高频电路的一般设计方法

一、高频电路的一般设计方法

电子电路种类很多，千差万别，设计方法和步骤也因不同情况而异。这里给出高频电路设计的一般步骤，以供参考，设计者应根据具体情况，灵活掌握。

1.总体实现方案的选择

由课题要求实现的电路功能及性能指标，决定最终实现电路的构成。

2.单元电路形式的选择

根据课题要求实现的电路性能指标，确定总体实现方案中，各单元电路的形式。

3.电路参数的计算

根据所选单元电路的形式，对组成电路的各元器件的值进行计算。

4.元器件的选择

元器件的选择，除了要考虑计算出的参数值外，还要遵从节约电路成本，元器件购买方便，以及尽量利用现有条件实现的原则。

以上各步骤之间不是绝对独立的，往往需要交叉进行，尤其是有时受到元器件选择的限制，常会推翻最初的设计方案，从头来做。所以，在进行电路设计之初，要先把可能限制电路实现的因素考虑好，再着手设计，往往可以达到事半功倍的效果。

在完成电路设计之后，可以使用计算机辅助分析软件（例如Pspice）进行电路仿真，做初步调整，然后到实验室装调电路，在调试中分析和解决常见的电路故障。

二、高频电路设计举例

真正实用的发射机、接收机的技术指标项目较多，因为学生刚接触到这方面的知识，所以给定的题目中只是要求结合基础知识完成几项主要技术指标。而整机电路形式的选取可以是分立元件为主，分立与集成电路混合，也可以是单片集成发射与接收系统。

任务：小功率调幅发射机设计

技术指标：载波频率f0=2MHz，载波频率稳定度不低于10-3/分钟，输出负载R L=75Ω，发射功率（输出负载R L 上的功率）P0≥10mW，调制度m a=30%～80%可调，调制频率F=500Hz～3kHz。

（一）实现方案的选择

图1 调幅发射系统框图

1．调幅发射系统分析

图1为最基本的调幅发射系统框图。主要由主振荡器、缓冲级、高频小信号放大器、调制器、高频功率放大器、低频电压放大器等电路组成。

在组成电路中，除了主振器、调制器、调制信号是最基本的组成单元，不能缺少外，其他单元电路的选择，主要根据设计指标要求来确定。

缓冲级将主振器与其后一级隔离，以减小后级对振荡器频率稳定度及振荡波形的影响。所以，是否选择该单元电路，主要根据电路对稳定性的要求高低。一般情况下，需要选择该电路。

高频放大器的任务是将振荡电压放大以后送到振幅调制，为驱动调制级提供足够的增益。是否选择该单元电路，主要根据所选择的振幅调制电路决定。即：如果选用低电平调幅电路（如用集成模拟乘法器做振幅调制器），由于这种调制器为小信号输入，振荡器输出电压一般能够满足要求，就不需要该放大电路；而如果采用高电平调幅电路（如集电极调幅电路），由于它要求大信号输入，振荡器输出电压不能满足时，就要使用一至二级高频放大器。

功率放大器是调幅发射系统的末级，它的任务是提供发射系统所需要的输出功率。是否选择该电路，主要根据系统对发射功率的要求。如果由调幅电路输出的功率能满足性能要求的话，就可以不再其后加功率放大电路，否则，就不能省略。

2．本设计任务总体实现方案的确定

根据以上对调幅发射系统构成电路选择方法的介绍，结合设计任务中给定的技术指标，确定总体实现方案如下：

方案一：低电平调幅发射机

由于设计任务要求实现的是小功率发射机，发射功率（输出负载R L 上的功率）P0为10mW 即可。所以，可以利用提供的集成模拟乘法器MC1496，组成低电平调幅电路。系统框图如图2 所示。

图2 低电平调幅发射机系统框图

方案二：高电平调幅发射机

因为设计任务中对发射功率并没有限制上限值，所以，也可以采用高电平调幅电路组成发射系统，如图3 所示。若缓冲级输出电压能满足高电平调幅电路的要求，并且最终负载上的输出功率也满足指标要求时，则应力求电路结构简单，去除高频放大电路。

图3 高电平调幅发射机系统框图

（二）单元电路形式的选择

1．调幅发射系统各单元电路的分析

（1）主振器

主振器就是高频振荡器，根据载波频率的高低和频率稳定度来确定电路形式。在频率稳定度要求不高的情况下，可以采用电容反馈三点式振荡电路，如克拉泼、西勒电路。频率稳定度要求高的情况下，可以采用晶体振荡器，也可以采用单片集成振荡电路。

