高电平调幅电路应用与研究.pdf

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1、 摘 要 高电平调制是将功放和调制合二为一，调制后的信号可以直接发送出去。优点是调制效率高，线性范围大，失真小。这种调制是在高频功率放大器中进行的，通常分为基极调幅和集电极调幅.两种集电极调幅是利用低频调制电压去控制晶体管的集电极电压，通过集电极电压的变化，使集电极高频电流的基波分量随调制电压的规律变化，从而实现调幅。实际上，它是一个集电极电源受调制信号控制的谐振功率放大器，属高电平调幅。关键词 高电平；调制；谐振功率；基极调幅；集电极调幅 目 录 第 1 章 绪 论.3 1.1 研究现状.3 1.2 研究内容.3 第 2 章 高电平调幅电路的原理分析.3 2.1 丙类功率放大器的电路组成及工

2、作原理.3 2.1.1 电路组成.3 2.2 基极调幅原理.8 2.3 集电极调幅原理.10 第 3 章 电路设计与仿真.12 3.1Multisim 仿真软件的介绍.12 3.2 基极调幅电路的设计与仿真.13 3.2.1 基极调幅电路的设计.13 3.2.2 基极调幅电路的仿真与分析.13 3.3 集电极调幅电路的设计与仿真.15 3.3.1 集电极调幅电路的设计.15 3.3.2 集电极调幅电路的仿真与分析.16 结 论.18 参考文献.19 第 1 章 绪 论 1.1 研究现状 集电极调制电路工作在过压状态，用调制信号来改变高频功率放大器的集电极直流电源电压，实现调幅。它具有调制线性好

3、，集电极效率高，效率不变等优点；但是调制信号功率大。基极调制电路工作在欠压状态，用调制信号来改变高频功率放大器的基极偏压，以实现调幅。它的缺点调制过程中效率有变化，平均集电极的效率不是很高；但它的优点在于调制功率很小。1.2 研究内容 在高频电路中，高电平调制是将功放和调制合二为一的，调制后的信号可以直接发送出去。现在，许多广播发射机都采用这种调制方法，这种调制主要用于形成 AM 信号，优点是调制效率高，线性范围大，失真小。这种调制是在高频功率放大器中进行的，它通常分为基极调幅和集电极调幅.两种集电极调幅是利用低频调制电压去控制晶体管的集电极电压，通过集电极电压的变化，使集电极高频电流的基波分

4、量随调制电压的规律变化，从而实现调幅。实际上，它是一个集电极电源受调制信号控制的谐振功率放大器，属高电平调幅。调幅管处于丙类工作状态。基极调幅必须工作在欠压状态下；载波和边频的功率都由直流电源 Vcc提供；调制过程中效率是变化的；基极的电路电流小，消耗功率小，故所需调制信号功率很小。两种调幅都通过仿真软件 Multisin 来设计电路和完成仿真，并且通过仿真波形观察它们的工作状态。第 2 章 高电平调幅电路的原理分析 2.1 丙类功率放大器的电路组成及工作原理 2.1.1 电路组成 丙类谐振功率放大器的原理电路如图 2.1 所示。图中BBV，CCV为基极和集电极的直流电源电压。为使晶体管工作在

5、丙类状态，BBV应设在晶体管的截止区。当没有输入信号iu时，晶体管处于截止状态，0ci。LR为外接负载电阻（实际情况下，外接负载一般为阻抗性的），L，C 为滤波匹配网络，它们与LR构成并联谐振回路，调谐在输入信号频率上，作为晶体管集电极的负载。由于LR比较大，所以，谐振功率放大器中谐振回路的品质因数比小信号谐振放大器中谐振回路的要晓得多，但这并不影响协整回路对谐振波成分的抑制作用 1。+-ucLRL+-VCC+-uCEVBB+-+-uiiBiC+-uBEC 图 2.1 丙类谐振功率放大器原理图 2.1.2 工作原理 谐振式高频功率放大器的特点是：为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶体管发射

