调相PM放大器设计讲解

1、课程设计课程名称高频电子电路课题名称调相（ PM）放大器设计专 业电子信息工程班 级电信 1202学 号 201201030232姓 名王 杰指导教师 熊卓列2014 年 6 月 日湖南工程学院课程设计任务书课程名称 高频电子电路 题 目调相（ PM）放大器设计专业班级 王 杰 学 号201201030232指导老师 熊卓列 审批任务书下达日期 2014 年 6 月 日设 计 完成日期 2014 年 6 月 日设计内容与设计要求一、设计内容1、单频调相放大器设计2、以多级变容二极管调相模块为核心，完成调制信号产生、放 大、调相和功率真放大器电路的设计3、相关元件参数及元件选择要求。二、总体要求

2、1、给出具体设计思路和系统实现的框图，系统总体框图打印出 图纸。2、给出调制信号产生、放大、调相和功率真放大器电路的具体 实现电路，说明其工作原理；对选择回路或滤波器给出元件参数要 求。3、编写设计说明书，所有图纸和说明书均用 16K 纸打印。三、电路指标要求1、调制信号频率 1000HZ2、载波频率为 10MHZ3、最大相偏：24、回路空载品质因素 Q0=100四、给定条件1、+VCC=812V2、主要器件： 变容二极管、三极管、电阻、电容、电感若干。主要设计条件1、提供直流电源一台；2、其它必要的仪器和连接导线等；3、计算机。说明书格式1、课程设计封面；2、任务书；3、说明书目录；4、设计

3、总体思路及系统框图；5、电路设计；6、总结与体会；7、附录；8、参考文献；9、电路器件连接总图。进度安排十六周星期一上午：下达设计任务书，介绍课题内容与要求； 十六周星期一下午至星期三上午： 查找资料，确定总体设计方案， 画出整机原理图草图；十六周星期三下午至星期五：具体电路设计； 十七周星期一上午至星期星期五上午书写设计报告打印出图纸。 十七周星期五下午：答辩。参考文献1. 张肃文主编 .，高频电子线路，高等教育出版社 .。2. 谢自美主编，电子线路设计、实验、测试 ，华中理工大学 出版社。3. 沈伟慈主编，通信电路，西安电子科技大学出版社。目录一、总体设计思路、基本原理和组成 11. 总体

4、思路 12. 基本原理 13. 系统组成 2二、单元电路设计 . 31. 载波信号 10MHz产生电路 32. 调制信号 1000Hz产生电路 53. 前置放大电路 64. 调相电路 75. 谐振功率放大及匹配网络电路 10三、总结与体会 . 12四、参考文献 . 14五、附 录 . 15电路器件连接总图 15六、评分表 . 16、设计思路1. 总体思路调相发射机的核心部分是调相，调相分为直接调相与 间接调相。直接调相利用调制信号直接改变谐振回路的参 数，使载波信号通过回路时产生相移而形成调相波。间接 调相先对受调波进行调幅，再转变为调相。相位调制电路 是使受调波的相位随调制信号而变化的电路。

5、调相波与调 频波的差别是调相波的瞬时相位的变化与调制信号成线性 关系, 调频波的瞬时频率与调制信号成线性关系。正弦载波 的瞬时相位随 调制信号而变化的调制，简称调相(PM) 。 正 弦波调相器分直接调相和间接调相两类。前一种方法利用 调制信号直接改变谐振回路的参数，使载波信号通过回路 时产生相移而形成调相波。本设计采用一种简易的相位调 制电路，该电路的调制信号由电容三点式振荡电路产生， 经放大后和载波信号经相位调制器后，输出调相波，输出 的调相波经前置放大后再经过功率放大，最后通过匹配网 络匹配后就可产生用于天线发送的调相波。2. 基本原理低频调制信号频率为 1000Hz ，采用改进型电容三点

6、式 振荡 电路 实 现。 高频 载波 信号 频率 为 10MHz，采 用 频率 稳 定度高的石英晶体振荡器，使晶体作为电感元件接入谐振 回路，构成并联型晶体振荡器。相位调制是通过一个可控 相移网络使角频率为c 的高频载波 uc(t) 产生受调制电 压 u (t) 控 制 , 满 足 =kpu (t) 的 关 系 的 相 移 , 即 实现调相。高频载波信号由晶体振荡器产生，低频调制信 号 用 RC 振 荡 电 路 产 生 ，经 放 大 后 与 载 波 信 号 一 同 送 入 可 控相移网络，可控相移网络以多级变容二极管调相模块为核 心进行相位调制。最后调相后的信号经功率放大后输出。2、单元电路设

