集电极调幅设计

目目 录录 前 言 .1 1 集电极振幅调制器的工作原理及分析 .2 1.1 集电极振幅调幅器的工作原理.2 1.2 集电极电路脉冲的变化情况 .2 1.3 集电极调幅波形图 .3 1.4 集电极调幅的静态调制特性.4 2 集电极调幅设计与仿真 .5 2.1 集电极振幅调制设计电路.5 2.2 集电极振幅调制仿真电路.5 2.3 集电极调幅输入载波信号波形.6 2.4 集电极调幅输入调制信号波形.6 2.5 集电极调幅输出波形及分析.7 3 集电极电路分析 .8 3.1 调幅波的分析.8 3.1.1 调幅波的数学表示式推导 .8 3.1.2 调幅波参数计算 .8 3.2 集电极调幅电路的工作状态分析.9 3.2.1 集电极调制特性 .9 3.2.2 集电极调幅功放三种工作状态对比 .10 4 软件 MULTISIM 10 介绍.12 4.1 仿真软件概述.12 4.2 界面概述.12 4.3 元器件库的操作.13 4.4 注意事项.14 5 设计总结 .15 5.1 集电极振幅调制电路的优缺点.15 5.2 心得体会.15 参考文献 .16 附录 .17 前 言 调制器与解调器是通信设备中的重要部件。所谓的调制，就是用调制信号去控制载 波某个参数的过程。调制信号是由原始消息转变成的低频或视频信号，这些信号可以是 模拟的，也可以是数字的。未受调制的高频振荡信号称为载波。受调制后的振荡波称为 以调波，它具有调制信号的特征。 振幅调制是由调制信号去控制载波的振幅，使之按信号的变化规律，严格的讲是使 高频振荡的振幅与调制信号呈线性关系。 使受调波的幅度随调制信号而变化的电路称为调幅器。调幅器输出信号幅度与调制 信号瞬时值的关系曲线叫做调幅特性。理想的调幅特性应是直线，否则便会产生失真。 调幅器主要由非线性器件和选择性电路构成。非线性器件实现频率变换，产生边带和谐 波分量；选择性电路用来选出所需的频率分量并滤掉其他成分，如高次谐波等。常用的 非线性器件有晶体二极管、场效应晶体管等。选择性电路大多用谐振回路或带通滤波器。 按照电平的高低，调幅器可分为高电平调幅和低电平调幅。大功率广播或通信发射机多 采用高电平调幅器。这种调幅器输出功率大，效率高。载波电话机和各种电子仪器多采 用低电平调幅器。它们对输出功率和效率要求不高，可以选用调幅特性较好的电路。 所谓的集电极调幅，就是用调幅信号来改变高频功率放大器的集电极直流电源电压， 以实现调幅.集电极调幅的特点： (1)因过压工作， 高(与 m 无关) (2)用于大功率调幅发射机 (3)要求提供较大的驱动功率U (4)m 较大时，调幅波非线性失真 1 集电极振幅调制器的工作原理及分析 1.1 集电极振幅调幅器的工作原理 集电极调幅是利用低频调制电压去控制晶体管的集电极电压，通过集电极电压的变 化，使集电极高频电流的基波分量随调制电压的规律变化，从而实现调幅。实际上，它 是一个集电极电源受调制信号控制的谐振功率放大器，属高电平调幅。调幅管处于丙类 工作状态。要完成无线电通信，首先必须产生高频率的载波电流，然后设法将电报、电 话等信号“加到”载波上去。将声音电流加在高频电流上，这个过程称为调制。一个载 波电流有三个参数可以改变，即振幅、频率和相位。本次设计要求采用调幅方式。它的 基本原理是，将要传送的调制信号（这里我们以话音信号为例）从低频率搬移到高频， 使它能通过电离层反射进行传输，在远距离接收端我们用适当的解调装置再把原信号不 失真的恢复出来，就达到了传输话音低频信号的目的。即载波的频率和相角不变，载波 的振幅按照信号的变化规律而变化，高频振幅变化所形成的包络信号就是原信号的波形。 通过载波传输声音信号，一是高频产生电磁波的要求，二则增添了许多频率段可供 人们选择使用，便于滤波。 1-1 集电极调幅工作原理图 1.2 集电极电路脉冲的变化情况 线性调幅时，由集电极有效电源所提供的集电极电流的直流分量和集电极 CC U 0C I 电流的基波分量与成正比。 1C I CC U 调制信号电压加在集电极电路中，与集电极直流电压串联，因此，集电极有效 C E 电源电压为式中, 为集电极固定电源电压；m为调幅指数。 CC U C E 集电极电压相对应的集电极电流脉冲的变化情形如图 1-2 所示： CC U 图 1-2 同集电极电压相对应的集电极电流脉冲的变化情形 CC U 由图可见，集电极的有效电源电压随调制信号压变化而变化。由于与不 CC U BB U b U 变，故为常数，又不变，因此动态特性曲线的斜率也不变。若电源电压变化，则动 P R 态线随值的不同，沿平行移动。 