变容二极管振荡器设计.docx

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变容二极管振荡器设计

前言

在数字化，信息化的时代，数字集成电路应用的非常广泛。

随着微电子技术与工艺的发展，数字集成电路从电子管，晶体管，做成小规模集成电路。

在现在这个高科技的时代，数字技术越来越受到了人们的关注，越来越多的人开始使用数字技术。

数字技术不仅在计算机、通信、雷达、卫星电视、测量仪表、宇航、医学及生物工程等学科领域获得普遍应用，而且遍及人们日常生活中的各个方面，如交通自动控制、程控电话全电子交换系统、可视电话、家庭炊具自动控制等。

我们所学的《高频电子线路》课程是理工科电子、电气和通信类本科专业的一门主干专业基础课程，它涵盖了通信和电子线路的主要内容，在这些专业中占有基础性的地位，同时也是一门工程性和实践性很强的专业基础课程，随着现代通信技术和无线电技术的发展，《高频电子线路》的教学内容不断充实、教学体系不断更新。

目前高频电子线路理论仍在不断充实与发展，越来越多的应用到其它学科领域。

本课程是电子、信息、通信类等专业重要的技术基础课，主要讲述模拟通信功能电路的基本原理及实现方法。

各个功能电路虽然经历了电子管、晶体管、场效应、集成电路及大规模集成系统等不同的实现过程，但是各个功能电路输入信号与输出信号的频谱变换关系是没有变化的，即基本原理不变。

《高频电子线路》是研究模拟通信功能电路的工作原理与分析方法。

培养我们能在电子信息科学与技术、计算机科学与技术及相关领域从事科学研究、教学、科技开发、产品设计工作的能力。

主要内容包括:

高频小信号谐振放大器、高频功率放大器、正弦波振荡器、频谱的线性搬移电路、振幅调制、解调与混频、频率调制与解调、锁相环路和数字调制与解调等。

其中变容二极管是利用PN结的电容随外加偏压而变化这一特性制成的非线性电容元件，被广泛地用于参量放大器，电子调谐及倍频器等微波电路中，变容二极管主要是通过结构设计及工艺等一系列途径来突出电容与电压的非线性关系，并提高Q值以适合应用。

许多中小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频的LC振荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。

较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制方案.

工程概况

本次所做的项目是《高频电子线路》的变容二极管调频振荡器的课程设计，由于抗干扰能力强、功率利用率高、信息传输保真度高等优点，频率调制广泛应用于各种通信系统和电子设备中。

实现调频的方法有直接调频法和间接调频法两类，本次课程设计主要了解了变容二极管调频振荡器的调频特性以及它的调频的基本原理，变容二极管是如何实现直接调频振荡器的构成、性能及特点。

变容二极管是根据普通二极管内部"PN结”的结电容能随外加反向电压的变化而变化这一原理专门设计出来的一种特殊二极管。

二极管的PN结具有结电容，当加反向电压时，阻挡层加厚，结电容减小，所以改变反向电压的大小可以改变PN结的结电容大小，这样二极管就可以作为可变电容器用。

结电容一般只有几个皮法，至多一、二百皮法，所以变容二极管都用于高频电路，例如作为电视接收机调谐回路中的可变电容器。

常见的有2AC、2CC、2DC等系列。

其实我们可以把它看成一个PN结，如果在PN结上加一个反向电压V（变容二极管是反向来用的），则N型半导体内的电子被引向正极，P型半导体内的空穴被引向负极，然后形成既没有电子也没有空穴的耗尽层，该耗尽层的宽度我们设为d，随着反向电压V的变化而变化。

如此一来，反向电压V增大，则耗尽层d变宽，二极管的电容量C就减少（根据C=kS/d），而耗尽层宽d变窄，二极管的电容量变变大。

反向电压V的改变引起耗尽层的变化，从而改变了压控变容器的结容量C。

变容二极管的作用是变容二极管利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。

正文

1设计目的意义

1.1设计目的

（1）查找有关变容二极管直接调频信号的资料。

（2）熟悉和掌握变容二极管直接调频的基本原理和一起技术的概念。

（3）以掌握变容二极管直接调频的基本原理和一些技术的概念来实现一个二极管直接调频电路的设计。

课程设计是课程教学中的一项重要内容，是完成教学计划达到教学目标的重要环节，是一门专业基础课或专业课教学计划中综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践能力、为毕业设计及毕业后从事专业技术工作打下基础，提高学生全面素质具有重要的意义。

