1、 通信電子線路設計課程設計 題目：變容二極管調頻電路設計 學院名稱： 電氣工程學院 指導老師： 班 級: 學 號: 學生姓名: 二零一四年零六月 目錄摘要-p2整體設計-p3 1.電路設計原理-p3 2.電路的設計方案-p3 3.電路設計-p4 4.主振電路設計原理分析-p4 5.調頻信號分析-p5 6.變容二極管頻率調制的原理-p6電路工作分析-p8 1.諧振回路總電容-p8 2.調制靈敏度-p8電路元件參數-p9 1.震蕩回路參數LC-p9 2.溫度補償法-p9 3.回路電阻-p9 4.加緩沖級-p10電路仿真-p10元件清單-p11實驗心得與體會-p11參考文獻-p12 摘要 隨著電子與

2、通信技術的不斷進步，各種新興電子產品的開發速度越來越快。現代計算機技術和微電子技術的進一步結合和發展使得電子電路和通信線路出現了二個分支。一個是朝著更高集成度的集成電路發展：而另一個是利用分立元件和硬件描述語言對新型器件進行專門設計。 調頻廣播具有抗干擾性能強、聲音清晰等優點，獲得了快速的發展。調頻電臺的頻帶通常大約是200250kHz，其頻帶寬度是調幅電臺的數十倍，便于傳送高保真立體聲信號。由于調幅波受到頻帶寬度的限制，在接收機中存在著通帶寬度與干擾的矛盾，因此音頻信號的頻率局限于308000Hz的范圍內。在調頻時，可以將音頻信號的頻率范圍擴大至3015000Hz，使音頻信號的頻譜分量更為豐

3、富，聲音質量大為提高。 目前，應用最廣泛的是采用變容二極管直接調頻技術，即利用二極管反偏工作的PN結呈現的勢壘電容，它與回路中的電感共同構成振蕩器的振蕩回路，從而作為振蕩頻率直接調頻電路。它具有工作頻率高、固有損耗小和使用方便等優點。 變容二極管為特殊二極管的一種。當外加順向偏壓時，有大量電流產生，PN（正負極）接面的耗盡區變窄，電容變大，產生擴散電容效應；當外加反向偏壓時，則會產生過渡電容效應。但因加順向偏壓時會有漏電流的產生，所以在應用上均供給反向偏壓。 在變容二極管直接調頻電路中，變容二極管作為一壓控電容接入到諧振回路中，有所學的正弦波振蕩器章節中，我們知道振蕩器的振蕩頻率由諧振回路的諧

4、振頻率決定。因此，當變容二極管的結電容隨加到變容二極管上的電壓變化時，由變容二極管的結電容和其他回路元件決定的諧振回路的諧振頻率也就隨之變化，若此時諧振回路的諧振頻率與加到變容二極管上的調制信號呈線性關系，就完成了調頻的功能，這也是變容二極管調頻的原理。關鍵詞：變容二極管，調頻電路，振蕩電路 整體設計2.1電路設計原理 變容二極管為特殊二極管的一種。當外加順向偏壓時，有大量電流產生，PN（正負極）接面的耗盡區變窄，電容變大，產生擴散電容效應；當外加反向偏壓時，則會產生過渡電容效應。但因加順向偏壓時會有漏電流的產生，所以在應用上均供給反向偏壓。 在變容二極管直接調頻電路中，變容二極管作為一壓控電

5、容接入到諧振回路中，有所學的正弦波振蕩器章節中，我們知道振蕩器的振蕩頻率由諧振回路的諧振頻率決定。因此，當變容二極管的結電容隨加到變容二極管上的電壓變化時，由變容二極管的結電容和其他回路元件決定的諧振回路的諧振頻率也就隨之變化，若此時諧振回路的諧振頻率與加到變容二極管上的調制信號呈線性關系，就完成了調頻的功能，這也是變容二極管調頻的原理。 2.2電路的設計方案 變容二極管直接調頻電路由于變容二極管的電容變化范圍大，因而工作頻率變化就大，可以得到較大的頻偏，且調制靈敏度高、固有損耗小、使用方便、構成的調頻器電路簡單。因而變容二極管直接調管頻器是一種應用非常廣泛的調頻電路。2.3電路設計 變容二極