（2）缓冲级

缓冲级通常采用射极跟随器，基本原理是利用它的输入电阻高和输出电阻低的特点，在电路中起着阻抗变换的作用。

（3）高频放大器

高频放大器属于线性放大器。根据电路所需要的电压增益和选择性，来确定电路形式。一般电路形式有单调谐放大器和双调谐放大器。在对放大器选择性要求不高的场合，可以选用单调谐放大器。为提高放大器的电压增益，可以选择多级放大器级联的电路形式。

（4）振幅调制器

振幅调制器的任务是将所需传送的信息“加载”到高频振荡中，以调幅波的形式传送出去。通常有低电平调幅和高电平调幅两种实现电路。

低电平调幅电路输出功率小，适用于低功率系统。它的电路形式有多种，如斩波调幅器、平衡调幅器、模拟乘法器调幅等，比较常用的是采用模拟乘法器形式制成的集成调幅电路，即集成模拟乘法器调幅。这种集成电路的出现，使产生高质量调幅信号的过程变得极为简单，而且成本很低。

高电平调幅电路输出功率大，一般在系统末级直接产生满足发射要求的调幅波。它的电路形式主要有集电极调幅和基极调幅两种。集电极调幅电路的优点是效率高，晶体管获得充分的应用；缺点是需要大功率的调制信号源。基极调幅电路的优缺点正好与之相反，它的平均集电极效率不高，但所需的调制功率很小，有利于调幅发射系统整机的小型化。

（5）功率放大器

功率放大器主要有甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）、丙类功放，根据功放的输出功率和效率来确定选择哪一种。采用低电平调幅电路的系统，由于调制器输出信号为调幅波，其后的功率放大器必须是线性的（如甲类、甲乙类或乙类功放）；而采用高电平调幅电路的系统，则在末级直接产生达到输出功率要求的调幅波，多以丙类放大器作为此时的末级电路。

2．设计任务单元电路形式的确定

根据以上对调幅发射系统单元电路形式的介绍，结合本设计任务的技术指标，确定各单元电路形式如

下：由于技术指标中对主振器的频率和频率稳定度要求不高，所以，采用西勒振荡电路；缓冲级采用射极跟随器；低电平调幅电路采用集成模拟乘法器实现；高电平电路采用基极调幅电路。

（三）电路参数计算

根据以上确定的单元电路形式，下面给出具体的电路，以及组成电路的各元件值的计算方法。

1．主振器

图4为西勒振荡电路。它被接成共基极组态，C b 为基极旁路电

容。其静态工作点由偏置电阻R b1、R b2、R e 、R c 决定。电容C 1、

C 2、C 3、C 4 与电感L 1 组成振荡回路。振荡器输出信号一般尽可能

从低阻抗点取出，以减弱外接负载对振荡幅度、频率稳定度的影响。

本电路从发射极取出信号送给下一级。

（1）偏置电阻值的计算

偏置电阻决定静态工作点，所以，要先确定振荡器的静态工作

电流I CQ 。一般小功率振荡器的静态工作电流I CQ 为（1～4）mA ，

设计时可以在此范围内任取一值，如取I CQ =2mA 。根据所选晶体管

型号确定电流放大系数β的值。则： 由CQ

E E E e I V I V R ≈=

，确定e R ，式中一般取CC E V V 2.0≈ 由CQ CEQ CC c e I V V R R -=+，确定c R ，式中取2CC CEQ V V =； 或依据集电极直流电压CC C V V )1~6.0(=，确定c R 。

由流过2b R 的电流βCQ BQ B I I I 10102==，确定

@22B BE EQ B BQ b I V V I V R +==

，式中e CQ EQ R I V =。 由CC b b b BQ V R R R V 212+=，确定???

? ??-=121BQ CC b b V V R R 根据以上计算出的各电阻值，选取最接近的标称电阻值。

为便于调整静态工作点，实际电路中R b1 常用固定值的电阻与电位器串联。

（2）振荡回路元件值的计算

根据西勒振荡器的原理，C 3<

4310C C L f +=π

而一般谐振回路的电感L 与电容∑C 值之间关系取为 6510~10=∑L

由此确定L 1、C 3、C 4 的值。

电容C 1、C 2 由反馈系数F=C 1/C 2，以及电路条件C 3<

以上估算各电容值时，应尽量选取标称电容值。

为便于调整振荡频率，实际电路中C 4 可用固定值的电容与可变电容器并联。

（3）旁路电容值的选取

一般应使旁路电容C b 的容抗为与其并联的电阻值的1/20～

1/10。但是，当与其并联的电阻值较大时，应当使C b 的容抗为几十

欧姆甚至几欧姆。

这里选取标称值F C b μ01.0=。

2．缓冲级

图5为射极跟随器电路，即共集电极组态的放大器。其静态工

作点由偏置电阻R b1、R b2、R e 决定。C 1、C 2 分别为输入、输出耦合

电容。

（1）偏置电阻值的计算

射极跟随器的静态工作电流I CQ 一般为（3～10）mA ，设计时

可以在此范围内任取一值，如取I CQ =4mA 。根据所选晶体管型号确定电流放大系数 的值。而R b1、R b2、R e 值的计算方法，则与主振器中偏置电阻值的计算方法相同，请参照计算。

