要求采用直接调频的方式

宽带中频放大电路的设计

摘 要

中频放大器是功率放大器的一种，同时具有选频的功能，即对特定频段的功率增益高于其他频段的增益。同时，它也是组成超外差接收机的一种，其任务是把变频得到的中频信号加以放大，然后送到检波器检波，具有工作频段较低，选择性好，工作稳定性好等特点。因此，中频放大电路在实际应用中对超外差收音机、选择性和通频带等性能指标起着极其重要的作用。在本次宽带中频放大的课程设计中，主要是通过超外差电路的工作原理来设计单元电路中各个独立的元件电路，然后对于整机电路和在此电路基础上的扩展电路进行设计，最后用仿真软件，进

行仿真，调试，完成电路设计。

关键词：超外差电路，宽带中频，放大器

目 录

1 设计摘要................................................... 3

2 设计原理图................................................. 4

3 调频电路工作原理........................................... 4

3.2 直接调频原理 ........................................... 5

3.3变容二极管直接调频原理 ................................. 5

4 电路各模块工作原理......................................... 7

4.1变容二极管工作原理 ..................................... 7

4.2 LC 振荡电路工作原理 . .................................... 8

4.2.1 电容三端反馈振荡电路 ............................... 9

4.2.2 电感三端反馈振荡电路 .............................. 10

5 课题要求的实现............................................ 11

6 心得体会.................................................. 12

7 参考文献.................................................. 13

8 附录...................................................... 13

1 设计摘要

调频电路具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。主要应用于调频广播、广播电视、通信及遥控。调频电台的频带通常大约是200～250kHz ，其频带宽度是调幅电台的数十倍，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，在接收机中存在着通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。

变容二极管调频电路是一种常用的直接调频电路，广泛应用于移动通信和自动频率微调系统。其优点是工作频率高，固有损耗小且线路简单，能获得较大的频偏，其缺点是中心频率稳定度较低。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，是一种较先进的频率调制方案。 本课题载波由LC 电容反馈三端振荡器组成主振回路，振荡频率有电路电感和电容决定，当受调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡频率受调制信号的控制，从而实现调频。

2 设计原理图

图2.1 原理图

3 调频电路工作原理

频率调制是对调制信号频谱进行非线性频率变换，而不是线性搬移，因而不能简单地用乘法器和滤波器来实现。实现调频的方法分为两大类：直接调频法和间接调频法。

3.1 间接调频原理

先将调制信号进行积分处理，然后用它控制载波的瞬时相位变化，从而实现间接控制载波的瞬时频率变化的方法，称为间接调频法。

根据前述调频与调相波之间的关系可知，调频波可看成将调制信号积分后的调相波。

这样，调相输出的信号相对积分后的调制信号而言是调相波，但对原调制信号而言则为调频波。这种实现调相的电路独立于高频载波振荡器以外，所以这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳定性可以做得较高，但可能得到的最大频偏较小。

3.2 直接调频原理

用调制信号直接控制振荡器的瞬时频率变化的方法称为直接调频法。如果受控振荡器是产生正弦波的 LC 振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。

可变电抗器件的种类很多，其中应用最广的是变容二极管。作为电压控制的可变电容元件，它有工作频率高、损耗小和使用方便等优点。具有铁氧体磁芯的电感线圈，可以作为电流控制的可变电感元件。此外，由场效应管或其它有源器件组成的电抗管电路，可以等效为可控电容或可控电感。

直接调频法原理简单，频偏较大，但中心频率不易稳定。在正弦振荡器中，若使可控电抗器连接于晶体振荡器中，可以提高频率稳定度，但频偏减小。

3.3变容二极管直接调频原理

变容二极管调频电路是有主振电路和调频电路构成，T 为振荡管，C1、C2、C3、L1为主振回路，D 为变容二极管，Cc 为耦合电容隔离直流，C4为高频滤波电容，C5为耦合电容，Cb 为旁路电容。R1、R2为变容二极管提供一个静态反偏电压，R3为隔离电阻，Rb1、Rb2、Re 、Rc 给三极管提供一个合适静态工作点。

设调制信号为u Ω(t)=UΩm cosΩt, 加在二极管上的反向直流偏压为 VQ, VQ 的取值应保证在未加调制信号时振荡器的振荡频率等于要求的载波频率, 同时还应保证在调制信号u Ω(t)的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。加在变容二极管上的控制电压为

ｕr (t)= VQ+ UΩm cosΩt 式(3-1)

