高频电子电路6.2教程

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1、VCO的特点：瞬时频率随外加控制信号的变化而变化。,式中：U为振荡信号的振幅，,6.3.2 压控振荡器直接调频电路,用调制信号电压控制振荡回路的参数，如回路电容C或回路电感L，并使振荡频率正比于所加调制信号电压，即可实现调频。,在直接调频法中常采用压控振荡器（Voltage Control Oscillator）作为频率调制器来产生调频信号。,VCO中最常用的压控元件：,压控振荡器直接调频：优点：可获得较大频偏.缺点：中心频率稳定性差，常采用自动频率微调（automatic frequency control ，AFC）电路来克服载频偏移。,仿真,休息1,休息2,通常有： ，压控振荡器的输出信

2、号即为调频信号。,1. 变容二极管,扩散电容(diffusion capacitance)正向偏置，电容效应比较小。,势垒电容(barrier capacitance)反向偏置 ，势垒区呈现的电容效应。,所以为利用PN结的电容，PN结应工作在反向偏置状态.,6.3.3 变容二极管直接调频电路 （Varactor diode direct FM）,PN结反向偏置时，结电容会随外加反向偏压而变化，而专用的变容二 极管，是经过特殊工艺处理（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布）使势 垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变化而呈现较大变化的压控变容元件。,结电容C j与反偏电压uR的关系：,反向偏置电压，UD：

3、PN结势垒电位差。, ：结电容变化指数，通常=1/21/3，经特殊工艺制成的超突变结电容 =15,可以看出C j与uR之间是非线性关系，即变容二极管属于非线性电容，这种非线性电容基本上不消耗能量，产生的噪声量级也较小，是较理想的高效率，低噪声非线性电容。,休息1,休息2,PN结具有电容效应,设在变容二极管上加一个静态工作电压Uo和一个单频调制信号,，则结反偏电压：,而结电容：,其中：,为静态工作点的结电容。,表示结电容调制深度的调制指数。,休息1,休息2,CjQ,为了突出调频性能的分析，下图只画出了它的高频交流等效电路，没有画出直流馈电电路，,2. 变容二极管直接调频的原理电路,图中；C3为高

4、频偶合电容，C4为偶合隔直电容，LB为高频扼流圈，阻止高频电流经过调制信号源被旁路，右图为振荡器交流等效电路，C j与振荡器回路并联，R1，R2为C j的偏置电路，为C j提供静态直流偏压,，而二极管的反偏电压为：,休息1,休息2,+ Uo -,则,由上电路可知，振荡频率为：,;而,为了简化电路分析，如果设：,，则有,所以：有,3 调频性能分析,即为调频振荡器的中心频率。,讨论：1 设 =2,即满足线性调频。,2 当,则,（利用级数展开忽略高次项，,可近似为：,是由C jV d的非线性而引起的。虽然,另外，定义调频灵敏度：,休息1,休息2,4. 实用变容管二极调频电路,（1）L1，C1、C2串

5、联，C3和反向串联的两个变容二极管，三个支路并联组成电容反馈三点式振荡电路。,(2) 直流偏置电压-UQ同时加在两个变容二极管的正极，调制信号 经L4扼流圈加在二极管负极上，二个二极管的动态偏置为：,（3）两个变容二极管串联后的总电容,C j与C3串联后接入振荡回路，对振荡回路来说是部分接入，与单二极管直接接入比较，在 相同的情况下，m值降低。,（4）两变容二极管反向串联，对高频信号而言，加到 两管的高频电压降低一半，可减弱高频电压对结电压 的影响，另外在高频电压的任一半周内，一个变容管 寄生电容增大，而另一个减少，使结电容的变化不对 称性相互抵消，从而消弱寄生调制。,仿真,休息1,休息2,C

6、1,C3,Cj1,Cj2,u,R1,R2,Le,Re,C2,L1,Cb,C4,C5,C6,C7,L2,L3,+ -,VT,-UQ,EC,L4,ud,在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采用直接对晶体振荡器调频的方法。,6.3.4 晶体振荡器直接调频电路,1晶体振荡器直接调频原理,右图为并联型Pierce Oscillator， 其振荡频率为：,在电路中，当Cj变化时，CL变化，从而使晶体振荡器的振荡频率也发生变化，如果压控元件Cj受调制电压 控制，则Pierce Oscillator就成为一个晶体调频振荡器。,注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，故只能工作于晶体的串联谐振频

