1、1,高頻電子電路設計 小功率調頻發(fā)射機設計,學習要求 掌握調頻發(fā)射機整機電路的設計與調試方法，以及高頻電路的調試中常見故障的分析與排除； 學會如何將高頻單元電路組合起來實現滿足工程實際要求的整機電路的設計與調試技術。,2,一、調頻發(fā)射機及其主要技術指標,1. 組成框圖,3,一、調頻發(fā)射機及其主要技術指標,2. 主要技術指標,發(fā)射功率 一般是指發(fā)射機輸送到天線上的功率。,總效率 發(fā)射機發(fā)射的總功率 與其消耗的總功率 PC 之比，稱為發(fā)射機的總效率 。, 非線性失真 要求調頻發(fā)射機的非線性失真系數 應小 于 1 %。, 雜音電平 雜音電平應小于 65 dB。,工作頻率或波段 發(fā)射機的工作頻率應根據

2、調制方式，在國家或有關部門所規(guī)定的范圍內選取。,4,二、單元電路設計與調試,整機電路的設計計算順序一般是從末級單元電路開始，向前逐級進行。而電路的裝調順序一般從前級單元電路開始，向后逐級進行。,5,1-1、LC正弦波振蕩器,其中，晶體管T、L1、C1、C2、C3組成電容三點式振蕩器的改進型電路 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(14)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組成并聯諧振回路，其中C3兩端的電壓構成振蕩器的反饋

3、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F一般取1/81/2。 為減小晶體管的極間電容對回路振蕩頻率的影響，C2、C3的取值要大。 如果選C1C2，C1C3，則回路的諧振頻率fo主要由C1決定，即,6,1-2、變容二極管調頻,調頻電路由變容二極管DC及耦合電容Cc組成，,R1與R2為變容二極管提供靜態(tài)時的反向直流偏置電壓VQ，電阻R3稱為隔離電阻，常取R3R2，R3R1，以減小調制信號v對VQ的影響。,C5與高頻扼流圈L2給v提供通路，C6起高頻濾波作用。變容二極管DC通過Cc部分接入振蕩回路，有利于提高主振頻率fo的穩(wěn)定性，減小調制失真。,圖4

4、.2.2為變容二極管部分接入振蕩回路的等效電路， 接入系數p及回路總電容CS分別為,C j,7,變容二極管的Cj-v 特性曲線,圖4.2.3 變容二極管的Cj-v特性曲線,變容二極管的Cj-v特性曲線如圖4.2.3所示。設電路工作在線性調制狀態(tài)，在靜態(tài)工作點Q處，曲線的斜率為,8,1-3、 LC調頻振蕩器主要性能參數及其測試方法, 主振頻率 LC振蕩器的輸出頻率fo稱為主振頻率或載波頻率。用數字頻率計測量回路的諧振頻率fo，高頻電壓表測量諧振電壓vo，示波器監(jiān)測振蕩波形。, 頻率穩(wěn)定度 主振頻率fo的相對穩(wěn)定性用頻率穩(wěn)定 度表示。, 最大頻偏 指在一定的調制電壓作用下所能達到的最大頻率偏移值。

5、將 稱為相對頻偏。,9, 變容二極管特性曲線 特性曲線Cj-v 如圖4.2.3示。 性能參數VQ、Cj0、 及Q點處的斜率kc等可以通過Cj-v 特性曲線估算。,圖4.2.4是變容二極管2CC1C的Cj-v 曲線。由圖可得 VQ= 4V時 CQ=75pF，,10, 調制靈敏度 單位調制電壓所引起的最大頻偏稱為調制靈敏度，以 表示，單位為 kHz/V，即,為調制信號的幅度； 為變容管的結電容變化 時引起的最大頻偏。 回路總電容的變化量為,在頻偏較小時， 與 的關系可采用下面近似公式，即, p- f ，,- f 。,11,為靜態(tài)時諧振回路的總電容， 即, C1- - f,調制靈敏度,為回路總電容的

