2014 2015 学年学年 第第 1 学期学期高频电子线路高频电子线路 课程设计课程设计题题 目目： 变容二极管直接调频电路的设计变容二极管直接调频电路的设计 班班 级：级： 1212 电子信息工程（电子信息工程（2 2）班）班 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师： 电气工程系2014 年 12 月 6 日1、任务书、任务书课题名称课题名称变容二极管直接调频电路的设计变容二极管直接调频电路的设计指导教师（职称）指导教师（职称）执行时间执行时间20122013 学年第二学期学年第二学期 第第 16 周周学生姓名学生姓名学号学号承担任务承担任务整体布局设计以及排版整体布局设计以及排版调频工作原理调频工作原理电路设计电路设计电路元器件参数设置电路元器件参数设置提出问题整理资料提出问题整理资料原理图绘制以及仿真原理图绘制以及仿真设计目的设计目的1 1原理分析及电路图设计原理分析及电路图设计2 2用相关仿真软件画出电路并对电路进行分析与测试用相关仿真软件画出电路并对电路进行分析与测试设计要求设计要求(1)(1)输入输入 1KHz1KHz 大小为大小为 200Mv200Mv 的正弦电压（也可以用的正弦电压（也可以用 1KHz1KHz 的的方波）；方波）；(2)(2)主振频率为主振频率为 f0f0 大于大于 15MHz15MHz；(3(3）最大频偏）最大频偏fm=fm=20KHz20KHz。摘摘 要要调频电路具有抗干扰性能强、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。 关键字关键字：变容二极管；直接调频；LC 振荡电路。目目 录录第一章第一章 设计思路设计思路1 第二章第二章 调频电路工作原理调频电路工作原理2 2.1 间接调频原理 2 2.2 直接调频原理 2 2.3 变容二极管直接调频原理 2 第三章第三章 电路设计电路设计5 3.1 主振电路设计原理分析 5 3.2 变容二极管直接调频电路设计原理分析 6 第四章第四章 电路元器件参数设置电路元器件参数设置8 4.1 LC 震荡电路直流参数设置8 4.2 变容管调频电路参数设置 8 4.3 T2 管参数设置.8 5.1 mulitisim11 软件介绍9 5.2 电路仿真 9 小结小结12 附录一附录一 元器件清单元器件清单13 附录二附录二 参考文献参考文献14第一章第一章 设计设计思路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。第二章第二章 调频电路工作原理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， 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：（）nBVuCjCj 10式中，VB为 PN 结的势垒位差(硅管约为 0.7V,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)= Vcost，即（）tcosVVmQVVuQ 将式（）带入（），得nQmVCjCj tcos1CjtcosVVV11VV1CjVtcos1QnBQmnBQ0nB0式中，为静态工作点的结电容，为反映nBQQ VVCjCj 10QmBQmVV VVVm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VCkC。第三章第三章 电路设计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。C14 100nFC9 100pFC10 330pFC82330pFC724pFC3 30pFC1233pFC1310nFR4 2kR5 1kR6 15kR78.2kR2 3.9kR3 180kR120kR8 8.2kR9 10kR10 1.5kC1 4.7uFW2 20k Key=A50%CC1100pF Key=A50%W15k Key=A50%L4 1.2uHL147uH Key=A50%D1 BB910V112 V C8 5pF21C11 10nF8XFG1XSC1ABExt Trig +_+_Q12N3391Q22N33911012145961618130 3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 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 Cce、Cbe、Ccb 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CfoL21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、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。T33DG12CC9 100pFC10 330pFL 1.2uH6117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，偏置电阻 R1、R2，隔离电阻 R3 和电位器 W1 构成。接入系数，（C3 由不同电容值CjCCp33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。LCa CJC3213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： 式中，（由于 C9 和 C10 电容值远大于 C7,C9 和 C10 可串联忽略）718CCCCCa 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，而不至于被振荡回路中 L4 所短路，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 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。 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Q3Q3 QCCCCCCa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 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。LCaCJC3213D1VVQ213图 3.4 高频通路