举例5高频电子电路设计-第四章高频电子电路设计

YANGTZENORMALUNIVERSITY1高频电子电路设计小功率调频发射机设计学习要求•掌握调频发射机整机电路的设计与调试方法，以及高频电路的调试中常见故障的分析与排除；•学会如何将高频单元电路组合起来实现满足工程实际要求的整机电路的设计与调试技术。YANGTZENORMALUNIVERSITY2一、调频发射机及其主要技术指标(a)(b)高频振荡频率调制调制信号低频功放缓冲隔离倍频高频功放高频放大混频本振中频放大限幅鉴频1.组成框图YANGTZENORMALUNIVERSITY3一、调频发射机及其主要技术指标2.主要技术指标发射功率一般是指发射机输送到天线上的功率。总效率发射机发射的总功率与其消耗的总功率P’C之比，称为发射机的总效率。非线性失真要求调频发射机的非线性失真系数应小于1%。杂音电平杂音电平应小于–65dB。APA工作频率或波段发射机的工作频率应根据调制方式，在国家或有关部门所规定的范围内选取。YANGTZENORMALUNIVERSITY4二、单元电路设计与调试整机电路的设计计算顺序一般是从末级单元电路开始，向前逐级进行。而电路的装调顺序一般从前级单元电路开始，向后逐级进行。YANGTZENORMALUNIVERSITY51-1、LC正弦波振荡器RB2VQRB1C1＋VCCL1CC2C3EBCBRETRCDCcC4AL2C5C6＋DCR3R2R1vLC振荡器调频电路**其中，晶体管T、L1、C1、C2、C3组成电容三点式振荡器的改进型电路即克拉泼电路，接成共基组态，CB为基极耦合电容，其静态工作点由RB1、RB2、RE及RC所决定，即由公式（4-2-1）~（4-2-4）决定。ICQ一般为(1~4)mA。ICQ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，以满足相位平衡条件Sj=2np。比值C2/C3=F，决定反馈电压的大小，反馈系数F一般取1/8~1/2。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。如果选C1C2，C1C3，则回路的谐振频率fo主要由C1决定，即11oπ21CLfYANGTZENORMALUNIVERSITY61-2、变容二极管调频RB2VQRB1C1＋VCCL1CC2C3EBCBRETRCDCcC4AL2C5C6＋DCR3R2R1vLC振荡器调频电路**调频电路由变容二极管DC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直流偏置电压VQ，电阻R3称为隔离电阻，常取R3R2，R3R1，以减小调制信号vΩ对VQ的影响。C5与高频扼流圈L2给vΩ提供通路，C6起高频滤波作用。变容二极管DC通过Cc部分接入振荡回路，有利于提高主振频率fo的稳定性，减小调制失真。图4.2.2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CS分别为CcCjC1L1jccCCCpjcjc1CCCCCCSCjYANGTZENORMALUNIVERSITY7变容二极管的Cj-v特性曲线图4.2.3变容二极管的Cj-v特性曲线变容二极管的Cj-v特性曲线如图4.2.3所示。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YANGTZENORMALUNIVERSITY81-3、LC调频振荡器主要性能参数及其测试方法主振频率LC振荡器的输出频率fo称为主振频率或载波频率。用数字频率计测量回路的谐振频率fo，高频电压表测量谐振电压vo，示波器监测振荡波形。频率稳定度主振频率fo的相对稳定性用频率稳定度表示。小时/ominmaxoofffff最大频偏指在一定的调制电压作用下所能达到的最大频率偏移值。将称为相对频偏。omffYANGTZENORMALUNIVERSITY9变容二极管特性曲线特性曲线Cj-v如图4.2.3示。