小功率调频发射机设计报告.

1、涮浙刀彳垮亿课程设 计课程名称咼频电子线路课程设计课题名称小功率调频发射机设计专业电子科学与技术班 级 0802 班学号200801180219姓 名刘石海指导教师刘正青老师2011年6月11日湖南工程学院课程设计任务书课程名称通信电子线路课程设计题 目 小功率调频发射机设计专业班级学生姓名刘石海学 号200801180219指导老师刘正青审 批任务书下达日期：2011年5月23日星期一设计完成日期：2011年6月11日星期五设计内容与设计要求一、设计内容：设计一小功率调频发射机主要技术指标要求：发射功率Pa 80mW负载电阻（天线）R=75 Q,工作中心频率fo=1OMHz, 最大频偏，20

2、khz 总效率- O二、设计要求：1、拟定发射机的组成方框图；2、完成增益分配与单元电路设计，通过具体计算，选择器件给出设计电路；3、完成发射机的系统调试（调频震荡器、中间推动级、功率放大器各级的测量）4、给出最终实现电路5、写出设计报告；主要设计条件提供计算机和必要的实验仪器说明书格式1. 课程设计报告书封面；2. 任务书；3. 说明书目录；4. 电路具体设计计算；5. 最终电路的确定；6. 实验系统调试结果及结论;7. 设计体会；8参考文献。目录一、资料整理 61、发射机的主要技术指标 62、变容二极管主要特性 73、宽带功率放大器 84、丙类功率放大器 9二、总体方案设计 101. 系统

3、框图： 102、单元电路设计 101)功放级电路设计和分析 102) 功放电路参数计算 123)甲类功率放大器 144)缓冲隔离级 165)调频振荡级 18三、整机电路 21四、电路装配测试和总结 22五、总结与体会 25附录 26参 考 文 献 27课程设计评分表 2835、资料整理1、发射机的主要技术指标发射功率一般是指发射机输送到天线上的功率。工作频率或波段发射机的工作频率应根据调制方式，在国家或有关部门所规定的范围内选取。总效率发射机发射的总功率P与其消耗的总功率P C之比，称为发射机的总效率。A非线性失真要求调频发射机的非线性失真系数应小于1 %。杂音电平 杂音电平应小于 -65 d

4、B。输出功率高频功放的输出功率是指放大器的负载 RL上得 到的最大不失真功率。也就是集电极的输出功率，即1P2VcimIcim1 I2 R 1 V爲1 Clm R0 _2 2 Ro效率 常将集电极的效率视为高频功放的效率，用n表示, 当集电极回 路谐振时，n的值由下式计算:Pc _Vl2 /RlPd1 C0VCC功率增益功放的输出功率Po与输入功率Pi之比称为功 率增益，用AF（单位：dB）表示AP=B/ Pi2、变容二极管主要特性主振频率LC振荡器的输出频率fo称为主振频率或载波频 率。用数字频率计测量回路的谐振频率 fo，咼频电 压表测量谐振电压Vo,示波器监测振荡波形。频率稳定度 主振频

5、率fo的相对稳定性用频率稳定度表示。氓.f。=仏匹/小时fo最大频偏指在一定的调制电压作用下所能达到的最大频率偏移值。将称为相对频fmfo偏。变容二极管特性曲线特性曲线q- v如图1-1示。 性能参数vq qo、及q点处的斜率kc等可以通过q- v 特性曲线估算。1(7亦-150100斤Q5011II11 1电1 祐-s f |4 -2 (v/V04卄I M0图1-1变容二极管的q-v特性曲线变容二极管的Cj-v特性曲线如图1-1所示。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kc = AC/N图1-1是变容二极管2CC1C勺Cj-v曲线。由图可得VQ = -V 时CQ = 7

6、5pF,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Sf度，以-表示单位为kHz/V，即SfmSfx/VQm“V饷 为调制信号的幅度；：Cj为变容管的结电容变化时引起的最大频偏。回路总电容的变化 量为2-T P - Cj在频偏较小时，f 与 c的关系可采用下面近似公式, m即fm1fo调制灵敏度-CCQZ pt f t，S丄仝2Cq VQm：Cj t ft式中 Ct为回路总电容的变化量；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及上式计算频偏越大。Sf越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的3、宽带功率放大器宽带功放要为下一级丙类功放提供一定的激励功率，将前级输入的

