调相PM放大器设计课程设计.docx

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调相PM放大器设计课程设计

湖南工程学院

课程设计

课程名称高频电子线路

课题名称调相（PM）放大器设计

专业电子科学与技术

班级电子技术1102

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称　通信电子线路

题目调相（PM）放大器设计

专业班级电子科学技术1101、1102

任务书下达日期2014年2月24日

设计完成日期2014年3月10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

1、给出具体设计思路和系统实现的框图。

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1000HZ

2、载波频率为10MHZ

3、最大相偏：

4、回路空载品质因素Q0=100

四、给定条件

1、+VCC=8~12V、

2、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、设计总体思路及系统框图；

5、电路设计；

6、总结与体会；

7、附录；

10、参考文献；

8、电路器件连接总图。

进度安排

一周星期一上午：

下达设计任务书，介绍课题内容与要求；

一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；

一周星期三下午至星期五：

具体电路设计；

二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。

二周星期五下午：

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。

一、总体设计思路、基本原理和组成

1.总体思路

载波的相位对其参考相位的偏离值随调制信号的瞬时值成比例变化的调制方式，称为相位调制，或称调相。

课题要求设计一个调相（PM）放大器，这样必须有载波发生器和调制信号发生器。

对于不同的频段发生器的设计有所不同。

RC振荡电路适用于低频振荡，RC一般用于产1Hz~1MHz的低频信号。

这样可以用741放大器与RC电路构成新的RC正弦波振荡器来产生1Khz的调制信号。

由于石英晶振本身的参数具有高度的稳定性，因此选用皮尔斯振荡器来产生10MHz的载波信号。

当这两种信号都准备好了，加在调相电路上完成调相功能。

调相电路主要是由多级变容二极管调相模块构成的。

这一部分是这个电路的核心。

输出的调相波经过前置放大后再经过功率放大，最后经过匹配网络匹配后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，可用RC桥式电路实现。

高频载波信号频率为10MHz，采用频率稳定度高的石英晶体震荡器，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ωc的高频载波uc（t）产生受调制电压uΩ（t）控制,满足Δφ=kpuΩ（t）的关系的相移Δφ,即实现调相。

高频载波信号由晶体震荡器产生，低频调制信号用

RC震荡电路产生，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。

载波信号10MHz

（高频信号采用晶体振荡电路产生）

3.系统组成

调制信号1KHz

（低频信号采用RC振荡电路产生）

放大器

（采用三极管共射放大器对调制信号进行放大）

调相网络

（用调制信号改变谐振回路参数，使载波信号通过回路时产生相移而形成调相波）

前置放大

（对产生的调相信号进行放大，提高到功率放大级的输入范围）

功率放大及LC匹配网络

（丙类谐振功率放大，增大输出功率；

T型选频网络，选出有用信号频

率，起到阻抗变换的作用）

二、单元电路设计

1.载波信号10MHz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。

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ｃ、ｂ极之间称为皮尔斯振荡电路，接在晶体管ｂ、ｅ极之间称为密勒振荡电路。

本电路利用皮尔斯振荡电路原理产生10MHz载波信号，与晶体管Q1发射极相连的为电容，晶振作为电感元件接在Q1基极与集电极之间，构成三点式震荡。

振荡频率几乎由石英晶振的参数决定,而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。

其中C18为加入的微调电容，用以微调回路的谐振频率，保证电路工作在标称频率10MHz上。

电路及等效电路如下图所示：

1-110MHz晶体震荡电路图1-2交流等效电路

图1-0LC谐振回路

石英晶振的阻抗频率特性：

石英晶振的符号和等效电路如图1-3所示：

图1-3石英晶振及等效电路

由图1-3（b）可求得石英晶振的接入系数：

n=Cq／（C0+Cq）很小，所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。

石英晶振的频率稳定度非常高。

对于石英晶振并联谐振频率fp、串联谐振频率fs，由于Cq／C0很小，其值很相近，并且在其间电抗呈感性，同时具有很陡峭的电抗频率特性，曲线斜率大，从而有利于稳频。

电抗频率特性曲线如图

1-4所示：

图1-4石英晶振的电抗频率特性

并联谐振频率：

图1-0谐振频率的分析

2.调制信号1000Hz产生电路

调制信号频率为1000Hz，可用低频RC桥式震荡电路产生。

图2-11000HzRC桥式震荡电路

图2-1中RC（R4，C8，R5，C9）串并联网络接在运算放大器的输出端和同相输入端构成了带有选频作用的正反馈网络，另外R6、R7和R8接在运算放大器的输出+端和反向输入端之间，与运放一起构成负反馈放大电路。