6、變化量；,式中，,調制靈敏度 可以由變容二極管Cj-v 特性曲線上VQ處的斜率kc及式(4-2-15)計算。 越大，說明調制信號的控制作用越強，產生的頻偏越大。,12,1-4、設計舉例,例 設計一LC高頻振蕩器與變容二極管調頻電路。,振蕩器的靜態(tài)工作點取 ， ，測得三極管的 由式(4-2-1) 式(4-2-4) 計算出各電阻值。,。,主要技術指標 主振頻率 fo =5MHz，頻率穩(wěn)定度5104/小時，主振級的輸出電壓Vo1V，最大頻偏 。,已知條件 +VCC = +12V，高頻三極管3DG100，變容二極管2CC1C。,(1) 確定電路形式，設置靜態(tài)工作點,13,(2) 計算主振回路元件值,由

7、式(4-2-5)得 ，若取C1=100pF，則L110H 實驗中可適當調整L1的圈數或C1的值。,電容C2、C3由反饋系數 F 及電路條件C1C2，C1C3 所決 定，若取C2=510 pF， 由 ，則 取 C3=3000 pF，取耦合電容 Cb=0.01F。,14,(3) 測變容二極管的Cj-v 特性曲線，設置變容管的靜態(tài)工 作點VQ,本題給定變容二極管的型號為 2CC1C ，已測量 出其Cj-v 曲線如圖4.2.4所示。取變容管靜態(tài)反向 偏壓VQ=4V，由特性曲線可得變容管的靜態(tài)電容 CQ=75pF。,15,(4) 計算調頻電路元件值,變容管的靜態(tài)反向偏壓VQ由電阻 R1與R2分壓決定，,

8、已知 VQ=4V，若取 R2=10k ，隔離電阻 R3=150k。,為減小振蕩回路高頻電壓對變容管的影響， 應取小， 但 過小又會使頻偏達不到指標要求?？梢韵热?，然后在實驗中調試。當VQ=- 4V時，對應CQ=75pF， 則 CC 18.8 pf .,取標稱值20pF,16,(5) 計算調制信號的幅度,為達到最大頻偏 的要求，調制信號的幅度Vm，可由下列關系式求出。由式(4-2-14) 得,由Cj-v 曲線得變容管 2CC1C 在VQ= 4V 處的斜率,pF/V，,由式(4-2-9) 得調制信號的幅度,Vm=Cj / kc= 0.92V。,由式(4-2-12)得調制靈敏度Sf 為,kHz/V

9、,17,1-5、調頻振蕩器的裝調與測試,A。安裝要點, 電路元件不要排得太松，引線盡量不要平行，否 則會引起寄生反饋。, 多級放大器應排成一條直線，盡量減小末級與前級之間的耦合。, 地線應盡可能粗，以減小分布電感引起的高頻損耗 。, 為減小電源內阻形成的寄生反饋，應采用濾波電容 C及濾波電感 L組成的型或型濾波電路。, 安裝時應合理布局，減小分布參數的影響。,18,b。 測試點選擇, 正確選擇測試點，減小儀器對被測電路的影響。 在高頻情況下，測量儀器的輸入阻抗(包含電阻和電容)及連接電纜的分布參數都有可能影響被測電路的諧振頻率及諧振回路的Q值，為減小這種影響，應使儀器的輸入阻抗遠大于電路測試點

10、的輸出阻抗。, 所有測量儀器如高頻電壓表、示波器、掃頻儀、數字頻率計等的地線及輸入電纜的地線都要與被測電路的地線連接好，接線盡量短。,19,C。 調試方法,（1）先調整靜態(tài)工作點。,（3）測量頻偏,加入幅度為V的調制信號以后，可以采用頻偏儀測量頻偏。也可以用示波器測量 C點的波形，觀察波形在X 方向的相移。,（2）觀測動態(tài)波形并測量電路的性能參數。與低頻電路的調試基本相同，所不同的是按照理論公式計算的電路參數與實際參數可能相差較大，電路的調試要復雜一些。,20,2、高頻功率放大器設計,利用寬帶變壓器作耦合回路的功率放大器稱為寬帶功率放大器。它不需要調諧回路，可在很寬的頻率范圍內獲得線性放大。但