6、结为反向偏置，由Eb（VBB）来保证，流过晶体管的电流为余弦脉冲波形；负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。2 丙类功放的基极偏置电压BBV是利用发射极电流的直流分量0BI在射级电阻R 上产生的压降来提供，故称为自给偏压降电路。在电路中:当电路接好并将各电极电压加上时，则在板极电路中就会出现受到栅极电压控制的板流脉冲。ia是周期性函数，由数学知识可知，它可用傅氏级数来表示。可见，板极电流等于直流分量Ia0、一次谐波(基波)、二次谐波和其他高次谐波之和。当放大器的输入信号iv为正弦波时，集电极的输出电流ci为余弦脉冲波，但只有在欠压或是

7、临界状态下才是尖顶余弦脉冲，如图2.2所示:图2.2 尖顶余弦脉冲波形 若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数即：tItIIicmcmCc2coscos210 （2-1）其中各系数应满足：)(0maxcCCOQaiI)(1max1CCcmQaiI)(maxCnccmnQaiI （2-2）其中0a、1a等系数满足的波形如图 2.3所示：图 2.3 a 系数的波形图 由图，兼顾功率与效率，一般高频功率放大器导通角选在 70左右。此时的效果最佳。可以达到 80%左右。激励电压 ugUgcost 是随时间而变化的。当 Eg、Ea、Roe 保持不变时，激励电压振幅 Ug 的变化对工作状态将产生影响：当 Ug0 时

8、，丙类高频功率放大器将处于截止状态。当 Ug 由零开始增加，且 egEg 十 UgEg时，板 ia 开始导通，在eg0 时，栅流为零，显然此时为欠压状态。Ug 继续增加，且 egEg 十 Ug0 时，栅流ig 开始出现，并随 Ug 增加而增大。所以工作状态便由欠压进入临界进而转入过压状态。由此可见，改变 Ug 大小，就可以改变工作状态3。功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流电源所供给的直流功率P0，实质一部分转换为交流信号功率 P1输出去，一部分功率以热能的形式损耗在集电极上，成为集电极耗散功率 Pc。根据能量守恒定律：P0=P1+Pc （2-3）直流功

9、率：P0=Ic0Ucc （2-4）直流功率 P1=21UCIc1=LCRU22=21LDRI2 （2-5）Uc回路两端基频电压 Ic1基频电流 RL回路的负载阻抗 1.欠压状态 在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出电压 UC随负载电阻 RL的增大而增大，而电流 iCmax、IC1、IC0基本不变,根据则电源功率 P0不变、输出功率 P1将增加，管耗将减少。2.临界状态 负载线和 Ub相交于临界线的拐点。放大器工作在临界状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。3.过压状态 放大器的负载较大，在过压区，随着负载 RL的加大，、IC1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。假定C

10、CV,imU和eR不变，改变BBV，放大器工作状态的变化如图 2.2（a)所示。由于imBBBEUVmaxu，所以imU不变，增大BBV与BBV不变，增大imU的情况是类似的，因此，BBV由负到正增大时，集电极电流ci脉冲宽度和高度增大，并出现凹陷，放大器由欠压状态过渡到过压状态。coI，clmI和相应的cmU随BBV变化的曲线与谐振特性类似，如图 2.2（b)所示。利用这一特性可实现基极调幅作用，所以，把图 2.2(b)所示特性曲线称为基极调幅特性4。(a)iC脉冲形状变化 （b）基极调制特性 图 2.4 BBV对放大器工作状态的影响 若BBV,imU，eR不变，只改变集电极直流电源电压CC

11、V谐振功率放大器的工作状态将会跟随变化。当CCV由小增大时，放大器的工作状态由过压状态向欠压状态变化，ci脉冲由凹顶状向尖顶余弦脉冲变化，如图 2.3（a）所示。由图 2.3（a）可见，在欠压状态ci脉冲高度变化不大，所以clmI，coI随CCV的减小而下降，凹陷加深，因而clmI，coI随CCV的减小而较快的下降，并在0CCV时，coI，clmI都等于零，coI，clmI随CCV变化曲线如图 2.3（b）所示3。(a)iC脉冲形状变化 （b）集电极调制特性 图 2.5 CCV对放大器的工作状态的影响 因为eclmRIUcm，所以cmU与clmI变化规律相同，如图 2.3（b）所示。利用这一特

