变容二极管直接调频电路

1、2012 2013学年第 1 学期高频电子线路课程设计报告题目： 变容二极管直接调频电路的设计专业：电子信息工程班级：10信息（ 2）班电气工程系2012年 12月 17日11、任务书课题名称变容二极管直接调频电路的设计指导教师（职称）执行时间20122013 学年第二学期第16周学生姓名学号承担任务1原理分析及电路图设计设计目的2用相关仿真软件画出电路并对电路进行分析与测试(1) 输入 1KHz大小为 200Mv的正弦电压（也可以用 1KHz的方波）；设计要求(2) 主振频率为 f0 大于 15MHz；(3 ）最大频偏 fm=20KHz。1变容二极管直接调频电路的设计摘要调频电路具有抗干扰性

2、能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。主要应用于调频广播、广播电视、通信及遥控。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 的范围内。在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至 3015000Hz，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。变容二极管调频电路是一种常用的直接调频电路，广泛应用于移动通信和自动频率微调系统。其优点是工作频率高，固有损耗小且线路简单，能获得较大的频偏，其缺点是中心频率稳定度较低。 较之中频调

3、制和倍频方法， 这种方法的电路简单、 性能良好、 副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。本课题载波由 LC 电容反馈三端振荡器组成主振回路，振荡频率有电路电感和电容决定，当受调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡频率受调制信号的控制，从而实现调频。关键字：变容二极管；直接调频；LC 振荡电路。2变容二极管直接调频电路的设计目录第一章设计思路1第二章调频电路工作原理22.1间接调频原理22.2直接调频原理22.3变容二极管直接调频原理2第三章电路设计53.1主振电路设计原理分析53.2变容二极管直接调频电路设计原理分析6第四章电路元器件参数设置84.1LC 震荡电路直流

4、参数设置84.2变容管调频电路参数设置84.3T2 管参数设置85.1mulitisim11 软件介绍95.2电路仿真9小结12附录一元器件清单13附录二参考文献141第一章设计思路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， 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，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

5、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。1第二章调频电路工作原理频率调制是对调制信号频谱进行非线性频率变换，而不是线性搬移，因而不能简单地用乘法器和滤波器来实现。实现调频的方法分为两大类：直接调频法和间接调频法。2.1间接调频原理先将调制信号进行积分处理，然后用它控制载波的瞬时相位变化，从而实现间接控制载波的瞬时频率变化的方法，称为间接调频法。根据前述调频与调相波之间的关系可知，调频波可看成将调制信号积分后的调相波。这样，调相输出的信号相对积分后的调制信号而言是调相波，但对原调制信号而言则为调频波。这种实现调相的电

6、路独立于高频载波振荡器以外，所以这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳定性可以做得较高，但可能得到的最大频偏较小。2.2直接调频原理用调制信号直接控制振荡器的瞬时频率变化的方法称为直接调频法。如果受控振荡器是产生正弦波的 LC 振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。 将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。可变电抗器件的种类很多，其中应用最广的是变容二极管。作为电压控制的可变电容元件，它有工作频率高、损耗小和使用方便等优点。具有铁氧体磁芯的电感线圈，可以作为电流控制的可变电感元件。此外，由场效应管或其它有源器件组成的电抗管电路

7、，可以等效为可控电容或可控电感。直接调频法原理简单，频偏较大，但中心频率不易稳定。在正弦振荡器中，若使可控电抗器连接于晶体振荡器中，可以提高频率稳定度，但频偏减小。2.3变容二极管直接调频原理变容二极管具有 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：2CjCj 0 （）nu1VB式中， VB 为 PN 结的势垒位差 ( 硅管约为 0.7V,

8、 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 15 之间。变容二极管的结电容变化曲线如所示。图 2.1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CjCj0ntVQ cos1V BCj01nn1VQV m1VQVBcos tV BtnCj Q

9、1 mcos3Cj 0nV mV m式中， Cj Q为静态工作点的结电容，m为反映VQVQVBVQ1VB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 V 。4第三章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。13V1W2C14R4R812 VR1100nF20k 2kKey=A8.2k 20k 50%Q1C121

10、481016C733pF2N33911R6C324pF15k 30pFQ2R2R3C99C133.9k 180k 100pFC1R94.7uF182N339110k 1210nF2L15W147uHCC1C10R10D1Key=A50%L4C8330pFR51.5k 5kBB910100pFR7C111.2uH50% 5pF1k50%Key=A10nFKey=A8.2k 03C82XSC1330pFXFG1Ext Trig+_AB+_+_6图 3.1 总体电路图3.1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 1

