变容二极管直接调频电路

12012~2013学年第1学期《高频电子线路》课程设计报告题目：变容二极管直接调频电路的设计专业：电子信息工程班级：10信息（2）班电气工程系2012年12月17日11、任务书课题名称变容二极管直接调频电路的设计指导教师（职称）执行时间2012~2013学年第二学期第16周学生姓名学号承担任务设计目的1．原理分析及电路图设计2．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(1)输入1KHz大小为200Mv的正弦电压（也可以用1KHz的方波）；(2)主振频率为f0大于15MHz；(3）最大频偏△fm=20KHz。2变容二极管直接调频电路的设计摘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，在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾，因此音频信号的频率局限于30～8000Hz的范围内。在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至30～15000Hz，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。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：变容二极管；直接调频；LC振荡电路。1变容二极管直接调频电路的设计目录第一章设计思路............................................................................................1第二章调频电路工作原理............................................................................22.1间接调频原理................................................................................................................22.2直接调频原理................................................................................................................22.3变容二极管直接调频原理............................................................................................2第三章电路设计............................................................................................53.1主振电路设计原理分析................................................................................................53.2变容二极管直接调频电路设计原理分析....................................................................6第四章电路元器件参数设置........................................................................84.1LC震荡电路直流参数设置..........................................................................................84.2变容管调频电路参数设置............................................................................................84.3T2管参数设置..............................................................................................................85.1mulitisim11软件介绍....................................................................................................95.2电路仿真........................................................................................................................9小结................................................................................................................12附录一元器件清单......................................................................................13附录二参考文献..........................................................................................141第一章设计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。2第二章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：3nBVuCjCj10………………………（Ⅰ）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1～5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VΩ(t)=VΩcosΩt，即tcosVVmQΩΩΩVVuQ……………………………………（Ⅱ）将式（Ⅱ）带入（Ⅰ），得nQmVCjCjtcos1CjtcosVVV11VV1CjVtcos1QnBQmnBQ0nB0ΩΩΩΩ4式中，nBQQVVCjCj10为静态工作点的结电容，QmBQmVVVVVmΩ为反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VCkΔΔC。5第三章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。C14100nFC9100pFC10330pFC82330pFC724pFC330pFC1233pFC1310nFR42kΩR51kΩR615kΩR78.2kΩR23.9kΩR3180kΩR120kΩR88.2kΩR910kΩR101.5kΩC14.7uFW220kΩKey=A50%CC1100pFKey=A50%W15kΩKey=A50%L41.2uHL147uHKey=A50%D1BB910V112VC85pF21C1110nF8XFG1XSC1ABExtTrig++__+_Q12N3391Q22N339110121459616181303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CfoL21π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6点，C7、C9、C10以及L4、C