性能参数VQ、Cj0、及Q点处的斜率kc等可以通过Cj-v特性曲线估算。jC图4.2.4是变容二极管2CC1C的Cj-v曲线。由图可得VQ=–4V时CQ=75pF，YANGTZENORMALUNIVERSITY10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，以表示，单位为kHz/V，即fSmΩmVfSf为调制信号的幅度；为变容管的结电容变化时引起的最大频偏。∵回路总电容的变化量为ΩmVmfjCj2CpCS在频偏较小时，与的关系可采用下面近似公式，即SSQom21CCffmfSC∴p↑-△f↑，jC↑-△f↑。YANGTZENORMALUNIVERSITY11为静态时谐振回路的总电容，即SQCQCQC1QCCCCCCS∴C1↓-↑-△f↑调制灵敏度mΩQo2VCCfSfSS为回路总电容的变化量；SC式中，调制灵敏度可以由变容二极管Cj-v特性曲线上VQ处的斜率kc及式(4-2-15)计算。越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。fSfSfSYANGTZENORMALUNIVERSITY121-4、设计举例例设计一LC高频振荡器与变容二极管调频电路。kHz10mf振荡器的静态工作点取，，测得三极管的由式(4-2-1)~式(4-2-4)计算出各电阻值。V6CEQV60。mA2CQI主要技术指标主振频率fo=5MHz，频率稳定度≤5×10–4/小时，主振级的输出电压Vo≥1V，最大频偏。已知条件+VCC=+12V，高频三极管3DG100，变容二极管2CC1C。(1)确定电路形式，设置静态工作点YANGTZENORMALUNIVERSITY13(2)计算主振回路元件值由式(4-2-5)得，若取C1=100pF，则L1≈10H实验中可适当调整L1的圈数或C1的值。11oπ21CLf电容C2、C3由反馈系数F及电路条件C1C2，C1C3所决定，若取C2=510pF，由，则取C3=3000pF，取耦合电容Cb=0.01F。2/1~8/1/32CCFYANGTZENORMALUNIVERSITY14(3)测变容二极管的Cj-v特性曲线，设置变容管的静态工作点VQ本题给定变容二极管的型号为2CC1C，已测量出其Cj-v曲线如图4.2.4所示。取变容管静态反向偏压VQ=4V，由特性曲线可得变容管的静态电容CQ=75pF。YANGTZENORMALUNIVERSITY15(4)计算调频电路元件值变容管的静态反向偏压VQ由电阻R1与R2分压决定，已知VQ=4V，若取R2=10k，隔离电阻R3=150kΩ。k201R为减小振荡回路高频电压对变容管的影响，应取小，但过小又会使频偏达不到指标要求。可以先取，然后在实验中调试。当VQ=-4V时，对应CQ=75pF，则CC18.8pf.)(jccCCCpp2.0p取标称值20pFp∵YANGTZENORMALUNIVERSITY16(5)计算调制信号的幅度为达到最大频偏的要求，调制信号的幅度VΩm，可由下列关系式求出。由式(4-2-14)得mfSSQom21CCff由Cj-v曲线得变容管2CC1C在VQ=–4V处的斜率5.12jCVCkpF/V，由式(4-2-9)得调制信号的幅度VΩm=ΔCj/kc=0.92V。由式(4-2-12)得调制灵敏度Sf为9.10mmVfSfkHz/VYANGTZENORMALUNIVERSITY171-5、调频振荡器的装调与测试A。安装要点电路元件不要排得太松，引线尽量不要平行，否则会引起寄生反馈。多级放大器应排成一条直线，尽量减小末级与前级之间的耦合。地线应尽可能粗，以减小分布电感引起的高频损耗。为减小电源内阻形成的寄生反馈，应采用滤波电容Cφ及滤波电感Lφ组成的π型或Γ型滤波电路。安装时应合理布局，减小分布参数的影响。YANGTZENORMALUNIVERSITY18b。测试点选择正确选择测试点，减小仪器对被测电路的影响。