变容二极管直接调频电路

2012 ~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

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1、任务书 课题名称 指导教师（职称） 执行时间 学生姓名 设计目的 设计要求 学号 1．原理分析及电路图设计 变容二极管直接调频电路的设计 2012~2013学年第二学期 第 16 周 承担任务 2．用相关仿真软件画出电路并对电路进行分析与测试 (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。

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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。

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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 ............................................................................ 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 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 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 ................................................................................................................ 12 附录一 元器件清单 ...................................................................................... 13 附录二 参考文献 .......................................................................................... 14

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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。

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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：

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Cj?Cj0?u?1??VB?????n………………………（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u?VQ?VΩ?VQ?VΩt……………………………………（Ⅱ） Ωmcos将式（Ⅱ）带入（Ⅰ），得

Cj?Cj0?VQ?cosΩt????1??VB??Cj01????nn??VQ??1?VB???VΩm?1?cosΩt??V?V?QB???nn

?CjQ?1?mcosΩt? 3

式中，CjQ?Cj0n?VQ??1?V?B??为静态工作点的结电容，m?VΩm?VQ?VB??V?mVQ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kC?ΔCΔV。

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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。

C14100nFW2R420kΩ2kΩKey=A501R2R33.9kΩ180kΩ18L1CC147uHD150%Key=AL4BB9101.2uH3C82330pFXFG1A+_+B_13R88.2kΩC12833pFR615kΩQ1102N3391V112 V R120kΩ16C330pFC724pFC9100pFQ292N33915C10330pFR51kΩR78.2kΩC13R910kΩ1210nFC14.7uFW15kΩ50%Key=A2C8100pF50%5pFKey=AC1110nFR101.5kΩ0XSC1Ext Trig+_

图 3.1 总体电路图

3.1 主振电路设计原理分析

6 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

fo?12πLC

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

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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。

7L1.2uHT3113DG12CC9100pF6C10330pF

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

p?C3C3?Cj，（C3由不同电容值的

阻R1、R2，隔离电阻R3和电位器W1构成。接入系数电容代

替，保证接入系数不同）其中等效电路图如下图所示。

C31CaL32CJ

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：

C3?CQ

式中Ca??C8?CC1?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，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vΩ经C82和高频扼流圈L1加到二极管上。为了使VQ和vΩ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VΩ从端口通过C82输入，C82

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CQ??Ca?C3CQ

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vΩ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。

C312CaLCJ3

图3.4 高频通路

1VQD12VΩ3

图3.5 直流和调制频率通路

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第四章 电路元器件参数设置

4.1 LC震荡电路直流参数设置

ICQ一般为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ICQ1=2mA。取VCEQ1=（1/2）VCC=6V。可以求出R4+R5=3KΩ，取R4=2KΩ，R5=1KΩ；β=60，IBQ=β×IBQ，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=15KΩ，R7=8.2KΩ，W2的可调最大阻值为20K。实验实际测得T1管Vc1=7.8V，Vce1=5.6V，Vbe=0.64V，基本接近理论值。 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

2?LC

若取C?Ca??C8?CC1?C7，本次实验中可调电容CC1规格为5～120pF，计算时取5pF，C7=24pF。L4≈1.2 H。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<

f0?1C10=330 pF，取耦合电容 C1=4.7 F，C14=0.1uF。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

C3C3Cj p? C??Ca?