11、2 输出调频信号。 T1,T2 为 3DG12C 三极管， C9、C10、C7、L4 、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 C9>C7,C10>C7，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f o1L C2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 L

12、C 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 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5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。7 L 1.2uHT311C9100pF3DG12C6C10330pF图 3.2 电容三点式振荡器等效电路3.2 变容二极管直接调频电路设计原理分析图 3.1 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 3p阻

13、R1、R2，隔离电阻 R3 和电位器 W1 构成。接入系数C3Cj ，（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图所示。C312CaLCJ3图 3.3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：CQ CaC3 CQC3 CQ式中 Ca C8 CC1 C 7 ，（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，

14、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，C826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

15、 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。C3112VQCaD12LCJV33图 3.4高频通路图 3.5直流和调制频率通路7第四章电路元器件参数设置4.1LC 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 ICQ1=2mA。取 VCEQ1=（1/2）VCC=6V 。可以求出 R4+R5=3K，取 R4=2K，R5=1K； =60，IBQ= × IBQ，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 IB>>IBQ ，取 R6=15K，R7=8.

16、2K，W2 的可调最大阻值为20K。实验实际测得 T1 管 Vc1=7.8V ， Vce1=5.6V，Vbe=0.64V，基本接近理论值。4.2变容管调频电路参数设置由 LC 震荡频率的计算公式可求出f 01LC2若取 C Ca C8CC1 C 7 ，本次实验中可调电容 CC1 规格为 5120pF，计算时取5pF，C7=24pF。L4 1.2H。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 C7<<C9， C7<<C10 所决定，若取C9=100pF，由 FC 2 / C3 1/ 8 1/ 2 ，则取C10=330 pF，取耦合电容

17、C1=4.7 F，C14=0.1uF。图 1.3 为变容二极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C3C 3CjpC CaC3 CjC 3 Cj为减小振荡回路高频电压对变容管的影响，p 应取小，但 p 过小又会使频偏达不到指标要求。可以先取p=0.2，然后在实验中调试。取C3=30pF，C82=330pF，电位器 W1 规格为 5K。 R1 与 R2 为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压VQ ，电阻 R3 称为隔离电阻，常取 R3>>R2，R3>>R1，以减小调制信号V 对 VQ 的影响。取R2=3.9k，隔离电阻 R3=180k，R1=

18、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。4.3T2 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，实验实测得 R8 与 R9 间节点对地电压为 6.4V,Ve2=5.69V,则 Vbe20.7V ，基本符合理论值。取耦合电容 C12=33pF，C13=0.01uF8第五章电路仿真5.1mulitisim11 软件介绍Multisim 是美国国家仪器（ NI ）有限公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具，适用于

19、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。工程师们可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。 Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的 SPICE 技术就可以很快地进行捕获、 仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过 Multisim 和虚拟仪器技术， PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。5.2电路仿真在 mulitisim 中连接测试电路，按下仿真开始按钮，开始仿

20、真。（1）用万用表分别测量 Q1 管 Vcb，Vce 和 Vbe，调试 T1 管的静态工作点。测得Vcb1=7.8V，Vce1=5.6V， Vbe1=0.64V，说明 T1 管正常工作。（ a） Vcb1(b)Vce1(c)Vbe1图 5.1 T1 管静态工作点的调试（2）用万用表测得 R8 与 R9间节点对地电压即Vb 为 6.4V,Ve2=5.69V, 则 Vbe2 0.7V（a）Vb2(b)Ve2(c)Vbe2图 5.2 T2管静态工作点调试（3）用万用表测得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。9（a）C3 与 L1 之

21、间节点对地电压（ b） R1 与 R2 之间节点对地电压图 5.3 变容二极管反向电压的设置说明加在变容二极管两端的反向电压为 0.5V，变容二极管正常工作。（4）不加调制信号，使用示波器测电路的输出波形，即振荡回路的载波信号的波形。图 5.4 载波信号波形（4）然后在 c82 处加入频率为 1KHz ，幅度为 200MV 的调制信号，此时示波器输出的即为调制后的 FM 信号。10图 5.5 加入调制信号后的输出波形根据所得数据及已知参数计算可得1f02LCf1 fCm2o CQ计算以上各式可得 f 020.945MHz ， fm20KHz，满足实验要求。11小结通过本周的课程设计，我认识到课本上的知识的实际应用，激发了学习兴趣，增强了思考和解决实际问题的能力。这次做课程设计，给我留下了很深的印象。上了三年大学，学了三年电子，发觉自己竟然连一只三极管还没有学会。看来做什么都要有追根求底的精神