7、信号进行功率放大，它不需要调谐回路，可在很 宽的频率范围内获得线性放大。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点。（如图1-2）图1-2甲类功放的负载特性4、丙类功率放大器为达到效率大于50%勺要求，本级需要使用丙类功放图1-3 （左）输入电压Vbe与集电极电流脉冲ic的波形关系（右）丙类功放负载特性、总体方案设计1系统框图：根据任务要求，本发射机功率Pa不大，工作中心频 率f 0也不高，为了调试和设计方便，可将系统设计得简单一些。 这样的系统在实验室环境下还是非常稳定的。以下给出系统框图(2-1):图（2-1 ）发射机系统框图2、单元电路设计1）功放级电路设计和分析：

8、根据高频小功率发射机的特点，和参数要求，整机设计应该 从末级开始往前设计，所以首先设计的是功放级 ：将前级送来的信号进行功率放大，使负载（天线）上获得满 足要求的发射功率。如果要求整机效率较高，应采用丙类功率放 大器，若整机效率要求不高如a : 50%，而对波形失真要求较小时，可以采用甲类功率放大器。但是设计要求总效率A 50%,故选用丙类功率放大器较好。丙类功放的电流导通角 9 1.5V hfe 10 fT=70MHz , Ap 13dB确定放大器的工作状态为获得较高的效率n及最大输出功率P0。放大器的工作状态选为临界状态，取 =80o ,得谐振回路的最佳负载电阻 Re为何川ce(sJ L

9、756Q2P得集电极基波电流振幅上为Qm 二 2Pc/Rq =145mA得集电极电流脉冲的最大值Icm及其直流分量Ic0，即Icm= Icm1 / a 1 (80o) =30.8188mAIc0= Icm * a 0 (80o) =9.6296mA得电源供给的直流功率PD为PD=VCCIc0=115.5551mW得集电极的耗散功率PC为PC=PD-P0=35.5551mW得放大器的转换效率n为n =P0/PD=69%若设本级功率增益AP=13dB(20倍)，输入功率Pi为Pi=P0/AP=4mW得基极余弦脉冲电流的最大值为Ibm (设晶体管 3DA1的直流B =10)lbm=lcm/ B =3

10、mA得基极基波电流的振幅Ibm1为Ibm1=lbm - a 1(80o)= 1.4160mA得输入电压的振幅Vbm为VBm = 2p / 1 bm1 = 5. 7V计算谐振回路及耦合回路的参数丙类功放的输入输出耦合回路均为高频变压器耦合方式,其输入阻抗|Zi|可计算，得:bb(1 -cos)： 1-643(1-COS80。0.47输出变压器线圈匝数比为叫_ 2巳巳N1VC1 m= 0.33取 N3=1,N1=3若取集电极并联谐振回路的电容C=100pF得回路电感为1 2.5uH|_=L 4* n * n *f0*f0*CN2的确定需要根据磁环参数来确定。公式:_ =4-2H /mA2cmlcm

11、n22 10 jh变压器的匝数N1、N2 N3的计算值只能作为参考值，由于电路高频工作时分布参数的影响，与设计值可能相差较大。为调 整方便，通常采用磁心位置可调节的高频变压器。基极偏置电路参数计算基极直流偏置电压Vb为Ve=*E（on） Vbncos = -0.2861V射极电阻艮2为R E2=| Vb|/ I co =30 Q取高频旁路电容Ce2=0.01卩F3）甲类功率放大器由于功放级电路需要较大的功率推动，而震荡电路一般输出的功率不大，所以要在中间加入一个功率激励级电路。根据该级的特点知道，其功率要求不大，所以可以使用甲类放大，以减少调试 难度和增加电路的稳定度。由晶体管3DG12组成的

12、宽带功率放大器工作在甲类状态。其中R、R为基极偏置电阻，RE1为直流反馈电阻，以稳定电路的静态工作点。 Rf 为交流负反馈电阻， 可以提高放大器的输入阻抗， 稳定增益。计算电流性能参数 由丙类功率放大器的计算结果可得甲类功率放大器的输出功 率PO应等于丙类功放的输入功率 R，输出负载艮应等于丙类功 放的输入阻抗 | Zi| ，即PO= Pi =4mW, Re=| Zi|=64.3 Q。设甲类功率放大器的电路如图 （2-2）左端所示的激励级电路，取变压器效率n T=0.8，得集电极的输出功率Po为若Po=PO/ n T=5mW若取放大器的静态电流lcQ=lcm=5mA得集电极电压的振幅 V及最佳

