变容二极管课程设计Word格式文档下载.docx

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它主要用在移动通信以及自动频率微调系统中。

许多小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术,即在工作于发射载频的LC振荡回路上直接调频，采用晶体振荡和锁相环来稳定中心频率。

与中频调制倍频方法相比，这种方法的电路简单、性能良好、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。

2设计要求

（1）主振频率

=20MHZ

（2）频率稳定度

/

≤0.003/h

（3）主振级的输出电压

（4）最大频偏

（5）输出负载RL=75Ω

（6）发射功率（输出负载RL上的功率）

≥50mW

（7）调制频率F=500Hz～3kHz

（8）总效率ηA>

50%。

3总体设计思路

图1直接调频发射机系统原理图

设计一个完整的小功率变容二极管直接调频发射机系统，直接调频发射系统框图主要由调频振荡器,缓冲隔离器，倍频器，高频功率放大器，调制信号发生器等电路组成。

总框图如图1所示。

调频振荡器在产生稳定的载波信号的同时，完成调频功能，是调频发射系统的核心电路。

任务要求中心频率的稳定性不高于（10-3/min），用LC振荡器就可达到；

再考虑到电路的简单易实现，选择采用LC调频振荡器、变容二极管直接调频电路。

缓冲隔离级将调频振荡器与功放级隔离，以减小后级对振荡器频率稳定度及振荡波形的影响。

缓冲级通常采用射极跟随器电路。

倍频器将调频振荡器产生的信号频率加倍，以达到发射机载波频率的要求，以降低振荡器的工作频率，提高电路的频率稳定度。

如果振荡器的振荡频率可以满足发射机载波频率的要求，可省去此电路。

高频功放电路使负载上获得设计要求的发射功率。

如果要求整机效率较高，应采用丙类功率放大器，整机效率要求大于50%。

故选用丙类功率放大器较好。

4各单元电路的设计

4.1LC调频振荡器设计

直接调频即为载波的瞬时频率受调制信号的直接控制。

其频率的变化量与调制信号成线性关系。

变容二极管直接调频电路是利用其特性直接产生调频波。

变容二极管利用PN界的结电容制成，在反偏电压作用下呈现一定的势垒电容，而这个电容能够灵敏的随着反偏电压在一定范围内变化，其关系曲线如下

VR

图2变容二极管与反向电压的关系

它的结电容Cj与反向电压VR存在如下关系：

（1）

式中，VD为PN结的势垒电压，Cj0为VR为0时的结电容，γ为系数。

振荡电路主要是产生频率稳定且中心频率符合指标要求的正弦波信号，目前应用较为广泛的是三点式振荡电路和差分对管振荡电路。

三点式振荡电路又可分为电感和电容三点式振荡电路，由于是固定的中心频率，因而采用频率稳定度较高的克拉拨振荡电路作振荡级。

其中晶体管VT组成电容三点式振荡器的改进型电路即克拉泼电路。

VT接成共基极组态，Cb为基极耦合电容。

VT的静态工作点由Rb1、Rb2、Re及Rc所决定。

小功率振荡器的静态工作电流ICQ一般为1～4mA。

I（CQ）偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。

L1、C1与C2、C3组成并联谐振回路，其中C3两端的电压构成振荡器的反馈电压U（BE），以满足相位平衡条件∑ф=2n∏。

比值C2/C3=F决定反馈电压的大小，当A（VO）=1时，振荡器满足振荡平衡条件，电路的起振条件为A（VO）F＞1。

调频电路由变容二极管VD（C）及耦合电容Cc组成，R1与R2为变容二极管提供静态时的反向支流偏置电压U（Q），即U（Q）=[R2/（R1-R2）]Ucc。

电阻R3称为隔离电阻，常取R3〉〉R2，R2〉〉R1，以减小调制信号u（Ω）对U（Q）的影响。

C5与高频扼流圈L2给u（Ω）提供通路，C6起高频滤波作用。

