《高频课程设计》

1总体设计方案选择：
频率调制是高频振荡的振幅U cm保持不变，而频率却随调制信号uΩ(t)的变化做线性变化，已调波成为调频波。

这中调制称为频率调制，常用FM 表示。

产生调频信号的电路叫做调频器，对他有4个主要的要求：
1 已调波的瞬时频率与调制信号电压的大小成比例变化。

2 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。

3 最大频偏与调制频率无关。

4 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——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。

即由调相变调频——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。

电路包括二部分LC正弦波振荡器和变容二极管调频电路。

2变容二极管调频电路设计原理
2.1 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t w Vcm Vc c cos =,调制波t w Vsm Vs s cos =。

t w w w w s c m cos ∆+=或t f f f f s c m π2cos ∆+=，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m cm m V V θsin = , V m 随V s 的变化而变化。

⎰∆+==t
s s c m m t w w w t w dt w 0
sin )/(θ
)
sin sin(]sin )/(sin[sin t w m t w V t w w w t w V V V s c cm s s c cm m
cm m +=∆+==θ
s
s f f
w w m ∆=∆=
为调制系数 2.2 变容二极管直接频率调制的原理：
2.2.1 变容二极管的特性：
变容二极管是利用半导体PN 结的结电容随反向电压的改变而变化这一特性制成的
一种半导体二极管，它的集间结构和伏安特性与一般检波二极管没有多大差别。

不同的是在加反向电压时，变容二极管呈现较大的结电容。

这个结电容的大小能灵敏的随反向偏压而变化。

正是利用变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。

变容二极管的反向电压与其结电容呈非线性关系，它的结电容C j 与反向电压V R 存在如下关系：
γ
)1(0D
R j j V v C C +=
式中，VD 为PN 结的势垒电压（内建电势差），C j0为V R =0时的结电容，γ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，γ=1/3；突变结：γ=1/2；对于超突变结，γ=1～4，最大可达6以上。

2.2.2 变容二极管调频的基本原理：
变容二极管的C j -V 特性曲线如图2.1所示。

图2.1 变容二极管的C j -V 特性曲线
加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压V 0和调制信号电压V Ω(t)=V Ωcos Ωt ，即
t
V V t v R Ω+=Ωcos )(0。

结电容在V R (t)的控制下随时间发生变化如图所示。

结电容是振荡器的振荡回路的一部分，结电容随调制信号变化。

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，可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性变化，如图所示。

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
V
C k ΔΔC =。

3 变容二极管调频电路设计分析
3.1 变容二极管调频电路原理图
如图3.1，是LC正弦波振荡器与变容二极管调频电路，有LC正弦波振荡器和变容二极管调频电路二部分组成。

其中，晶体管T组成常见的电容三点式震荡器的改进型电路即克拉波电路实现LC振荡，简便易行。

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。

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。

图3.1 变容二极管调频信号产生电路
3.2 LC 振荡电路
本电路晶体管T 被接成共基组态，CB 为经集极耦合电容。

Rc ，R E ，R B1，R B2设置LC 震荡电路的静态工作点，即：
CC B B B BQ V R R R V 2
12+=
β/CQ BQ C
E CEO CC CQ E CQ BE BQ EQ I I R R V V I R I V V V =+-=≈-=
小功率振荡器的静态工作电流I CQ 一般为(1～4)mA ，I CQ 增大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定度变差。

L1，C1与C2,C3构成并联谐振回路，其中C3两端的电压构成振荡器的反馈电压V BE ，以满足相位平衡条件∑=πϕn 2。

比值C2/C3=F 决定反馈电压的大小，当A VO F=1时，振荡器满足振幅平衡条件，电路的起振条件为A VO F>1。

为减小晶体管的极间电容对回路振荡频率的影响，C2,C3的取值较大。

如果选C1<<C2,C1<<C3，则回路的谐振频率f 0主要由C1决定，则
1
121C L fo π≈
·3.3 调频回路
调频回路由变容二极管D C 及耦合电容C C 组成，Cc,Dc 接入LC 振荡电路改变振荡频率构成调频电路。

R1、R2提供变容二极管工作所需的反馈直流偏置电压V Q ，即V Q =[R2/(R1+R2)]V CC 。

电阻R3称为隔离电阻，常取R3>R1,R3>>R2，以减小调制信号V Ω对V Q 的影响。

信号V Ω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,C6起到高频滤波作用。

变容二极管Dc 通过Cc 部分接入振荡电路，有利于提高主振频率fo 的稳定性，减小调制失真。

图3.2为变容二极管部分接入振荡回路的交流等效电路。

图3.2
交流等效电路图
3.4 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S ƒ表示，单位为 kHz/V ，即
m Ωm
V f S f ∆=
V Ωm 为调制信号的幅度；Δƒm 为变容管的结电容变化ΔC j 时引起的最大频偏。

