后:
(t)
C
1
1 2
C j C1 C jQ
3ຫໍສະໝຸດ Baidu
8
C j C1 C jQ
2
5 16
C j C1 C jQ
2、调制灵敏度(压控灵敏度)
其定义是调制特性原点的斜率。
kf
(t)
u
u 0
通常可用:
kf
u
表示
Q (t)m k fUm 在相同的调制电压条件下,k f
3、载波中心频率的稳定度
(t) C mf cos t
若 C 不稳定,会引起失真,还会引起频带展宽,对
邻近频道产生干扰
4、振幅要恒定,寄生调幅要小。
3
K
(10)
将Cj CjQ 1+mcost 也展开为幂级数
Cj
C jQ
1 m cos t
( 1) m2 cos2 2
t (
1)( 6
2) m3 cos3 t+L
C j C j C jQ
C jQ
m cos t
( 1) 2
m2
cos2
t
(
1)( 6
2)
m3
cos3 t+L
(3) 当C2不够大,与CJ相同数量级时,等效电路如下图。
C1 L
C2 Cj
uD
C C1
C2C j C2 C j
(4)电路分析 ① 只考虑变容二极管的情况
L
C j uD 设 uD UQ Um cos t
C
Cj
Cj0
1
uD UB
静态工作点电流
1
1 UB
Cj0 UQ Um cos t
UB UQ UB
Cj0 Um
UB
cos
t
UB UQ UB
Cj0
1
U
U m B U
Q
cos t
令 m Um UB UQ
称为电容调制度
C jQ
Cj0 UB UQ
UB
Cj0
1
UQ UB
静态工作点的电容,即 偏置电压为UQ时、变容 二极管的电容
Cj
1
C jQ
m cos t
(1)
目的:提高振荡器中心频率的稳定度
EC
C2
R1
R2
C1
L Cj
Lp
R3 CP
CM
C1
C2C j C2 C
j
C1
1
mf
(t)
C2C jQ
C2
1
C jQ
mf (t)
C1
C jQ
C2C jQ C2 1 mf
(t)
对上式作两次近似:
第一次近似: n 1, (1 x)n 1 nx
第二次近似:
(a)
(b)
图8.25 (a)电路图;(b)交流等效电路
图8.25(a)是全部接入式变容二极管调频振荡器电路。变容二极管 的直流电压UQ从电位器R7上获得调制信号通过C3、L2馈入,L2 是高频扼流圈。C1、C2、C4~C6~C12是高频滤波或隔直流电容, 高频阻抗近似为零。R5是防止寄生振荡电阻。C5是输出耦合电容。 L1和Cj构成LC并联振荡回路。其他部分为直流供电、稳压电路。
C1 C2
C2
p
m
频率稳定以减小频偏为代价
C11 2D W7C12
R9 R10 R11 R7
2CW 19
R12
R13
+ 18 V
R6
C10
R5
C9
C3 u
L2
R8
VD Cj
3D G82 B R1 C5
140 MHz uo
Cj
L1
C2
C1
L1 C4
R2
R3
R4
R2
- 18 V
C6
C7
C8 2D W7C
(14)
(t) C
1 2
P0
m cos t
(15)
最大相对频偏为(对应U Um ):
m C
1 2
P0 m
(16)
m
1 2
P0 mC
1 2
P0
U m UB UQ
C
调制灵敏度:
m
U
m
U m
1 2
P0
UB
1 UQ
c
(17) (18)
讨论A:(18)式是近似得到的 由(14)式,存在非线性失真 如何使失真最小?
(t)
C
1
2
m cos
t
2
2
1
2!
m2
cos2
t
2
2
1
2
3!
2
m3
cos3
t
K
忽略3次方以上各项
(t)
C
1
2
m
cos
t
8
2
1
m2
8
2
1
m2
cos(2t)
(3)
令 (t) C 表示频率偏移
C
C 2
m cos t
C 2
2
1
2!
m
2
cos2 t C 2
x
1,
rmC2 C2
f (t) C jQ
1
再利用
1 1 x 1 x
求出:
CM
C1
C2C jQ C2 C jQ
1
1 mf
p
(t)
p
1
C jQ C2
1
C1 C jQ
C1 C2
1 p1 1 p2 p1 p2
(t)
1 LC
1
L
C1
C2C jQ C2 C jQ
L1、C2、C4~C7、Cj构成振荡回路。该电路的交流等效 电路如图8.27(b)所示。由图可见,它是电容回授式基极 接地三点式振荡器电路,振荡回路如图8.27(c)所示。图 中C1是C4、C5、C6、C7的等效电容,CΣ是回路总的 等效电容。Cj与C2串联后与回路电感L1并联,所以变容 二极管两端的回路接入系数小于1,因此称此电路为部分 接入式电路。
Cj
Cj
C j0 (1 uD
)
uD=0时的结电容 二极管的势垒电压
UB
约为0.7V
Cj0
:变容指数,随PN结杂质参杂浓度
分布不同,分为:
-UB 0
uD
(a)
(b)
注意:为了减小振荡电路的
损耗,变容二极管必须反偏
1 扩散型,缓变结
3
1 合金型,突变结
2
1: 5
超突变结
8.4.2 变容二极管接入振荡电路的一般方法
m大一些好
取多大为好?