6、管調頻電路主要是由主振電路和變容二極管直接調頻電路構成，電路如圖所示：2.4.主振電路設計原理分析 端口通過濾直電容C7輸入頻率為1KHz大小為200mv的調制信號，并且頻率由零慢慢增大，端口12輸出調頻信號。T1為三極管，C5、C6、C4、L2、C3為主振回路，D1為BBY31變容二極管。為了減小三極管的極間電容Cce、Cbe、Ccb這些不穩定電容對振蕩頻率的影響，要求C4>C5,C6>C5，且C5越小，這種影響就越小，回路的標準性也就越高。則回路的諧振頻率是  fo=1/2LC= 本電路采用常見的電容三點式振蕩電路實現LC振蕩，簡便易行。式中，L為LC振蕩電路的總電感

7、量，C為振蕩電路中的總電容，變容二極管電容Cj作為組成LC振蕩電路的一部分，電容值會隨加在其而端的電壓的變化而變化，從而達到變頻的目的。R9、R10調節C4、C5、C6以及L2、C3構成LC振蕩電路。電容三點式振蕩器電路等效電路如下圖所示： 電容三點式振蕩器等效電路   2.5調頻信號分析 FM調制是靠調頻使信號頻率發生變化，振幅可保持不變，所以噪聲易消除。設載波Vc=Vcm cos wct,調制波Vs=Vsm cos wct。則wm=wcw cos wst 或fm=fcf cos2fst,此時的頻率偏移量f為最大頻率偏移。最后得到的被調制波Vm=Vcm sinm,

8、0;V m 隨Vs的變化而變化。m=0wmdt=wctw/wssinwst Vm=Vcm sinm =Vcm sinwctw/wssinwst =Vcm sinwctmsinwstm=w/ws=f/fs為調制系數 。2.6變容二極管頻率調制的原理 變容二極管具有PN結，利用PN結反向偏置時勢壘電容隨外加反向偏壓變化的機理，在制作半導體二極管的工藝上進行特殊處理，以控制半導體的摻雜濃度和摻雜分布，可以使二極管的勢壘電容靈敏地隨反偏電壓變化且呈現較大的變化，這樣就制作成了變容二極管。 變容二極管的結電容Cj，與在其而端所加反向電壓u之間存在著如下關系： Cj=Cj0/

9、1u/VB² 1式中，VB為PN結的勢壘位差(硅管約為0.7V,鍺管約為0.3V)，Cj0為變容二極管在零偏置時的結電容值，n為變容二極管的結電容變化指數，它取決于PN結的雜質分布規律：n=1/3對于緩變結，擴散型管多屬此種； n=1/2為突變結，合金型管屬于此類。采用特殊工藝制程的超突變結的n在15之間。變容二極管的結電容變化曲線如所示： 變容二極管結電容的變化關系圖加到變容二極管上的反向電壓包括直流偏壓V0和調制信號電壓V(t)=Vcost，即u=VVQ=VQVmcost 2將式2代入1中有 Cj=Cj0/1VQcost/VB² =Cj0/1VQ/VB

10、8;×1/1Vm/VQVB ×cost ² =CjQ1cost ²式中CjQ=Cj0/1VQ/VB²為靜態工作點的結電容,m=Vm/VQVBVm/VQ為反映結電容調深度的調制指數。 結電容在u(t)的控制下隨時間的變化而變化。把受到調制信號控制的變容二級管接入載波振蕩器的振蕩回路，則振蕩回路的頻率已收到調制信號的控制。適當選擇調頻二極管的特性和工作狀態，這樣就實現了調頻。設電路工作在線性調制狀態，在靜態工作點Q處，曲線的斜率為kc=c/v。電路工作分析3.1諧振回路總電容 c=cac3cj/c3cj回路總電容變化量c=p²cj3.2調