∵回路总电容的变化量为
j
2C p C ∆=∆∑
在频偏较小时，Δƒm 与ΔC ∑的关系可采用下面近似公式，即
∑
∑∆⋅-≈∆Q o m 21C C
f f
∴ p ↑ Δƒ ↑ ，ΔC j ↑
Δƒ ↑。

调制灵敏度 式中，ΔC ∑为回路总电容的变化
量；C Q ∑为静态时谐振回路的总电容， 即
∴ C 1↓
S ƒ↑
Δƒ↑
m ΩQ o 2V C
C f S f ∑
∑∆⋅=Q
C Q C 1Q C C C C C C ++
=∑
调制灵敏度S ƒ可以由变容二极管C j -V 特性曲线上V Q 处的斜率k C 计算。

S ƒ越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。

改变C C 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ΔL 与ΔC 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f 0来表示。

LC f f π210=
≈
由于外界因素的影响，使LC 产生微小的变量ΔL 、ΔC ，因而引起振荡频率的变化为
C C
f L L f f ∆∂∂+∆∂∂=
∆00⎪⎭⎫
⎝⎛∆+∆-≈C C L L f 021 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ΔC/C 与ΔL/L 互相抵消，则Δf 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。

本实验采用的三极管为3DG100. 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。

图3.1高频三极管的参数
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：
C 1>>C
3
,C
2
>>C
3
,Cb为基极耦合电容，C
3
为可变电容，他的作用是把L与C
1
，C
2
分隔开，使
反馈系数仅取决于C
1，C
2
的比值，振荡频率基本上由L和C
3
决定。

这样，C
3
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C
1，C
2
并联，基本上不影响震荡频率。

C 3越小，则频率的稳定度越好，但起振也就越困难。

因此C
3
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：
I CQ 一般为(1～4)mA。

I
CQ
偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。

取I
CQ =2mA。

取V
CEQ
=1/2V
CC
=6V。

可以求出Rc+Re=3KΩ，取Rc=2KΩ，Re=1KΩ；
β=60，I
BQ =β×I
BQ
，为使减小I
BQ
对偏执电阻的电位偏执效果的影响，取R
B1
和R
B2
上流过
的电流I
B >>I
BQ
，取R
B1
=28KΩ，R
B2
=8.2KΩ。

4.2 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C
j
-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，R
1与R
2
为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压
V Q ，电阻R3称为隔离电阻，常取R
3
>>R
2
，R
3
>>R
1
，以减小调制信号V
Ω
对V
Q
的影响。

已知
V Q =4V，若取 R
2
=10kW ，隔离电阻R
3
=150kΩ。

则R
1
=20KΩ
4.3 交流电路参数设置：
由LC 震荡频率的计算公式可求出1
1o π21C L f ≈
，若取C 1=100pF ，则L 1≈10mH 。

实验中可适当调整L 1的圈数或C 1的值。

电容C 2、C 3由反馈系数 F 及电路条件C 1<<C 2，C 1<<C 3 所决定，若取C 2=510 pF ，由
2
/1~8/1/32==C C F ，则取 C 3=3000 pF ，取耦合电容 C b =0.01mF 。

本题给定变容二极管的型号为2CC1C ，已测量出其C j -V 曲线如图1所示。

取变容管静态反向偏压V Q =－4V （应选取在变容特性曲线的线性段中心），由特性曲线可得变容管的静态电容C Q =75pF 。

2CC1C 属于突变结，γ=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C ∑分别为
j
c c
C C C p +=
j
c j c 1C C C C C C ++
=∑
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V Q =－4V 时，对应C Q =75pF ，则C C » 18.8 pf 。

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
为达到最大频偏Δƒm 的要求，调制信号的幅度V Ωm ，可由下列关系式求出。

∑∑∆-=∆Q o m 21C C f f
由Cj-v 曲线得变容管 2CC1C 在V Q = – 4V 处的斜率
5.12j C =∆∆=V C k PF/V,得调制信号的幅度
V Ωm=ΔCj / K C = 0.92V 。

调制灵敏度S ƒ 为9.10m m =∆=ΩV f S f KHz/V
（注：素材和资料部分来自网络，供参考。

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