7、计1. 载波信号 10MHz产生电路LC 振 荡器 的频率 稳定 度主要取决 于回路的标准 性和 品质因数。由 于 L、C元件的标准性比较差，而 且回路的 Q 值也不可能做得很高，一 般不超过 300，因 此 LC 的频率稳 定度一般比较差，但是在实际生活中对频率稳定度要求越 来越高，如广播发射机的日频率要到达 1.5 10-5，单边带 -6发射 机的 日频 率要 达 到 10-6，作为频率 标准的振 荡 器要 到- 8 - 9达 10- 810- 9 数量级。显 然 LC振荡器是无法达到的。因 此 我选择了石英晶体振荡器作为载波信号的产生电路。晶体振荡器有并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡 器

8、。并联型晶体振荡器：将石英晶振作为等效电感元件用 在三点式电路中，且工作在感性区，称为并联型晶体振荡 器。此时，石英晶振接在晶体管、极之间称为皮尔斯 振荡电路，接在晶体管、极之间称为密勒振荡电路。电路及等效电路如下图所示：图 1 10MHz 晶 体 振 荡 电 路图 2 交流等效电路 对石英晶振电路分析： 石英谐振器参量具有高度的稳定性。皮尔斯特振荡器的等效电路如图：电路图 3 振荡器等效CqC0 CL忽略晶体管极间 参数的影响及 r q 的影响，近似认为 振荡频率等于回路的谐振频率。1LqC0(C0 CL)(Cq C0 CL )因为 Cq（C C ） 1,用二项式定理，取前两项，则上式为1

9、Cq2C0 CL式中CLC1CC1 C2由此可以看出，由于石英谐振器的参量具有高度稳定性， 晶体回路的标准性很高；串联谐振频率也非常稳定。2. 调制信号 1000Hz 产生电路 调制信号频率为 1000Hz ，采 用改进型电容三点式振荡 电路产生。电路如图 3 所示：图 3 1000Hz 电 容 三 点 式 振 荡 电 路图 4 电容 三点式交 流 等效 图因C4C7 , C5 C7故1 LC式 中CC4C5C7C7C4C5 C5C7 C4C7 71LC7可见， g 只取决于 L、C7 大小，而与 C4、C5基本上无关3. 前置放大电路信号发生电路产生信号幅度一般较小，所以需对产生 的信号首先

10、进行前置放大后使其满足下一级的输入信号范 围，再输入到下级电路中，可以用三极管放大电路实现。 本电路采用共发射极放大电路实现信号的放大。使发射极正偏：VbVe，且 Vbe0.6V ，集电极反 偏 Vb 1V ，使三极管 工作在甲类放大状态。放大电路如图 5 所示：图 5 共射放大器4. 调相电路4.1 变 容二 极管 调 相电 路组 成 电路及等效电路如图所示：1当 R13C113 时，即 R13C131时，即构成调相电路。4.2 工 作原 理1)当 V (t) 0时，变容二极管反向电压 Vr VQ，谐振回 路谐振频 率为 1L2Cjwc 。输出电压与输入电压同相 Vr VQ V (t)。2)

11、当 V (t) 0时，变容二极管反向电压加大， Cj减 小 ， 谐 振 回 路 谐 振 频 率 为 1 cL2C j c输 出 电 压 的 相 位 为 wct。3)当V (t) 0时，变容二极管反向电压减小， Cj增大，谐振回路谐振频率为输出 电压 的相 位 为 ct 。附加相移在调制信号控制下变化，导致输出电压的相 位也随调制信号变化，从而实现调相。4.3 调 相 分 析 设输入载波信号 Vc(t) Vcm coswct 调制信号 V (t) Vcm cos t变容 二极 管作 为回 路 总电 容， 当 m很小 时，回路 的 谐振 频 率为 ： (t)C(1 mcos t) C (t)C 2

12、 C(t) m C cos t2输出 电压 ： V(t) IcmZ( c )cos( Ct )Z( C)和 分别 是谐 振回路 在c上呈 现的阻抗幅值 和相移。在失谐不大的条件下, arctan 2Q C t t 当rad 时， tg62Q C (t) 2Q C C (t)(t) C (t)2Q(t)C(t) m C cos tQ mcos t mp cos t(mp Q m)V(t) IcmZ( C ) cos Ct mp cos t实现 线性 调相 的 条件 ： mrad(mp)。设计 要求 最66大相 偏 为 2 ，由 于单 级 变容 二极 管 调 相 电 路最 大相 偏 为6，所以得

