变容二极管调频电路设计

摘要 ..................................................................................................................1 1 设计方案与电路 ..........................................................................................2

1.1 电路形式的设计 ............................................................................ 2

1.1.1 设计原理 ............................................................................... 2 1.1.2 电路设计方案 ....................................................................... 2 1.1.3 电路设计 ............................................................................... 3 1.2 主振电路设计原理分析 ................................................................ 3 1.3 调频电路设计原理分析 ................................................................ 4

1.3.1 FM调制原理 .......................................................................... 5 1.3.2 三极管的参数 ....................................................................... 6 1.3.3 变容二极管频率调制的原理 ............................................... 6

2 电路工作分析 ..............................................................................................8

2.1调制 ................................................................................................... 8

2.1.1谐振回路总电容 .................................................................... 8 2.1.2 回路总电容变化量 ............................................................... 8 2.1.3 调制灵敏度 ........................................................................... 8 2.2 增加稳定度的措施........................................................................ 9

2.2.1 选用合适的负温度系数的电容器 ..................................... 9 2.2.2 LC选材、工作环境恰当 ...................................................... 9 2.2.3 使负载轻且稳定 ............................................................... 10 2.2.4 加缓冲级 ........................................................................... 10 2.2.5有源器件采用稳压电源 ...................................................... 10

3 电路元器件参数设置 ................................................................................10

3.1 LC震荡电路直流参数设置 ........................................................... 10 3.2 主频电路参数设置 ......................................................................... 11 3.3 调频电路的直流参数设置 ............................................................ 12 3.4 调制信号的幅度计算 .................................................................... 13 4 课程设计心得 ............................................................................................14 参考文献 ........................................................................................................15 附录1 电路图 ...............................................................................................16 附录2 元件清单 ...........................................................................................17

摘要

随着电子与通信技术的不断进步，各种电子新产品的开发速度越来越快。现代计算机和微电子技术的进一步结合和发展，使得电子电路和通信线路的设计出现了两个分支。一个是朝着更高集成度的集成电路发展；而另一个是利用分立元件和硬件描述语言对新型器件进行专门设计。

调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。调频电台的频带通常大约是200～250kHz，其频带宽度是调幅电台数十倍，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，在接收机中存在着频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。目前，许多小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频的LC震荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。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，是一种较先进的调制调频方案。

关键词：信号 频率 调频 调制 变容二极管 LC振荡电路

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1 设计方案与电路

1.1 电路形式的设计

1.1.1 设计原理

变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压大小而变化的原理设计的一种二极管。它的极间结构、伏安特性与一般检波二极管没有多大差别。不同的是在加反向偏压时，变容二管呈现较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会随调制信号电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。

由于抗干扰能力强、功率利用率高、信息传输保真度高等优点，频率调制广泛应用于各种通信系统和电子设备中。实现调频的方法有直接调频法和间接调频法两类，

所谓调频，就是把要传送的信息（例如语言、音乐）作为调制信号去控制载波（高频振荡信号）的瞬时频率，使其按调制信号的规律变化。

1.1.2 电路设计方案

变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移（相对于间接调

频而言），线路简单，并且几乎不需要调制功率，其主要缺点是中心频率的稳定度低。在满足设计的各项参数的基础上尽量简化电路。因此本次

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课程设计采用2CC1C变容二极管进行直接调频电路设计。

1.1.3 电路设计

变容二极管调频电路是有主频电路和调频电路构成，电路如图1.1所示。

图1.1 变容二极管调频电路

1.2 主振电路设计原理分析

图1.1中，T为振荡管，C1、C2、C3、L1为主振回路，D为变容二极管。为了减少晶体管结电容对回路振荡频率的影响，C2、C3取值较大，若选C1<fo12πL1C1

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本电路采用常见的电容三点式震荡电路实现LC振荡，简便易行，变容二极管电容作为组成LC振荡电路的一部分，电容值会随加在其两端的电压的变化而变化，从而达到了变频的目的。

Rc，Re，RB1，RB2设置LC震荡电路的静态工作点，L1，C1构成LC震荡电路，CC,DC接入LC振荡电路改变振荡频率构成调频电路。R1、R2、R3提供变容二极管工作所需的直流偏置。信号VΩ从C5接入，电感L2是一低通线圈，可以过滤掉信号的高频部分。图1.2为调频电路的交流等效电路。

