高频电路课程设计
湖南工程学院
课 程 设 计
课程名称 高频电子电路 课题名称 调相（PM ）放大器设计 专 业 电子科学与技术 班 级 1101班 学 号 姓 名 指导教师
2014年 3月4日
湖南工程学院
课 程 设 计 任 务 书
课程名称 高频电子线路 题 目 调相（PM ）放大器设计 专业班级 电子科学技术1101 学生姓名 学号 指导老师 审 批
任务书下达日期 2014年2月24日 设 计 完成日期 2014年3月 4日
目录
一、总体设计思路、基本原理和系统组成 ............... - 2 -
1. 总体思路 ...................................... - 2 - 2. 基本原理 ...................................... - 2 - 3. 系统组成 ...................................... - 3 - 二、 单元电路设计 ................................... - 4 -
1. 载波信号10MHz 产生电路 ....................... - 4 - 2. 调制信号1000Hz 产生电路 ...................... - 6 - 3. 前置放大电路 ................................. - 7 - 4. 调相电路 ..................................... - 8 - 5. 谐振功率放大及匹配网络电路 .................. - 10 - 三、 总结与体会 .................................... - 12 - 四、 参考文献 ...................................... - 13 - 五、 电路器件连接总图 .............................. - 14 -
一、总体设计思路、基本原理和系统组成
1. 总体思路
相位调制电路是使受调波的相位随调制信号而变化的电路。调相波与调频波的差别是调相波的瞬时相位的变化与调制信号成线性关系, 调频波的瞬时频率与调制信号成线性关系。正弦载波的瞬时相位随调制信号而变化的调制，简称调相(PM)。正弦波调相器分直接调相和间接调相两类。前一种方法利用调制信号直接改变谐振回路的参数，使载波（受调波）信号通过回路时产生相移而形成调相波。现介绍这么一种简易的相位调制电路，该电路的调制信号由RC 桥式振荡电路产生，经放大后和载波信号经相位调制器后，输出调相波，输出的调相波经前置放大后再经过功率放大，最后通过匹配网络匹配后就可产生用于天线发送的调相波。
2. 基本原理
低频调制信号频率为1000Hz ，可用RC 桥式电路实现。高频载波信号频率为10MHz ，采用频率稳定度高的石英晶体震荡器，使晶体作为电感元件接入谐振回路，构成并联型晶体振荡器。相位调制是通过一个可控相移网络使角频率为ωc 的高频载波uc(t) 产生受调制电压u Ω(t)控制, 满足Δφ=kpuΩ(t)的关系的相移Δφ, 即实现调相。高频载波信号由晶体震荡器产生，低频调制信号用RC 震荡电路产生，经放大后与载波信号一同送入可控相移网络，可控相移网络以多级变容二极管调相模块为核心进行相位调制。最后调相后的信号经功率放大后输出。
3. 系统组成
二、单元电路设计
1. 载波信号10MHz 产生电路
晶体振荡器有并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。并联型晶体振荡器：将石英晶振作为等效电感元件用在三点式电路中，且工作在感性区，称为并联型晶体振荡器。此时，石英晶振接在晶体管ｃ、ｂ极之间称为皮尔斯振荡电路，接在晶体管ｂ、ｅ极之间称为密勒振荡电路。
本电路利用皮尔斯振荡电路原理产生10MHz 载波信号，与晶体管Q1发射极相连的为电容，晶振作为电感元件接在Q1基极与集电极之间，构成三点式震荡。振荡频率几乎由石英晶振的参数决定, 而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。其中C1为加入的微调电容，用以微调回路的谐振频率，保证电路工作在标称频率10MHz 上。电路及等效电路如下图所示：
图1-1 10MHZ晶体振荡电路
图1-2 交流等效电路
由图可知CL=(C1+C2)串C3串C5串C4
=（C1+C2)串C3C4C5/(C3C5+C3C4+C4C5) 由于C1+C2
1
f =振荡器工作频率：
02πL
∑q
石英晶振的符号和等效电路如图3所示：
图1-3 （a) (b)
由图1-3（b ）可求得石英晶振的接入系数：n=Cq／(C0+Cq)
很小，所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。英晶振的频率稳定度非常高。
对于石英晶振并联谐振频率fp 、串联谐振频率fs ，由于Cq ／C0很小，其值很相近，并且在其间电抗呈感性，同时具有很陡峭的电抗频率特性，曲线斜率大，从而有利于稳频。
2. 调制信号1000Hz 产生电路
调制信号频率为1000Hz ，可用低频RC 桥式振荡电路产生。电路如图2-1所示:
图2-1 RC桥式振荡电路
图2-1中RC （R4，C8，R5，C9）串并联网络接在运算放大器的输出端和同相输入端构成了带有选频作用的正反馈网络，另外R6、R7和R8接在运算放大器的输出端和反向输入端之间，与运放一起构成负反馈放大电路。
R 6+R 7
A =1+
负反馈闭环电压放大倍数： R 8 ； R 6+R 7
>3，即（R6+R7）>2R8；振幅起振条件：|A |=1+ R 8
相位起振条件：φf +φa =0︒；