13、采用 三级 单 回路 变容 二极 管调 相电 路，扩大 相偏 ， 最 大 相 偏 3 。 电 路 如 下 图 所 示 ： 62图 8 变容二极管调相电路5. 谐振功率放大及匹配网络电路谐 振 功 率 放 大 有 串 馈 与 并 馈 之 分 ，串 馈 的 优 点 是 Vcc、 L、C均处于高频低压，分 布电容不会影响回路；缺 点是 回路处于直流高电位，因此电容片不能直接接地，安装调 整不方便。而并联优点是回路处于直流地电位，电容片可 以直接接地，利于安装。所以采用并联馈电方式。本电路 中采用自给基极偏置电路，使其工作在丙类状态。谐振功 率放大器原理电路及等效电路如下图所示：图 9 谐振 功率 放

14、大 器图 10 等 效 电 路选频网络（滤波器）的功能：从众多频率中选出有用 信号，滤除或抑制无用信号，以保证放大器工作在要求的 状态，即起到阻抗变换的作用，又可以抑制工作频率范围 以外的频率。本设计中采用 LC 并联 谐振回路 使回路谐振在10输入信号频率上。图 11 中 RL 为 外 接 负 载 ， 呈 阻 抗 性 。 L7 和 C19 、 C21 为 T 型 匹 配 网 络 ， 与 RL 组 成 并 联 谐 振 回 路 。 调 节 C19 、 C21 使回 路谐 振在输入 信号频 率。 VBB为 基极偏置 电压 ， 使功率管 Q 点设在截止区 ，以实现丙类工作。 工作原理：在 Vs 产

15、生 激 励 电 流 为 I S Ismcos t 作 用 下 : Ib 的波 形为一串 余弦脉冲 Ic的波形为一串余弦脉冲I CO I cmaxa0( ) Icnm Ic maxan( ) a0a1an 称 为 电 流 分 解 系 数V b 的 波形 为余弦 波I S Ism cos tVb (Ism I b1m) Rel cos tVbe Vbb VbV beVbb (Ism Ib1m )Rel cos tVbb Vbm cos t 其中 Vbm (Ism Ib1m) Rel Vce 的波 形为余弦 波 因负载是具有选频作用的 Lr、Cr 并谐回路 ； 所 以 Vce Vcm cos t(其

16、中Vcm Ic1m Rel) Vce Vcc Vcm cos t 工作原理描述：在 i s 为余弦信号的激励下, 丙类谐 振功 放的 i b，ic 均是 余弦 脉冲 ，而 Vb, V c 是完 整的 余11 弦波 。（因 为输 入 输 出均 为 LC 选 频网 络）。本设计电路中 由于晶体管 3DA21A 输入阻抗与前级 输 出阻抗不匹配，所以在放大器之间加入 T 型选频匹配网络 （ C18、 C20、 L6 ），在 放大 器输 出的 与 负载 之间 也加 入 T 型匹配网络（ C19、C21、L7 ）。由于晶体管参数的分散性和 分布参数的影响, C18 C19 均采用可变电容器, 其最大容

17、量应为计算值的 23 倍。三、总结与体会在这短短的两周期间我感觉十分踏实，真正的感觉学 到了东西。我知道这样的机会不多，要好好珍惜。本次课程设计我学到了很多，把自己学到的知识运用 于实 践十 分有 趣。实 践 是检 验真 理的 唯一 标准。通 过实践， 把我们的知识融会贯通，这样知识记得牢，体会深刻。当 然这个过程不是那么简单，刚开始感觉不知道从哪里开始 着手，然后就查查资料，把设计的系统模块化，接着一步 一步的按着模块做下去。在做每个模块的时候也便不是那 么一帆风顺，中途有好多地方都不明白，这时候我才体会 到什么叫“ 书到用时方恨少”，没 办法做不走了，只 好仔细 看书，看完后在去把模块完成。不知道的地方可以跟同学 讨论，向老师请教，我在这里要感谢那些给予我帮助的同 学，谢谢老师的耐心指导。也许人生就是如此，不去努力试试，就不知道自己有 多大能耐。有时候逼自己一把，结果就会大不一样。在没12 有做这个调相发射机前，感觉好高科技一样，但是自己做 成功之后就感觉也没有那么深不可测。我也是会做发射机 的人了。所以在做成功后感觉好有成就感。通过此次课题 设计，我感受颇深。好好学习课本知识，努力把知识运用 于实践，知识是离不开实践的。有知识不一定有能