变容二极管调频电路课程设计剖析

南华大学《通信线路》设计报告变容二极管调频电路设计*名：***学号：***********专业班级：通信1102班指导老师：***所在学院：电气工程学院2014年6月12 日摘要随着电子与通信技术的不断进步，各种新兴电子产品的开发速度越来越快。

现代计算机技术和微电子技术的进一步结合和发展使得电子电路和通信线路出现了二个分支。

一个是朝着更高集成度的集成电路发展：而另一个是利用分立元件和硬件描述语言对新型器件进行专门设计。

调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。

调频电台的频带通常大约是200～250kHz，其频带宽度是调幅电台的数十倍，便于传送高保真立体声信号。

由于调幅波受到频带宽度的限制，在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾，因此音频信号的频率局限于30～8000Hz的范围内。

在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至30～15000Hz，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。

目前，应用最广泛的是采用变容二极管直接调频技术，即利用二极管反偏工作的PN 结呈现的势垒电容，它与回路中的电感共同构成振荡器的振荡回路，从而作为振荡频率直接调频电路。

它具有工作频率高、固有损耗小和使用方便等优点。

变容二极管为特殊二极管的一种。

当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN （正负极）接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。

但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。

在变容二极管直接调频电路中，变容二极管作为一压控电容接入到谐振回路中，有所学的正弦波振荡器章节中，我们知道振荡器的振荡频率由谐振回路的谐振频率决定。

因此，当变容二极管的结电容随加到变容二极管上的电压变化时，由变容二极管的结电容和其他回路元件决定的谐振回路的谐振频率也就随之变化，若此时谐振回路的谐振频率与加到变容二极管上的调制信号呈线性关系，就完成了调频的功能，这也是变容二极管调频的原理。

目录1 系统方案论证 (5)1.1 电路设计原理 (5)1.2 电路的设计方案 (5)1.3 电路设计 (5)1.4 主振电路设计原理分析 (7)1.5 变容二极管直接调频电路设计原理分析 (7)1.6 调频信号分析 (9)1.7 变容二极管直接调频电路 (9)2 电路工作分析 (11)2.1 谐振回路总电容 (11)2.2 调制灵敏度 (11)3 电路元器件参数 (12)3.1 振荡回路参数LC (12)3.2 温度补偿法 (12)3.3 回路电阻 (11)3.4 加缓冲级 (12)3.5 有源器件的参数 (13)4 电路元器件参数设置 (13)4.1LC震荡电路直流参数设置 (13)4.2变容管调频电路参数设置 (13)4.3 T2管参数设置 (11)4.4调制信号的幅度计算 (144)5元器件清单 (13)6电路仿真结果 (13)7课程设计心得与体会 (13)8主要参考文献 (13)附件1电路仿真原理图 (13)附件2PCB图 (13)1.系统方案论证1.1 电路设计原理变容二极管为特殊二极管的一种。

当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN （正负极）接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。

但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。

在变容二极管直接调频电路中，变容二极管作为一压控电容接入到谐振回路中，有所学的正弦波振荡器章节中，我们知道振荡器的振荡频率由谐振回路的谐振频率决定。

因此，当变容二极管的结电容随加到变容二极管上的电压变化时，由变容二极管的结电容和其他回路元件决定的谐振回路的谐振频率也就随之变化，若此时谐振回路的谐振频率与加到变容二极管上的调制信号呈线性关系，就完成了调频的功能，这也是变容二极管调频的原理。

1.2 电路的设计方案变容二极管直接调频电路由于变容二极管的电容变化范围大，因而工作频率变化就大，可以得到较大的频偏，且调制灵敏度高、固有损耗小、使用方便、构成的调频器电路简单。

因而变容二极管直接调管频器是一种应用非常广泛的调频电路。

1.3 电路设计变容二极管调频电路主要是由主振电路和变容二极管直接调频电路构成，电路如图所示。

不加调制信号加入调制信号1.4 主振电路设计原理分析端口通过滤直电容C82输入频率为1KHz 大小为200mv 的调制信号，并且频率由零慢慢增大，端口12输出调频信号。

T1,T2为3DG12C 三极管，C9、C10、C7、L4、CC1、C8为主振回路，D1为Bb910变容二极管。

为了减小三极管的极间电容C ce 、C be 、C cb 这些不稳定电容对振荡频率的影响，要求C9>C7,C10>C7，且C7越小，这种影响就越小，回路的标准性也就越高。