C3?CjC3?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=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VΩ对VQ的影响。取 R2=3.9k ，隔离电阻R3=180kΩ，R1=20KΩ。实际调试时，L1用1.2uH代替，测得C3与L1之间节点对地电压为0.5V,较理论值偏小。R1与R2之间节点对地电压为2.7V。 4.3 T2管参数设置

对输出电路，为保证T2管正常工作，可取R8=8.2K，R9=10K，R10=1.5K，实验实测得R8与R9间节点对地电压为6.4V,Ve2=5.69V,则Vbe2≈0.7V，基本符合理论值。取耦合电容C12=33pF，C13=0.01uF

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第五章 电路仿真

5.1 mulitisim11软件介绍

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适

用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 5.2 电路仿真

在mulitisim中连接测试电路，按下仿真开始按钮，开始仿真。

（1）用万用表分别测量Q1管Vcb，Vce和Vbe，调试T1管的静态工作点。测得Vcb1=7.8V，Vce1=5.6V，Vbe1=0.64V，说明T1管正常工作。

（a）Vcb1 (b)Vce1 (c)Vbe1

图5.1 T1管静态工作点的调试

（2）用万用表测得R8与R9间节点对地电压即Vb为6.4V,Ve2=5.69V,则Vbe2≈0.7V

（a）Vb2 (b)Ve2 (c)Vbe2

图5.2 T2管静态工作点调试

（3）用万用表测得C3与L1之间节点对地电压为0.5V,较理论值偏小。R1与R2之间节点对地电压为2.7V。

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（a）C3与L1之间节点对地电压 （b）R1与R2之间节点对地电压

图5.3 变容二极管反向电压的设置

说明加在变容二极管两端的反向电压为0.5V，变容二极管正常工作。

（4）不加调制信号，使用示波器测电路的输出波形，即振荡回路的载波信号的波形。

图5.4 载波信号波形

（4）然后在c82处加入频率为1KHz，幅度为200MV的调制信号，此时示波器输出

的即为调制后的FM信号。

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图5.5 加入调制信号后的输出波形

根据所得数据及已知参数计算可得

1 f0?

2?LC1?C??fm??fo2CQ?

计算以上各式可得f0?20.945MHz，△fm≈?20KHz，满足实验要求。

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小结

通过本周的课程设计，我认识到课本上的知识的实际应用，激发了学习兴趣，增强了思考和解决实际问题的能力。这次做课程设计，给我留下了很深的印象。上了三年大学，学了三年电子，发觉自己竟然连一只三极管还没有学会。看来做什么都要有追根求底的精神。不然什么都只是知道，却什么都不精通，这是将来走上社会最忌讳的。虽然只是短暂的一周，但在这期间，却让我受益匪浅。

这次课程设计让我认识到了知识和实践的重要性。只有牢固掌握了所学的知识，才能有清晰的思路，知道每一步该怎样走。才能顺利的解决每一个问题。就以这次课程设计为例，刚拿到题目的时候，大致看一下要求，根据平时所学的知识，脑海中就立刻会想到应该用到的元器件，然后再去图书馆去查这些元器件的资料，很快地初步方案以及大概的电路原理图就出来了。但是，在具体的细节设计上，我却不知道为什么，从而明白了自己基础知识掌握得不牢固。所以，这次课程设计在让我认识了知识的重要性之外，更让我明白了自己理论知识和实践知识的欠缺。我会在以后的学习中更加努力，做到理论与实践更好的结合。

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附录一 元器件清单

名称 电阻 规格 20K,3.9K,180K,2K,1K,15K, 8.2K,10K,1.5K 5K,20K 4.7UF,30PF,0.1UF, 330PF,5PF,24PF, 100PF,33PF,0.01UF 5-120PF 1.2UH BB910 3DG6C 数量 8.2K 2个 其余各一个 备注 电位器 电容 各一个 30PF二个； 0.01UF二个 其余电容各一个 2 1 2 4.7UF为耦合电容 5-120PF为可调电容 电感 变容二极管 三极管

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附录二 参考文献

[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[R].高等教育出版社 [2]朱代先,高频电路原理及应用[R].西安电子科技大学出版社 [3]沈伟慈.通信电路[R].西安电子科技大学出版社

[4]邬国扬，顾涵铮，周雪娇.高频电路原理[R].浙江大学出版社 [5]谭琦耀，韦忠善.高频电子线路[R].北京理工大学出版社

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5otp.html