集电极调幅电路(唐山学院)

唐山学院

高频电子线路课程设计

题目集电极振幅调制器的设计与实现

系 (部) 信息工程系

班级

姓名

学号

指导教师张银蒲、申彦春

2012 年 7 月 9 日至 7 月 13 日共 1 周

高频电子线路课程设计任务书

课程设计成绩评定表

前言 (4)

1集电极调幅的工作原理 (5)

1.1 集电极调幅的工作原理 (5)

1.2 集电极电流脉冲的变化情况 (6)

1.3集电极调幅波形图 (6)

1.4集电极调幅的静态调制特性 (7)

2集电极振幅调制器电路设计 (9)

3集电极振幅调制器电路的仿真 (10)

3.1 Multisim软件介绍及使用 (10)

3.1.1 Multisim发展简介 (10)

3.1.2 Multisim 10概述 (10)

3.1.3 界面基本操作 (11)

3.1.4 使用注意事项 (12)

3.2 仿真电路 (12)

3.2.1 仿真电路图 (12)

3.2.2 仿真波形 (12)

4集电极振幅调制器电路分析 (14)

4.1 集电极调幅工作状态分析 (14)

4.2 调幅波分析 (17)

4.2.1 调幅波的数学表示式推导 (17)

4.2.2 调幅度计算 (18)

5 总结 (19)

参考文献 (20)

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。要完成无线电通信，首先必须产生高频率的载波电流，然后设法将电报、电话等信号“加到”载波上去。将声音电流加在高频电流上，这个过程称为调制。一个载波电流有三个参数可以改变，即振幅、频率和相位，本次设计要求采用调幅方式。

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。集电极调幅的特点要求调制电压提供较大的驱动功率，m较大时，调幅波非线性失真。

通过非线性器件实现频率变换，产生边带和谐波分量；选择性电路用来选出所需的频率分量并滤掉其他成分，如高次谐波等。常用的非线性器件有晶体二极管、场效应晶体管等。选择性电路大多用谐振回路或带通滤波器。按照电平的高低，调幅器可分为高电平调幅和低电平调幅。大功率广播或通信发射机多采用高电平调幅器。这种调幅器输出功率大，效率高。载波电话机和各种电子仪器多采用低电平调幅器。它们对输出功率和效率要求不高，可以选用调幅特性较好的电路。

本课设其理论意义十分广泛且重要，涉及方面广，而且对电路基础、模拟电子线路、通信电子线路中的一些基础知识要求较高，对以往学过的知识是一次全面的复习。同时也将理论知识应用到设计与实践中。

1集电极调幅的工作原理

1.1 集电极调幅的工作原理

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。要完成无线电通信，首先必须产生高频率的载波电流，然后设法将电报、电话等信号“加到”载波上去。将声音电流加在高频电流上，这个过程称为调制。一个载波电流有三个参数可以改变，即振幅、频率和相位。本次设计要求采用调幅方式。它的基本原理是，将要传送的调制信号（这里我们以话音信号为例）从低频率搬移到高频，使它能通过电离层反射进行传输，在远距离接收端我们用适当的解调装置再把原信号不失真的恢复出来，就达到了传输话音低频信号的目的。即载波的频率和相角不变，载波的振幅按照信号的变化规律而变化，高频振幅变化所形成的包络信号就是原信号的波形。

通过载波传输声音信号，一是高频产生电磁波的要求，二则增添了许多频率段可供人们选择使用，便于滤波。集电极调幅的基本原理电路如图2—1所示：

图1-1 集电极调幅原理电路

cos C cm c U V t ω= 为高频载波电压， cos cm c U V t ωΩ= 为调制信号电压 ，

()cc cc

u V

U t Ω=+作为等效集电极电源电压。

要求放大器在()t V cc 变化范围内应工作在过压区，以使()cm V t 按()t V cc 规律变化，使集电极输出回路上产生振幅按调制信号变化的振幅调制电压o AM U U =。

效率高，功率大，但需大调制信号功率。

1.2 集电极电流脉冲的变化情况

调制信号电压)(t v Ω

加在集电极电路中，与集电极直流电压V cc 串联，因此，集电极

有效电源电压公式中()t m V t V V V V a CC CC CC C Ω+=+=+=ΩΩcos 1cos 0ωυ，V

为

集电极固定电源电压； CC a V V m Ω=为调幅指数。由式可见，集电极的有效电源电压C V 随调制信号压变化而变化。由图1-2所示，

图1-2 同集电极电压相对应的集电极电流脉冲的变化情形

图中，由于B B V 与b V 不变，故max B v 为常数，又P R 不变，因此动态特性曲线的斜率也不变。若电源电压无变化，则动态线C C V 的值不同，沿其平行移动。由图可以看出，在欠压区内，当C C V 由1C C V 变至2CC V （临界）时，集电极电流脉冲的振幅与通角变化很小，因此分解出的2CC V 、2cm I 、1cm I 的变化也很小，因而回路上的输出电压v c 的变化也很小。这就是说在欠压区内不能产生有效的调幅作用。