如果取 2 , 可以得到理想的状态。
当 2 时,由(2)式 (t) 1 m cos t 2
(t) 1 m cos t 2 C
1 m cos t C
(t) 1 m cos t C
(6)
(t) m cos t C
没有非线性失真,没有中心频率偏移( C 稳
定), (t) 随控制信号线性变化。

P0
C jQ C1 C jQ
(13)
(11) (12)
由(10),(11),(12)式:
(t) C
1 2
P0
m cos
t
2P0 ( 1) 3P02 2 m2 cos2 t
4
4P0 ( 1)( 2) 18P02 2 ( 1) 15P02 3 m3 cos3 t
24
L
如果只取(14)式中的第1项,则:
2
1
2
3!
2
m3
cos3
t
K
C
= C 2
m cos t
C 2
2
1
2!
m
2
cos2
t
C 2
2
1
2
3!
2
m3 cos3 t K
中心频率偏移(相对频偏)为:
C
2
m cos t
8
2
1 m2
8
2
1 m2
co(s 2t)
(4)
由前面的(3)和(4)式,说明高频振荡频率成分中包含
由(1)式,Cj受 cos t 所调制,调制的规律决定于变
容指数 ,调制深度决定于m
振荡器的振荡频率为:
(t)
11 LC LC j
1
L
1
C jQ m cos
t
1
1 m cos t 2
LC jQ
(2)
C 1 m cos t 2
静态工作点的振荡中心频率,即载波中心频率
将(2)式用幂级数(麦克劳林级数)展开,则:
先对u (t)积分,再进行调相
即根据
upm (t) Um0 cos C (t) kFm
t 0
u
(t
)dt
载波振荡器
缓冲器
uFM (t)
调相器
u (t) 积分器
8.4 变容二极管调频电路 8.4.1 变容二极管特性
由调制信号控制振荡电路的电抗元件可实现调频。 变容二极管是可以随外加电压变化的电容器件。
结论:若取 2的管子,可加大m,增加频偏,而不影响线性
② 考虑C1的情况
C1
L
C j uD C C1 C j
振荡频率:(t) 1
1
(7)
LC L(C1 Cj )
设C j的变化量为C j ,则:C j C jQ C j (8)
将(8)式代入(7)式:
(t)
1
L(C1 C jQ C j )
8.2 调频信号的产生
8.2.1 调频信号的性能指标 1、调制特性的线形(压控特性)
uFM Um0 cos(Ct mf sin t)
(t) Ct mf sin t
(t) C mf cos t
mf cos t
0
u
kFMUm cos t
kFMUm cos t
要求:压控特性的线性范围要宽
使每个高次谐波的系数均为0是不可能的,但,二次谐波 项是主要的失真项。 可令二次谐波系数等于0
即令: 2P0 ( 1) 3P02 2 0
解出:
1
3 2
P0
1
(19)
讨论A:当C1
0时,P0
C jQ C jQ C1
1
=2
与第一种情况的结论一致,不接C1时,不失真条
件是 =2
讨论B: 当C1 0时,C1 P0 ,满足不失真条件的
1
1 p
mf
(t)
C
1
1 1 mf (t)
p
当 1 m 0 时,第3次近似
p
(t)
C
1 2p
mf
(t)
令 f (t) Um cos t
(t)
C
1
1 2p
mU m
cos
t
C
1
L C1
C2C jQ C2 C jQ
该式说明: C2 C稳定 特例,C2 0 C 1 LC1
8.2.2 直接调频与间接调频
1、直接调频 用调制信号直接线性地改变载波的瞬时频率,即用调
制信号直接改变决定载波频率的电抗元件的参数,使调 制之后的信号的瞬时频率随调制信号线性变化,
u (t)
电压/电抗
uFM (t)
载频产生
直接调频的原理框图
2、间接调频
t
Q (t) kFmu (t)dt 0
和2, 3 等高次项。 引入了非线性失真。
在m较小时,可忽略二次方以上各项:
m cos t C 2
(5)
(5)式说明,为了减小非线性失真,取m较小为好
另一方面,再从调制灵敏度看电容调制度m的取值
最大频偏:m
C
2
m cos t
cost 1
2
mC
相应调制电压的变化量:U Um
kf
m
U
2
mC
U m
EC
C2
R1
R2
C1
L Cj
Lp
R3 CP
u (t)
根据C1、C2的取值,有三种等效电路 (1)C1不接,C2较大(对高频视为短路)
C j uD C C j
(2)当分布电容不可忽略,或接入并联电容以满足调 制特性的某些要求时,必须考虑C1,若仍把C2视 为短路,等效电路如下图。
C1
L
C j uD C C1 C j
C 稳定,表明变容二极管对回路的影响小
最大频偏:m
1 2p
mC
该式中假定 f (t)max 1,Um 1
如果 f (t) Um cos t,
则:m
1 2p
mCU m
调制灵敏度
kf
m
U
1 mCUm
2p Um
1 2p
mC
从最大频偏
m
1 2p
mCUm
来看:
p
1
C jQ C2
1
C1 C jQ
由于变容二极管两端的回路接入系数为1,所以称其为全部接入式 变容二极管调频电路。该电路的交流等效电路如图8.25(b)所示。 它是一个电感回授式三点式振荡器。回路的电感L1与变容二极管 并联,振荡器的工作频率近似等于回路的自然谐振频率。
L2 uo
C2
L3
C5
C8
u
Cj
C2 C6 C7 L1
L1 C6
C1
L
C j uD
C1 2 p,C jQ 20 p,UQ 7V ,UB 0.7V , 2
(1)若要求 fm 5MHz, 求调制信号的电压幅度Um (2)如果要减小调制特性的非线性,应该选取什么
样的管子?
解(1):由(17)式
fm
1 2
P0
U m UB UQ
f0
P0
C jQ C1 C jQ
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