《高频电子电路》PPT课件.ppt

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1、LOGOVCO的特点：的特点：瞬时频率随外加控制信号的变化而变化瞬时频率随外加控制信号的变化而变化。VCO式中：式中：U为振荡信号的振幅，为振荡信号的振幅，:当当 时的振荡频率，时的振荡频率，k f为为:VCO控制灵敏度。控制灵敏度。6.8.2 压控振荡器直接调频电路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或回路电或回路电感感L，并使振荡频率，并使振荡频率正比于所加调制信号电压，即可实现调频。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（在直接调频法中常采用压控振荡器（VoltageControl

2、Oscillator）作为频率调制器来产生调频信号。）作为频率调制器来产生调频信号。VCO中最常用的压控元件：中最常用的压控元件：变容二极管变容二极管 由晶体管和场效应管组成的电抗电路。由晶体管和场效应管组成的电抗电路。压控振荡器直接调频压控振荡器直接调频：优点：可获得较大频偏：优点：可获得较大频偏.缺点：中心频率稳定性缺点：中心频率稳定性差，常采用自动频率微调（差，常采用自动频率微调（automaticfrequencycontrol，AFC）电路来克服载频偏移。电路来克服载频偏移。仿真仿真通常有：通常有：，压控振荡器的输出信号即为调频信号。压控振荡器的输出信号即为调频信号。LOGO1.变容

3、二极管变容二极管扩散电容扩散电容(diffusioncapacitance)正向偏置正向偏置，电容效应比较小。，电容效应比较小。势垒电容势垒电容(barriercapacitance)反向偏置反向偏置，势垒区呈现的电容效应。，势垒区呈现的电容效应。所以所以为利用为利用PN结的电容，结的电容，PN结应工作在反向偏置状态结应工作在反向偏置状态.6.8.3 变容二极管直接调频变容二极管直接调频电路电路（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

4、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。化而呈现较大变化的压控变容元件。结电容结电容Cj与反偏电压与反偏电压uR的关系：的关系：式中式中Co：时的电容值（零偏置电容）时的电容值（零偏置电容）反向偏置电压，反向偏置电压，UD：PN结势垒电位差。结势垒电位差。：结电容变化指数，通常：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，经特殊工艺制成的超突变结电容=15可可以以看看出出C j与与uR之之间间是是非非线线性性关关系系，即

5、即变变容容二二极极管管属属于于非非线线性性电电容容，这这种种非非线线性性电电容容基基本本上上不不消消耗耗能能量量，产产生生的的噪噪声量级也较小，是较理想的高效率，低噪声非线性电容。声量级也较小，是较理想的高效率，低噪声非线性电容。PN结具有电容效应结具有电容效应LOGO设在变容二极管上加一个静态工作电压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和一个单频调制信号，则结反偏电压：，则结反偏电压：而结电容：而结电容：其中：其中：为静态工作点的结电容。为静态工作点的结电容。表示结电容调制深度的调制指数。表示结电容调制深度的调制指数。CjuRUQuRtC jtCjQLOGO为为了了突突出

6、出调调频频性性能能的的分分析析，下下图图只只画画出出了了它它的的高高频频交交流流等等效效电路，没有画出直流馈电电路，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变容二极管直接调频的原理电路 图中；图中；C3为高频偶合电容，为高频偶合电容，C4为耦合隔直电容，为耦合隔直电容，LD为高频扼流为高频扼流圈，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，电路，Cj与振荡器回路并联，与振荡器回路并联，R1，R2为为Cj的偏置电路，为的偏置电路，为Cj提供静提供静态直流偏压态直流偏压，而二极管的反偏电压为：，而二极管的

7、反偏电压为：+uR-LCjC1C2VTLCjC1C2VTLDC3C4ECR2+u-R1+Uo-LOGO则则由上电路可知，振荡频率为：由上电路可知，振荡频率为：;而而 为了简化电路分析，如果设为了简化电路分析，如果设：，则有则有 所以：有所以：有 其中：其中：为未加调制信号为未加调制信号（）时的振荡频率时的振荡频率，3 调频性能分析调频性能分析即为调频振荡器的中心频率。即为调频振荡器的中心频率。讨论：讨论：1设设=2即满足线性调频即满足线性调频。2当当则则 LC1C2CjVT+uR-LOGO（利用级数展开忽略高次项，（利用级数展开忽略高次项，是由是由CjVd的非线性而引起的。虽然的非线性而引起的