1.3集电极调幅波形图

当动态特性曲线进入过压区后C C V 等于3cc V 、4cc V 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1cm I 随集电极电压C C V 的变化而变化，集电极回路两端的高频电压也随C C V 而变化。输出高频电压的振幅

1C cm P V I R =?,P R 不变，1cm I 随c u 而变化，而C C

V 是受u Ω控制的，回路两端输出的高频电

压也随u Ω变化，因而实现了集电极调幅。其波形如图2-3所示。

图1-3 集电极调幅波形图

1.4集电极调幅的静态调制特性

当没有加入低频调制电压u Ω（即0u Ω=）时，逐步改变集电极直流电压C C V 的大小，同样可使c i 电流脉冲发生变化，分解出的C O I 或1

cm I 也会发生变化。我们称集电极高频电流1cm I 随C C V 变化的关系线为静态调制特性曲线。根据分析结果可作出静态调制特性曲线如图1-4所示。

图1-4 集电极调幅的静态调制特性

静态调制特性曲线不能完全反映实际的调制过程，因为没有加入调制信号，输出电压中没有边频存在，只有载波频率，不是调幅波。通常调制信号角频率Ω要比载波角频率o ω低得多，因此对载波来说，调制信号的变化是很缓慢的，可以认为在载波电压交变的一周内，调制信号电压基本上不变。这样，静态调制特性曲线仍然能正确反映调制过程。我们可以利用它来确定已调波包络的非线性失真的大小。由图1-4可知，为了减小非线性失真，当加上调制信号电压时，保证整个调制过程都工作在过压状态，所以工作Q 应选在调制特性曲线直线段的中央，即12C C O C C

V V =

处，C C O V 为临界工作状态时的集电极

直流电压。否则，工作点Q 偏高或偏低，都会使已调波的包络产生失真。在本实验中会得到证实。

2集电极振幅调制器电路设计

图2-1集电极振幅调制器电路设计

等效电源电压()cc cc u V U t Ω=+,在调制过程中()C C V t 随调制信号u Ω的变化而变化。如果要求集电极输出回路产生随调制信号u Ω规律变化的调幅电压，则应要求集电极电流的基波分量1cm I ，集电极输出电压()C C V t 随u Ω而变化。由振荡功放的理论可知，应使放大器在()cc

t V

的变化范围内工作在过压区，此时输出信号的振幅值就等于电源供电电压

()C C V t ;如果输出回路调谐在载波角频率o ω上，则输出调制信号，从而实现了高电平调幅。

3集电极振幅调制器电路的仿真

3.1 Multisim软件介绍及使用

3.1.1 Multisim发展简介

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim 提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

目前在各高校教学中普遍使用Multisim10.0，网上最为普遍的是Multisim 10.0，NI 于2007年08月26日发行NI系列电子电路设计软件，NI Multisim v 10作为其中一个组成部分包含于其中。

3.1.2 Multisim 10概述

Multisim10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。此软件可以为你提供以下便利：通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路；

通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为；

借助高级电路分析, 理解基本设计特征；

通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试；

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。

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。

3.1.3 界面基本操作

1.启动Multisim 10

双击桌面上的Multisim 快捷方式或选择程序菜单中的Multisim 选项，即可进入

2.Multisim 界面

图3-2 Multisim 界面

3.元器件库的操作

取用元件： 从元器件库中取用所需元件； 摆放元件：调整元件的位置与方向； 线路连接：连接元件的引脚。

图3-1 Multisim10界面

电

路窗

3.1.4 使用注意事项

不要长时间使软件处于仿真状态，以免死机；

删除元件、仪器、连线等，一定要在断开仿真开关的情况下； 注意数字地与模拟地的差别，使用标准符号； LED 数码管的极性； 分模块调试，最后综合调试。

3.2 仿真电路

3.2.1 仿真电路图

图3-3电极振幅调制器电路的仿真图

3.2.2 仿真波形

1.输入载波信号波形

图3-4 载波信号波形

载波信号的频率为15MHZ。幅度为0.75V。

2. 输入调制信号波形

图3-5 调制信号波形

调制信号频率5KHZ，幅度为3V。.