则回路的谐振频率是C f o L 21π本电路采用常见的电容三点式振荡电路实现LC 振荡，简便易行。

式中，L 为LC 振荡电路的总电感量，C 为振荡电路中的总电容，主要取决于C3、C7、C8、Cc1及变容二极管反偏时的结电容Cj 。

，变容二极管电容Cj 作为组成LC 振荡电路的一部分，电容值会随加在其而端的电压的变化而变化，从而达到变频的目的。

R4、R5、R6、R7和W2调节并设置电容三点式振荡器中T1管的静态工作点，R8、R9、R10调节并设置T2管的静态工作点，C7、C9、C10以及L4、CC1、C8构成LC 振荡电路。

电容三点式振荡器电路等效电路如下图所示。

电容三点式振荡器等效电路1.5 变容二极管直接调频电路设计原理分析图1.1中，直接调频电路由变容二极管(Bb910)D1，耦合电容C1、C3、C82，偏置电阻R1、R2，隔离电阻R3和电位器W1构成。

接入系数Cj C C p +=33，（C3由不同电容值的电容代替，保证接入系数不同）其中等效电路图如下图所示。

CJ变容二极管部分接入等效图无调制时，谐振回路的总电容为：式中()718C CC C Ca +=，（由于C9和C10电容值远大于C7,C9和C10可串联忽略） CQ 为静态工作点是所对应的变容二极管结电容。

调频电路中，R1、R2、R3和W1调节并设置变容二极管的反偏工作点电压V Q ，，调制信号v Ω经C82和高频扼流圈L1加到二极管上。

为了使V Q 和v Ω能有效的加到变容管上，而不至于被振荡回路中L4所短路，须在变容管和L4之间接入隔直流电容C3，要求它对高频接近短路，而对调制频率接近开路。

C1为高频滤波电容，要求它对高频的容抗很小，近似短路，而对调制频率的容抗很大，近似开路。

信号V Ω从端口通过C82输入，C82为隔直电容，滤除输入信号中掺杂的直流成分。

电感L1为高频扼流圈，要求它对高频的感抗很大，近似开路，而对直流和调制频率近似短路。

对高频而言，L1相当于断路，C3相当于短路，因而C3和二极管D1接入LC 振荡电路，并组成振荡器中的电抗分量，等效电路如下左图所示。

对直流和调制频率而言，由于C3的阻断，因而V Q 和v Ω可以有效的加到变容管上，不受振荡回路的影响，等效电路如下右图所示。

Q3Q 3Q C C C C C C a ++=∑CJ高频通路 直流和调制频率通路1.6 调频信号分析FM 调制是靠调频使信号频率发生变化，振幅可保持不变，所以噪声易消除。

设载波t w Vcm Vc c cos =,调制波t w Vsm Vs s cos =。

则 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Vs 的变化而变化。

⎰∆+==ts s c m m tw w w t w dt w 0sin )/(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 mcm m +=∆+==θ s s f f w w m ∆=∆=为调制系数1.7 变容二极管直接调频电路变容二极管具有PN 结，利用PN 结反向偏置时势垒电容随外加反向偏压变化的机理，在制作半导体二极管的工艺上进行特殊处理，以控制半导体的掺杂浓度和掺杂分布，可以使二极管的势垒电容灵敏地随反偏电压变化且呈现较大的变化，这样就制作成了变容二极管。

变容二极管的结电容Cj ，与在其而端所加反向电压u 之间存在着如下关系：n B V u Cj Cj ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=10 (Ⅰ)式中，V B 为PN 结的势垒位差(硅管约为0.7V,锗管约为0.3V)，C j0为变容二极管在零偏置时的结电容值，n 为变容二极管的结电容变化指数，它取决于PN 结的杂质分布规律：n=1/3对于缓变结，扩散型管多属此种； n=1/2为突变结，合金型管属于此类。

采用特殊工艺制程的超突变结的n 在1～5之间。

变容二极管的结电容变化曲线如所示。

变容二极管的Cj-u 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 cos V V m Q ΩΩΩ+=+=V V u Q (Ⅱ)将式（Ⅱ）带入（Ⅰ），得()nQ m V Cj Cj -+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=t cos 1Cj t cos V V V 11VV 1Cj V t cos 1Q nB Q mnB Q 0nB 0ΩΩΩΩ式中，nB Q Q V V Cj Cj ⎪⎭⎫⎝⎛+=10为静态工作点的结电容，()QmB QmV V V Ω≈+=VV m Ω为反映结电容调深度的调制指数。

结电容在u(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VC k ΔΔC =。

2电路工作分析2.1谐振回路总电容CjC CjC Ca C ++=∑33 回路总电容变化量j2C p C ∆=∆∑2.2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Sf = △f m / V ΩmV Ωm 为调制信号的幅度；△fm 为变容管的结电容变化△Cj 时引起的最大频偏。

在频偏较小时，△fm 与△C ∑的关系可采用下面近似公式，即∑∑∆⋅-≈∆Q o m 21C Cf f调制灵敏度调制灵敏度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CC1的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。