7、率f q与并联谐振频率f p之间，而f q与 f p之间的频率变化范围只有,量级，再加上Cj的串联，晶体的可调振荡频率更窄。,休息1,休息2,例如载频为40MHZ的晶体调频振荡器，能获得最大频偏只有7.5KHZ，所以采用晶体调频振荡器虽然可以获得较高的频率稳定度，但缺点是最大频偏很小，实际中需要采用扩大频偏的措施。 扩大频偏的方法有两种：晶体支路中串接小电感； 利用型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感 性的工作频率范围。,2 晶体调频振荡器的实际电路,仿真,休息1,休息2,采用串接小电感L的方法来扩大调频的频偏，变容二极管的反向偏压由EC经稳压管VDZ稳压后经RZ2=2.4k和W1=47k电位器

8、分压后，经R=10K电阻加至变容管正极。改变47K电位器W1的活动端可以调整变容管的Uo从而改变Cj ，把调频器的中心频率调至规定值。调制信号 经电位器W2加于变容管VD，改变4.7K电位器W2的活动头，可以调整加在变容二极管上的调制信号电压幅值，从而获得要求的频偏。,- Uo +,1. 间接调频法,宽带,窄带,6.3.4 间接调频电路,但最大频偏小的缺点可以通过多级倍频器后获得符合要求的调频频偏，另外采用混频器变换频率可以得到符合要求的调频波工作范围。,采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得中心频率稳定度高的调频信号。,间接调频法就是利用调相方

9、法来实现调频。,载波输入,间接调频的关键电路是调相器.,2. 变容二极管调相电路,如果忽略二次方以上各项，可得回路的谐振频率为 ：,将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。,UQ=9V,载波输入,调相波 输出,回路的频率偏移为：,在高Q值及谐振回路失谐不大的情况下，并联LC谐振回路电压和电流间的相位关系为：,当 /6（或30o）时，tan ,可得:,表明:单级LC谐振回路在满足 /6（30o）的条件下，回路输出电压的相移是与输入调制电压u(t)成线性关系的。,如果将调制电压u(t)先积分后再加在变容二极管上，则单级LC谐振回路输出电压的瞬时频率(t)就与输入调制电压

10、u(t)成线性关系，即可实现对调制电压u(t)的间接调频。,调相波 输出,载波输入,3. 实用变容二极管调相电路,由晶体管组成单LC回路调谐放大电路，电感L、电容C1、C2与变容管Cj组成并联谐振回路；,载波输入,uFM(t),C3、C4、C5为耦合电容；LZ为高频扼流圈，以防高频载波被调制信号源旁路;,R5、R6对电源EC分压后为变容二极管提供静态偏置电压UQ。,放大的载波信号经C3耦合输入，调制信号经C5耦合输入，调相信号经C4耦合输出。如果将调制电压u(t)先积分后再输入，那么从C4耦合输出的信号就是对调制电压u(t)的间接调频波。,+ UQ -,6.4 调频波的解调原理及电路,6.4.

11、2 振幅鉴频器（斜率鉴频器slope discriminator）,6.4.3 相位鉴频器,6.4.4 比例鉴频器,6.4.5 移相乘积鉴频器,6.4.1 鉴频方法及其实现模型,调频信号的解调是从调频波 中恢复出原调制信号 过程，完成调频波解调过程的电路称为频率检波器,第一种方法，将调频波通过频率幅度线性变换网络，将调频波变换成调频调幅波，再通过包络检波器检测出反映幅度变化的解调电压。把这种鉴频器称为斜率鉴频器，或称振幅鉴频器 。,将调频波进行特定的波形变换，根据波形变换特点的不同，可归纳以下几种实现方法：,6.4 调频波的解调原理及电路,6.4.1 鉴频方法及其实现模型,休息1,休息2,1.

