杭电电子设计课件―高频部分.ppt

电子设计—高频部分课件制作：刘国华2009.3电子信息学院内容安排第一讲基础知识第二讲高频放大器及设计第三讲振荡器及设计第四讲调幅与调频通信及系统设计第五讲设计举例参考资料1.谢自美主编.电子线路综合设计.武汉：华中科技大学出版社，20062.高吉祥主编.高频电子线路设计.北京：电子工业出版社，20073.谢自美主编.电子线路设计·实验·测试（第二版）.武汉：华中科技大学出版社，20004.李晋炬编著.通信电路与系统实验教程.北京：北京理工大学出版社，20065.于海勋,郑长明.高频电路实验与仿真.北京：科学出版社,2005.第一讲基础知识一、理论基础二、测量基础三、设计与布线基础一、理论基础1.通信系统（以调幅为例）2.高频小信号放大器3.高频功率放大器4.高频振荡器5.频谱变换6.反馈控制电路1.调幅通信系统包括发射机和接收机。发射机组成框图：振荡器高频放大器（倍频器）振幅调制器微音器低频放大器天线图1-1调幅发射系统框图产生载波声电转换载波放大振幅调制调幅接收机接收机框图高频放大器扬声器混频器低频放大器振幅检波器中频放大器本机振荡器天线图1-2超外差式调幅接收机框图混频器：对本振信号和高频输入信号相乘运算，输出固定的差拍频率（中频），有利于后级中频放大器设计。本振：频率稳定度很高的高频振荡器，振荡频率随输入信号频率改变而改变。高质量接收机用频率合成方式产生本振频率。2.高频小信号放大器技术指标高频小信号放大器的技术指标有中心频率f0、增益AV、带宽BW0.7和矩形系数Kr0.1和噪声系数NF。（1）中心频率中心频率是指调谐放大器的工作频率，在此频率上，调谐放大器增益最大。它是调谐放大器的重要性能指标，同时也是选择有源放大器和计算调谐回路设计参数的重要依据。（2）增益Av:电压和功率增益20lgoViVAV10lgopiPAP带宽和矩形系数（3）带宽和矩形系数fO02VA010VA0.72f0.12f0f()VAf图1-3带宽和矩形系数0.10.10.722rfKf矩形系数矩形系数大于1，越小放大器性能越接近理想。噪声系数（4）噪声系数：噪声系数用输入信号噪声功率比(S/N)i与输出噪声功率比(S/N)o定义。通常用dB表示。(/)10lg(/)iFoSNNSN噪声系数反映了信号从电路输入端传到输出端时，信噪比的恶化程度。NF=0dB时，说明放大器时理想的，没有引入噪声。通信系统是由多级级联而成，而系统的噪声系数主要由第一级决定。越往后级，对系统噪声系数影响越小。因此，接收机前端放大器必须采用低噪声放大器。高频小信号放大器特点和电路（1）频带放大器:带宽问题（2）有窄带和宽带放大器之分：负载有调谐回路的为窄带放大器（3）增益不是很大：30dB（4）工作稳定性问题：采用负反馈，牺牲增益增加稳定性；采用结电容小的管子VccOUTCcINCBRB1RB2RECELBGRC10KC11021046.2k51090145/20C2474715k图1-4单调谐放大器电路图0.70.702/LBWffQ200.1101LfBWQ''8TMbbbcffrC最高频率：功率放大倍数为12.高频谐振功率放大器1.特点：静态时管子截止，大信号输入管子导通，工作在C类。导通角90º，效率较高。2.与高频小信号放大器区别：高频谐振功放工作在大信号状态，输入信号几百毫伏到几伏，晶体管工作在非线性状态，工作在C类，输出功率大，效率较高。小信号谐振放大器工作在小信号状态，输入信号微伏到毫伏级，晶体管工作在线性区域，工作在A类，输出功率小，效率不高（最高50%）。电路和工作状态原理电路如图1-5.工作状态：欠压、临界、过压。欠压：基极调幅用。由于效率低，功率管容易烧坏，一般不用。临界：输出功率最大，发射机末端用。过压：效率可达最大，管子耗散功率小，工作比较安全，功放中间级用、集电极调幅用。