11、制靈敏度 單位調制電壓所引起的最大頻偏稱為調制靈敏度，以sf表示，單位為kHz/V，即 fm/f0=1/2c/cQ調制靈敏度 sf=f0/2cQ·c/Vm 調制靈敏度sf可以由變容二極管Cj-v 特性曲線上VQ處的斜率kc計算。sf越大，說明調制信號的控制作用越強，產生的頻偏越大。 改變CC1的值可以使變容二極管的工作點調節到最佳狀態。電路元件參數4.1震蕩回路參數LC 顯然LC如有變化，必然引起震蕩頻率的變化，影響LC變化的因素有：元件的機械變形，周圍溫度變化的影響，適度，氣壓的變化，因此為了維持LC的數值不變，首先就應選取標準性高的，不易發生機械變形的元件；其

12、次，應盡量維持振蕩器的環境溫度的恒定，因為當溫度變化時，不僅會使LC的數值發生變化，而且會引起電子器件的參數變化，因此高穩定度的振蕩器可以封閉在恒溫箱（杜瓦瓶）內，LC采用溫度系數低的材料制成。 4.2 溫度補償法 使L與C的變化量與L與C的變化量相互抵消以維持恒定的震蕩頻率，：若回路的損耗電阻r很小，即Q值很高，則振蕩頻率可以近似的用回路的固有頻率f0來表示。由于外界因素的影響，使LC產生微小的變量L、C，因而引起振蕩頻率的變化，若選用合適的負溫度系數的電容器  （電感線圈的溫度系數恒為正值），使得C/C與L/L互相抵消，則f可減為零。這就是溫度補償法。 4.3回路電阻

13、r的大小是由振蕩器的負載決定的，負載重時，r大，負載輕時r小，當負載變化時，振蕩頻率也隨之變化。為了減小r的影響盡量使負載小且穩定，r越小，回路的Q值越高，頻率的穩定度也越高。4.4加緩沖級 為了減弱后級電路對主振器的影響，可在主振器后面加入緩沖級。所謂緩沖級，就是實際上是一級不需要推動功率的放大器（工作于甲類）。電路仿真仿真結果 仿真過程及遇到的問題 在仿真過程中，一開始并沒有出現波形，便一遍又一遍的檢查連接的電路，檢查每一根連線，擺放元件的位置，使連線能更加漂亮，在仿真過程中調試，不斷改變scale，最終得到了如上的波形。元件清單 名 稱 規 格 數 量 電 阻10K,2K,100，10，

14、5K每個型號電阻各一個三極管2N2222A一個變容二極管BBY31一個電容200p，1u，20p，100p，500p，124p，10u20p，124p，1u，各兩個，其他各一個電感10m，8.5u各一個實驗心得與體會 通過對變容二極管調頻電路的設計與研究，我們不僅對變容二極管的調頻原理有了更深刻的了解，還對調頻電路的應用進行了一定的了解，調頻電路在無線電通信中是非常重要的調制方式，應用非常廣泛，特別是在數字調制中應用更廣，頻率調制簡稱調頻，是指用調制信號去控制高頻載波的頻率，使之隨調制信號的規律變化，確切的講，是使載波信號的頻率隨調制信號線性變化，而振幅保持不變。這在示波器上能明顯觀察到雙峰調

15、頻波。變容二極管調頻電路是直接調頻電路的一種，主要是因為變容二極管直接調頻電路簡單、性能良好。同時變容二極管的電容變化范圍大，因而工作頻率就達，可以得到較大的頻偏，而且調制靈敏度高、固有損耗小，因而變容二極管直接調頻電路時一種應用非常廣泛的調頻電路。 在課程設計的整個過程中，當明確了目的和要求后，電路就變得簡單了，而且在圖書館和網上，查閱了大量的資料，最終確定了電路連接圖，在仿真軟件中對電路圖進行了準確的仿真，保證了電路圖的準確性。通過這次的課程設計，我再一次認識到了知識與實踐的重要性，只有牢記所學的專業知識，才會有清晰的設計思路，如果沒有熟練地專業知識和技能，不單單在設計過程中會一籌莫展，將來步入社會了什么都不懂，這是大學生最忌諱的事情，當然細節決定