图1.2 三点式振荡电路

1.3 调频电路设计原理分析

图1.1中，调频电路由变容二极管D、耦合电容Cc、偏置电阻R1、R2和隔离电阻R3构成，L3为高频扼流圈，C4为高频滤波电容。变容二

pCcCcCj极管采用部分接入，接入系数，其中等效电路图如图1.3所

示。图中C1为变容二极管结电容，与变容二极管两端反压呈非线性关系。在静态工作点附近小信号范围内可认为是线性的，实现线性调频。无调制时，谐振回路的总电容为：

4

CQC1

CC CQCCCQ式中CQ，为静态工作点是所对应的变容二极管结电容。

图1.3 变容二极管部分接入等效图

1.3.1 FM调制原理

FM调制是靠调频使信号频率发生变化，振幅可保持不变，所以噪声易消除。

设载波则

VcVcmcoswct,调制波

VsVsmcoswst。

wmwcwcoswst fmfcfcos2fst或，此时的频率偏移量

△f为最大频率偏移。

最后得到的被调制波

t0VmVcmsinm , V m 随Vs的变化而变化。

mwmdtwct(w/ws)sinwst

5

VmVcmsinmVcmsin[wct(w/ws)sinwst]Vcmsin(wctmsinwst)mwfwsfs

为调制系数

1.3.2 三极管的参数

NPN型高频小功率三极管3DG100(3DG6)参数（如图1.4） 原型号 3DG6 新型号 3DG6100 3DG6100 3DG6100 3DG6100 测试条件 极PCM(Mv) 限ICM(Ma) 20 参BVBO(V) 330 数 BVCEO(V) A 100 B 100 20 340

图1.4 高频三极管的参数

C 100 20 330 D 100 20 340 IC=100uA 1.3.3 变容二极管频率调制的原理

变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性制

成的一种半导体二极管，它是一种电压控制可变电抗元件，它的结电容Cj与反向电压VR存在如下关系：

Cj0Cjv(1R)VD

式中，VD为PN结的势垒电压（内建电势差），Cj0为VR为0时的结电容，

6

γ为系数，它的值随半导体的掺杂浓度和PN结的结构不同而异：对于缓变结，γ=1/3；突变结：γ=1/2;对于超突变结，γ=1/4，最大可达6以上。

变容二极管的Cj-v特性曲线如图1.5所示。

图1.5 变容二极管的Cj-v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vR(t)V0Vcost。

结电容在vR(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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2 电路工作分析

2.1调制

2.1.1谐振回路总电容

CC1CcCjCcCj 2.1.2 回路总电容变化量

Cp2Cj2.1.3 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Sf表示，单位为 kHz/V，即

Sf = △fm / VΩm

VΩm为调制信号的幅度；△fm为变容管的结电容变化△Cj时引起的最大频偏。

在频偏较小时，△fm与△C∑的关系可采用下面近似公式，即

fm1Cfo2CQ

调制灵敏度

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SffoC2CQVΩm调制灵敏度Sf可以由变容二极管Cj-v 特性曲线上VQ处的斜率kc计算。Sf越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。 改变CC的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。

2.2 增加稳定度的措施

2.2.1 选用合适的负温度系数的电容器

使L与C的变化量与△L与△C的变化量相互抵消以维持恒定的震荡频率，其原理如下：

若回路的损耗电阻r很小，即Q值很高时，则振荡频率可以近似的用回路的固有频率f0来表示。

ff012LC

由于外界因素的影响，LC产生微小的变量△L、△C，因而引起振荡频率的变化为

f1LCf0fL0Cf02LC LC若选用合适的负温度系数的电容器 （电感线圈的温度系数恒为正值）， 使得△C/C与△L/L互相抵消，则△f可减为零。这就是温度补偿法。

2.2.2 LC选材、工作环境恰当

ff012LC知，若LC有变化，则震荡频率必然变化，而影

由

响LC飞变化的因素有：

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元件的机械变形 周围温度的变化 适度，气压的变化

因此为了维持LC的数值不变，首先就应选取标准性高的，不易发生机械变形的元件；其次，应尽量维持振荡器的环境温度的恒定，因为当温度变化时，不仅会使LC的数值发生变化，而且会引起电子器件的参数变化，因此高稳定度的振荡器可以封闭在恒温箱内，LC采用温度系数低的材料制成。

2.2.3 使负载轻且稳定

r的大小是由振荡器的负载决定的，负载重时，r大，负载轻时r小，当负载变化时，振荡频率也随之变化。为了减小r的影响尽量使负载小且稳定，r越小，回路的Q值越高，频率的稳定度也越高，