VCCLcC1RbEbC2CLvovi图1-5高频谐振功放电路与负载特性Ic1mIc0ηcPOPTRLηcIc1mIc0POPT临界欠压过压设计方法简介具体设计方法和计算步骤如下：（1）利用公式计算出导通角。VBE为管子起始导通电压，Vbm为基极输入电压峰值。（2）查余弦脉冲分解系数表得出α1、α0和γ。（3）一般给定输出功率Po，由公式可以计算出Ic1m。（4）由公式，计算出Ic0。（5）由公式PD=VCCIc0计算出电源提供功率。（6）由公式PT=PD-PO计算出管子消耗功率。（7）最后由公式计算出效率。以上只是理论计算结果，实际设计高频谐振功率放大器时，需要耐心调试与测试，才能使设计电路符合要求。4.高频振荡器范围应用：载波源、本振电路组成：基本放大电路、选频网络和反馈网络起振、平衡、稳定条件：振幅条件和相位条件实际电路：三点式、晶振（基音、泛音）、VCO、PLL频率合成性能指标：频率稳定度、输出电平稳定度和波形失真12(0,1,2,3...)VafAFnn0100AiFffAvf决定振荡频率决定振荡幅度...)3,2,1,0(21nnFAfaV原理电路三点式振荡电路：电容、电感三点式图1-6三点式振荡器原理图电容三点式振荡器的反馈元件为电容，因此谐波失真小，波形好，频率调节不方便且频率覆盖系数小。电感三点式振荡器反馈元件为电感，谐波失真大，波形差，振荡频率最大几十MHz，容易起振，频率覆盖系数大是其优点。实际设计中，高频率稳定度的电容三点式振荡器用的比较多，比较典型的有克拉泼振荡器和西勒振荡器。克拉泼与西勒振荡器电容三点式振荡器共基极克拉泼：特点：振荡频率与C3有关，与晶体管结电容无关，频稳度高。但频率覆盖系数小。西勒：特点：接入系数小，频率稳定度高，频率覆盖系数大，应用广泛。图1-7克拉泼与西勒振荡原理电路TR4C2C3C1L1R5CBRb1Rb2RcVCCL1TR4C2C3C1CBRb1Rb2RcVCCC4CLf10213211111CCCCC1C3，C2C3，则CΣ≈C3，31021CLf4343211111CCCCCCC5.频谱变换与电路频谱变换频谱搬移频谱非线性变换幅度调制和解调混频倍频调频鉴频限幅AM、DSB、SSB包络检波和同步检波直接调频间接调频变容二极管调频晶体管振荡器直接调频电容话筒调频斜率鉴频、相位鉴频、比例鉴频锁相鉴频锁相调频振幅调制与解调原理振幅调制数学原理()cosmvtVt()cosccmcvtVt()(1cos)cosAMcmcvtVmttcoscos()cos()22cmccmccmcmmVtVtVt调制信号载波信号1()[cos()cos()]2DSBcmccvtmVtt振幅解调原理大信号二极管包络检波：二极管和RC低通滤波电路同步检波：输入振幅调制信号和恢复载波振幅调制电路高电平调幅高频功率放大和振幅调制同时进行，用高频谐振功放实现。工作在过压状态。电路略。低电平调幅先调幅再功率放大。可用模拟相乘器实现。R11KC1104IN1IN2C3220uW2C2104W1R6820R7820ABR456R556R96.8k-8VR134301014145612328C4103R81kR21KR34.7KR104.7kR11150kC5104EDFR123.3k+C6104OUTBG1BG0R02.7k+K1+12V-12V+CMC1496C710u图1-8MC1496构成的振幅调制电路载波输入调制信号输入振幅调制波形与测量振幅调制波形ABBA图1-9振幅调制波形与测量方法(a)AM波形峰谷法测量(b)AM波形梯形法测量(c)DSB波形%100BABAm调幅度梯形法：将AM信号送到示波器垂直通道，调制信号送到水平通道，示波器上显示波形，用上式可以计算调制系数m。通过观察A、B间的连线是否为直线可以判断调制过程中有无明显的非线性失真。