13、负载电阻艮分别为VCm=2Po/ I cn=2VR 座=40”2F0因射极直流负反馈电阻REi为= 1.7K取标Vcc Vcm VCE(sat)RE1 =|1 CQ称值1.5K Q得输出变压器匝数比为A=13dBVeq为若取二次侧匝数 2=2，则一次侧匝数 N=4本级功放采用3DG12晶体管，设B =30,若取功率增益（20倍），则输入功率P为Pi=P0/ AP=0.25mW得放大器的输入阻抗R为R 心 r b+ B Rb=25Q +30X 艮若取交流负反馈电阻 R=16Q ,则R=500Q得本级输入电压的振幅 Vm为Vim = 0.5V计算静态工作点由上述计算结果得到静态时（V=0）晶体管的

14、射极电位Veq=I cQRe1=2.5V 贝U Vbq=Veq+0.7V=3.2V , I bq=I cd B =0.17mA若取基极偏置电路的电流I1=5Ibq,则R=Vbg/5 I BQ=3.8k QVcc - VbqR-i =RB2 =8.25K0Vbq取高频旁路电容CEi=0.022卩F,输入耦合电容G=0.02卩F。4）缓冲隔离级将振荡级与功放级隔离，以减小功放级对振荡级的影响。因 为功放级输出信号较大，当其工作状态发生变化时（如谐振阻抗 变化），会影响振荡器的频率稳定度，使波形产生失真或减小振 荡器的输出电压。进行设计时，为减小级间相互影响，通常在中 间插入缓冲隔离级。一般采用如图

15、 2-3所示电路图（2-3）缓冲隔离级电路原理图不论是在低频电路还是高频电路的设计中，缓冲隔离级常采用射极跟随器电路，如上图，调节射极电阻RE2，可以改变射极跟随器输入阻抗。如果忽略晶体管基极电阻厲的影响，则射极输出器的输入电阻Ri为Ri=RB jLR式中，Rl=（Rei+Re2）/Rl,Rb=Rbi/Rb2 ;输出电阻 Ro 为 Ro=（Rei+Re2）/o, 式中，ro很小，所以可将射极输出器的输出电路等效为一个恒压源。A = Mm 尺 L电压放大倍数Av为1+弘尺1，式中，gm晶体管的跨导,般情况下gm Rl，1。所以，图中所示射极输出器具有输入阻抗高、输出阻抗低、电压放大倍数近似等于

16、1的特点。晶体管的静态工作点应位于交流负载线的中点，一般取Vceq=1/2Vcc , Icq=310mA.对于图 4 所示电路，取 Vceq=6V ,lcQ=3mA,若晶体管的电流放大倍数 B =60则REl+RE2=VEQ/ICQ=2kQ,取REi=0.8k 莒RE2=1.2k Q_ VEQ _ RVCC VCEQ+0.7) RB1 = 10ICQ =10ICQVCC VBQRB2=RB1=10.6 k Q可以估算出，功率激励级的输入阻抗为500Q,即射随器的负载电阻RL=50(D，并可计算出射随器的输入电阻 Ri，即Ri=RB7/ B RL4.7k输入电压 Vi为 丿 为减小射随器对前级振

17、荡器的影响，耦合电容 C1不能太大，一般为数十皮法。C2为0.022卩左右。5）调频振汤级原理分析本级要求产生lOMHZt频振荡信号，使用二极管线性调频，最大频偏20KHz整个发射机的频率稳定度由该级决定。 所以选用 改进型的电容三点式振荡器，即克拉泼电路。Cb为基极耦合电容，其静态工作点由Rbi、Rb2、Re及Rc决小功率振荡器的静态工作电流Icq 般为1 4mA Icq偏大， 振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。Li、Ci与C2、C3组成并联谐振回路，其中C3两端的电压振荡器的反馈电压 Vbe， 以满足相位平衡条件。比值 C2/C3=F决定反馈电压的大小。当AvoF=1时，振荡器

18、满足振幅平衡条件，电路的起振条件为AvoF1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。如果选CiC2，CiC3,则回路的谐振频率fo主要由Ci 决定。调频电路由变容二极管Cj及耦合电容Cc组成，Ri与R2为变 容二极管提供静态时的反向直流偏置电压 Vq，即VQ = R2/(Ri + R2)Vcc。电阻R3称为隔离电阻，常取R3R2, R3Ri，以减小调制信号V 对Vq的影响。C5与高频扼流圈L2给V Q 提供通路，C6起高频滤波作用。变容二极管Cj通过Cc部分接入振荡回路，有利于提高主振频 率fo的稳定性，减小调制失真。参数计算：为减少波形失真，我们取I CQ=im