CC U C E 由图可以看出，在欠压区内，当由变至（临界）时，集电极电流脉冲 CC U 1CC U 2CC U 的振幅与通角变化很小，因此分解出的的变化也很小，因而回路上的输出电压的 1cm I C E 变化也很小。这就是说在欠压区内不能产生有效的调幅作用。 1.3 集电极调幅波形图 在这种情况下，分解出的随集电极电压的变化而变化，集电极回路两端的 1cm I CC U 高频电压也随而变化。输出高频电压的振幅，不变，随而 CC U 1CCcmP UIR P R 1cm I CC U 变化，而是受控制的，回路两端输出的高频电压也随变化，因而实现了集电 CC U O U O U 极调幅。 t t0 0 0 0( (t t) )v t t0 0 ( (t t) ) v t t0 0 0 0( (t t) )v t t0 0 ( (t t) ) v （A）调制信号波形 （B）载波信号波形 t t0 0 ( (t t) ) v （C）已调信号波形 图 1-3 集电极调幅波形图 1.4 集电极调幅的静态调制特性 当没有加入低频调制电压（即）时，逐步改变集电极直流电压的大U0U CC U 小，同样可使电流脉冲发生变化，分解出的或也会发生变化。我们称集电极高 c i 0c I 1cm I 频电流（或）随变化的关系线为静态调制特性曲线。根据分析结果可作出静 1cm I 0c I CC U 态调制特性曲线如图 1-4 所示。 图 1-4 集电极调幅的静态调制特性 静态调制特性曲线不能完全反映实际的调制过程，因为没有加入调制信号，输出电 压中没有边频存在，只有载波频率，不是调幅波。通常调制信号角频率要比载波角频 率低得多，因此对载波来说，调制信号的变化是很缓慢的，可以认为在载波电压交变 0 的一周内，调制信号电压基本上不变。这样，静态调制特性曲线仍然能正确反映调制过 程。我们可以利用它来确定已调波包络的非线性失真的大小。 由图 1-4 可知，为了减小非线性失真，当加上调制信号电压时，保证整个调制过程 都工作在过压状态，所以工作点 Q 应选在调制特性曲线直线段的中央，即 处， 为临界工作状态时的集电极直流电压。否则，工作点 Q 偏高或 0 1 2 CCQCC UU 0CC U 偏低，都会使已调波的包络产生失真。 2 集电极调幅设计与仿真 2.1 集电极振幅调制设计电路 图 2-1 集电极振幅调制设计电路 2.2 集电极振幅调制仿真电路 图 2-2 集电极振幅调制仿真电路 2.3 集电极调幅输入载波信号波形 图 2-3 集电极调幅输入载波波形 2.4 集电极调幅输入调制信号波形 图 2-4 集电极调幅输入调制信号波形 2.5 集电极调幅输出波形及分析 图 2-5 集电极调幅输出波形 1.输出波形原理分析 载波直接加到放大器的基极。调制信号加到集电极电路且与直流电源相串联。 C U 0c U C1、C2 是高频旁路电容。集电极谐振回路 LC 调谐在载频上。 C 由于与相串联，因此，丙类被调放大器集电极等效电源将随变化， 0C U C E CC U 0C U 从而导致被调放大器工作状态发生变化，在过压状态下，集电极电流的基波分量振幅 C I 随成正比变化，从而实现调幅。 1C I 0C U 集电极调幅电路具有调制线性好，集电极效率高的优点。广泛用于输出功率较大的 发射机中。所需调制信号功率大是该调制电路的缺点。 2.输出波形特点分析 调幅波的振幅变化规律与调制信号波形一致，调幅度m反映了调幅的强弱程度。 可以看出：一般m值越大调幅越深： 时，未调幅0m 时，最大调幅(百分之百)1m 时，过调幅，包络失真，实际电路中必须避免1m 3 集电极电路分析 3.1 调幅波的分析 3.1.1 调幅波的数学表示式推导 根据振幅调制信号的定义，已调信号的振幅与调制信号线性变化。U 设调制信号为单频余弦信号：，载波信号：cosuUt cos ccc uUt 则已调信号振幅 ( )cos(1cos) mCC C U UtUk UtUkt U (1cos) C Umt C C C UU mk U U 01m 式中, 称为调制灵敏度，m称为调幅度（调制度）k 已调波：( )( )cos(1cos)cos AMmcCc utUttUmtt 3.1.2 调幅波参数计算 1.调幅度的计算 图 3-1 集电极调幅调制信号与输出信号波形 图中参数为： max 30UV min 8UV24 C UV 则调幅度： maxmin () 2 C UU m U (308) 14.67 24 2.