3. 前置放大电路
由于信号发生电路产生信号幅度一般较小，所以需对产生的信号首先进行前置放大后使其满足下一级的输入信号范围，再输入到下级电路中，可以用三极管放大电路实现。本电路采用共发射极放大电路实现信号的放大。使发射极正偏：Vb>Ve，且Vbe>0.6V，集电极反偏Vb 1V，使三极管工作在甲类放大状态。放大电路如图3-1所示：
图3-1 共射放大器
4. 调相电路
本设计要求最大相偏为 由于单级变容二极管调相电路
2
最大相偏为π6，所以得采用三级单回路变容二极管调相电
ππ=3⨯
路，扩大相偏，最大相偏 = 电路如下图所示：
62
图4-1 三级单回路变容二极管调相电路
π
从R 9端加入载波信号，从R 13端加入调制信号U cm 。由于所用是变容二极管，随着U cm 的变化，电容也发生变化，因为f 2与C 成反比，所以f 发生变化，进而引发相位发生变化，达到调相的目的。使得调制信号幅度的变化在调相波上以相位的形式变化出来。R10的目的 是使阻抗曲线变得平缓，即使Q 值变小。 单级变容二极管调相电路如下图所示：
图4-2 单级变容二极管调相电路
工作原理：
图4-2中调制信号是低频，在低频状态下，C8、C13相当于开路，则VCC 通过电阻R14到变容二极管的一端，而调制信号的负极则通过这里的接地到达变容二极管，最后把调制信号加入进去。高频载波信号相当于高频，在高频状态下，C12、C13相当于短路，则高频载波通过电阻R4加到变容二极管的一端，高频载波接地的部分就通过接地端加到变容二极管的另一端，最终将载波信号加入进去。调制信号和载波信号加入以后，通过变容二极管的三级级联电路来实现调相。 调相分析：
设输入载波信号V c (t ) =V cm cos w c t 调制信号V Ω(t ) =V cm cos Ωt
变容二极管作为回路总电容，当回路的谐振频率为： ω(t ) =ωC (1+
m 很小时，
γ
2
γ
∆ω(t ) =m ωC cos Ωt
2
m cos Ωt ) =ωC +∆ω(t )
输出电压：V (t ) =I cm Z (ωc ) cos(ωC t +ϕ)
分别是谐振回路在ω=ωc 上呈现的阻抗幅值和相移。 在失谐不大的条件下, ϕ=-arctan 2Q ωC -ω(t ) 当ϕ
ωt π
6
rad 时，tg ϕ≈ϕ
ϕ≈-2Q ≈2Q
ωC -ω(t ) ω-[ωC +∆ω(t )]
=-2Q C
ω(t ) ωC +∆ω(t )
ωC
∆ω(t )
∆ω(t ) =
γ
2
m ωC cos Ωt
ϕ≈Q γm cos Ωt =m p cos Ωt (m p =Q γm ) V (t ) =I cm Z (ωC ) cos[ωC t +m p cos Ωt ]
ϕm
π
6
rad (m p
π
6
)
5. 谐振功率放大及匹配网络电路
为了满足发射输出的高功率，所以得对产生的调相信号进行功率放大后才能发射出去。本电路中采用自给基极偏置电路，使其工作在丙类状态。谐振功率放大器原理电路及等效电路如下图所示：
图5-1 谐振功率放大器原理电路
图5-2 等效电路
选频网络（滤波器）的功能：从众多频率中选出有用信号，滤除或抑制无用信号，以保证放大器工作在要求的状态，即起到阻抗变换的作用，又可以抑制工作频率范围以外的频率。本设计中采用LC 并联谐振回路使回路谐振在输入信号频率上。
图5-2中RL 为外接负载，呈阻抗性。L7 和 C19、C21 为 T型匹配网络，与 RL 组成并联谐振回路。调节 C19、C21 使回路谐振在输入信号频率。 VBB为基极偏置电压，使功率管 Q 点设在截止区，以实现丙类工作。
本设计电路中由于晶体管3DA21A 输入阻抗与前级输出阻抗不匹配，所以在放大器之间加入T 型选频匹配网络（C18、C20、L6），在放大器输出的与负载之间也加入T 型匹配网络（C19、C21、L7）。由于晶体管参数的分散性和分布参数的影响, C18～C19均采用可变电容器, 其最大容量应为计算值的2～3倍。实现功率放大。最后通过匹配网络匹配后就可产生用于天线发送的调相波。
三、总结与体会
本次课程设计历时两个星期左右，通过这两个星期的学习，发现了
自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。
这次的课程设计也让我看到自己力量的渺小，我发现仅靠自己掌握的东西想要做好课程设计实在是太难了，此刻我深刻的认识到了资料的重要性，通过一次次的上网查资料，一遍遍的翻看课本和实验教程，我终于把课程设计做完了，那一刻的喜悦是无可比拟 的，这是只有努力过才知道的喜悦。
在这个过程中，我也曾经因为经验的缺乏失落过，也曾经因为找到有用的资料而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程制作，可是平心而论，也是非常宝贵的。这让我不得不佩服专门搞高频线路开发的技术前辈，意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付出多少心血。真正的认识到他们是多么的令人尊敬。
对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆。
四、参考文献
1. 张肃文主编. ，《高频电子线路》，高等教育出版社. 。 2. 谢自美主编，《电子线路设计、实验、测试》，华中理工大学出版社。
3. 沈伟慈主编，《通信电路》，西安电子科技大学出版社。
五、电路器件连接总图
电气与信息工程系课程设计评分表
指导教师签名：________________
日 期：________________
注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K 大小的图纸及程序清单）。