19、A Vceq=6V,已知晶体管B =60Re+Rc=vccvceqICEQ=6 k Q为提高电路的稳定性，Re的值可适当增大，取RE=2kQ,则Rc=4kQ因Veq=Icq*Re=2V若取流过 Rb2 的电流 Ib2=10Ibq=10Icq/ B =0.17mA则Rb2=V bq/Ib2 15.9 k QRb2_VbqRbi +Rb2 =VccRbi = Rb2 (vccvbqi)=54.8 kRbi最好用20kQ电阻与47kQ电位器的串联组合，以便调整静态工作点 工作中心频率f0=10MHz取 3= 100p得L1=2.5uh，电容C2、C3由反馈系数F及电路条件CiC2，CiC3决定，若取

20、C2=800pF，由 F=C2/C3=1/21/8,则取 C3=4000pF,取耦合电容 Cb=0.01uF。R1, R2, R3为变容二极管提供静态偏压 V ，其中R3做 隔离用，取200& R1,R2可以与一个可调电阻组合，使调节方便。Cc因接入系数n= 丙，一般接入系数:，为减小振荡回路输出的高频电压对变容晶体管的影响，n值应取小，但n值过 小又会使频偏达不到指标要求。可以先取 n=0.3，然后再调试。 由变容二极管Cj-V特性曲线得到VQ=-4V时，对应C=75pF, 则 Cc= 警 宀32.1pF ，取标称值32pF。耦合电容C5取4.7uf，扼流圈L2取47uh，旁路电容C6取80

21、00pf。调制信号：频偏与输入电压的关系再由变容二极管Cj-v曲线得到斜率kC二AC/人/所以 V m - G/Kc =1.3V三、整机电路四、电路装配测试和总结整机测试的顺序应该与设计相反，从前向后级调试3.1、调制信号。图3-1调制信号3.2、首先调试的是震荡级，用万用表一边测量变容二极管阴极电压，一边调节可变电阻使其电压稳定在-4V，然后在信号输出图3-2震荡信号端用示波器观察震荡频率和电压，并调节微调电容和电阻，得震荡频率10MHz 500mV勺正弦波。如图3-2。3.3、 将以上信号输入到缓冲级，输出的波形和图3-2 一样。3.4、将信号输入到甲类输入端，在输出端可以看到放大的波形,

22、频率为10MHz峰峰值为5.7V，图3-3。图3-3甲类输出的正弦波3.5、将调制信号输入到调频电路中，在丙类放大输出端可以看到 已调的调频波，图3-4和图3-5。图3-4输出调制波图3-4输出调制波再用万用表测量测量丙类功放集电极电流为lc=10mA Vce=3.8V。所以损耗功率为Pc=38mWV由 Ve=0.3V。Re=30 电源提供功率 P=Vcc*lo=Ve/Re*Vcc=116mW效率 =Po/P : 67% 符合设计要求。五、总结与体会为期两个星期的高频课程设计已经接近结束，但这两个星期的设 计调试让我对高频电路有了心得认识。刚开始我们连发射机的基本构成都不清楚，但是通过去图书馆

23、和 上网查询了大量的资料，也参考了许多成功的设计，在第一周的 星期三终于把发射机的基本模块学会了，接下来确定单元电路， 为了减少难度，我们直接使用发射机最长用的基本模块，但是最 难的就是参数的确定，高频电路的参数很多而且很难计算，为此 我们使用业界很流行的计算软件 MATLAB!助计算。这是个漫长的 过程，整整花去了我们四天时间，每天还要加班到晚上 12 点，有 时一个参数与多个因素有关，特别是震荡级得原件选取，如果选 的不好可能震荡电路根本不能起震。就这样我们一边参考别人的 设计一边设计自己的电路。其中虽然很辛苦，但最终看到自己设 计出来的电路，还是感到很高兴。其实在设计电路时我们已经开始测试电路和参数，一开始我们根 本无从下手，特别是丙类放大，因为静态工作点很特殊，调试起 来就很难，必须在输入端加入足够大的信号才能测量它的参数。但是后来对发射机的基本原理了解后，调试就越来越顺利了，因 为我们直接使用学校的试验箱调试，所以很少遇到