电子设计-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 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 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 带宽和矩形系数 3 带宽和矩形系数 图1 3带宽和矩形系数 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 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 图1 4单调谐放大器电路图 最高频率 功率放大倍数为1 2 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 90 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 图1 5高频谐振功放电路与负载特性 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 1 0和 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 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 C1 C3 C2 C3 则C C3 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 调制信号 载波信号 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 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 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 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 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 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 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 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 f 鉴频输出电压 VCO 图1 14带AFC的接收机电路和VCO特性 锁相环原理 PLL原理框图 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 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 图1 17PLL的应用 a b c d e 锁相调频和鉴频电路 高频锁相环NE564 图1 18NE564内部结构 锁相鉴频和调频电路 二 测量基础 1 高频测量仪器示波器 高频信号测量需要高阻抗探头 高频信号源 输出幅度Vrms 单位dBuV uV mV dBm 注意换算关系 仪器连接与接地 仪器连接与接地 频谱分析仪 可以测量微弱射频信号频率 电平幅度 谐波和噪声分布 110dBm 13dBm 三 设计与布线基础 1 元器件布局基本原则 高频元件的放置要尽量紧凑 从而可以缩短布线长度 降低信号线的交叉干扰 2 布线设计基本原则 尽量减小分布电容和分布电感 元器件引脚尽量短 强 若信号线分开 布线走向能直勿弯 需要转折时不要90 转向 可45 折线或圆弧曲线转折 尽量缩小环路面积 布线时应考虑尽量减小分布电容 3 接地和抗干扰信号接地 电流返回源的低阻抗路径 高频多点接地 低频一点接地 抗干扰措施 屏蔽 隔离和滤波