高頻電子電路設(shè)計(jì)

小功率調(diào)頻發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)要求

掌握調(diào)頻發(fā)射機(jī)整機(jī)電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法，以及高頻電路的調(diào)試中常見(jiàn)故障的分析與排除；學(xué)會(huì)如何將高頻單元電路組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)滿足工程實(shí)際要求的整機(jī)電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試技術(shù)。1

一、調(diào)頻發(fā)射機(jī)及其主要技術(shù)指標(biāo)

1.組成框圖

2一、調(diào)頻發(fā)射機(jī)及其主要技術(shù)指標(biāo)2.主要技術(shù)指標(biāo)發(fā)射功率

一般是指發(fā)射機(jī)輸送到天線上的功率。

總效率

發(fā)射機(jī)發(fā)射的總功率與其消耗的總功率P’C之比，稱為發(fā)射機(jī)的總效率。

非線性失真

要求調(diào)頻發(fā)射機(jī)的非線性失真系數(shù)

應(yīng)小于1%。

雜音電平

雜音電平應(yīng)小于–65dB。

工作頻率或波段

發(fā)射機(jī)的工作頻率應(yīng)根據(jù)調(diào)制方式，在國(guó)家或有關(guān)部門所規(guī)定的范圍內(nèi)選取。

31-1、LC正弦波振蕩器其中，晶體管T、L1、C1、C2、C3組成電容三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)型電路即克拉潑電路，接成共基組態(tài)，CB為基極耦合電容，其靜態(tài)工作點(diǎn)由RB1、RB2、RE及RC所決定，即由公式（4-2-1）~（4-2-4）決定。ICQ一般為(1~4)mA。ICQ偏大，振蕩幅度增加，但波形失真加重，頻率穩(wěn)定性變差。L1、C1與C2、C3組成并聯(lián)諧振回路，其中C3兩端的電壓構(gòu)成振蕩器的反饋電壓，以滿足相位平衡條件Sj=2np。

比值C2/C3=F，決定反饋電壓的大小，反饋系數(shù)F一般取1/8~1/2。

為減小晶體管的極間電容對(duì)回路振蕩頻率的影響，C2、C3的取值要大。

如果選C1<<C2，C1<<C3，則回路的諧振頻率fo主要由C1決定，即

51-2、變?nèi)荻O管調(diào)頻

調(diào)頻電路由變?nèi)荻O管DC及耦合電容Cc組成，

R1與R2為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時(shí)的反向直流偏置電壓VQ，電阻R3稱為隔離電阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以減小調(diào)制信號(hào)vΩ對(duì)VQ的影響。

C5與高頻扼流圈L2給vΩ提供通路，C6起高頻濾波作用。變?nèi)荻O管DC通過(guò)Cc部分接入振蕩回路，有利于提高主振頻率fo的穩(wěn)定性，減小調(diào)制失真。圖4.2.2為變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路的等效電路，接入系數(shù)p及回路總電容CS分別為Cj6變?nèi)荻O管的Cj-v特性曲線

圖4.2.3變?nèi)荻O管的Cj-v特性曲線

變?nèi)荻O管的Cj-v特性曲線如圖4.2.3所示。設(shè)電路工作在線性調(diào)制狀態(tài)，在靜態(tài)工作點(diǎn)Q處，曲線的斜率為7

變?nèi)荻O管特性曲線

特性曲線Cj-v如圖4.2.3示。

性能參數(shù)VQ、Cj0、

及Q點(diǎn)處的斜率kc等可以通過(guò)Cj-v特性曲線估算。

圖4.2.4是變?nèi)荻O管2CC1C的Cj-v曲線。由圖可得

VQ=

–4V時(shí)