8、。虽然（2）：与调频频率有关的最大频偏，虽然与调频频率有关的最大频偏，虽然（3）：由于由于CjuR的非线性作用，使频偏中增加的非线性作用，使频偏中增加了了的谐波分量（的谐波分量（2）而引起的附加频偏，会造成调频接收时的非线性）而引起的附加频偏，会造成调频接收时的非线性失真，应尽量减少这种失真。失真，应尽量减少这种失真。其中：（其中：（1）：为中心频率的偏移量为中心频率的偏移量另外，定义调频灵敏度另外，定义调频灵敏度：LOGO4.实用变容管二极调频电路实用变容管二极调频电路（1）L1，C1、C2串联，串联，C3和反向串联的两个变容二极和反向串联的两个变容二极管，三个支路并联组成电容管，三个支路并

9、联组成电容反馈三点式振荡电路。反馈三点式振荡电路。(2)直直流流偏偏置置电电压压-UQ同同时时加加在在两两个个变变容容二二极极管管的的正正极极，调调制制信信号号经经L4扼扼流流圈圈加加在在二二极极管管负负极极上上，二二个个二二极极管管的的动动态偏置为态偏置为：（3）两个变容二极管串联后的总电容）两个变容二极管串联后的总电容 C j与与C3串联后接入振荡回路，对振荡回路来说是部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，在分接入，与单二极管直接接入比较，在相同的相同的情况下，情况下，m值降低。值降低。（4）两变容二极管反向串联，对高频信号而言，加到）两变容二极管反向串联

10、，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。称性相互抵消，从而消弱寄生调制。仿真仿真C1C2L1C3Cj1Cj2C1C3Cj1Cj2uR1R2LeReC2L1CbC4C5C6C7L2L3+-VT-UQECL4udLOGO在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏

11、较小的场合，可以采用直接对晶体振荡器调频的方法。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晶体振荡器直接调频电路电路 1晶体振荡器直接调频原理晶体振荡器直接调频原理右图为并联型右图为并联型PierceOscillator，其振荡频率为：其振荡频率为：式中：式中：Cg为晶体的动态电容，为晶体的动态电容，C o：晶体的静态电容，：晶体的静态电容，f q：晶体的串联谐振频率：晶体的串联谐振频率。在在电电路路中中，当当Cj变变化化时时，CL变变化化，从从而而使使晶晶体体振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率也也发发生生变变化，如果压控元件化，如果压控元件Cj受调制电压受调制电压 控控制制，

12、则则PierceOscillator就就成成为为一个一个晶体调频振荡器。晶体调频振荡器。注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，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故只能工作于晶体的串联谐振频率频率f q与并联谐振频率与并联谐振频率fp之间之间，而，而f q与与f p之间的频率变化范围只有之间的频率变化范围只有量级，再加上量级，再加上Cj的串联，晶体的的串联，晶体的可调振荡频率更窄可调振荡频率更窄。C2ClCjJT例例如如载载频频为为40MHZ的的晶晶体体调调频频振振荡荡器器，能能获获得得最最大大频频偏偏只只有有，所所以以采采用用晶晶体体调调频频振振荡荡器器虽虽然然可

13、可以以获获得得较较高高的的频频率率稳稳定定度度，但但缺缺点点是是最最大大频频偏偏很很小小，实实际中需要采用扩大频偏的措施。际中需要采用扩大频偏的措施。扩大频偏的方法有两种：扩大频偏的方法有两种：晶体支路中串接小电感；晶体支路中串接小电感；利用利用型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感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。性的工作频率范围。LOGO2晶体调频振荡器的实际电路晶体调频振荡器的实际电路 仿真仿真C1C2CjLJT采采用用串串接接小小电电感感L的的方方法法来来扩扩大大调调频频的的频频偏偏，变变容容二二极极管管的的反反向向偏偏压压由由EC经经稳稳压压管管VDZ稳稳压压后后经经R