12、 鉴频方法,第二种方法，将调频波通过频率相位线性变换网络，变换成调频调相波，再通过鉴相器检测出反映相位变化的解调电压。把这种鉴频器称为相位鉴频器 。,第三种方法，是随着近年来集成电路的广泛应用，在集成电路调频机中较多采用的移相乘积鉴频器。它是将输入FM信号经移相网络后生成与FM信号电压正交的参考信号电压，它与输入的FM信号电压同时加入相乘器，相乘器输出再经低通滤波器滤波后，便可还原出原调制信号。,1. 鉴频方法,休息1,休息2,第四种方法，先将调频波通过非线性变换网络，变换为调频脉冲序列，该脉冲序列含有反映该调频信号瞬时频率变化的平均分量，因而通过低通滤波器便可得到反映平均分量变化的解调电压。

13、也可将调频脉冲序列通过脉冲计数器，直接得到反映瞬时频率变化的解调电压。将这种鉴频器称为脉冲计数式鉴频器。,2. 鉴频器的主要特性,休息1,休息2,能全面描述鉴频器主要特性的是鉴频特性曲线。它是指鉴频器的输出电压uo(t)，与其输入FM信号瞬时频偏(t)或f(t)之间的关系曲线,或：,由调频信号的特征：,所以：,表明：要实现无失真鉴频，要求鉴频器的输出电压 与频偏 成线性关系，上图为典型鉴频特性曲线。,（1）定义：鉴频跨导 表明了鉴频特性曲线在原点（ ）处的斜率，反映了鉴频灵敏度。显然希望SD值应尽可能的大。,对鉴频特性曲线的主要要求：,（2）鉴频器的峰值频带宽度B max ，要求B max 应

14、大于输入FM波最大频偏摆动范围 。,Bm2fm, FM波(频幅变换)FMAM FMAM(包络检波)恢复原调制信号,6.4.2 振幅鉴频器（斜率鉴频器slope discriminator）,1失谐（detvning）回路振幅鉴频器,振幅鉴频器的基本原理：,返回,最简单的频幅变换电路就是并联谐振回路，其工作特点：,例1： 失调单回路振幅鉴频器,FM信号工作在并联谐振回路的失谐区，即（ ），当FM波电流流过回路时，由于瞬时频率随调制信号而变化，对于不同的瞬时频偏，失谐回路阻抗不同，回路输出电压 振幅将随瞬时频偏 的变化而变化，即可完成 变换。,f o,利用失调回路中幅频特性曲线的倾斜部分来实现鉴频

15、，解调后失真较大，是一种原始类型的鉴频器，现在已很少采用，但它对理解振幅鉴频器对FM波的解调有很直观的意义。,仿真,fp,us(fo),返回,6.4.2 斜率鉴频器,一、基本原理,LC并联谐振回路谐振频率f0调离调频波的中心fc。,当加到LC并联回路的调频信号频率随时间变化时，回路两端电压的振幅也随时间产生相应的变化。利用LC并联回路谐振曲线的下降（上升）部分，使等幅的调频信号变成调幅-调频信号。,采用振幅检波器，可得到原调制信号uo(t)。,二、双失谐回路斜率鉴频器,uo= uo1 uo2,f01 fc f02，对 fc的偏离要适当,fc f01 = f02 fc应大于fm,上、下两个单失谐

16、回路的鉴频器特性相互补偿，使鉴频器非线性失真减小，线性范围和鉴频灵敏度增大。,是在集成电路中常用的振幅鉴频器，如下图电路就是电视接收机中伴音信号处理的集成电路TA7176A中的差分峰值鉴频器。,1 电路结构,二 差分峰值振幅鉴频器,T1，T2为射随器；T3，T4为峰值检波器；T5，T6为差分对放大器；9，10管脚外接频幅移相变换网络：C1，C2，L1,2 电路分析：,设：L1C1并联电路的谐振频率为：,L1,C1和C2组成的并、串谐振回路的谐振频率为：,虽然有：,1当 时，并串回路呈现串联谐振，由于串联谐振阻抗最小，故u1最小，而电流最大，故u2最大。,u1,u2,ue3,ue4,uo,移相网络作用：将输入FM信号ui转换成两个幅频特性相反的FMA