CQ=75pF，

9

調(diào)制靈敏度

單位調(diào)制電壓所引起的最大頻偏稱為調(diào)制靈敏度，以

表示，單位為kHz/V，即

為調(diào)制信號(hào)的幅度；

為變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容變化

時(shí)引起的最大頻偏。

∵回路總電容的變化量為在頻偏較小時(shí)，

與

的關(guān)系可采用下面近似公式，即∴

p↑-△f↑，↑-△f↑。10

為靜態(tài)時(shí)諧振回路的總電容，

即∴C1↓-↑-△f↑調(diào)制靈敏度

為回路總電容的變化量；式中，

調(diào)制靈敏度

可以由變?nèi)荻O管Cj-v特性曲線上VQ處的斜率kc及式(4-2-15)計(jì)算。

越大，說(shuō)明調(diào)制信號(hào)的控制作用越強(qiáng)，產(chǎn)生的頻偏越大。

11

(2)計(jì)算主振回路元件值

由式(4-2-5)得

，若取C1=100pF，則L1≈10H實(shí)驗(yàn)中可適當(dāng)調(diào)整L1的圈數(shù)或C1的值。電容C2、C3由反饋系數(shù)

F及電路條件C1<<C2，C1<<C3所決定，若取C2=510pF，

由

，則

取

C3=3000pF，取耦合電容

Cb=0.01F。13

(3)測(cè)變?nèi)荻O管的Cj-v特性曲線，設(shè)置變?nèi)莨艿撵o態(tài)工

作點(diǎn)VQ本題給定變?nèi)荻O管的型號(hào)為

2CC1C，已測(cè)量出其Cj-v曲線如圖4.2.4所示。取變?nèi)莨莒o態(tài)反向偏壓VQ=4V，由特性曲線可得變?nèi)莨艿撵o態(tài)電容CQ=75pF。14

(4)計(jì)算調(diào)頻電路元件值變?nèi)莨艿撵o態(tài)反向偏壓VQ由電阻

R1與R2分壓決定，已知

VQ=4V，若取

R2=10k

，隔離電阻R3=150kΩ。為減小振蕩回路高頻電壓對(duì)變?nèi)莨艿挠绊懀瑧?yīng)取小，但過(guò)小又會(huì)使頻偏達(dá)不到指標(biāo)要求。可以先取，然后在實(shí)驗(yàn)中調(diào)試。當(dāng)VQ=-4V時(shí)，對(duì)應(yīng)CQ=75pF，

則CC18.8pf.

取標(biāo)稱值20pF∵151-5、調(diào)頻振蕩器的裝調(diào)與測(cè)試A。安裝要點(diǎn)

電路元件不要排得太松，引線盡量不要平行，否

則會(huì)引起寄生反饋。

多級(jí)放大器應(yīng)排成一條直線，盡量減小末級(jí)與前級(jí)之間的耦合。

地線應(yīng)盡可能粗，以減小分布電感引起的高頻損耗。

為減小電源內(nèi)阻形成的寄生反饋，應(yīng)采用濾波電容

Cφ及濾波電感Lφ組成的π型或Γ型濾波電路。

安裝時(shí)應(yīng)合理布局，減小分布參數(shù)的影響。17b。

測(cè)試點(diǎn)選擇

正確選擇測(cè)試點(diǎn)，減小儀器對(duì)被測(cè)電路的影響。在高頻情況下，測(cè)量?jī)x器的輸入阻抗(包含電阻和電容)及連接電纜的分布參數(shù)都有可能影響被測(cè)電路的諧振頻率及諧振回路的Q值，為減小這種影響，應(yīng)使儀器的輸入阻抗遠(yuǎn)大于電路測(cè)試點(diǎn)的輸出阻抗。

所有測(cè)量?jī)x器如高頻電壓表、示波器、掃頻儀、數(shù)字頻率計(jì)等的地線及輸入電纜的地線都要與被測(cè)電路的地線連接好，接線盡量短。18C。

調(diào)試方法（1）先調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。（3）測(cè)量頻偏加入幅度為VΩ的調(diào)制信號(hào)以后，可以采用頻偏儀測(cè)量頻偏。也可以用示波器測(cè)量C點(diǎn)的波形，觀察波形在X方向的相移。（2）觀測(cè)動(dòng)態(tài)波形并測(cè)量電路的性能參數(shù)。與低頻電路的調(diào)試基本相同，所不同的是按照理論公式計(jì)算的電路參數(shù)與實(shí)際參數(shù)可能相差較大，電路的調(diào)試要復(fù)雜一些。192-1、電路的基本原理