根据式(3-1)可得，相应的变容二极管结电容变化规律为

(1)当调制信号电压u Ω(t)=0时，即为载波状态。此时ｕr (t)= VQ，对应的变容二极管结电容为CjQ

(2)当调制信号电压u Ω(t)=UΩm cosΩt 时, 对应的变容二极管的结电容与载波状态时变容二极管的结电容的关系是

令ｍ= uΩ/(UD+VQ)为电容调制度, 则可得

上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电压的关系由振荡回路决定

无调制时，谐振回路的总电容为

C Q ∑=C 1+C C C Q

C C +C Q ；

ＣＱ为静态工作点所对应的变容二极管节电压。

当有调制时，谐振回路的总电容为：

C C Cj C ∑＝C 1+； C C +Cj

这回路的总电容的变化量为：△Ｃ＝C ∑－CQ ∑；频偏△Ｃ与△f 的关系:△f=1/2*f0*△Ｃ/ CQ∑。

由变容二极管部分接入振荡器振荡回路的等效电路。调频特性取决于回路的总电容C ∑, 而C ∑可以看成一个等效的变容二极管, C∑随调制电压u Ω（t

）的变化规律不仅决定于

变容二极管的结电容Cj 随调制电压u Ω（t ）的变化, 而且还与C1和C2的大小有关。因为变容二极管部分接人振荡回路, 其中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但其最大频偏要减小。

4 电路各模块工作原理

4.1变容二极管工作原理

变容二极管又称可变电抗二极管" 。是一种利用PN 结电容（势垒电容) 与其反向偏置电压Vr 的依赖关系及原理制成的二极管。所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术。反偏电压愈大，则结电容愈小。变容二极管具有与衬底材料电阻率有关的串联电阻。主要参量是：零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围（以皮法为单位）以及截止频率等，对于不同用途，应选用不同C 和Vr 特性的变容二极管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。

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。

已知，结电容 C j 与反向电压 v R 存在如下关系：

图4.1.1变容二极管符号及电容公式

加到变容管上的反向电压，包括直流偏压 V 0 和调制信号电压 v W (t)= V W cos W t ，如图4.1.2所示，即

v R (t)= V 0 + V W cos W t

此外假定调制信号为单音频简谐信号。结电容在 v R (t) 的控制下随时间发生变化。

图4.1.2 用调制信号控制变容二极管结电容

把受到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡频率亦受到调制信号的控制。适当选择变容二极管的特性和工作状态，可以使振荡频率的变化近似地与调制信号成线性关系。这样就实现了调频。

4.2 LC振荡电路工作原理

LC 三点式振荡组成原理图如图4.2.1，其振荡频率f=1

2 LC 。当X 1

图4.2.1 三点式振荡电路组成

和X 2为容性，X 3为感性时称为电容反馈振荡器，其中C=C 1C 2

C 1+C 2；当X 1 和X 2为

感性，X 3为容性时称为电容反馈振荡器，其中 L=L 1+L 2。当我们相应变化电容值时就能使频率作出相应的变化，以达到调频的目的。

4.2.1 电容三端反馈振荡电路

图4.2.2电容三端反馈振荡电路交流电路

对于一个振荡器，当其负载阻抗及反馈系数F 已经确定的情况，静态工作点的位置对振荡器的起振以及稳定平衡状态（振幅大小，波形好坏）有着直接的影响。要想起振，首先三极管应该工作在静态工作点。电路应选择合适的静态工作点的位置。

电容三端反馈振荡电路利用电容C3和C2作为分压器，该电路满足相位条件，选取合适时满足振幅起振条件，即：

率近似为

A 0⋅F >1，该电路就可振荡。可得到振荡频

f g =

式中：C 是振荡回路的总电容。 12πLC

该电路与电感三端反馈振荡电路相比，输出波形较好，波形更接近正弦波。适当地加大电路电容，就可减弱不稳定因素对振荡频率的影响，从而提高电路的稳定度。

这种振荡电路的特点是振荡频率可做得较高，一般可达到100MHz 以上，由于C 3对高次谐波阻抗小，使反馈电压中的高次谐波成分较小，因而振荡波形较好。电路的缺点是频率调节不便，这是因为调节电容来改变频率时，（既使C 1、C 2 采用双连可变电容）C 1与C 2也难于按比例变化，从而引起电路工作性能的不稳定。因此，该电路只适宜产生固定频率的振荡。

4.2.2 电感三端反馈振荡电路

图4.2.3电感三端反馈振荡电路等效交流电路

由于L1与L2之间有互感的存在，所以容易起振。其次改变回路电容来调整频率时，基本上不影响电路的反馈系数。

它的输出振荡波形较差, 这是由于反馈电压取自电感的两端, 而电感对高次谐波的阻抗较大, 不能将它短路, 从而使U f 中含有较多的谐波分量, 因此, 输出波形中也就含有较多的高次谐波。工作频率愈高，分布参数的影响也愈严重，甚至可能使F 减小到满不了起振条件。