12、性可实现集电极调幅作用，所以把cmU随CCV变化的曲线称为集电极调制特性。2.2 基极调幅原理 基极调幅的基本电路如图 2.4,低频调制信号与直流偏压BBV串联，因此,放大器的有效 偏 压 等 于 上 述 两 个 电 压 之 和，它 随 调 制 信 号 波 形 而 变 化。tVVCbmbcos为高频载波电压,tVUmcos为调制信号电压，UVtVbbbb)(作为等效基极偏置电压6。图 2.6 基极调幅电路 对于丙类高频功率放大器，当集电极直流电压ccV，激励高频信号电压beV和集电极有效回路pR不变，只改变基极偏压时，集电极电流脉冲在过压区可以认为是不变的。但在欠压区集电极电流脉冲幅度将随基极

13、偏压成正比变化。因此集电极调幅必须工作在欠压区，集电极回路输出高频电压，振幅将随调制信号的波形而变化，于是得到调幅波输出。基极调幅电路的特点是：（1）必须工作在欠压状态下；（2）载波和边频的功率都由直流电源 Vcc提供；（3）调制过程中效率是变化的；（4）基极电路电流小，消耗功率小，故所需调制信号功率很小7。由于基极电路电流小，消耗功率小，故所需调制信号功率很小，调制信号的放大电路比较简单，这是基极调幅的优点。但因其工作在欠压状态，集电极效率低是其一大缺点。一般只用于功率不大，对失真要求较低的发射机中。它的主要优点是所需调制功率串很小，对整机的小型化有利8。从中得出结论：基极调幅电路可看作是基

14、极偏置电压受调制信号控制，并用载波作为激励信号的丙类功率放大器。基极调幅电路的电压波形如图2.5所示。图2.7 基极调幅电路的工作波形图 由于基极电路电流小，消耗功率小，故所需调制信号功率很小，调制信号的放大电路比较简单，这是基极调幅的优点。但因其工作在欠压状态，集电极效率低是其一大缺点。一般只用于功率不大，对失真要求较低的发射机中。它的主要优点是所需调制功率串很小，对整机的小型化有利。从波形图中可以看出基极调幅电路的电压随时间的变化而显示的包络变化状况。2.3 集电极调幅原理 所谓的集电极调幅，就是用调幅信号来改变高频功率放大器的集电极直流电源电压，以实现调幅。集电极调幅的特点：（1）因过压

15、工作，高(与 m 无关)用于大功率调幅发射机。（2）要求 v提供较大的驱动功率。（3）m 较大时，调幅波非线性失真。集电极调幅是利用低频调制电压去控制晶体管的集电极电压，通过集电极电压的变化，使集电极高频电流的基波分量随调制电压的规律变化，从而实现调幅。实际上，它是一个集电极电源受调制信号控制的谐振功率放大器，属高电平调幅。调幅管处于丙类工作状态。集电极调幅的基本原理电路如图 2.6 所示。图 2.8 集电极调幅的原理图 图中，设基极激励信号电压（即载波电压）为：tVV000cos，则加在基射极间的瞬时电压为tVVVBEB00cos调制信号电压 加在集电极电路中，与集电极直流电压VCC串联，因

16、此，集电极有效电源电压为tmVtVVVVaCCCCCCCcos1cos0 式中，VCC 为集电极固定电源电压；CCaVVm为调幅指数。由式可见，集电极的有效电源电压 VC 随调制信号压变化而变化 9。图2.9 集电极调幅电路的工作波形图 集电极调幅电路与丙类谐振功率放大电路的区别就在于：其集电极有效电压不是恒定的，而是随调制信号变化的。为了实现不失真的调制，功放必须工作在过压区，使之成为集电极电源受调制信号控制的丙类谐振功放，其集电极输出电压幅值随集电极有效电压)(tVCC线性变化10。集电极调幅电路的工作波形如上图 2.7所示。第3章 电路设计与仿真 3.1Multisim 仿真软件的介绍

17、Multisim10.0是美国NI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。有了 Multisim 软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真、分析工作。其主要用途如下：1.通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路。2.通过交互式 SPICE 仿真,迅速了解电路行为。3.借助高级电路分析,理解基本设计特征。4.通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试。5.通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间。NI Multisim 软件结合了