2.2.4 加缓冲级

为了减弱后级电路对主振器的影响，可在主振器后面加入缓冲级。

2.2.5有源器件采用稳压电源

晶体管为有源器件时，若他的工作状态（电源电压或周围温度等）

有所改变，则晶体管的h参数会发生变化，即引起振荡频率的改变。为了维持晶体管的参数不变，应该采用稳压电源，和恒温措施。

3 电路元器件参数设置

3.1 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，

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频率稳定性变差。

取ICQ=2mA。取VCEQ=（1/2）VCC=6V。可以求出Rc+Re=3KΩ，取Rc=2KΩ，Re=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RB1和RB2上流过的电流IB>>IBQ，取RB1=28KΩ，RB2=8.2KΩ。

3.2 主频电路参数设置

fo由LC震荡频率的计算公式可求出则L1≈10H。

实验中可适当调整L1的圈数或C1的值。

电容C2、C3由反馈系数 F 及电路条件C1<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3.1所示。

FC2/C31/8~1/212πL1C1，若取C1=100pF，

，则取 C3=3000 pF，取耦合电

图3.1变容二极管Cj-V曲线

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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。2CC1C属于突变结，γ=0.5，图3.2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C∑分别为

pCcCcCjCC1

CcCjCc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。当VQ=－4V时，对应CQ=75pF，则CC 18.8 pf 。取标称值20pF。

图3.2 主频等效电路图

3.3 调频电路的直流参数设置

根据2CC1C数据手册提供的变容二极管的Cj-v特性曲线（如图3.1），取变容二极管的正常工作的反向偏置电压为4V，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。已知 VQ=4V，若取 R2=10k ，

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隔离电阻R3=150kΩ。则R1=20KΩ

3.4 调制信号的幅度计算

为达到最大频偏△fm的要求，调制信号的幅度VΩm，可由下列关系式求出。

fm1Cfo2CQ

由Cj-v 曲线得变容管 2CC1C 在VQ= – 4V 处的斜率

kCCjV12.5PF/V,得调制信号的幅度

VΩm=ΔCj / kc= 0.92V。 调制灵敏度:

Sf 为

SffmVm10.9KHz/V

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4 课程设计心得

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。课程设计，使我学会了充分利用图书馆资源和网络资源进行自主学习研究。使自己对高频电子线路这门课程有了一崭新的认识。这让我明白了阅读查找文献的重要性，平时多积累知识，真正到了用的时候，做题才会得心应手。

此次课程设计运用了二极管，电阻，电容，线圈等器件，使我进一步加深了对这些元件的理解和认识，以及它们的应用方法和注意事项，为以后分析这些元件的工作特性打好了基础。

此次课程设计我学会了不同的元件来组成电路实现相同的功能，从中比较分析而确定最优的设计组合。在课程设计过程中我练习用了Protel 软件绘制电路原理图，更加熟悉了该软件。并且提高了自己发现问题、分析问题、解决问题的能力。

当然在这一星期里，学会的最重要的一点就是和同学互相协助共同进步。在实习中常遇到一些自己不明白的问题，通过和同学的交流和向其他人请教来解决。另外，在和别人交流的同时我们可以获得不同的想法，不断地完善自己的设计。

通过一周的课程设计，自己掌握了丰富的科学文化知识，提高了自己的思考能力。

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参考文献

1: 李银华 电子线路设计指导 北京航天航空大学出版社 2005.6

2: 谢自美 电子线路设计·实验·测试 华中科技大学出版 社2003.10

3: 张肃文 高频电子线路 高等教育出版社 2004.11 4：罗伟雄 通信原理与电路 北京理工大学出版社 1999 5：阎石 数字电子技术基础 北京高等教育出版社 2001 6：张凤言 7：阳昌汉

电子电路基础 高等教育出版社

1995

高频电子线路学习与解题指导 哈尔滨工程大

学出版 2004

8：李新平 实用电子仿真技术 北京机械工业出版社 2003

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附录1 电路图

附图 变容二极管调频电路

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附录2 元件清单

名称 元件 C1 Cap 备注 Capacitor 名称 元件 L2 备注 Inductor Magnetic-Core Inductor C2 C3 C4 C5 Cb Cc Dc Cap Cap Cap Cap Cap Cap 2CC1C Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Variable Capacitance Diode T R1 R2 R3 Rb1 Rb2 Rc 3DG100 Res2 Res2 Res2 Res2 Res2 Res2 NPN Amplifier Resistor Resistor Resistor Resistor Resistor Resistor L1 Inductor Inductor Re Res2 Resistor

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