放大倍数的计算 图 3-2 集电极调幅输入信号与输出信号波形 图中参数为： 22 o uV1.5 i uV 则放大倍数： 22 14.67 1.5 o u i u A u 3.2 集电极调幅电路的工作状态分析 3.2.1 集电极调制特性 集电极调制特性是指仅改变，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。在 C E 、不变，动特性曲线将随的变化左右平移，当由大到小变化时，功 L R bm U BB U C E C E 放的工作状态由欠压工作状态到临界，再进入到过压状态，集电极电流从一完整的余 C I 弦脉冲变化到凹顶脉冲。因此，高频功放的集电极调制特性可用图 3-1 所示曲线表示 图 3-3 集电极调幅的静态调制特性 要实现振幅调制，就必须选择输出高频信号振幅与直流偏置电压呈线性关系。 C E 只有工作在过压区才能有效地实现对及的调制作用，故集电极调幅电路应工作 C E 1C I O P 在过压区。 3.2.2 集电极调幅功放三种工作状态对比 图 3-4 集电极调幅过压状态输出波形 图 3-5 集电极调幅欠压工作状态输出波形 由图 3-3 知在欠压区工作时，输出电流的振幅基本上不随变化而变化。输出波形 C E 的包络不在显示调制信号，因此不可以进行振幅调制。 图 3-6 集电极调幅临界工作状态输出波形 动态特性曲线与临界饱和线以及对应的静态特性曲线，三线相交于一点 maxbe u 为尖顶余弦脉冲。此时输出波形幅度最大。 c i 4 软件 Multisim 10 介绍 4.1 仿真软件概述 Multisim10 是美国 NI 公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模 拟、数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入 方式，具有丰富的仿真分析能力。有了 Multisim 软件，就相当于拥有了一个设备齐全 的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真、分析工作。 4.2 界面概述 1.启动 Multisim 10 双击桌面上的 Multisim 快捷方式或选择程序菜单中的 Multisim 选项，即可进入 图 4-1 软件启功界面 2. Multisim 界面 图 4-2 界面介绍 4.3 元器件库的操作 图 4-3 元器件库的操作 菜单工具栏菜单工具栏 设计工具盒设计工具盒 标准标准 工具栏工具栏 数据表格视图数据表格视图 元件元件 工具栏工具栏 激活电路标激活电路标 签签 电路窗口电路窗口 仪表工仪表工 具栏具栏 图 4-4 元器件库的操作 4.4 注意事项 1.不要长时间使软件处于仿真状态，以免死机； 2.删除元件、仪器、连线等，一定要在断开仿真开关的情况下进行； 3.注意数字地与模拟地的差别，使用标准符号； 4.LED 数码管的极性； 5.分模块调试，最后综合调试。 5 设计总结 5.1 集电极振幅调制电路的优缺点 1.电路的优点 所用的元器件较少并能实现预定的效果，连线较少实验电路较为简单。 2.电路的缺点 要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有直流馈电电路，为 晶体管各级提供合适的偏置，而我们的电路没有直流馈电电路除了流入晶体管内阻 0C I 还流入电路其他的部分导致外电路消耗电源功率增大，使损耗增大。 在实际应用中，由于基极馈电电路中采用单独电源不方便，因此电路不具有实 BB U 用性。在电路的输入，输出回路没有采用一定的耦合回路，使输出功率能不能有效地传 输到负载。 5.2 心得体会 一周的课设时间过去了，从最开始的毫无头绪，无从下手，到最后设计出电路及仿 真的正常运行，虽然其中可能有不完美，我还是体会到了成功的喜悦。通过这次课设的 锻炼使我受益匪浅。 这次课设中使我懂得了有些问题是可以自己慢慢看书摸索，在反复的尝试过程中解 决，我相信这种方法还可以运用到以后的实际工作中。此次课程设计制作让我了解有关 电路的原理和设计理念：在最后的仿真结果却不一定与理想的完全一样，因为在实际接 线中有着各种各样的条件制约，所以，在设计时应考虑两者之间的差距，从而找出最合 适的方法，通过调试来发现自己的错误，并分析排出故障。我深深感受到了所学知识的 有限，明白了只学好课本上的知识是不够的，要通过图书馆和互联网等各种渠道来扩充 自己的知识。另外用 Multisim 仿真的过程中，我熟悉了这一仿真软件的用法，掌握了更 多的知识。 一周的实习就是将从课本上的知识应用于实践中，高频课设就是很好的实践。在集电 极调幅电路设计中，充分的体现