18、直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借 NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准 SPICE 模拟器模仿电路行为。借助专业的高级 SPICE 分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与 NI LabVIEW 和SignalExpress 软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量11。Multisim10 是一款知名的 EDA 仿真软件，由加拿大 IIT、公司于 2007 年推出最新版本。在 Windows 环境下，Multisim10 软件有

19、一个完整的集成化设计环境，它将原理图的创建、电路的测试分析、结的图表显示等全部集成到同一个电路窗口中。在搭建实际电路之前，采用 Multisim10.0 仿真软件进行虚拟测试，可使实验方法和实验手段现代化，扩展实验容量，使实验内容更完备，提高了实验效率，节省大量的实验资源。Multisim10.0 软件进行设计仿真分析的基本步骤为：设计创建仿真电路原理图电路图选项的设置使用仿真仪器设定仿真分析方法启动Multisim10.0仿真。因此本次课设能深入了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，将理论联系实际，而且在实际操作中培养自己的实际动手能力，将理论应用与实际生活中12。3.2 基极调幅电

20、路的设计与仿真 3.2.1 基极调幅电路的设计 基极调幅电路如图 3.1 所示。1Q管是功放管，4V为集电极供电电源，3V是基极偏置电压保证功放管工作于开、关状态，2V是载波信号，1V是调制信号，XSC1 是示波器。当载波信号为 f=1MHz,pk2V=0.7V 的正弦信号，调制信号 f=10kHz，pk1V=10mV 的正弦信号，通过示波器观察到调制信号和输出调幅信号的波形如图 3.2 所示，可以看出调幅信号的包络与调制信号同相位。改变调制信号的幅度，调幅信号的调幅度发生变化。调幅度随着调制信号、幅度的增加而增加，且调幅度随调制信号幅度变化比较灵敏。当时pk1V=50mV，基极调幅电路出现过

21、调失真，如图 3.3 所示。基极调幅的主要优点是所需要的调制信号功率较小，但是集电极效率较低13。图 3.1 基极调幅电路 3.2.2 基极调幅电路的仿真与分析 图 3.2 基极调幅波形 图 3.3 过调幅波形 基极调幅，就是用调制信号电压来改变高频功率放大器的基极偏压，以实现调幅。晶体管是一种非线性器件，只要让其工作在非线性（甲乙类，乙类或丙类）状态下，即可用它构成调幅电路。一般总是把高频载波信号和调制信号分别加在谐振功率放大器的晶体管的某个电极上，利用晶体管的发射结进行频率变换，并通过选频放大，从而达到调幅的目的。它的基本电路如下图1-1，由图可知，低频调制信号电压tCOSU与直流偏压bb

22、V相串联。放大器的有效偏压等于这两个电压之和，它随调制信号波形而变化。由于在欠压状态下，集电极电流的基波分量 Icm1随基极电压成正比。因此,集电极的回路输出高频电压振幅将随调制信号的波形而变化，于是得到调幅波输出。调幅过程是非线性变换的过程，将产生多种频率分量，所以调幅电路应 LC 带滤波器，用来滤除不需要的频率分量。为了获得有效的调幅，基极调幅电路必须总是工作于欠压状态14。3.3 集电极调幅电路的设计与仿真 3.3.1 集电极调幅电路的设计 集电极调幅是利用低频调制电压去控制晶体管的集电极电压，通过集电极电压的变化，使集电极高频电流的基波分量随调制电压的规律变化，从而实现调幅。实际上，它

23、是一个集电极电源受调制信号控制的谐振功率放大器，属高电平调幅。调幅管处于丙类工作状态。集电极调幅的基本原理电路如图 2.5 所示，当动态特性曲线进入过压区后，VCC等于VCC3、VCC4等，集电极电流脉冲的振幅下降，出现凹陷，甚至可能使脉冲分裂为两半。在这种情况下，分解出的 Icm1随集电极电压 VCC的变化而变化，集电极回路两端的高频电压也随VCC而变化。输出高频电压的振幅 Vc=Icm1Rp，Rp不变，Icm1随 Vc而变化，而 VCC是受控制的，回路两端输出的高频电压也随变化，因而实现了集电极调幅。集电极调幅电路与基极调幅电路的不同是调制信号1V从集电极输入，如图 3.4 所示。从示波器