变容二极管VDc通过Cc部分接入振荡回路，有利于提高主振荡频率f0的稳定性，减小调制失真。

高频振荡与调频电路图如下：

图3高频振荡调频电路图

4.1.1高频振荡与调频参数设定

振荡器的静态工作点取I（CQ）=2mA，U（CEQ）=6V，测得三极管的β=60。

RE+RC=Ucc-UCEQ/ICQ=3kΩ

（2）

为提高电路的稳定性，R（E）的值可适当增大，取R1=1Kω，则R2=2kΩ。

因此

UEQ=ICQRE=2V（3）

若取流过Rb2的电流为0.33mA则计算可得Rb28.2kΩ，Rb1=28.2kΩ，Rb1用20kΩ电阻与47kΩ电位器串联，以便调整静态工作点。

变容管的静态反偏压UQ由电阻R1与R2分压决定

即

UQ=R2Ucc/（R1+R2）（4）

已知UQ=4V，若R2=10kΩ，则R1=Ucc/（UQ-1）R2=20kΩ实验时R1用10kΩ电阻与47kΩ电位器串联，以便调整静态偏压UQ。

隔离电阻R3应远大于R1、R2，取R3=150kΩ。

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。

C1<

<

C2，C1<

C3，如果取C1为几十皮法，C2、C3可取几百皮法至几千皮法则回路的谐振频率f0主要由C1决定，即

f0=1/2π

（5）

主振频率f0=1/2π

=20MHz（6）

若取L1=6.25uF，则C1≈12pF实验中可适当调整L1的值或C1的值。

反馈系数F一般取1/2～1/8。

变容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：

p=Cc/（Cc+Cj）（7）

C∑=C1+CcCj/（Cc+Cj）（8）

式中，Cj为变容二极管的结电容。

电容C2、C3由反馈系数F及电路条件C1〈〈C2，C1〈〈C3所决定，若取C2=510pF，由F=C2/C3=1/2～1/8，则取C3=3600pF，，取耦合电容Cb=0.01μF。

取变容管静态反向偏压U（Q）=4V，由特性曲线可得变容管的静态电容C（Q）=75pF。

Cc=pC（Q）/（1-p）≈18.8pF取标称值20pF

为达到最大频偏Δfm的要求:

Δf=1/2f0ΔC（∑）/C（Q∑）≈30kHz>

10kHz（9）

式中，C（Q∑）为静态时谐振回路的总电容

C（Q∑）=C1+CcC（Q）/[Cc+C（Q）]=16.99Pf（10）

则回路总电容的变化量:

ΔC（Q∑）=2ΔfC（Q∑）/f0=0.003pF（11）频率稳定度:

=0.0015（12）

一般接入系数p＜1，为减小振荡回路输出的高频电压对变容管的影响，p值应取小，但p值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。

低频调制信号的耦合支路电容C5及电感L2应对u（Ω）提供通路，一般调制信号的频率为几十赫兹至几十千赫兹，故取C5=4.7μF，L2=47μH。

高频旁路电容C6应对调制信号呈现高阻，取C6=5100pF。

电路仿真图如下所示。

图4高频振荡调频仿真结果图

4.2射极跟随器设计

缓冲隔离级将调频振荡器与功放级隔离，以减小后级对振荡频率稳定度和震荡波型的影响，是否选择该电路，主要根据电路对稳定度的要求的高低，一般情况下，需要选择该电路。

缓冲级通常采用射级跟随器电路，调节射极的电阻RP1可以改变射级跟随器输入阻抗。

射极跟随器的三极管按共集方式连接，即基极与集电极共地，基极输入信号，发射极输出。

动态电压放大倍数小于1并接近1，且输出电压与输入电压同相，但是输出电阻低，具有电流放大作用，所以有功率放大作用。

负载能力强,常作阻抗变换和级间隔离用。

缓冲级电路图如下所示。

图5射极跟随器电路图

4.2.1射极跟随器的参数设定

晶体管的静态工作点应位于交流负载线的中心，取VCEO=VCC/2,ICQ=（3～10）mA.对于图4的电路，若取VCEQ=6V,IEQ=4mA则取R10=1K电阻，RP1=1K电位器。