1.2设计意义

在掌握高频电子线路的特点，本课程的重点内容就是面向通信和电子系统，掌握高频谐振功率放大器的功能，做好课程设计，为毕业设计及毕业后从事专业技术工作打下基础，提高学生全面素质具有重要的意义。

1.3设的目标

（1）目标明确、重点突出、措施得力、各具特色的课程设计。

（2）有创新、以本专业培养目标和培养规格为依据的、有特色。

（3）根据变容二极管调频振荡器的性能指标要求，设计能完成某种功能的电路系统。

（4）独立完成课程设计任务，要独立思考，刻苦钻研，勇于创新。

（5）要求思路清晰，过程完整，设计的各项功能均能够实现。

（6）严格要求自己，自信但不固执，独立完成课程设计任务，善于接受教师的指导和听取（7）有意识地树立严谨科学作风，要独立思考，刻苦钻研，勇于创新，按时完成课程设计任务。

1.4总体方案

（1）测出调频振荡器的中心频率f0、输出电压Uom、频率稳定度。

（2）静态调频，测出最大频偏，调制灵敏度并绘出变容二极特性曲线。

2设计原理

二极管通过改变外加反向电压可以改变空间电荷区的宽度，从而改变势垒电容的大小。

变容二极管是就是利用这种特性制成的特殊的PN结二极管，是一种电抗可变的非线性电路元件，一般使用的材料为硅或砷化镓。

图2-1是变容二极管的特性曲线。

3调频特性

3.1二极管的特性

（1）二极管最主要的特性是单向导电性，其伏安特性曲线如图3-1所示，

图2-1变容二极管特性曲线图

图3-1二极管的伏安特性曲线

（2）正向特性

另在二极管两端的正向电压（P为正、N为负）很小时（锗管小于0.1伏，硅管小于0.5伏），管子不导通处于“死区”状态，当正向电压起过一定数值后，管子才导通，电压再稍微增大，电流急剧暗加（见曲线I段）。

不同材料的二极管，起始电压不同，硅管为0.5-.7伏左右，锗管为0.1-0.3左右。

（3）反向特性

二极管两端加上反向电压时，反向电流很小，当反向电压逐渐增加时，反向电流基本保持不变，这时的电流称为反向饱和电流（见曲线II段）。

不同材料的二极管，反向电流大小不同，硅管约为1微安到几十微安，锗管则可高达数百微安，另外，反向电流受温度变化的影响很大，锗管的稳定性比硅管差。

（4）击穿特性

当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿（见曲线III）。

这时的反向电压称为反向击穿电压，不同结构、工艺和材料制成的管子，其反向击穿电压值差异很大，可由1伏到几百伏，甚至高达数千伏。

（5）频率特性

由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使PN结短路。

导致二极管失去单向导电性，不能工作，PN结面积越大，结电容也越大，越不能在高频情况下工作。

3.2变容二极管

变容二极管是利用PN结的电容随外加偏压而变化这一特性制成的非线性电容元件，被广泛地用于参量放大器，电子调谐及倍频器等微波电路中，变容二极管主要是通过结构设计及工艺等一系列途径来突出电容与电压的非线性关系，并提高Q值以适合应用。

变容二极管的结构与普通二极管相似，其符号如图3-2所示。

设调制信号

，载波

，根据调频的定义可知：

调频时载波的振幅不变，而瞬时频率

将随

线性变化，即

（3-1）

图3-2变容二极管图形符号

根据瞬时相位

与瞬时频率

的关系有

（3-2）

故调频波的数学表达式为

（3-3）

上述式子中，

是调频波瞬时频率的最大偏移，简称频偏，它与调制信号振幅成正比。

比例常数

亦称调频灵敏度，表示单位调制电压所产生的频偏。

称为调频指数，是调频瞬时相位的最大偏移，它的大小反映了调制深度。

由于抗干扰能力强、功率利用率高、信息传输保真度高等优点，频率调制广泛应用于各种通信系统和电子设备中。

实现调频的方法有直接调频法和间接调频法两类，即直接调频和间接调频。

直接调频的基本原理是利用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。

如果受控振荡器是产生正弦波的LC振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。

将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。

可变电抗器件很多，其中应用最广的是变容二极管。

作为电压控制的可变电容元件，它有工作频率高、损耗小和使用方便等优点。

3.3变容二极管的特性

变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压大小而变化的原理设计的一种二极管。

它的极间结构、伏安特性与一般检波二极管没有多大差别。

不同的是在加反向偏压时，变容二管呈现较大的结电容。

这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。

正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会随调制信号电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。