24、上观察到的调幅波形如图 3.5 所示。从图 3.5 可以看出，调幅信号包络与调制信号相位相反，改变调制信号幅度，调幅信号调幅度也随之变化，但是调制灵敏度远小于基极调幅时的调制灵敏度。当调制信号幅度pk1V7V 时出现过调失真。在高电平调幅中，我们主要对集电极调幅电路进行了简述和分析，对直流电源 VCC输出功率、载波输出功率、集电极损耗以及功率放大器的集电极效率进行讨论。在调制过程中效率不变，这样可保证集电极调幅电路始终处于高效率工作。但是集电极调幅的功率与调制信号源功率成正比，这是集电极调幅的一个缺点。同时，对基极调幅电路的特点也进行了分析，它与集电极调幅相比，调制过程中，器效率是变化的，但优

25、点是所需调制信号相对与集电极调幅电路的要小得多15。图 3.4 集电极调幅电路 3.3.2 集电极调幅电路的仿真与分析 图 3.5 集电极调幅波形 集电极调幅的优点是集电极效率较高，且保持不变。但是其需要大功率的调制信号源。组合调幅电路构建及波形观察集电极调幅和基极调幅的调制线性不够好，调制深度差了点，在实际应用中长采用组合调幅来弥补这一缺点。组合调幅是指将调制信号电压同时加在受调放大器2 个电极上进行的调幅。常用的组合调幅有基极集电极组合调幅和发射极集电极组合调幅。基极集电极组合调幅电路如图 3.6 所示。当基极偏压和集电极偏压同时随调制信号电压5V、3V变化时，集电极电流脉冲的高度和通角都

26、随之变化，导致基波电流幅度 Icm1 也随调制信号电压变化，实现调幅，其调幅波形如图 3.7 所示。图 3.6 基极集电极组合调幅电路 图 3.7 组合调幅波形 在仿真分析中，当我们3V和5V的频率都变为 1MHz 时，输出波形变得较为平缓。其波特表的数值如图 3.8 所示。图 3.8 波特表 基极集电极调幅的主要特点是：（1）不论在何种状态均可以实现调幅。这是因为在欠压状态工作时，集电极调幅对集电极基波电流 Icm1影响很小，但基极调幅将起主要作用；而在过压状态，基极调幅对 Icm1影响很小，但集电极调幅将起主要作用。因此调幅范围变宽，故可以获得较深的调幅度。（2）在整个调幅过程中工作状态可

27、以基本保持不变。如受调放大器工作在临界状态，基极偏压和集电极偏压在调制信号电压的作用下，同时增大或减小，放大器工作状态基本保持不变，则可以获得具有较大输出功率和较高集电极效率的不失真调幅。（3）当工作状态选择合适时，还可克服单独集电极调幅时所需高频激励功率大的缺点。结 论 与低电平调制相比，高电平调制电路的优点是不必采用效率较低的线性功率大器，直接产生满足发射机输出功率要求的已调波，多采用丙类谐振功率放大器。集电极调制电路工作在过压状态，用调制信号来改变高频功率放大器的集电极直流电源电压，实现调幅。它具有调制线性好，集电极效率高，效率不变等优点；但是调制信号功率大。基极调制电路工作在欠压状态，

28、用调制信号来改变高频功率放大器的基极偏压，以实现调幅。它的缺点调制过程中效率有变化，平均集电极的效率不是很高；但它的优点在于调制功率很小。集电极调幅的功率与调制信号源功率成正比。基极振幅调制器是利用调制信号的大小去控制高频载波的振幅，使其调制信号波形的变化呈线性变化，其他参数(频率和相位)不变。调幅是连续波调制中比较重要的一个调制方法，可以涉及长、中、短与超短波的调制，且接受设备最简单。参考文献 1.高频电子电路 张澄 主编 北京：人民邮电出版社 2.高频电子电路 王卫东 编著 北京：机械工业出版社 2009.3 第一次印刷 3.通信原理 吴冰冰 主编.北京：北京大学出版社，2013.2 第一

29、版 4.无线电通信技术杂志忽略:/ 5.网络视频:高频电子电路教程；通信原理教程；其他网络资料。致 谢 历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！.忽略此处.