变容二极管课程设计2011

实用文案

淮海工学院

课程设计报告书

课程名称：通信电子线路课程设计

题目：变容二极管调频设计

系（院）：通信工程系

学期： 2011-2012-1

专业班级：通信092

姓名：王娟

学号： 030912222 评语：

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变容二极管直接调频电路设计

1 绪论

变容二极管调频的主要优点是能够产生较大的频偏，几乎不需要调制功率。

它主要用在移动通信以及自动频率微调系统中。许多小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术,即在工作于发射载频的LC 振荡回路上直接调频，采用晶体振荡和锁相环来稳定中心频率。与中频调制倍频方法相比，这种方法的电路简单、性能良好、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。

2 设计要求

（1）主振频率 0f =20MHZ

（2）频率稳定度 f ∆/0f ≤0.003/h

（3）主振级的输出电压

V V o 1> （4）最大频偏 kHz f m 10>∆

（5）输出负载 RL=75Ω

（6）发射功率（输出负载 RL 上的功率） o P ≥50mW

（7）调制频率 F=500Hz ～3kHz

（8）总效率 ηA>50%。

3 总体设计思路

设计一个完整的小功率变容二极管直接调频发射机系统，直接调频发射系统

框图主要由调频振荡器,缓冲隔离器，倍频器，高频功率放大器，调制信号发生器等电路组成。总框图如图1所示。

LC 调频振荡器 调频信号发生器 缓冲隔离 （射极跟随倍频器 高频功率放大器

图1 直接调频发射机系统原理图

调频振荡器在产生稳定的载波信号的同时，完成调频功能，是调频发射系统

的核心电路。任务要求中心频率的稳定性不高于（10-3 /min ），用 LC 振荡器就可达到；再考虑到电路的简单易实现，选择采用 LC 调频振荡器、变容二极管直接调频电路。缓冲隔离级将调频振荡器与功放级隔离，以减小后级对振荡器频率稳定度及振荡波形的影响。缓冲级通常采用射极跟随器电路。倍频器将调频振荡器产生的信号频率加倍，以达到发射机载波频率的要求，以降低振荡器的工作频率，提高电路的频率稳定度。如果振荡器的振荡频率可以满足发射机载波频率的要求，可省去此电路。高频功放电路使负载上获得设计要求的发射功率。如果要求整机效率较高，应采用丙类功率放大器，整机效率要求大于50%。故选用丙类功率放大器较好。

4 各单元电路的设计

4.1 LC 调频振荡器设计

直接调频即为载波的瞬时频率受调制信号的直接控制。其频率的变化量与调

制信号成线性关系。变容二极管直接调频电路是利用其特性直接产生调频波。变容二极管利用PN 界的结电容制成，在反偏电压作用下呈现一定的势垒电容，而这个电容能够灵敏的随着反偏电压在一定范围内变化，其关系曲线如下

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 += (1) 式中，VD 为PN 结的势垒电压，Cj0为VR 为0时的结电容，γ为系数。

振荡电路主要是产生频率稳定且中心频率符合指标要求的正弦波信号，目前

应用较为广泛的是三点式振荡电路和差分对管振荡电路。三点式振荡电路又可分为电感和电容三点式振荡电路，由于是固定的中心频率，因而采用频率稳定度较0 Cj V

图2 变容二极管与反向电压的关系

高的克拉拨振荡电路作振荡级。其中晶体管VT组成电容三点式振荡器的改进型电路即克拉泼电路。VT接成共基极组态， C b为基极耦合电容。VT的静态工作点由Rb1、Rb2、Re及Rc所决定。小功率振荡器的静态工作电流I CQ一般为1～4mA。I（CQ）偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。L1、C1与C2、C3组成并联谐振回路，其中C3两端的电压构成振荡器的反馈电压U（BE），以满足相位平衡条件∑ф=2n∏。比值C2/C3=F决定反馈电压的大小，当A（VO）=1时，振荡器满足振荡平衡条件，电路的起振条件为A（V O）F＞1。调频电路由变容二极管VD（C）及耦合电容Cc组成，R1与R2为变容二极管提供静态时的反向支流偏置电压U（Q），即U（Q）=[R2/（R1-R2）]Ucc。电阻R3称为隔离电阻，常取R3〉〉R2，R2〉〉R1，以减小调制信号u（Ω）对U（Q）的影响。C5与高频扼流圈L2给u（Ω）提供通路，C6起高频滤波作用。变容二极管V D c通过Cc部分接入振荡回路，有利于提高主振荡频率f0的稳定性，减小调制失真。高频振荡与调频电路图如下：

图3 高频振荡调频电路图

4.1.1 高频振荡与调频参数设定

振荡器的静态工作点取I（CQ）=2mA，U（CEQ）=6V，测得三极管的β=60。

R E+R C=Ucc-U CEQ/I CQ=3kΩ（2）为提高电路的稳定性，R（E）的值可适当增大，取R1=1 Kω，则R2=2 kΩ。

因此

U EQ =I CQ R E =2V （3）

若取流过R b2的电流为0.33mA 则计算可得Rb28.2 k Ω，Rb1=28.2 k Ω，Rb1用20 k Ω电阻与47 k Ω电位器串联，以便调整静态工作点。

变容管的静态反偏压U Q 由电阻R1与R2分压决定

即

U Q =R2Ucc/（R1+R2） (4) 已知U Q =4V ，若R2=10 k Ω，则R1=Ucc/(U Q -1)R2=20 k Ω实验时R1用10 k Ω电阻与47 k Ω电位器串联，以便调整静态偏压U Q 。隔离电阻R3应远大于R1、R2，取R3=150 k Ω。为减小晶体管的极间电容对回路振荡频率的影响，C2、C3的取值要大。C1<

f0=1/2π11C L (5) 主振频率 f0=1/2π11C L =20MHz (6) 若取L1=6.25uF ，则C1≈12pF 实验中可适当调整L1的值或C1的值。反馈系数F 一般取1/2～1/8。变容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：

p=Cc/（Cc+Cj ） (7) C ∑=C1+CcCj/（Cc+Cj ） (8) 式中，C j 为变容二极管的结电容。电容C2、C3由反馈系数F 及电路条件C1〈〈C2，C1〈〈C3所决定，若取C2=510pF ，由F=C2/C3=1/2～1/8，则取C3=3600 pF ，，取耦合电容C b =0.01μF 。取变容管静态反向偏压U （Q ）=4V ，由特性曲线可得变容管的静态电容C （Q ）=75 pF 。Cc=pC （Q ）/（1-p ）≈18.8 pF 取标称值20 pF 为达到最大频偏Δfm 的要求:

Δf= 1/2f0ΔC （∑）/ C （Q ∑）≈30kHz>10kHz (9) 式中，C （Q ∑）为静态时谐振回路的总电容

C （Q ∑）=C1+CcC （Q ）/[Cc+C （Q ）]= 16.99Pf (10) 则回路总电容的变化量:

ΔC （Q ∑）=2 Δf C （Q ∑）/f0=0.003pF (11)

频率稳定度: C C f f ∆≈∆210=0.0015 (12)