变容二极管的反向偏置电压

与结电容

呈非线性关系，表示如下

（3-4）

式中，

为变容二极管PN结的势垒电压，

为

时的结电压，

为电容变化系数。

4变容二极管调频的基本原理

变容二极管调频电路如图4-1所示

从图中可以看出，它是由LC振荡器与变容二极管及其偏置电路组成。

其中Cc为耦合电容，Lc为高频扼流圈，它对高频信号可视为开路。

变容二极管是振荡回路的一个组成部分，加在变容二极

图4-1变容二极管调频器的原理电路

管上的反向电压为

ｕr=Vcc-VB+uΩ（t）=VQ+uΩ（t）               （3-5）

式中VQ=Vcc-VB是加在变容二极管上的直流偏置电压;ｕΩ（t）为调制信号电压。

图4-2（a）容二极管的结电容与反向电压ｕr的关系曲线,由电路可知,加在变容二极管上的反向电压为直流偏压VQ和调制电压uΩ（t）之和,若设调制电压为单频余弦信号,即uΩ（t）=UΩmcosΩt则反向电压为

ｕr（t）=VQ+UΩmcosΩt                 （3-6）

在ｕr（t）的控制下,结电容随时间发生变化如图4-2（a）所示。

结电容是振荡器的振荡回路的一部分,结电容随调制信号变化,回路总电容也随调制信号变化,故振荡频率也将随调制信号而变化,如图4-2（b）变容二极管的特性及工作状态,可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性关系,如图4-2（c）所示,从而实现调频。

图4-2结电容随调制电压变化关系

5电路分析

设调制信号为uΩ（t）=UΩmcosΩt,加在二极管上的反向直流偏压为VQ,VQ的取值应保证在未加调制信号时振荡器的振荡频率等于要求的载波频率,同时还应保证在调制信号uΩ（t）的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。

加在变容二极管上的控制电压为

ｕr（t）=VQ+UΩmcosΩt                            （3-7）

根据式（3-7）可得，相应的变容二极管结电容变化规律为

（1）当调制信号电压uΩ（t）=0时，即为载波状态。

此时ｕr（t）=VQ，对应的变容二极管结电容为CjQ

 （3-8）

（2）当调制信号电压uΩ（t）=UΩmcosΩt时,对应的变容二极管的结电容与载波状态时变容二极管的结电容的关系是

上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。

而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电压的关系由振荡回路决定。

如图4-3是变容二极管部分接入振荡器振荡回路的等效电路。

调频特

（3-9）

令ｍ=uΩ/（UD+VQ）为电容调制度,则可得

 （3-10）

性取决于回路的总电容C∑,而C∑可以看成一个等效的变容二极管,C∑随调制电压uΩ（t）的变化规律不仅决定于变容二极管的结电容Cj随调制电压uΩ（t）的变化,而且还与C1和C2的大小有关。

因为变容二极管部分接人振荡回路,其中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但其最大频偏要减小。

图4-3变容二极管部分接入振荡器振荡回路的等效电路

如图4-4所示是变容二极管全部接入振荡回路的等效电路。

图4-4变容二极管全部接入振荡器振荡回路的等效电路

变容二极管构成的调频振荡器实验线路如下图3-5所示：

图4-5变容二极管构成的调频振荡器实验电路

6实际电路举例

图6-1是一个8MHz变容二极管调频振荡器电路原理图和高频等效电路。

图中，变容二极管的直流偏压由R1、R2和电位器RP组成的分压电路供给。

为了获得较好的调制特性，偏置电压选在一4V，对应的结电容为100pF,，当偏压由0～一8V变化时，结电容变化230～60pF。

调制信号通过耦合电容C3和高频扼流圈ZL1加到变容二极管上，ZL1对8MHz信号相当于开路，对调制信号相当于短路。

因此，加在变容二极管上是直流偏压与调制电压之和。

这是一个共集电极的电容三点式振荡电路。

电路的振荡频率是

式中

此调频电路的最大线性频偏约为±200kHz。

为了使振荡器的中心频率稳定在8MHz，电路采用了自动频率微调措施，自动频率微调电压经滤波电容C11和扼流圈ZL2加到变容二极管负极（自动

频率微调电路未画出）。

图3-7是某通信机中的变容二极管调频电路。

它是一个电容三点式振荡器，变容二极管经电容C5，接入谐振回路，调整电感L的电感量和变容二极管的偏置电压VB可使振荡器的中心频率在50MHz到100MHz范围内变化。