14、Z2=2.4k和和W1=47k电电位位器器分分压压后后，经经R=10K电电阻阻加加至至变变容容管管正正极极。改改变变47K电电位位器器W1的的活活动动端端可可以以调调整整变变容容管管的的Uo从从而而改改变变Cj，把把调调频频器器的的中中心心频频率率调调至至规规定定值值。调调制制信信号号经经电电位位器器W2加加于于变变容容管管VD，改改变变4.7K电电位位器器W2的的活活动动头头，可可以以调调整整加加在在变变容容二二极极管管上上的的调调制制信信号号电电压压幅幅值值，从从而而获获得得要要求求的的频频偏。偏。-Uo+C5u(t)W1W2VDJTCLRb1Rb2C1C2ReC3ECRz2Rz1VDzR

15、C4+-LOGO1.间接调频法间接调频法高稳定度高稳定度载载 波波 振振 荡荡器器 相位相位调制器调制器积分积分 电路电路多级倍频多级倍频和混频器和混频器宽带宽带 窄带窄带6.9 间接调频间接调频电路电路 但但最最大大频频偏偏小小的的缺缺点点可可以以通通过过多多级级倍倍频频器器后后获获得得符符合合要要求求的的调调频频频频偏偏，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。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

16、高的调频信号。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。在在间间接接调调频频时时，要要获获得得线线性性调调频频必必需需以以线线性性调调相相为为基基础础。但但在在实实现现线线性性调相时，要求最大瞬时相位偏移调相时，要求最大瞬时相位偏移，因而线性调相的范围很窄，因而线性调相的范围很窄，因此转换成的调频波的最大频偏因此转换成的调频波的最大频偏 很小，即：很小，即：m f1，这是间接调频，这是间接调频法的主要缺点法的主要缺点.间接调频法就是利用调相方法来实现调频。间接调频法就是利用调相方法来实现调频。LOGOR1R2R3R4C1C2C3C4CjL载波输入载波输入间接调频的关键电路是间接调频

17、的关键电路是调相器调相器.高稳定度高稳定度 振荡器振荡器 调相器调相器 积分器积分器2.变容二极管调相电路变容二极管调相电路 如如果果忽忽略略二二次次方方以以上上各各项项，可可得得回回路的谐振频率为路的谐振频率为：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。管调相电路。CjLUQ=9V载波输入载波输入调相波调相波 输出输出回路的频率偏移为：回路的频率偏移为：在在高高Q值值及及谐谐振振回回路路失失谐谐不不大大的的情情况况下下，并并联联LC谐谐振回路电压和电流间的相位关系为：振回路电压和电流间的相位关系为：调相波调相波

18、 输出输出载波输入载波输入LOGO当当/6（或（或30o）时，）时，tan 可得可得:表明表明:单级单级LC谐振回路在满足谐振回路在满足/6（30o）的条件下，回路输出电压的相移是与输入调）的条件下，回路输出电压的相移是与输入调制电压制电压u(t)成线性关系的。成线性关系的。如如果果将将调调制制电电压压u(t)先先积积分分后后再再加加在在变变容容二二极极管管上上，则则单单级级LC谐谐振振回回路路输输出出电电压压的的瞬瞬时时频频率率(t)就就与与输输入入调调制制电电压压u(t)成成线线性性关关系系，即可实现对调制电压即可实现对调制电压u(t)的间接调频。的间接调频。Oo幅频特性幅频特性/6-/6

19、LOGO3.实用变容二极管调相电路实用变容二极管调相电路 由由晶晶体体管管组组成成单单LC回回路路调调谐谐放放大大电电路路，电电感感L、电电容容C1、C2与与变变容管容管Cj组成并联谐振回路；组成并联谐振回路；载波输入载波输入uFM(t)C3、C4、C5为耦合电容；为耦合电容；LZ为高频扼流圈，以防高频载波被调制为高频扼流圈，以防高频载波被调制信号源旁路信号源旁路;R5、R6对电源对电源EC分压后为变容二极管提供静态偏置电压分压后为变容二极管提供静态偏置电压UQ。放大的载波信号经放大的载波信号经C3耦合输入，调制信号经耦合输入，调制信号经C5耦合输入，调相信耦合输入，调相信号经号经C4耦合输出