为便于电路调整，实际电路中R e 可用固定值的电阻与电位器串联。

（2）级间耦合电容的选取

级间耦合电容值的大小，主要由前后级之间的隔离度决定。为减小射随器对前级振荡电路的影响，耦合电容C 1 不能太大，一般为pF 级。而射随电路输出耦合电容C 2 可以取大些，如F μ01.0。

3．低电平调幅电路

采用集成模拟乘法器MC1496 构成的调幅电路，如图6所示。电路采用双电源供电方式。

载波信号从10脚（V X 端）输入，C 3为高频旁路电容，使8脚交流接地；调制信号从1脚（V Y 端）输入，C 4为低频旁路电容，使4脚交流接地。调幅信号从12脚单端输出。电阻R 6、R 7、R 8、R 9、R 10 提供静态偏置电阻，保证乘法器内部的各个晶体管工作于放大状态，阻值的选取应使得下列静态偏置电压关系式成立：

108V V =，41V V =，126V V =

()V V V V 15286≤-≤

()V V V V 157.218≤-≤

()V V V V 157.251≤-≤

根据器件参数要求，5脚静态偏置电流I 5 应小于4 mA ，一般取I 5=1mA ，则

Ω+--=5007.055R V

V I EE

可见，在确定负电源电压V EE 后，可得电阻R 5 的值。

引脚2 与3 之间的外接负反馈电阻R e ，可调节乘法器的信号增益，扩展调制信号的线性动态范围。其值增大，线性范围增大，但乘法器的增益会减小。电阻R

1、R 2 与电

位器R P 组成平衡调节电路，改变R P 的值可以使乘法器输出有载波

的普通调幅波或抑制载波的双边带调幅波。

4．基极调幅电路

图7 为基极调幅电路，载波和调制信号同时加在晶体管的基

极，调幅波从集电极的谐振回路取出。为使晶体管工作状态为甲乙

类或乙类，需要预先确定基极偏置电阻的值。

根据晶体管型号确定截止电压V BE 的值。若选择乙类工作状态，

则基极静态偏置电压V BQ =V BE 。由CC b b b BQ V R R R V 2

12+=，确定R b1、R b2的值，一般这两个电阻值应选为Ωk 数量级。电阻R e 一般取几百

欧姆。

谐振回路电感L 和电容C 的值，依据载波频率LC f π21

0=确定。电感L 采用带磁芯的变压器，以

便调节磁芯改变电感量，达到调谐；同时，也可以实现阻抗匹配。 集电极等效负载电阻()022P V V R ces CC c -=，式中P 0 为设计任务中要求达到的发射功率；ces V 表示晶体管集

电极、发射极间的饱和压降，一般为1V 左右。

设变压器初级线圈匝数N 1，次级线圈匝数N 2，集电极接入初级线圈的匝数N 0，则匝数比由以下两式确定：L Q R N N L c 010ω=， L

Q R N N L L T 012ωη= 式中R L 表示任务指标中给出的发射机输出负载。

5．线性功率放大器

图8 为甲类线性功放电路，适用于中间级或输出功率较小的末级功率放大器。为获得最大不失真输出功率，静态工作点应选在交流负载线的中点，所以，集电极静态电流I CQ 与集电极交流的振幅I Cm 近似相等。 静态工作电流I CQ 一般为（3～10）mA ，设计时可以在此范围内任取一值， 如取I CQ =7mA 。

设变压器的效率8.0=T η，则功放集电极输出功率T c P P η00=。由cm cm c I V P 2

10=，可得集电极电压振幅cm V ，从而得集电极等效负载电阻c cm c P V R 022=。设变压器初级线圈匝数N 1，次级线圈匝数N 2，则匝数比L

c T R R N N η=21。 射极电阻CQ

ces cm CC e I V V V R --=，为提高放大器的输入阻抗，稳定增益，实际电路中R e 常要串联一个几欧姆或几十欧姆的交流负反馈电阻。

基极偏置电阻R b1、R b2 的计算方法，以及旁路电容C e 的选取，详见主振器中偏置电阻和旁路电容的计算。