在高频情况下，测量仪器的输入阻抗(包含电阻和电容)及连接电缆的分布参数都有可能影响被测电路的谐振频率及谐振回路的Q值，为减小这种影响，应使仪器的输入阻抗远大于电路测试点的输出阻抗。所有测量仪器如高频电压表、示波器、扫频仪、数字频率计等的地线及输入电缆的地线都要与被测电路的地线连接好，接线尽量短。YANGTZENORMALUNIVERSITY19C。调试方法（1）先调整静态工作点。（3）测量频偏加入幅度为VΩ的调制信号以后，可以采用频偏仪测量频偏。也可以用示波器测量C点的波形，观察波形在X方向的相移。（2）观测动态波形并测量电路的性能参数。与低频电路的调试基本相同，所不同的是按照理论公式计算的电路参数与实际参数可能相差较大，电路的调试要复杂一些。YANGTZENORMALUNIVERSITY202、高频功率放大器设计利用宽带变压器作耦合回路的功率放大器称为宽带功率放大器。它不需要调谐回路，可在很宽的频率范围内获得线性放大。但效率较低，一般只有20%左右。它通常作为发射机的中间级，以提供较大的激励功率。利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器。根据放大器电流导通角θ的范围，可以分为甲类、乙类、丙类和丁类等功率放大器。丙类功放的电流导通角θ90，效率可达到80%。它通常作为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的效率。一、电路的基本原理YANGTZENORMALUNIVERSITY212-1、电路的基本原理C1RB2RFRE1CE1T1L1N1N2Tr1C10C11L10＋－Vi宽带功率放大器丙类功率放大器RE2CE2T2C2N2N1L2C20C21L20N3RL＋－Ｖo＋VCCTr2RB1*Vi＋－晶体管T1与高频变压器Tr1组成宽带功率放大器，晶体管T2与选频网络L2、C2组成丙类谐振功率放器。YANGTZENORMALUNIVERSITY221.宽带功率放大器(1)静态工作点C1RB2RFRE1CE1T1L1N1N2Tr1C10C11L10＋－Vi宽带功率放大器丙类功率放大器RE2CE2T2C2N2N1L2C20C21L20N3RL＋－Ｖo＋VCCTr2RB1*Vi＋－晶体管T1与RB1、RB2、RE1、RF组成的宽带功率放大器工作在甲类状态。其特点是：晶体管工作在线性放大区。其静态工作点的计算方法与低频电路相同。由关系式(4-3-1)~(4-3-4)确定。宽带功率放大器集电极的输出功率PC为PC=PH/T式中，PH为输出负载上的实际功率；T为变压器的传输效率，一般T=0.75~0.85。(2)高频变压器YANGTZENORMALUNIVERSITY231.宽带功率放大器图4.3.2甲类功放的负载特性图4.3.2是宽带功率放大器的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点。集电极的输出功率PC的表达式为H2CmCmCmC2121RVIVP式中，R'H为集电极等效负载电阻；Vcm为集电极交流电压的振幅，其表达式为CESE1CQCCCmVRIVVYANGTZENORMALUNIVERSITY241.宽带功率放大器(3)功率增益与电压放大器不同的是，功放应有一定的功率增益，对于图4.3.1所示电路，宽带功放要为下一级丙类功放提供一定的激励功率，必须将前级输入的信号进行功率放大，功率增益为AP=PC/Pi式中，Pi为功放的输入功率，它与功放的输入电压Vim及输入电阻Ri的关系为iiim2PRVYANGTZENORMALUNIVERSITY252.丙类功率放大器(1)基本关系式C1RB2RFRE1CE1T1L1N1N2Tr1C10C11L10＋－Vi宽带功率放大器丙类功率放大器RE2CE2T2C2N2N1L2C20C21L20N3RL＋－Ｖo＋VCCTr2RB1*Vi＋－丙类功放的基极偏置电压–VBE是利用发射极电流的直流分量IE0(IE0Ic0)在射极电阻RE2上产生的压降来提