20、。如果将调制电压耦合输出。如果将调制电压u(t)先积分后再输入，那么从先积分后再输入，那么从C4耦合输出的信号就是对调制电压耦合输出的信号就是对调制电压u(t)的间接调频波。的间接调频波。R5R1R3R4R3CbC1CjC3C2C4C5LLZECR6Ce+UQ-LOGO6.10 调频波的解调原理及电路调频波的解调原理及电路 6.10.2振幅鉴频器（斜率鉴频器振幅鉴频器（斜率鉴频器slopediscriminator）6.10.3相位鉴频器相位鉴频器6.10.4比例鉴频器比例鉴频器6.10.5移相乘积鉴频器移相乘积鉴频器6.10.1鉴频方法及其实现模型鉴频方法及其实现模型LOGO调频信号的解调是

21、从调频波调频信号的解调是从调频波中中恢恢复复出出原原调制信号调制信号过程，完成调频波解调过程的电路称为频率检波器过程，完成调频波解调过程的电路称为频率检波器第第一一种种方方法法，将将调调频频波波通通过过频频率率幅幅度度线线性性变变换换网网络络，将将调调频频波波变变换换成成调调频频调调幅幅波波，再再通通过过包包络络检检波波器器检检测测出出反反映映幅幅度度变变化化的的解解调调电电压压。把这种鉴频器称为把这种鉴频器称为斜率鉴频器，或称振幅鉴频器斜率鉴频器，或称振幅鉴频器。将将调调频频波波进进行行特特定定的的波波形形变变换换，根根据据波波形形变变换换特特点点的的不不同同，可可归归纳以下几种实现方法：纳

22、以下几种实现方法：6.10 调频波的解调原理及电路调频波的解调原理及电路 6.10.1 鉴频方法及其实现模型鉴频方法及其实现模型 1.1.鉴频方法鉴频方法 频率频率幅度线幅度线性变换网络性变换网络包络检波器包络检波器utuFMtuFM-AMtLOGO第第二二种种方方法法，将将调调频频波波通通过过频频率率相相位位线线性性变变换换网网络络，变变换换成成调调频频调调相相波波，再再通通过过鉴鉴相相器器检检测测出出反反映映相相位位变变化化的的解解调调电电压压。把把这这种种鉴鉴频频器称为器称为相位鉴频器相位鉴频器。第第三三种种方方法法，是是随随着着近近年年来来集集成成电电路路的的广广泛泛应应用用，在在集集

23、成成电电路路调调频频机机中中较较多多采采用用的的移移相相乘乘积积鉴鉴频频器器。它它是是将将输输入入FM信信号号经经移移相相网网络络后后生生成成与与FM信信号号电电压压正正交交的的参参考考信信号号电电压压，它它与与输输入入的的FM信信号号电电压压同同时时加加入入相相乘乘器器，相相乘乘器器输输出出再再经经低低通通滤滤波波器器滤滤波波后后，便便可可还还原原出出原调制信号。原调制信号。1.鉴频方法鉴频方法 频率频率相位线相位线 性变换网络性变换网络 相位检波器相位检波器uFMuFM-PMu 相乘器相乘器 低通滤波器低通滤波器uFMu 90o移相网络移相网络LOGO第四种方法，第四种方法，先将调频波通过

24、非线性变换网络，变换为调频脉冲序先将调频波通过非线性变换网络，变换为调频脉冲序列列，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，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。也可将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。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。将这种鉴频器称为电压。将这种鉴频器称为脉冲计数式鉴频器。脉冲计数式鉴频器。非线性变换网络非线性变换网络低通滤波器或低通滤波器或脉冲计数器脉冲计数器uFM调频脉调频脉冲序列

25、冲序列uLOGO（1）定义：鉴频跨导）定义：鉴频跨导表明了鉴频特性曲线在原点（表明了鉴频特性曲线在原点（）处处的的斜斜率率，反反映映了了鉴鉴频频灵灵敏敏度度。显然希望显然希望SD值应尽可能的大值应尽可能的大。2.鉴频器的主要特性鉴频器的主要特性 能全面描述鉴频器主要特性的是能全面描述鉴频器主要特性的是鉴频特性曲线鉴频特性曲线。它是指鉴频器的输出。它是指鉴频器的输出电压电压uo(t)，与其输入，与其输入FM信号瞬时频偏信号瞬时频偏(t)或或f(t)之间的关系曲线之间的关系曲线 fofuo(t)Bm 鉴频器鉴频器f(t)uo(t)或：或：由调频信号的特征：由调频信号的特征：所以：所以：表明：表明：

