高频电路课程设计-调相(PM)放大器

目录

一、设计思路与系统组成 (1)

1.1 设计思路 (1)

1.2 系统组成 (1)

二、各电路设计及原理 (3)

2.1 调制信号1KHz产生电路 (3)

2.2 载波信号10MHz产生电路 (4)

2.3 调相电路 (5)

2.4 前置放大 (8)

2.5 高频振谐功率放大及匹配网络 (9)

三、总结与体会 (11)

四、附录 (12)

五、参考文献 (13)

一、设计思路与系统组成

1.1 设计思路

课题要求设计一个调相（PM）放大器，这样必须有载波发生器和调制信号发生器。对于不同的频段发生器的设计有所不同。RC振荡电路适用于低频振荡， RC 一般用于产 1Hz~1MHz 的低频信号。这样可以用 741 放大器与 RC 电路构成新的 RC 正弦波振荡器来产生 1Khz 的调制信号。由于石英晶振本身的参数具有高度的稳定性，因此选用皮尔斯振荡器来产生10MHz 的载波信号。当这两种信号都准备好了，加在调相电路上完成调相功能。调相电路主要是由多级变容二极管调相模块构成的。这一部分是这个电路的核心。输出的调相波经过前置放大后再经过功率放大，最后经过匹配网络匹配后可产生用于天线发送的调相波。

1.2 系统组成

本系统是由五个大的模块构成，分别是调制信号产生电路（1KHz）；低频放大器；载波信号产生电路（10MHz）；调相电路；高频功率放大器。其中高频功率放大器又包括前置放大器，功率放大器和匹配网络。调制信号产生电路和载波信号产生电路产生的分别是 1KHz 和10MHz 的正弦波。低频信号采用RC震荡电路产生，高频信号采用晶体震荡电路产生，用调制信号改变谐振回路参数，使载波信号通过回路时产生相移而形成调相波，再对产生的调相信号进行放大，提高到功率放大级的输入范围，经丙类谐振功率放大，T型选频网络选出有用信号频率。系统总体结构框图如图1所示。

图一系统总体结构框图

二、各电路设计及原理

2.1 调制信号1KHz产生电路

文氏电桥振荡电路又称RC串并联网络正弦波振荡电路，它是一种较好的正弦波产生电路，适用于频率小于1MHz，频率范围宽，波形较好的低频振荡信号。因此采用它产生1KHz 调制信号。

从结构上看，正弦波振荡器是没有输入信号的，为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈风络是振荡电路的最主要部分。但是,这样两部分构成的振荡电路通常是得不到正弦波的，这是由于正反馈时不量是很难控制，帮还需要加入一些其他电路。

下图即为运算器组成的文氏电桥RC正弦波振荡电路。

图2 文氏电桥RC正弦波振荡电路图

图2中R5、R7构成负反馈支路，R8、R9、C6、C7的串并联选频网络构成正反馈支路并兼作选频网络，二极管构成稳幅电路。调节电位器R6可以改变负反馈的深度，以满足振荡的振

幅条件和改善波形。二极管D1、D2要求温度稳定性好且特性匹配，这样才能保证输出小型正负半周对称，同时接入R7以消除二极管的非线性影响。

2.2 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。将石英谐振器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，石英谐振器接在晶体管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。把石英谐振器作为串联谐振元件来使用，使之工作在串联谐振频率上，称为串联型晶体振荡器。 本电路利用皮尔斯振荡电路原理产生10MHz 载波信号。下图即为皮尔斯振荡器电路。

图3 皮尔斯振荡电路图 图4 交流等效电路图

在图3中，总电容C ∑=Co+1/(1/C2+1/C3+1/C4+1/Cq)

故皮尔斯振荡器工作频率：q L c f ∑=π21

石英晶体振荡器采用适应近体谐振器作为选聘回路的振荡器，其振荡频率主要有石英

晶体决定。于LC回路相比，适应近体振荡器具有很高的标准性和品质因数，使石英晶体振荡器可以获得较高的频率稳定度。

石英晶振的符号及其等效电路图如下图所示

图5 石英晶振的符号及其等效电路图

由等效电路可知，晶体振荡器是一个串并联谐振回路，串并联谐振频率fq、fp分别为：

2.3 调相电路

调相电路采用并联谐振回路的相频特来实现，其具体电路如图所示。

图6 单级变容二极管调相电路

（1）工作原理：

1、当0)(=Ωt V 时，变容二极管反向电压Q r V V =，谐振回路谐振频率为

c j C L ω=11

。

输出电压与输入电压同相)(t V V V Q r Ω+=。

2、当0)(>Ωt V 时，变容二极管反向电压加大，j C 减小，谐振回路谐振频率为c j C L ω>11

输出电压的相位为?ω+t c 。

3、当0)(<Ωt V 时，变容二极管反向电压减小，j C 增大，谐振回路谐振频

率为c j C L ω<11

输出电压的相位为?ω-t c 。

附加相移在调制信号控制下变化，导致输出电压的相位也随调制信号变化，从而实现调相。

（2）调相分析:

设输入载波信号t w V t V c cm c cos )(=

调制信号t V t V cm Ω=Ωcos )(

变容二极管作为回路总电容，当m 很小时，回路的谐振频率为：

)()cos 21()(t t m t C C ωωγ

ωω?+=Ω+=

t m t C Ω=?cos 2

)(ωγ

ω 输出电压：)cos()()(?ωω+=t Z I t V C c cm

分别是谐振回路在c ωω=上呈现的阻抗幅值和相移。

在失谐不大的条件下,()()

t t Q C ωωω?--=2arctan ??π

?≈

)

()]([2)()(2t t Q t t Q C C C C ωωωωωωωω??+?+--=--≈

C t Q ωω)

(2?≈

t m t C Ω=?cos 2)(ωγ

ω

)(cos cos m Q m t m t m Q p p γγ?=Ω=Ω≈

]cos cos[)()(t m t Z I t V p C C cm Ω+=ωω

实现线性调相的条件：)6(6π

π

?<

由于本设计要求最大相偏为2π，由于单级变容二极管调相电路最大相偏为6π，所以得采用三级单回路变容二极管调相电路，扩大相偏，最大相偏

263ππ=?

=。电路如下图所示。

图7 三级单回路变容二极管调相电路图

2.4 前置放大

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 < Vc，同时Vce>1V，使三极管工作在甲类放大状态。放大电路如图所示:

图8 前置放大电路图

2.5 高频振谐功率放大及匹配网络

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，使功率管 Q 点设在截止区，使其工作在丙类状态。

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。