11、效率 較低，一般只有20%左右。它通常作為發(fā)射機的中間級，以提供較大的激勵功率。,利用選頻網絡作為負載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器。根據放大器電流導通角的范圍，可以分為甲類、乙類、丙類和丁類等功率放大器。丙類功放的電流導通角 90，效率可達到80%。它通常作為發(fā)射機的末級，以獲得較大的輸出功率和較高的效率。,一、電路的基本原理,21,2-1、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與選頻網絡L2、C2組成丙類諧振功率放器。,22,1. 寬帶功率放大器,(1) 靜態(tài)工作點,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)。其特點是

12、：晶體管工作在線性放大 區(qū)。其靜態(tài)工作點的計算方法與低頻電路相同。由關系式(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為輸出負載上的實際功率；T為變壓器的傳輸效率，一般 T = 0.750.85。,(2) 高頻變壓器,23,1. 寬帶功率放大器,圖4.3.2 甲類功放的負載特性,圖4.3.2是寬帶功率放大器的負載特性。為獲得最大不失真輸出功率，靜態(tài)工作點Q應選在交流負載線AB的中點。,集電極的輸出功率PC的表達式為,式中，RH 為集電極等效負載電阻；Vcm為集電極交流電壓的振幅，其表達式為,24,1. 寬帶功率放大器,(3) 功率增

13、益,與電壓放大器不同的是，功放應有一定的功率增益，對于圖4.3.1所示電路，寬帶功放要為下一級丙類功放提供一定的激勵功率，必須將前級輸入的信號進行功率放大，功率增益 為 AP=PC / Pi 式中，Pi為功放的輸入功率，它與功放的輸入電壓Vim及輸入電阻Ri的關系為,25,2. 丙類功率放大器,(1) 基本關系式,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上產生的壓降來提供的，故稱為自給偏壓電路。,當放大器的輸入信號vi為正弦波時，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

14、電壓的振幅,式中，IC1m為集電極基波電流的振幅；Rp為集電極負載阻抗。,26,2. 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 經傅立葉級數分解，可得峰值 與分解系數n()的關系式,27,2. 丙類功率放大器,分解系數n()與的關系如圖4.3.3所示。,2（ ）的值， 在= 60o 時最大，即二次諧波的電流脈沖 Icm2 為 最大值，而且效率也比較高。,28,2. 丙類功率放大器,圖4.3.4為功放管輸入電壓VBE與集電極電流脈沖iC的波形關系。 由圖可得：,式中, Vj為晶體管導通電壓(硅管約0.6V，鍺管約

15、0.3V)；VBm為輸入電壓(或激勵電壓)的振幅；VB為基極直流偏壓。 VB = -IC0 RE,當輸入電壓VBE大于導通電壓 時，晶體管導通，并工作在放大狀態(tài)，則基極電流脈沖 與集電極電流脈 成線性關系，即滿足,29,2. 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。其作用一是實現阻抗匹配，將集電極的輸出功率送至負載；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,30,2. 丙類功率放大器,(2) 負載特性,當功放處于臨界工作狀態(tài)A點時，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IC

16、m。此時集電極輸出的功率PC和效率 都較高，對應的等效負載電阻,判斷功放是否為臨界工作狀態(tài)的條件是： Vcc-Vcm=Vces,31,2-2、高頻變壓器的繞制,高頻變壓器的磁芯應采用鎳鋅(NXO)鐵氧體，當用 NXO-100 環(huán)形鐵氧體作高頻變壓器磁芯時，工作頻率可達十幾兆赫。其結構如圖4.3.6所示，尺寸為外徑內徑高度，電感量L由下式計算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 應盡可能少，匝間距離盡可能大（繞稀一些，并繞得緊一些）。,32,2-3、主要技術指標及實驗測試方法, 輸出功率 高頻功放的輸出功率是指放