3.输出波形

图3-6 调幅波及包络输出的调制信号在下章将做详细分析。

4集电极振幅调制器电路分析

4.1 集电极调幅工作状态分析

1.在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大器的工作状态分为三种情况：

(1)欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方

(2)过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区

(3)临界工作状态：欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流正好落在临界线上。

图4-1谐振功率放大器的转移特性曲线

2..集电极调幅即只有cc V 改变，cc V 从小变大，工作状态从过压、临界到欠压。（注意：此时未加入调制信号，仿真电路如图4-2）

图4-2 集电极电路仿真

3. 接下来改变a k 观察输出电压幅度，计算功放倍数u A 。

cc

图4-3 Vcc=1V 时过压状态波形图

由图可知c u =0.75V , 2.25o u =V ,则o u c

u A u ==3，工作在过压状态。

（2）cc V =5V 时，输出仿真图如下：

图4-4 Vcc=5V 时过压状态波形图

由图可知c u =0.75V , 7o u =V ,则o u c

u A u =

=9.3，工作在过压状态。

cc

图4-5 临界状态波形图

由图可知c u =0.75V ，o u =9V ,则o u c

u A u =

=12，工作在临界状态。

（4）cc V =12V 时，输出仿真图如下：

图4-6 欠压状态波形图

由图可知c u =0.75V ，o u =14V ,则o u c

u A u =

=18.67，工作在欠压状态。

当cc V 再增大时，放大倍数基本不变，仍为18.67倍。 4.综上分析可得到如下结论：

过压区放大倍数较小，但稍微改变cc V ，c i 增长率较大；

临界，欠压时，电压放大倍数增大，但在欠压区电流c i 基本不变。

因此只有工作在过压区才能有效地实现c E 对1c I 的调制作用，故集电极调幅电路应工作在过压区。

具体状况如下图所示：

ce

1

图4-7 集电极直流电压变化时对工作状态的影响

4.2 调幅波分析

4.2.1 调幅波的数学表示式推导

根据振幅调制信号的定义,已调信号的振幅与调制信号线性变化, 调制信号为 cos u U t ΩΩ=Ω ；载波信号cos c c c u U t ω=, 则已调信号振幅为

()cos m c U t U k U t αΩ=+Ω

()1cos 1cos a c c c

k U U t U m t U Ω?

?=+

Ω=+Ω ??

?

；其中01C a C C

U k U

m m U U Ω

?==<≤；

式中,a k 称为调制灵敏度,m 称为调幅度（调制度）

0m =时，未调幅；

1m =时，最大调幅(百分之百)；

1m >时，过调幅，包络失真；实际电路中必须避免。

4.2.2 调幅度计算

下图的正弦波为调制信号的包络，包络最大值为()1C U m +，包络的最小值为

()1C U m -,也可以通过此式求得调幅度m 。

图4-8集电极调幅波形仿真图

由图中可以读出参数：min m U =18 ；min m U =8 ；C U =12； 则可算出调幅度m ax m in 12

m m c

U U m U -=

=0.4。

放大倍数在上章已经做出详细的分析。

5 总结

真知来自于实践，每一件事情都需要亲自去做，才能从中真正体验到完整地、严谨地做完一件事是多么的不容易，这其中的好多事情都在预料之外，所谓看花容易绣花难就是这个道理吧。

刚刚开始着手做的时候，有点找不着头绪，不知道如何开始，百度了好多相关文件，浏览下载了很多，但总归不是自己的东西，自己的思路，只能越看越乱，最终回归到课本，仔细翻阅课本的基础知识，手绘了一份电路图，和宿舍的人共同商量，讨论，修改，并在软件上运行，好多次都失败了，示波器显示的都是一些杂乱波形，最糟糕的是有时因马虎忘了元件接地而运行不了，总之，其中犯了好多幼稚可笑的错误，但当调制信号波形呈现出来时，那种发自内心的喜悦真的是用语言无法比拟的，似乎只有笑声才能诠释。通过这次的课设，我渐渐开始了解自己的专业，也渐渐喜欢上它，也从这次课设中明白自己有太多的不足，无论是从专业知识还是从电脑操作都是有太多欠缺。

我的课设题目是集电极调幅，按照最基本的电路连接，基本实现了集电极的调幅功能，由集电极工作在过压区实现集电极调幅，在发射极采用偏置电路，省去了加入基极直流电压，但从总体上看没有太多创新，是本次课设的最大失败，希望在今后有更多地这样的锻炼机会，到实践中去磨练自己，好好提高自己的真本领，增强自己的硬件设施。

时间会检验我们的承诺，每一次的失败总会带来不一样的改变，有一句话说得好，我们总在不经意间长大，的确在一次次的历练中我们在一步步成长。