变容二极管调频电路设计

调频电路具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。主要应用于调频广播、广播电视、通信及遥控。调频电台的频带通常大约是200～250kHz，其频带宽度是调幅电台的数十倍，便于传送高保真立体声信号。由于调幅波受到频带宽度的限制，在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾，因此音频信号的频率局限于30～8000Hz的范围内。在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至30～15000Hz，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。

变容二极管调频电路是一种常用的直接调频电路，广泛应用于移动通信和自动频率微调系统。其优点是工作频率高，固有损耗小且线路简单，能获得较大的频偏，其缺点是中心频率稳定度较低。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。

本课题载波由LC电容反馈三端振荡器组成主振回路，振荡频率有电路电感和电容决定，当受调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡频率受调制信号的控制，从而实现调频。

1、方案选择

变容二极管调频方式有两种：间接调频和直接调频。

（1）间接调频

先将调制信号进行积分处理，然后用它控制载波的瞬时相位变化，从而实现间接控制载波的瞬时频率变化的方法，称为间接调频法。

根据前述调频与调相波之间的关系可知，调频波可看成将调制信号积分后的调相波。 这样，调相输出的信号相对积分后的调制信号而言是调相波，但对原调制信号而言则为调频波。这种实现调相的电路独立于高频载波振荡器以外，所以这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳定性可以做得较高，但可能得到的最大频偏较小。

（2）直接调频

用调制信号直接控制振荡器的瞬时频率变化的方法称为直接调频法。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。

可变电抗器件的种类很多，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。具有铁氧体磁芯的电感线圈，可以作为电流控制的可变电感元件。此外，由场效应管或其它有源器件组成的电抗管电路，可以等效为可控电容或可控电感。

直接调频法原理简单，频偏较大，但中心频率不易稳定。在正弦振荡器中，若使可控电抗器连接于晶体振荡器中，可以提高频率稳定度，但频偏减小。

在满足设计的各项参数的基础上尽量简化电路。因此本次课程设计采用变容二极管直接调频设计电路。

2、变容二极管直接调频原理

变容二极管调频电路是有主振电路和调频电路构成，如变容二极管调频仿真图，T

为振荡管，3C、4C、5C、1L为主振回路，D2为变容二极管，Cc为耦合电容隔离直流，

6C为高频滤波电容，7C为耦合电容，1C为旁路电容。6R、8R为变容二极管提供一个静态反偏电压，7R为隔离电阻，1R、2R、4R、5R给三极管提供一个合适静态工作点。

设调制信号为u（t）=mucost，加在二极管上的反向直流偏压为QV，QV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u（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

ru（t）=QV+mucost 式（2-1）

根据式（3-1）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u（t）=0时，即为载波状态。此时ru（t）=QV，对应的变容二极管结电容为jQC，其中

CQ为静态工作点所对应的变容二极管节电压。

当有调制时，谐振回路的总电容为：

由变容二极管部分接入振荡器振荡回路的等效电路。调频特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u（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u（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。

3、变容二极管直接调频

3.1 变容二极管工作原理

变容二极管又称可变电抗二极管“。是一种利用PN结电容（势垒电容）与其反向偏置电压Vr的依赖关系及原理制成的二极管。所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术。反偏电压愈大，则结电容愈小。变容二极管具有与衬底材料电阻率有关的串联电阻。主要参量是：零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围（以皮法为单位）以及截止频率等，对于不同用途，应选用不同C和Vr特性的变容二极管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。

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。 已知，结电容Cj与反向电压vR存在如下关系：

此外假定调制信号为单音频简谐信号。结电容在vR（t）的控制下随时间发生变化。

把受到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡频率亦受到调制信号的控制。适当选择变容二极管的特性和工作状态，可以使振荡频率的变化近似地与调制信号成线性关系。这样就实现了调频。

4、电路实现

4.1课程设计指标

（1）主振频率：f0=12MHz

4.2元件参数选择

（1）电源电压：2.5V

（2）高频三极管采用2N2222（硅NPN管，CI=600mA，P=625mW，ceV=30V，cbV=60V，ebV=5V）

（3）变容二极管采用FMMV2109：反向偏置电压为4V，R6与R8为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压VQ，电阻R3称为隔离电阻，常取R7》》R6，R7》》R8，以减小调制信号VQ对VQ的影响。已知VQ=4V，若取R8=10k，隔离电阻R7=150k，则R6=10K。 （4）LC振荡器：由公式f0=

LC

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可知，假设L=10uH，则LC振荡回路总电容C=18pF，

那么C4取10pF，C5取8pF。

4.3电路设计仿真图

变容二极管直接调频电路仿真图如图4.1

4.4电路仿真结果

（1）LC振荡器输出频率测量值f0=12MHz。仿真结果如图4.2

（2）输出波形如图4.3。

4.5 PCB如图4.4所示