R8=VBQ/10IBQ=β（VCC-VCEQ+VBE）/10ICQ≈8K（15）

R9=（（VCC-VBQ）/VBQ）RP1=10K（16）为减小射极跟随器对前级振荡器的影响，耦合电容C1不能太大，一般为数十皮法,C9为0.02μF左右。

因此，射极跟随器仿真结果图如下。

图6射极跟随器仿真结果图

4.3高频功放电路设计

丙类高频功率放大器可工作在欠压状态、过压状态和临界状态。

因欠压状态效率低，而过压状态严重失真，谐波分量大，为尽可能兼顾输出大功率、高效率，一般选用临界状态。

高频功放电路图如下。

图7高频功放电路图

4.3.1高频功放电路的参数设定

丙类功放θc=60°

—90°

，这里为方便计算，设θc=70°

。

可得集电极电流余弦脉冲直流ICO系数α0（70°

）=0.25，集电极电流余弦脉冲基波ICM1系数α1（70°

）=0.44。

设功放的输出功率为0.5W。

（1）集电极参数计算

集电极电流脉冲的直流分量：

ICO=ICmax*α0（θc）=216*0.25=54mA（17）

电源提供的直流功率：

PD=VCCICO=12V*54mA=0.65w（18）

集电极的耗散功率：

PC=PD-PO=0.65w-0.5w=0.15w（19）

集电极的效率：

η=PO/PD=0.5/0.65=77%（20）

（2）基极参数计算

基极基波电流的振幅

IB1m=IBm*α1（70°

）=9.5mA（21）

基极输入的电压振幅

VBm=2Pi/IB1m=5.3V（22）

（3）电源去耦滤波元件选择

高频电路的电源去耦滤波网络通常采用π型LC低通滤波器，滤波电感可按经验取50—100uH，滤波电感一般取0.01uf。

图8高频功放电路仿真结果图

5总电路图及其仿真结果

图9总电路图

图10总图仿真结果图

6PCB版电路图

图11PCB版电路图

7元器件清单及型号

表1元器件清单及型号

序号

名称

型号

数量

1

电阻

28KΩ

2

8.2Ω

1

3

电阻

2KΩ

4

1KΩ

5

150kΩ

6

20KΩ

7

10KΩ

8

8KΩ

9

3KΩ

10

电容

0.1uF

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

电容

电感

晶体三极管

晶体三极管

变容二极管

510pF

2000pF

25pF

33pF

5.1nF

4.7uF

20nF

10uH

47uH

2N2222

2N2221

1SV222

1

8设计总结

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。

做什么都应该有追根求底的精神。

不能只是知道皮毛和大概，什么都不精通，这是将来走上社会最忌讳的。

虽然只是短暂的一周，但在这期间，却让我受益匪浅。

这次课程设计让我认识到了知识和实践的重要性。

只有牢固掌握了所学的知识，才能有清晰的思路，知道每一步该怎样走。

才能顺利的解决每一个问题。

就以这次课程设计为例，刚拿到题目的时候，大致看一下要求，根据平时所学的知识，脑海中就立刻会想到应该用到的元器件，然后再去图书馆去查这些元器件的资料，很快地初步方案以及大概的电路原理图就出来了。

但是，在具体的细节设计上，我却遇到了很多实际的问题，感觉无从下手。

从而明白了理论其实跟实际相差很远。

紧紧掌握理论知识还远远不够所以，这次课程设计在让我认识了知识的重要性之外，更让我明白了自己理论知识和实践知识的欠缺。

经过这次高频课程设计，让我把高频知识理解的更加透彻，不仅是在课堂上学到了很多高频理论知识，而且也使我懂得了团队合作的重要性。

9参考文献

[1]谢嘉奎.高频电子线路（第三版）[M].北京：

高等教育出版社，2005

[2]胡宴如.高频电子线路实验与仿真[M].北京：

高等教育出版社，2009