17、大器的負載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，當集電極回路諧振時，h 的值由下式計算：, 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(見式4-3-10)。,33,2-4、主要技術指標及實驗測試方法,高頻功放的測試電路,高頻信號發(fā)生器提供激勵信號電壓與諧振頻率,示波器監(jiān)測波形失真,直流毫安表mA測量集電極的直流電流,高頻電壓表V測量負載RL的端電壓,在集電極回路處于諧振狀態(tài)時，放大器的輸出功率可以由下式計算： PO=,RL,VL2,=,Vom2,2RL,34,2-5、設計舉例 （

18、 P145）,例 設計一高頻功放。, 已知條件 +VCC = +12V，晶體管3 DG130 ，晶體 管3DA1 。, 主要技術指標 輸出功率Po500mW，工作中心頻 率 ，效率50%，負載 RL=51。,35,2-6、高頻諧振功率放大器的調整,1. 諧振狀態(tài)的調整,當出現回路 失諧 狀態(tài) 時，回路的等效阻抗將下降。這時集電極電壓減小，集電極電流增大，集電極的耗散功率增加，嚴重時將損壞晶體管。,為保證晶體管安全工作，調諧時，可以先將電源電壓 降低到規(guī)定值的 ，待找到諧振點后，再 將 升到規(guī)定值，然后微調回路參數。如圖4.3.7所示，在回路諧振時，高頻電壓表的讀數應達到最大值，直流毫安表的讀數

19、為最小值，示波器監(jiān)測的波形為不失真基波。,36,2-6、高頻諧振功率放大器的調整,2. 寄生振蕩及其消除,(1) 參量自激型寄生振蕩,當功放的輸出電壓 足夠大時，晶體管的許多參數 （如集電結電容 ）將隨著工作狀態(tài)的變化而變化，產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。,參量自激的特點是：必須在外加信號激勵下才產生，因此斷開激勵信號觀察振蕩是否繼續(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很大，有可能導致晶體管損壞

20、。,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)，或引入適當的高頻電壓負反饋，或降低回路的QL值，如果可能的話，減小激勵信號電平。,37,2-7、高頻諧振功率放大器的調整,(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(分布電容、引線電感等)的影響所造成的。例如引線較長

21、時，其產生的分布電感(使放大器原有的電感相當于開路)與電路中的分布電容構成了振蕩回路。,消除高頻寄生振蕩的有效辦法是：盡量減少引線的長度、合理布局元器件或在基極回路接入防振電阻。,38,三、整機設計舉例,例 設計一小功率調頻發(fā)射機, 已知 ，晶體管 3DG100， b = 60。, 主要技術指標 發(fā)射功率 ， 負載電阻 (天線) ， 工作中心頻率 f0=5 MHz ， 最大頻偏 ，總效率 。,39,三、整機設計舉例, LC振蕩與調頻電路 產生頻率 的高頻振蕩信號。變容二極管線性調頻，最大頻偏 。發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度由該級決定。, 緩沖隔離級 將振蕩級與功放級隔離，以減小功放級對振蕩級的影響。緩沖

22、隔離級常采用射極跟隨器電路。, 末級功放 將前級送來的信號進行功率放大，使負載(天線)上獲得滿足要求的發(fā)射功率。如果要求整機效率較高，則應采用丙類功率放大器, 功率激勵級 為末級功放提供激勵功率。如果發(fā)射功率不大，且振蕩級的輸出功率能夠滿足末級功放的輸入要求，則功率激勵級可以省去。,(2) 增益分配 功率增益 如果集中在末級功放，則電路性能不穩(wěn)，容易產生自激。因此要根據發(fā)射機各組成部分的作用，合理地分配功率增益。緩沖級可以不分配功率增益。設各級功率增益如圖 4.4.2 所示。,(1) 擬定發(fā)射機的組成方框圖,40,四、整機 電路的裝調與測試,LC 正弦波振蕩電路,變容二極管調頻電路,緩沖隔離級 通過調節(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,41,四、整機 電路的裝調與測試,電路的調試順序為： 先分級調整單元電路的靜態(tài)工作點， 測量其性能參數；然后再逐級進行聯調，直到整機調試；最后進行整機技術指標測試。 由于功放運用的是折線分析方法，其理論計算為近似值。此