變容二極管調頻電路設計

調頻電路具有抗干擾性能強、聲音清晰等優點，獲得了快速的發展。主要應用于調頻廣播、廣播電視、通信及遙控。調頻電臺的頻帶通常大約是200～250kHz，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30～8000Hz的范圍內。在調頻時，可以將音頻信號的頻率范圍擴大至30～15000Hz，使音頻信號的頻譜分量更為豐富，聲音質量大為提高。

變容二極管調頻電路是一種常用的直接調頻電路，廣泛應用于移動通信和自動頻率微調系統。其優點是工作頻率高，固有損耗小且線路簡單，能獲得較大的頻偏，其缺點是中心頻率穩定度較低。較之中頻調制和倍頻方法，這種方法的電路簡單、性能良好、副波少、維修方便，是一種較先進的頻率調制方案。

本課題載波由LC電容反饋三端振蕩器組成主振回路，振蕩頻率有電路電感和電容決定，當受調制信號控制的變容二極管接入載波振蕩器的振蕩回路，則振蕩頻率受調制信號的控制，從而實現調頻。

1、方案選擇

變容二極管調頻方式有兩種：間接調頻和直接調頻。

（1）間接調頻

先將調制信號進行積分處理，然后用它控制載波的瞬時相位變化，從而實現間接控制載波的瞬時頻率變化的方法，稱為間接調頻法。

根據前述調頻與調相波之間的關系可知，調頻波可看成將調制信號積分后的調相波。 這樣，調相輸出的信號相對積分后的調制信號而言是調相波，但對原調制信號而言則為調頻波。這種實現調相的電路獨立于高頻載波振蕩器以外，所以這種調頻波突出的優點是載波中心頻率的穩定性可以做得較高，但可能得到的最大頻偏較小。

（2）直接調頻

用調制信號直接控制振蕩器的瞬時頻率變化的方法稱為直接調頻法。如果受控振蕩器是產生正弦波的 LC 振蕩器，則振蕩頻率主要取決于諧振回路的電感和電容。將受到調制信號控制的可變電抗與諧振回路連接，就可以使振蕩頻率按調制信號的規律變化，實現直接調頻。

可變電抗器件的種類很多，其中應用最廣的是變容二極管。作為電壓控制的可變電容元件，它有工作頻率高、損耗小和使用方便等優點。具有鐵氧體磁芯的電感線圈，可以作為電流控制的可變電感元件。此外，由場效應管或其它有源器件組成的電抗管電路，可以等效為可控電容或可控電感。

直接調頻法原理簡單，頻偏較大，但中心頻率不易穩定。在正弦振蕩器中，若使可控電抗器連接于晶體振蕩器中，可以提高頻率穩定度，但頻偏減小。

在滿足設計的各項參數的基礎上盡量簡化電路。因此本次課程設計采用變容二極管直接調頻設計電路。

2、變容二極管直接調頻原理

變容二極管調頻電路是有主振電路和調頻電路構成，如變容二極管調頻仿真圖，T

為振蕩管，3C、4C、5C、1L為主振回路，D2為變容二極管，Cc為耦合電容隔離直流，

6C為高頻濾波電容，7C為耦合電容，1C為旁路電容。6R、8R為變容二極管提供一個靜態反偏電壓，7R為隔離電阻，1R、2R、4R、5R給三極管提供一個合適靜態工作點。

設調制信號為?u（t）=mu?cos?t，加在二極管上的反向直流偏壓為QV，QV的取值應保證在未加調制信號時振蕩器的振蕩頻率等于要求的載波頻率，同時還應保證在調制信號?u（t）的變化范圍內保持變容二極管在反向電壓下工作。加在變容二極管上的控制電壓為

ru（t）=QV+mu?cos?t 式（2-1）

根據式（3-1）可得，相應的變容二極管結電容變化規律為

（1）當調制信號電壓?u（t）=0時，即為載波狀態。此時ru（t）=QV，對應的變容二極管結電容為jQC，其中

CQ為靜態工作點所對應的變容二極管節電壓。

當有調制時，諧振回路的總電容為：

由變容二極管部分接入振蕩器振蕩回路的等效電路。調頻特性取決于回路的總電容C?，而C?可以看成一個等效的變容二極管， C?隨調制電壓?u（t）的變化規律不僅決定于變容二極管的結電容Cj隨調制電壓?u（t）的變化，而且還與C1和C2的大小有關。因為變容二極管部分接人振蕩回路，其中心頻率穩定度比全部接入振蕩回路要高，但其最大頻偏要減小。

3、變容二極管直接調頻

3.1 變容二極管工作原理

變容二極管又稱可變電抗二極管“。是一種利用PN結電容（勢壘電容）與其反向偏置電壓Vr的依賴關系及原理制成的二極管。所用材料多為硅或砷化鎵單晶，并采用外延工藝技術。反偏電壓愈大，則結電容愈小。變容二極管具有與襯底材料電阻率有關的串聯電阻。主要參量是：零偏結電容、零偏壓優值、反向擊穿電壓、中心反向偏壓、標稱電容、電容變化范圍（以皮法為單位）以及截止頻率等，對于不同用途，應選用不同C和Vr特性的變容二極管，如有專用于諧振電路調諧的電調變容二極管、適用于參放的參放變容二極管以及用于固體功率源中倍頻、移相的功率階躍變容二極管等。

變容二極管是根據PN結的結電容隨反向電壓大小而變化的原理設計的一種二極管。它的極間結構、伏安特性與一般檢波二極管沒有多大差別。不同的是在加反向偏壓時，變容二管呈現較大的結電容。這個結電容的大小能靈敏地隨反向偏壓而變化。正是利用了變容二極管這一特性，將變容二極管接到振蕩器的振蕩回路中，作為可控電容元件，則回路的電容量會隨調制信號電壓而變化，從而改變振蕩頻率，達到調頻的目的。 已知，結電容Cj與反向電壓vR存在如下關系：

此外假定調制信號為單音頻簡諧信號。結電容在vR（t）的控制下隨時間發生變化。

把受到調制信號控制的變容二極管接入載波振蕩器的振蕩回路，則振蕩頻率亦受到調制信號的控制。適當選擇變容二極管的特性和工作狀態，可以使振蕩頻率的變化近似地與調制信號成線性關系。這樣就實現了調頻。

4、電路實現

4.1課程設計指標

（1）主振頻率：f0=12MHz

4.2元件參數選擇

（1）電源電壓：2.5V

（2）高頻三極管采用2N2222（硅NPN管，CI=600mA，P=625mW，ceV=30V，cbV=60V，ebV=5V）

（3）變容二極管采用FMMV2109：反向偏置電壓為4V，R6與R8為變容二極管提供靜態時的反向直流偏置電壓VQ，電阻R3稱為隔離電阻，常取R7》》R6，R7》》R8，以減小調制信號VQ對VQ的影響。已知VQ=4V，若取R8=10k?，隔離電阻R7=150k?，則R6=10K?。 （4）LC振蕩器：由公式f0=

LC

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?可知，假設L=10uH，則LC振蕩回路總電容C=18pF，

那么C4取10pF，C5取8pF。

4.3電路設計仿真圖

變容二極管直接調頻電路仿真圖如圖4.1

4.4電路仿真結果

（1）LC振蕩器輸出頻率測量值f0=12MHz。仿真結果如圖4.2

（2）輸出波形如圖4.3。

4.5 PCB如圖4.4所示