变容二极管调频电路课程设计

1、南华大学通信线路设计报告变容二极管调频电路设计姓 名： 王佳杰学 号：专业班级：通信 1102 班指导老师： 邓贤君所在学院： 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 200250kHz，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

2、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 308000Hz 的围。在调频时，可以将音频信号的频率围扩大 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。PN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 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 。PN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，（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

3、。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。目录系统方案论证1.11.21.31.41.51.61.7电路设计原理电路的设计方案电路设计主振电路设计原理分析变容二极管直接调频电路

4、设计原理分析调频信号分析变容二极管直接调频电路 .电路工作分析2.1 谐振回路总电容2.2 调制灵敏度电路元器件参数3.13.23.33.43.511111112振荡回路参数 LC.温度补偿法回路电阻 .加缓冲级 .有源器件的参数 .电路元器件参数设置 .4.1 LC震荡电路直流参数设置4.2 变容管调频电路参数设置4.3 T2 管参数设置1212111213131313114.4 调制信号的幅度计算 1445 元器件清单 136 电路仿真结果 137 课程设计心得与体会 138 主要参考文献 13附件 1 电路仿真原理图 13附件 2 PCB图 131. 系统方案论证1.1 电路设计原理变容

5、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

6、，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、

7、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 Cce、 Cbe、Ccb这些 不稳定电容对振荡频率的影响，要求 C9C7,C10C，7 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

8、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 。L1.2uH T311C93DG12C100pF6C10330pF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C阻 R1、R2，隔离电阻 R3和电位器 W1构成。接入系数 p C3C3Cj ，（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

9、图所示。C3CaCJ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： CQCa C3CQ a C3 CQ式中 Ca C8 CC1 C7，（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 VQ，调制信号 v经 C82和高频扼流圈 L1 加到二极管上。 为了使 VQ和 v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

10、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 VQ和 v 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。C312LCaCJ3高频通路直流和调制频率通路1.6 调频信号分析Vsmcoswst。FM调

11、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 Vc Vcmcoswct , 调制波 Vs则 wm wcwcoswst 或f cos2 fst ，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 Vm Vcm sin m, V m 随 Vs 的变化而变化。tm 0wmdt wct ( w/ws)sinwstVm Vcm sin mVcm sin wc t ( w/ws)sinwstVcm sin(wct msin wst )w m为调制系数ws1.7 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

12、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：CjCj0 n （ ） n1uVB式中， VB为 PN结的势垒位差 （硅管约为 0.7V, 锗管约为 0.3V） ，Cj0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

13、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V0 和调制信号电压 V（t）= V cost ，即u VQ V VQ V mcos t （ ）将式（ ）带入（ ），得CjCj0nVQ cos tVBCj0VQ1VB1CjQnV m cost VQ VB1 mcos tVQVB式中，n为静态工作点的结电容， mV m 为反VQ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

14、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 kC C V2 电路工作分析2.1 谐振回路总电容C Ca C3CjC3 Cj回路总电容变化量C p2 Cj2.2 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 m1CoVm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2 CQ调制灵敏度Sf2CQm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，

15、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3 电路元器件参数3.1 震荡回路参数 LC显然 LC如有变化，必然引起震荡频率的变化，影响 LC 变化的因素有：元件的机械 变形，周围温度变化的影响，适度，气压的变化，因此为了维持 LC 的数值不变，首先 就应选取标准性高的，不易发生机械变形的元件；其次，应尽量维持振荡器的环境温度 的恒定，因为当温度变化时，不仅会使 LC 的数值发生变化，而且会引起电子器件的参 数变化，因此高稳定度的振荡器可以封闭在恒温箱（杜瓦瓶） ，LC 采用温度系数低的材 料制成。3.2 温度补偿法使 L 与 C的变化量与L 与C的变化量相互抵

16、消以维持恒定的震荡频率， ：若回路 的损耗电阻 r 很小，即 Q值很高，则振荡频率可以近似的用回路的固有频率 f0 来表示。 由于外界因素的影响，使 LC 产生微小的变量 L、 C，因而引起振荡频率的变化，若 选用合适的负温度系数的电容器 （电感线圈的温度系数恒为正值） ，使得 C/C 与 L/L 互相抵消，则f 可减为零。这就是温度补偿法。3.3 回路电阻r 的大小是由振荡器的负载决定的，负载重时， r 大，负载轻时 r 小，当负载变化 时，振荡频率也随之变化。为了减小 r 的影响尽量使负载小且稳定， r 越小，回路的 Q 值越高，频率的稳定度也越高，3.4 加缓冲级为了减弱后级电路对主振器

17、的影响，可在主振器后面加入缓冲级。所谓缓冲级，就 是实际上是一级不需要推动功率的放大器（工作于甲类） 。3.5 有源器件的参数 晶体管为有源器件时，若他的工作状态（电源电压或周围温度等）有所改变，则晶 体管的 h 参数会发生变化，即引起振荡频率的改变。为了维持晶体管的参数不变，应该 采用稳压电源，和恒温措施。4. 电路元器件参数设置4.1 LC 震荡电路直流参数设置ICQ一般为 1 4mA。若 ICQ偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变 差。取 I CQ1=2mA。取 VCEQ1=（1/2 ）VCC=1.25V。可以求出 R11+R4=625，取 R11=200，R4=100； =

18、60，I BQ= I BQ，为使减小 IBQ 对偏执电阻的电位偏执效果的影响，取R6和 R7上流过的电流 IBIBQ，取 R6=15K， R7=8.2K，W2的可调最大阻值为 20K。4.2 变容管调频电路参数设置1由 LC震荡频率的计算公式可求出 f0，若取 C=Ca C8 CC1 C7，本次2 LC实验中可调电容 CC1规格为 5 120pF，计算时取 5pF，C7=24pF。L41.2 H。实验中可 适当调整 CC1的值。电容 C9、C10由反馈系数 F 及电路条件 C7C9，C7R2，R3R1，以减小调制信号 V对 VQ 的影响。取 R2=3.9k ，隔 离电阻 R3=180k，R1=

19、20K。实际调试时， L1 用 1.2uH 代替，测得 C3与L1 之间节点 对地电压为 0.5V, 较理论值偏小。 R1与 R2之间节点对地电压为 2.7V 。4.3 T2 管参数设置对输出电路，为保证 T2 管正常工作，可取 R8=8.2K，R9=10K，R10=1.5K。取耦合电 容 C12=33pF， C13=0.01uF4.4 调制信号的幅度计算12 LC为达到最大频偏 fm 的要求，调频信号的主振频率和最大频偏 fm，可由下列关系 式求出。12foCCQf0fm25KHz，满足实验要求。计算以上各式可得 fo 12MHz， fm5. 元器件清单名称规格数量备注20K,3.9K,180K,200,100,8.2K 2 个电阻15K,8.2K,10K,1.5K其余各一个电位器5K,20K各一个4.7UF,30PF,0.1UF,30PF二个；4.7UF为耦合电容电容330PF,5PF,24PF,0.01UF