26、要实现无失真鉴频，要求鉴频器的输出电压要实现无失真鉴频，要求鉴频器的输出电压与频偏与频偏成线性关系，上图为典型鉴频特性曲线。成线性关系，上图为典型鉴频特性曲线。对鉴频特性曲线的主要要求：对鉴频特性曲线的主要要求：LOGO（2）鉴频器的峰值频带宽度）鉴频器的峰值频带宽度B max ，要求要求B max 应大于输入应大于输入FM波最大频偏波最大频偏摆动范围摆动范围。Bm2fmLOGOFM波波(频幅变换频幅变换)FMAMFMAM(包络检波包络检波)恢复原调制信号恢复原调制信号6.10.2 振幅鉴频器振幅鉴频器（斜率鉴频器（斜率鉴频器slope discriminator）1失谐（失谐（detvnin

27、g）回路振幅鉴频器）回路振幅鉴频器振幅鉴频器的基本原理：振幅鉴频器的基本原理：频频-幅幅 变换器变换器包络检波器包络检波器返回LOGO最简单的频最简单的频幅变换电路就是幅变换电路就是并联谐振回路并联谐振回路，其工作特点：，其工作特点：例例1：失调单回路振幅鉴频器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信号工作在并联谐振回路的失谐区，即（，即（），当当FM波波电电流流流流过过回回路路时时，由由于于瞬瞬时时频频率率随随调调制制信信号号而而变变化化，对对于于不不同同的的瞬瞬时时频频偏偏，失谐回路阻抗不同，回路输出电压失谐回路阻抗不同，回路输出电压振幅将随瞬时频偏振幅将随瞬时频偏的变化而

28、变化，即可完成的变化而变化，即可完成变换。变换。f o fp利利用用失失调调回回路路中中幅幅频频特特性性曲曲线线的的倾倾斜斜部部分分来来实实现现鉴鉴频频，解解调调后后失失真真较较大大，是是一一种种原原始始类类型型的的鉴鉴频频器器，现现在在已已很很少少采采用用，但但它它对对理理解解振振幅幅鉴鉴频频器器对对FM波波的解调有很直观的意义。的解调有很直观的意义。仿真仿真 fpius(fo)返回LOGO是是在在集集成成电电路路中中常常用用的的振振幅幅鉴鉴频频器器，如如下下图图电电路路就就是是电电视视接接收收机机中中伴音信号处理的集成电路伴音信号处理的集成电路TA7176A中的差分峰值鉴频器。中的差分峰值

29、鉴频器。1电路结构电路结构 二二 差分峰值振幅鉴频器差分峰值振幅鉴频器T1，T2为射随器；为射随器；T3，T4为峰值检波器；为峰值检波器；T5，T6为差分对放大器；为差分对放大器；9，10管脚外接频管脚外接频幅移相幅移相变换网络：变换网络：C1，C2，L12电路分析：电路分析：设设：L1C1并并联联电电路路的的谐谐振振频率为：频率为：L1,C1和和C2组成的并、串谐组成的并、串谐振回路的谐振频率为：振回路的谐振频率为：虽然有：虽然有：1当当时，并串回路呈现串联谐振，由于串联谐振阻抗最小，故时，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，故最小，而电流最大，故u2最大。最

30、大。u1u2ue3ue4uo仿真仿真继续返回LOGO故故V1最大，而最大，而C2的容抗的容抗最小最小2当当时，并联回路谐振，时，并联回路谐振，（），故），故u2最小。最小。移移相相网网络络作作用用：将将输输入入FM信信号号ui转转换换成成两两个个幅幅频频特特性性相反的相反的FMAM信号信号u1和和u2。u1和和u2经经T1和和T2的射随器输的射随器输出后加到出后加到T3，T4两个峰值型两个峰值型包络检波器包络检波器的输入端，而输的输入端，而输出的峰值检波电压为：出的峰值检波电压为：分别加到差分对分别加到差分对T5，T6的输的输入端，经放大后由入端，经放大后由T6集电极单端输出集电极单端输出f o2f o1f o