电容三端反馈振荡电路利用电容L1和L2作为分压器，该电路满足相位条件，选取合适时满足振幅起振条件，即：

率近似为

A 0⋅F >1，该电路就可振荡。可得到振荡频

f g =1

2πLC

式中：L=L1+L2+2M是振荡回路的总电容。

5 课题要求的实现

该电路电源电压12V ，高频三极管3DG100, 变容二极管ZCC1C(VQ=4V，CQ=75PF，Q 处的斜率Kc=△j/△v=12.5PF/V)。已知VQ=4V，取R2=10K，R1=20k,来稳定静态电压VQ 。隔离电压R3>>R1、R2，取R3=150k,令接入系数P=0.2，根据VQ 和P 值，P=Cc/(Cc+Cj),当VQ=4v时，可得到Cc=20PF。由于调制信号的频率几HZ ～几KHZ ，可取耦合电容C5=4.7uf,高频扼流圈L2=47uH。高频旁路电容C4对调制信号成高阻抗，取C4=5100PF。为稳定三极管的静态稳定点，取Rb1=60K，Rb2=20K，Rc=3K，Re=2k，旁路电容Cb=50uF。

变容二极管部分接人振荡回路, 其中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但其最大频偏要减小。

图5.1变容二极管部分接人振荡回路

该电路为了减少结电容对回路振荡频率的影响，C2和C3常取值较大，C1

f g =1

2πLC 1（公式5.1）

主振频率F0=5MHZ,取C2/C3=1/2,取C2=510PF，则C3=1100PF ，取C1=15PF，由公式5.1的取L1=66.7uH。

最大的频偏△f=10KHZ，由公式p =C C Co k =p *p *和得K=0.05，由△C C +C o 2C

f1=KA1.f0得A1=0.04，2CC1C 为突变结变容二极管，r=1/2；则A1=1/16*m*(8+3/4m*m),得m=2A1=0.08；A0=1/16*m*m,则中心频偏△f0=KA0.f0=62.5HZ；则频率稳定度△f0/f0=62.5/5M=1.24*10-5

调节三极管的稳定度和电阻参数，可使三极管的放大输出电压V0>=1V。

6 心得体会

通过学习高频电子线路这门课程，使我能综合运用电工技术，高频电子技术课程中的所学到的理论知识来完成设计和分析电路，熟悉了工程实践中高频电子电路的设计方法和规范，达到综合应用电子技术的目的。学会了文件检索和查找数据手册的能力。学会了应用protel 软件的使用。还学会了整理和总结设计文档报告。学到很多东西，但就我个人感觉而言，学到的东西，对我后面一年的学习有重要的指导作用，不敢说以后，但在毕业前的这段时间内，这次学习对我的确很重要。

学到了如何务实，如何去学一门技术，同时也知道了如何学习，什么才是学习。这次设计，使我由理论学习向实际生产的方向更近了一步。让我对自己所学的专业有了更加清晰的理解，也对自己现在的专业技术水平有了更加明确的理解。这次的设计中，我体验到了一名专业电子设计工程师设计产品的各个过程，让我对自己的未来的职业定位有了充分的心里准备。总而言之，此次课程设计让我感到受益匪浅。

同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个元素的离群都可能导致整项工作的失败。设计中只靠一个人知道的是远远不够的，我们要综合运用各项知识。才能适应发展。

回顾起此次高频课程设计，至今我仍感慨颇多，在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设

计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，我毕竟不是专家级的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，

通过对高频电路的学习，了解了现实社会中的某些东西的运用都是通过运行才实现的。在此次课程设计过程中，我们解决了一些主要问题，以便能解决实际问题，也通过老师的指导顺利的完成了课程设计。在以后的实验过程中，我会克服更多的困难，去学习，以便进行实践。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在同学和老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我学到很多实用的知识，在此我表示感谢！在本次高频设计的过程中，老师们给了我很大的指导和帮助。不仅使我在规定的时间内完成了系统的设计，同时还使我学到了很多有益的经验。在此, 我谨向他们表示最衷心的感谢。

很感激学院让我们有这次学习的机会，这次学习对于我们没有真正实践经验的同学来说，绝对是一次成长的机会。

7 参考文献

[1] 李银华. 电子线路设计指导. 北京航空航天大学出版社,2005.6

[2] 谢嘉奎, 宣月清, 冯军. 电子线路. 高等教育出版社,2000.5

[3] 张肃文. 高频电子线路. 第五版 高等教育出版社,2004.11

[4] 谢自美. 电子线路设计. 实验. 测试 华中科技大学出版社,2003.10

[5] 胡宴如. 高频电子线路. 北京:高等教育出版社,1993.5

8 附录

附表一 元件清单

电容：

1 47u C5 1 510P C2 1 15P C1 1 1100P C3 1 5100P C4

1 50u Cb

色环电阻：

1 47K R1 1 10K R2 1 150K R3 1 20K Rb2 1 60K Rb1 1 3K Re 1 2K Rc 色环电感： 1 66.7uH L1 1 47uH L2 变容二极管：

1 ZCC1C D1 三极管：

1 3DG100 T1