频率调制原理调频信号的数学表达式：()cos(sin)FMmcfvtVtmt2(1)FMfBWmF调频信号带宽：调频信号波形：载波频率随调制信号幅度而改变的疏密波，载波幅度不变调频信号指标：最大频偏△fm频率调制电路变容二极管调频电路Rw110KR32kR4100kC281R2C13L2C3K1L1C4C5R6C6R7C8R17C7R8R11R12C9RW3C11R14C12R15CR16BG5K2+12VBG4R13C17C16L4C10BG3R10R9C15L3BG2R5W2C1103101755682136pF201032211031031032212229014901447uF65k4.7k4.7k4.3k1k24k2k511k6.2k15k10k51k5102k2kBG1图1-10变容二极管调频电路本质上是一个压控振荡器VCO鉴频电路通常调试比较复杂，故设计时一般用集成电路实现，如MC3362内部就集成有乘积型相位鉴频器。混频原理和电路数学原理1211221212121()()()coscos[cos()cos()]2MmmmmvtvtvtVtVtVVttfsfLfI图1-11混频电路模型混频器的主要技术指标有混频增益、1dB压缩点、三阶互调阻断点、噪声系数和隔离度。混频器在产生中频信号的同时，会产生很多的混频失真，接收机中绝大多数失真来自混频器。常见的混频干扰和失真有镜频干扰，交叉调制失真和互调干扰。51KΩMC1596G1KΩ1KΩ51Ω51Ω10KΩ10KΩ51Ω6.8KΩ－8V0.1uF0.001uF5-80pF5-80pF9.5uH100uH100uHZL+8V输出vLVS23691214411080.1uF图1-12混频电路6.反馈控制电路自动增益控制电路（AGC）作用：当输入小信号时，系统高增益，当输入大信号时，系统低增益。输入信号幅度变换范围较大时，输出幅度基本不变。调幅接收机中可明显改善输入信号动态范围，通常从检波输出反馈到高放和中放电路，自动调节高放和中放增益。自动频率控制电路（AFC）作用：通过频率负反馈，自动调节本振频率稳定在预期频率上。调频接收机中使用较多，通常从鉴频器输出反馈到本振端，本振一般采用VCO。自动相位控制电路（锁相环路PLL）通信系统中用途最广泛，大都采用集成PLL电路实现，环路锁定后，输出频率锁定在输入频率上，无频率差，可用来产生高稳定的本振信号。也可用于频率调制和鉴频。以后将详细介绍具体应用。AGC和AFC原理电路图1-13调幅接收机电路AGC原理：信号↓→|AGC|↓→D1截止→R2,D1对T1无负载作用→T1负载电阻↑→T1增益↑AFC原理：VCO↑→fI+Δf→鉴频输出电压↑→VCO↓图1-14带AFC的接收机电路和VCO特性高放变频中放检波低放低通滤波器至扬声器VAGCR1R4R3R6C4R5T1T2EcR2VAGCD1C1C2C3AB混频器中频放大器限幅鉴频器低通滤波和放大器VCO解调输出fs±ΔfsfLO±ΔfLOfI±ΔfIoυcΔfvΔυdΔf΄o锁相环原理PLL原理框图鉴相器PD压控振荡器VCO环路滤波器LFvi(t)vo(t)vd(t)vc(t)图1-15PLL的组成框图环路锁定后：f0=fi由于有VCO的存在，PLL的输出频率在一定范围内才可能等于输入信号频率。理解这一点是理解锁相环的关键。Kdsinφe(t)φ1(t)φ2(t)φe(t)F(p)υd(t)υc(t)Ko/pφ2(t)图1-16锁相环路的数学模型锁相环应用锁相分频（倍频）图(a)f0=Nfi锁相混频图(b)锁相调频和鉴频图(c)(d)锁相频率合成图(e)设晶振频率为fr，输出频率为fo，则fr与fo的关系为当参考频率fr一定时，改变可变程序分频比可以改变输出频率fo，并且步进间隔为。PDLFVCO÷N(×N)ωiφi(t)ωoφo(t)φ΄o(t)ω΄oPDLFVCO中频放大器ω