《高频课程设计》
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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< 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。