晶體管T1與高頻變壓器Tr1組成寬帶功率放大器，晶體管T2與選頻網(wǎng)絡(luò)L2、C2組成丙類諧振功率放器。

211.寬帶功率放大器

(1)靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管T1與RB1、RB2、RE1、RF組成的寬帶功率放大器工作在甲類狀態(tài)。其特點(diǎn)是：晶體管工作在線性放大

區(qū)。其靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算方法與低頻電路相同。由關(guān)系式(4-3-1)~(4-3-4)確定。

寬帶功率放大器集電極的輸出功率PC為

PC=PH/T

式中，PH為輸出負(fù)載上的實(shí)際功率；T為變壓器的傳輸效率，一般

T=0.75~0.85。

(2)高頻變壓器221.寬帶功率放大器

圖4.3.2甲類功放的負(fù)載特性圖4.3.2是寬帶功率放大器的負(fù)載特性。為獲得最大不失真輸出功率，靜態(tài)工作點(diǎn)Q應(yīng)選在交流負(fù)載線AB的中點(diǎn)。

集電極的輸出功率PC的表達(dá)式為式中，R'H

為集電極等效負(fù)載電阻；Vcm為集電極交流電壓的振幅，其表達(dá)式為232.丙類功率放大器

(1)基本關(guān)系式丙類功放的基極偏置電壓–VBE是利用發(fā)射極電流的直流分量IE0(IE0Ic0)在射極電阻RE2上產(chǎn)生的壓降來(lái)提供的，故稱為自給偏壓電路。當(dāng)放大器的輸入信號(hào)vi為正弦波時(shí)，集電極的輸出電流iC為余弦脈沖波。利用諧振回路L2C2的選頻作用可輸出基波諧振電壓vC1、電流iC1。集電極基波電壓的振幅式中，IC1m為集電極基波電流的振幅；Rp為集電極負(fù)載阻抗。252.丙類功率放大器

集電極輸出功率

直流電源VCC供給的直流功率式中，IC0為集電極電流脈沖

iC的直流分量。電流脈沖iC經(jīng)傅立葉級(jí)數(shù)分解，可得峰值

與分解系數(shù)n(θ)的關(guān)系式262.丙類功率放大器分解系數(shù)n(θ)與θ的關(guān)系如圖4.3.3所示。α2（

θ）的值，在θ=60o時(shí)最大，即二次諧波的電流脈沖

Icm2

為

最大值，而且效率η也比較高。272.丙類功率放大器

功放的功率增益或

如圖4.3.1所示，丙類功放的輸出回路采用變壓器耦合方式。其作用一是實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，將集電極的輸出功率送至負(fù)載；二是與諧振回路配合，濾除諧波分量。

集電極諧振回路為部分接入，諧振頻率或

292.丙類功率放大器

(2)負(fù)載特性當(dāng)功放處于臨界工作狀態(tài)A點(diǎn)時(shí)，管子的集電極電壓正好等于管子的飽和壓降VCES，集電極電流脈沖接近最大值ICm。此時(shí)集電極輸出的功率PC和效率

都較高，對(duì)應(yīng)的等效負(fù)載電阻

判斷功放是否為臨界工作狀態(tài)的條件是：Vcc-Vcm=Vces302-2、高頻變壓器的繞制

高頻變壓器的磁芯應(yīng)采用鎳鋅(NXO)鐵氧體，當(dāng)用

NXO-100環(huán)形鐵氧體作高頻變壓器磁芯時(shí)，工作頻率可達(dá)十幾兆赫。其結(jié)構(gòu)如圖4.3.6所示，尺寸為外徑×內(nèi)徑×高度，電感量L由下式計(jì)算[2]：

(4-3-30)