调制电压

通过高频扼流圈LP2加到变容二极管的负极上实现调频。

LP1、LP2、LP3和LP4均为高频扼流圈。

在这个电路中采用了两个变容二极管，并且同极性对接，常称为背靠背连接，其主要目的是减小高频振荡电压对变容二极管总电容的影响。

在前面的分析中曾假设变容二极管两端高频振荡电压很小，忽略其对变容二极管电容的影响，而实际上这个影响是存在的。

为了减小这个影响采用两个变容二极管背靠背串接的方式，由两个变容二极管代替一个变容二极管。

对高频振荡电压来说，每一个变容二极管只有原来高频振荡电压的一半，这样就能减小高频振荡电压对变容二极管总电容的影响。

而对于调制电压

来说，由于是低频信号，高频扼流圈LP1和LP2相当于短路，加在两个变容二极管上的调制电压是相同的。

变容二极管调频电路的优点是电路简单，工作频率高，易于获得较大的频偏，而且在频偏较小的情况下，非线性失真可以很小。

因为变容二极管是电压控制器件，所需调制信号的功率很小。

这种电路的缺点是偏置电压漂移，温度变化等会改变变容二极管的结电容，即调频振荡器的中心频率稳定度不高，而在频偏较大时，非线性失真较大。

图6-18MHz变容二极管调频振荡电路

图6-2变容二极管调频振荡电路

致谢

高频电子线路课程设计是通信工程专业的基础教育课程中的重要组成部分，是计算机和通信专业结合的理论基础。

我经过两个星期的努力，高频电子线路的课程设计也接近了尾声，从头再检查自己的设计，缺陷还是很多，对本身课程的知识也掌握不够。

但是通过此次课程设计，不但复习了高频电子线路的基本概念，主要还是学到了很多不知道的课外知识。

我们应该具有学会学习、自主探索和合作交流的能力。

在课程设计进行的同时，我们还在这种环境中培养了我们主动学习的能力。

课程设计是每个大学生必须面临的一项综合素质的考验，如果说在我们的学习阶段是一个知识的积累过程，那么现在的课程设计就是对过去所学的知识的综合应用，是对理论进行深化和重新认识的实践活动。

在这近两个星期的课程设计中，我们有艰辛的付出，当然也有丰收的喜悦。

知识固然得到了巩固和提高，但我相信在实践中的切身体会将会使我在以后的工作和学习中终身受用。

首先，学习能力和解决问题的信心都得到了提高。

通过这次课程设计，我不仅对理论有了更深一步的认识，还培养了自学能力和解决问题的能力，更重要的是，培养了克服困难的勇气和信心。

其次，培养自己团队合作的精神。

一个完整的系统往往包含了模拟和数字部分，而这两部分又往往是由多人分工合作完成的。

两者能不能有机地结合，主要取决于设计者们之间的配合。

因此在整个过程中，我们六位组员经常互相交流，互相合作，最终顺利地完成任务。

在此特别感谢老师和同学的帮助，也很自信，因为通过自己的努力，得到了成果。

那种感觉好象一个久违的笑容或是一声亲切的问候。

在以后的实验过程中，我会克服更多的困难，去学习模拟，以便进行实践。

在课程设计过程中，我认为最重要的东西是对知识的灵活应用和理论实践相结合的原理，而不是电路图如何实现的问题，也就是说在课程设计过程中，我一直把自己想像成一名教师正在使用这个课件给学生们上课，这样就会对该软件如何制作有了一个总体的把握，使用起来也有头有序，不会乱成一团。

总之，通过这次课程设计，使我掌握了一些有用的知识，这对我以后的学习和生活非常的有帮助，也使得我对自己的总体知识水平有了一个了解。

懂得了知识的重要性。

使我学会了如何运用所学的知识、收集、归纳相关资料解决具体问题的方法，加强了我的动手能力、分析和解决问题的能力、以及增强综合运用得能力。

我这次课程设计能够顺利的完成。

那是因为老师的耐心指导以及同学的帮助下才能按时完成老师规定的课程设计，希望以后还有这样能够锻炼自己的机会。

参考文献:

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高等教育出版社,2000.

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高等教育出版社,1993.

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高等教育出版社,2004.

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[8]懂尚斌.高频电子线路实验指导.武汉大学电子信息学院,2003.

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