变容二极管调频电路课程设计.docx
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变容二极管调频电路课程设计
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：
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
摘要
随看电子与通信技术的不断进步,各种新兴电子产品的开发速度越来越快。
现代计算机技术和微电子技术的进一步结合和发展使得电子电路和通信线路出现了二个分支。
一个是朝看更高集成度的集成电路发展:
而另一个是利用分立元件和硬件描述语言对新型器件进行专门设计。
调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点,获得了快速的发展。
调频电台的频带通常大约是200〜250kHz,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,在接收机中存在看通带宽度与干扰的矛盾,因此音频信号的频率局限于30~8000Hz的虱在调频时何以将音频信号的频率围扩大至30~15000Hz,使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。
目前,应用最广泛的是采用变容二极管直接调频技术，即利用二极管反偏工作的PN结呈现的势垒电容,它与回路中的电感共同构成振荡器的振荡回路,从而作为振荡频率直接调频电路。
它具有工作频率高、固有损耗小和使用方便等优点。
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,有所学的正弦波振荡器童节中,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系统方案ifiiiE5
1.1电路设计原理5
1.2电路的设计方案5
13电路设计5
1.4主振电路设计原理分析7
旦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踣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
3电路元器腸数12
3.1振荡回路参数LC12
3.2温度补偿法12
3・3回路电阻12
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・3T2管参数设置14
4・4调制信号的幅度计算14
5元器件清单15
6电路仿真结果16
7课程设计心得与体会16
8主要参考文献17
附件1电劉方真删图18
附件2PCB图19
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,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
变容二极菅直接调频电路由于变容二极菅的电容变化围大,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
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lKHz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、CIO.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S、Cbe、Gb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=―
°2只疔
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、C&Cel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，R&R9、R10调节并设置
T2管的静态工作点，C7、C9、CIO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
01.1中，直接调频电路由变容二极管（Bb910）Dl,耦合电容Cl、C3、C82,偏置电阻Rl、R2,隔离电阻R3和电位器W1构成。
接入系数p=—丄，（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。
变容二极管部分接入等效图
cQT=q+GCq
无调制时，谐振回路的总电容为：
G+Cq
式中Ca=（C8+CCq|C7,（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，Rl、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vq经C82和高频扼流圈L1加到二极管上。
为了使Vq和vq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Vq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vq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。
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
Vc=Veincoswct调制波％=Vsmcosxvst
则叫=%+Ecosh7或几*.+Afcos2^,此时的频率偏移量
△f为最大频率偏移。
最后得至啲被调制波匕=以肿曲盅Vm随Vs的变化而变化。
0m=£wmdt=wct+（Aw/wjsinvv/
匕=5”sin盅
=Vcmsin[wct+（Avv/vv）sinwst]
=vv/）
Aw_Af
叫h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之间存在看如下关系：
5=-^（I）
1+上
I叫丿
式中，Vb为PN结的势垒位差（硅管约为0.7V,错管约为0.3V）,Cj。
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二1/3对于缓变结,扩散型管多属此种;n二1/2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1~5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特性曲线
加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压Vo和调制信号电压VQ（t）二VocosOtz即
将式（II）带入（I），得
Go
1+
Cj°1
MT
"1+V°mcosQt
VB）
=Cj0（l+777COsQt）"
映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^c=AC/AVo
2电路工作分析
2.1谐振回路总电容
C3Cj
C3+q
回路总电容变化量
ACZ=心q
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/Vz即
Sf二Afm/Vom
VQm为调制信号的幅度;Afm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，-fm与的关系可采用下面近似公式,即
£2Cqe
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
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，周围遍度变化的影响，适度，气压的变化，因此为了维捋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,因为当遍度变化时，不仅会使LC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）,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4与乂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fO来表示。
由于外界因素的影响，使LC产生微小的变量吐、丄,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（电感线圈的遍度系数恒为正值）,使得4/C与4/L
互相抵消，则吋可减为零。
这就是温度补偿法。
r的大小是由振荡器的负载决定的,负载重时，「大，负载轻时r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
咼/频率的稳定度也越咼/
3.4加缓冲级
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X
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”和恒遍措施。
4•电路元器件参数设置
4.1LC震荡电路直流参数设置
ICQ—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ICQi=2mAo取VCEQ1=（1/2）Vcc=1.25Vo可以求出R11+R4=625Q,取R11二200Q,R4=100Q邛二60,Ibq邙xIbq,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=15KQ,R7=8.2KQ,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几=―「，若取C二Cd=（C8+CCl]|C7,本
2兀JLC
次实验中可调电容CC1规格为5~120pF,计算时取5pF,C7二24pF。
L4”1.2mH。
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<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
G厂厂丄C3Cj
p=Cr=CaH
C,+Cj-C3+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二0.2,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R2二3.9kW,隔离电阻R3=180kQ,Rl=20KQo实际调试时,L1用1.2uH代替,测
C3mLI2画0・5vgrffis>Bf5Is冊5?
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5•元器件清单
名称
规格
数量
备注
20^3.9^180^200,100
8.2K2个
电阻
1
=仝Qy\
15K82KJ0K丄5K
具亦口1
电位器
5K,20K
各一个
4.7UF,30PF,0.1UF,
30PF二个;
4.7UF为耦合电容
电容
330PF,5PF,24PFf
0.01UF二个
5-120PF为可调电
100PF,33PFQ01UF
其余电容各一个
容
5-120PF
电感
1.2UH
2
变容—极管
BB910
1
三极管
3DG6C
2
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
调频电路的应用进行了一定的了解，调频电路在无线电通信中是非常重要的调制方式,应用非常广泛,特别是在数字调制中应用更广,频率调制简称调频,是指用调制信号去控制高频载波的频率,,使之随调制信号的规律变化，确切的讲,是使载波信号的频率随调制信号线性变化，而振幅保捋不变。
变容二极管调频电路是直接调频电路的一种,主要是因为变容二极管直接调频电路简单、性能良好。
同时变容二极管的电容变化围大,因而工作频率就达,可以得到较大的频偏，而且调制灵敏度高、固有损耗小，因而变容二极管直接调频电路时一种应用非常广泛的调频电路。
8.主要参考文献
【1】佳奎•电子线路（非线性部分）.:
高等教育,2002
[2]宋树祥•高频电子线路.:
大学,2007
【3】高吉祥.高频电子线路设计.：
电子工业,2007
【4】肃文.高频电子线路.：
高等教育,2002
【5】兴雯•高频电子线路.：
大学出版,2004
附件1电路仿真原理
附件2PCB图
升级会员 