繞制高頻變壓器的漆包線一般選用線徑為f0.31mm的漆包線。為減小線圈漏感與分布電容的影響，匝數(shù)應(yīng)盡可能少，匝間距離盡可能大（繞稀一些，并繞得緊一些）。312-3、主要技術(shù)指標(biāo)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

輸出功率高頻功放的輸出功率是指放大器的負(fù)載RL上得到的最大不失真功率。也就是集電極的輸出功率，即

效率常將集電極的效率視為高頻功放的效率，用h表示，當(dāng)集電極回路諧振時(shí)，h的值由下式計(jì)算：

功率增益

功放的輸出功率Po與輸入功率Pi之比稱為功率增益，用AP(單位：dB)表示(見(jiàn)式4-3-10)。322-4、主要技術(shù)指標(biāo)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

高頻功放的測(cè)試電路高頻信號(hào)發(fā)生器提供激勵(lì)信號(hào)電壓與諧振頻率

示波器監(jiān)測(cè)波形失真直流毫安表mA測(cè)量集電極的直流電流高頻電壓表V測(cè)量負(fù)載RL的端電壓在集電極回路處于諧振狀態(tài)時(shí)，放大器的輸出功率可以由下式計(jì)算：

PO=

RLVL2=Vom22RL33

2-5、設(shè)計(jì)舉例

（P145）

例

設(shè)計(jì)一高頻功放。

已知條件

+VCC=+12V，晶體管3DG130，晶體

管3DA1。

主要技術(shù)指標(biāo)

輸出功率Po≥500mW，工作中心頻率

，效率η>50%，負(fù)載

RL=51Ω。34

2-6、高頻諧振功率放大器的調(diào)整

1.諧振狀態(tài)的調(diào)整當(dāng)出現(xiàn)回路

失諧

狀態(tài)時(shí)，回路的等效阻抗將下降。這時(shí)集電極電壓減小，集電極電流增大，集電極的耗散功率增加，嚴(yán)重時(shí)將損壞晶體管。為保證晶體管安全工作，調(diào)諧時(shí)，可以先將電源電壓

降低到規(guī)定值的

，待找到諧振點(diǎn)后，再

將

升到規(guī)定值，然后微調(diào)回路參數(shù)。如圖4.3.7所示，在回路諧振時(shí)，高頻電壓表的讀數(shù)應(yīng)達(dá)到最大值，直流毫安表的讀數(shù)為最小值，示波器監(jiān)測(cè)的波形為不失真基波。

352-6、高頻諧振功率放大器的調(diào)整2.寄生振蕩及其消除(1)參量自激型寄生振蕩

當(dāng)功放的輸出電壓

足夠大時(shí)，晶體管的許多參數(shù)

（如集電結(jié)電容

）將隨著工作狀態(tài)的變化而變化，產(chǎn)生許多新的頻率分量存在于晶體管的輸出和輸入端，而形成自激振蕩。圖

(a)為1/2基波的影響，圖

(b)為3倍頻的影響。參量自激的特點(diǎn)是：必須在外加信號(hào)激勵(lì)下才產(chǎn)生，因此斷開(kāi)激勵(lì)信號(hào)觀察振蕩是否繼續(xù)存在，是判斷自激型寄生振蕩的有效方法。參量寄生振蕩使輸出電壓的峰值可能顯著增加(比正常值大5倍～6倍)，回路可能處于失諧狀態(tài)，集電極的耗散功率會(huì)很大，有可能導(dǎo)致晶體管損壞。

消除參量寄生振蕩的常用辦法是：在基極或發(fā)射極接入防振電阻(幾歐姆至幾十歐姆)，或引入適當(dāng)?shù)母哳l電壓負(fù)反饋，或降低回路的QL值，如果可能的話，減小激勵(lì)信號(hào)電平。