负反馈闭环电压放大倍数：

；

振幅起振条件：

，即（R6+R7）>2R8；

相位起振条件：

；

所以取R6+R7=15.3k，R8=6.2k，

震荡频率f=1000Hz，

，

取R4=R5=16K，则C8=C9=10nF，即可产生频率为1000Hz的正弦信号。

稳幅过程：

图2-1中二极管D1，D2用以改善输出电压波形，稳定输出幅度。

D1D2的作用就是在起震后自动调节反馈深度，从而实现稳幅和减小失真的作用.起振时，由于运放输出

电压很低，D1，D2接近开路，R6，D1，D2并联电路的等效电阻近似等于R6，|AF|>1，电路产生震荡，随着运放输出电压的增大，当R6上的分压超过二极管正向导通电压时，流过R6上电流被分流，负反馈支路反馈系数增大，迫使|AF|逐渐等于1，最终电路进入稳幅工作状态。

3.前置放大电路

由于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：

Vb>Ve，且Vbe>0.6V，集电极反偏Vb1V，使三极管工作在甲类放大状态。

放大电路如图3-1所示：

图3-1共射放大器

4.调相电路

本设计要求最大相偏为

，由于单级变容二极管调相电路最大相偏为

，所以得采用三级单回路变容二极管调相电路，扩大相偏，最大相偏

。

电路如下图所示。

图4-1变容二极管调相电路

4.1变容二极管调相电路组成

电路及等效电路如图所示：

图4-1-1变容二极管调相电路

图4-1-2等效电路

当

时，即

时，即构成调相电路。

4.2工作原理

（1）当

时，变容二极管反向电压

，谐振回路谐振频率为

。

输出电压与输入电压同相

。

（2）当

时，变容二极管反向电压加大，

减小，谐振回路谐振频率为

输出电压的相位为

。

（3）当

时，变容二极管反向电压减小，

增大，谐振回路谐振频率为

输出电压的相位为

。

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

调制信号

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：

输出电压：

分别是谐振回路在

上呈现的阻抗幅值和相移。

在失谐不大的条件下,

实现线性调相的条件：

5.谐振功率放大及匹配网络电路

为了满足发射输出的高功率，所以得对产生的调相信号进行功率放大后才能发射出去。

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5-1谐振功率放大器

图5-2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输入信号频率上。

图5-2中RL为外接负载，呈阻抗性。

L5和C2、C5为T型匹配网络，与RL组成并联谐振回路。

调节C2、C5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产生激励电流为

作用下,看各极电压电流波形如图5-3所示：

图5-3各电极电压电路波形图

Ib的波形为一串余弦脉冲

Ic的波形为一串余弦脉冲

称为电流分解系数

Vb的波形为余弦波

Vbe

其中

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

工作原理描述：

在is为余弦信号的激励下,丙类谐振功放的ib，ic均是余弦脉冲，而Vb,Vc是完整的余弦波。

（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（C1、C4、L4），在放大器输出的与负载之间也加入T型匹配网络（C2、C5、L5）。

由于晶体管参数的分散性和分布参数的影响,C1～C2均采用可变电容器,其最大容量应为计算值的2～3倍。

三、总结与体会

本次课程设计历时二个星期多左右，通过这二个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，刚开始设计的时候，完全不知道从哪着手；仔细研读了老师的提示后，对整本书进行了流览。

找到了10MHz载波信号的产生电路，以及丙类功率放大电路和T型LC匹配网络。

通过查询相关资料，确定了RC桥式振荡电路和相应的前置放大电路以及调相网络。

这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。

只有大家相互讨论和相互验证，才能找到正确的设计思路和方法。

在搞清所需要设计的电路的目的和原理后，通过在multisim软件上画出了相应的电路图；并与同学进行讨论，查找资料；相互验证终于画出了所有的电路图。

在这个过程中，对软件的操作应用的技能也有了显著的提升，对电路的理解和画出交流等效电路图也有了明晰的方法。

最花费心思的是了解电路的原理和作出相应的改变，为此不断的翻书和上网查找资料。

生