变容二极管调频电路课程设计剖析

1、 8/8变容二极管调频电路课程设计剖析 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：20114400218 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 目录 1 系统方案论证 (5) 1.1 电路设计原理 (5) 1.2 电路的设计方案 (5) 1.3 电路设计 (5) 1.4 主振电路设计原理分析 (7) 1.5 变容二极管直接调频电路设计原理分析 (7) 1.6 调频信号分析 (9) 1.7 变容二极管直接调频电路 (9) 2 电路工作分析 (11) 2.1 谐振回路总电容 (11) 2.2 调制灵敏度 (11)

2、3 电路元器件参数 (12) 3.1 振荡回路参数LC (12) 3.2 温度补偿法 (12) 3.3 回路电阻 (11) 3.4 加缓冲级 (12) 3.5 有源器件的参数 (13) 4 电路元器件参数设置 (13) 4.1LC震荡电路直流参数设置 (13) 4.2变容管调频电路参数设置 (13) 4.3 T2管参数设置 (11) 4.4调制信号的幅度计算 (144) 5元器件清单 (13) 6电路仿真结果 (13) 7课程设计心得与体会 (13) 8主要 1.系统方案论证 1.1 电路设计原理 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

3、，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，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范围

4、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、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C ce 、C be 、C

5、 cb 这些不稳定电容对振荡频率的影响，要求C9C7,C10C7，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 C f o L 21 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、

6、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。 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 阻R1、R2，隔离电阻R3和电位器W1构成。接入系数Cj C C p +=33 ，（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。 CJ 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： 式中()718C CC C Ca +=，（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

7、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V Q ，调制信号v 经C82和高频扼流圈L1加到二极管上。为了使V Q 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

8、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V Q 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。 Q 3Q 3Q C C C C C C a + = CJ 高频通路 直流和调制频率通路 1.6 调频信号分析 FM 调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t w Vcm Vc c cos =,调制波t w Vsm Vs s cos =。 则 t w w w w s c m cos ?+=或t f f f f s c m 2cos ?+=，此时

9、的频率偏移量 f 为最大频率偏移。 最后得到的被调制波m cm m V V sin = , V m 随Vs 的变化而变化。 ?+=t s s c m m t w w w t w dt w 0 sin )/( ) sin sin(sin )/(sinsin t w m t w V t w w w t w V V V s c cm s s c cm m cm m +=?+= s s f f w w m ?=?= 为调制系数 1.7 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

10、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： n B V u Cj Cj ? ? ? ?+= 10 () 式中，V B 为PN 结的势垒位差(硅管约为0.7V,锗管约为0.3V)，C j0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。 变容二极管的Cj-u

11、特性曲线 加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压V 0和调制信号电压V (t)= V cos t ，即 t cos V V m Q +=+=V V u Q （） 将式（）带入（），得 () n Q m V Cj Cj -+=? ? ? ?+? ? ? ?+= ? ?+= t cos 1Cj t cos V V V 11 V V 1Cj V t cos 1Q n B Q m n B Q 0n B 0 式中，n B Q Q V V Cj Cj ? ? ? ?+= 10 为静态工作点的结电容，() Q m B Q m V V V += V V m 为反 映结电容调深度的调制指数。 结电容在u(t)的

12、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V C k C =。 2电路工作分析 2.1谐振回路总电容 Cj C Cj C Ca C + =33 回路总电容变化量 j 2C p C ?=? 2.2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 m V m 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

13、，fm 与C 的关系可采用下面近似公式，即 ?-?Q o m 21C C f f 调制灵敏度 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，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

14、 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）内，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

15、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 m Q o 2V C C f S f ?= 为了减弱后级电路对主振器的影响，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14mA

16、。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V CEQ1=（1/2）V CC =1.25V 。可以求出R11+R4=625，取R11=200，R4=100；=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 由LC 震荡频率的计算公式可求出LC f 210= ，若取C=()718C CC C Ca +=，本次 实验中可调电容CC1规格为5120pF ，计算时取5pF ，C7=24pF

17、 。L41.2H 。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C7R2，R3R1，以减小调制信号V 对V Q 的影响。取 R2=3.9k ，隔离电阻R3=180k ，R1=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=0.01uF 4.4 调制信号的幅度计算 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。 LC f 210= ?-=?Q o m 21C C f f 计算以上各式可得fo 12MHz ，fm 25KHz ，满足实验要求。 5.元器件清单 6.电路仿真结果 7.课程设计心得与体会 通过本次课程设计，我发现自己对高频跟通信电路方面的知识的理解和掌握还有很多的不足，距离学好这方面的知识还有很大差距，还有很长的路要走。通过对变容二极管调频电路的设计与研究，我们不仅对变容二极管的调频原理有了更深刻的了解，还对