362-7、高頻諧振功率放大器的調(diào)整

(2)反饋型寄生振蕩

反饋型寄生振蕩又分為低頻寄生振蕩與高頻或超高頻寄生振蕩。圖4.3.10分別為疊加有低頻自激與高頻自激信號(hào)的輸出波形。

低頻寄生振蕩一般是由功放輸入輸出回路中的分布電容引起的。

消除低頻寄生振蕩的辦法是設(shè)法破壞它的正反饋支路，例如減少基極回路線圈的電感量或串入電阻RF，降低線圈的Q值。高頻寄生振蕩一般是由電路的分布參數(shù)(分布電容、引線電感等)的影響所造成的。例如引線較長(zhǎng)時(shí)，其產(chǎn)生的分布電感(使放大器原有的電感相當(dāng)于開(kāi)路)與電路中的分布電容構(gòu)成了振蕩回路。消除高頻寄生振蕩的有效辦法是：盡量減少引線的長(zhǎng)度、合理布局元器件或在基極回路接入防振電阻。37三、整機(jī)設(shè)計(jì)舉例

例設(shè)計(jì)一小功率調(diào)頻發(fā)射機(jī)

已知

，晶體管3DG100，

b=60。

主要技術(shù)指標(biāo)

發(fā)射功率，負(fù)載電阻(天線)，工作中心頻率f0=5MHz，最大頻偏，總效率。38

三、整機(jī)設(shè)計(jì)舉例

LC振蕩與調(diào)頻電路

產(chǎn)生頻率的高頻振蕩信號(hào)。變?nèi)荻O管線性調(diào)頻，最大頻偏。發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度由該級(jí)決定。

緩沖隔離級(jí)

將振蕩級(jí)與功放級(jí)隔離，以減小功放級(jí)對(duì)振蕩級(jí)的影響。緩沖隔離級(jí)常采用射極跟隨器電路。

末級(jí)功放

將前級(jí)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行功率放大，使負(fù)載(天線)上獲得滿足要求的發(fā)射功率。如果要求整機(jī)效率較高，則應(yīng)采用丙類功率放大器

功率激勵(lì)級(jí)

為末級(jí)功放提供激勵(lì)功率。如果發(fā)射功率不大，且振蕩級(jí)的輸出功率能夠滿足末級(jí)功放的輸入要求，則功率激勵(lì)級(jí)可以省去。

(2)增益分配功率增益

如果集中在末級(jí)功放，則電路性能不穩(wěn)，容易產(chǎn)生自激。因此要根據(jù)發(fā)射機(jī)各組成部分的作用，合理地分配功率增益。緩沖級(jí)可以不分配功率增益。設(shè)各級(jí)功率增益如圖

4.4.2所示。(1)擬定發(fā)射機(jī)的組成方框圖39四、整機(jī)電路的裝調(diào)與測(cè)試LC正弦波振蕩電路

變?nèi)荻O管調(diào)頻電路

緩沖隔離級(jí)

通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射極電RP1，

可以改變射極跟隨器的輸入阻抗。寬帶功率放大器丙類功率放大器40四、整機(jī)電路的裝調(diào)與測(cè)試電路的調(diào)試順序?yàn)椋?/p>

先分級(jí)調(diào)整單元電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，

測(cè)量其性能參數(shù)；然后再逐級(jí)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，直到整機(jī)調(diào)試；最后進(jìn)行整機(jī)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試。由于功放運(yùn)用的是折線分析方法，其理論計(jì)算為近似值。此外單元電路的設(shè)計(jì)計(jì)算沒(méi)有考慮實(shí)際電路中分布參數(shù)的影響，級(jí)間的相互影響，所以電路的實(shí)際工作狀態(tài)與理論工作狀態(tài)相差較大，因而元件參數(shù)在整機(jī)調(diào)整過(guò)程中，修改比較大，這是在高頻電路整機(jī)調(diào)試中需要特別注意的。

41四、整機(jī)電路的裝調(diào)與測(cè)試1.調(diào)頻振蕩級(jí)與緩沖級(jí)相聯(lián)時(shí)的常見(jiàn)故障調(diào)頻振蕩級(jí)與緩沖級(jí)相聯(lián)時(shí)，可能出現(xiàn)振蕩級(jí)的輸出電壓幅度明顯減小或波形失真變大。產(chǎn)生的主要原因可能是射隨器的輸入阻抗不夠大，使