高頻電路的一般設計方法

、高頻電路的一般設計方法電子電路種類很多，千差萬別，設計方法和步驟也因不同情況而異。這里給出高頻電路設計的一般步驟，以供參考，設計者應根據(jù)具體情況，靈活掌握?？傮w實現(xiàn)方案的選擇由課題要求實現(xiàn)的電路功能及性能指標，決定最終實現(xiàn)電路的構成。單元電路形式的選擇根據(jù)課題要求實現(xiàn)的電路性能指標，確定總體實現(xiàn)方案中，各單元電路的形式。電路參數(shù)的計算根據(jù)所選單元電路的形式，對組成電路的各元器件的值進行計算。元器件的選擇元器件的選擇，除了要考慮計算出的參數(shù)值外，還要遵從節(jié)約電路成本，元器件購買方便，以及盡量利用現(xiàn)有條件實現(xiàn)的原則。以上各步驟之間不是絕對獨立的，往往需要交叉進行，尤其是有時受到元器件選擇的限制，常會推翻最初的設計方案，從頭來做。所以，在進行電路設計之初，要先把可能限制電路實現(xiàn)的因素考慮好，再著手設計，往往可以達到事半功倍的效果。在完成電路設計之后，可以使用計算機輔助分析軟件（例如Pspice）進行電路仿真，做初步調整，然后到實驗室裝調電路，在調試中分析和解決常見的電路故障。二、高頻電路設計舉例真正實用的發(fā)射機、接收機的技術指標項目較多，因為學生剛接觸到這方面的知識，所以給定的題目中只是要求結合基礎知識完成幾項主要技術指標。而整機電路形式的選取可以是分立元件為主，分立與集成電路混合，也可以是單片集成發(fā)射與接收系統(tǒng)。任務：小功率調幅發(fā)射機設計技術指標：載波頻率0=2MHz，載波頻率穩(wěn)定度不低于10-3/分鐘，輸出負載R=75Q，發(fā)射功率（輸出負載也上的功率）Pomi0mW，調制度m廣30%?80%可調，調制頻率尸=500Hz?3kHz。（一）實現(xiàn)方案的選擇主翩f渤1T高頊放大器振幅■調制1，一葉功率敢大器一調制信號圖1調幅發(fā)射系統(tǒng)框圖調幅發(fā)射系統(tǒng)分析圖1為最基本的調幅發(fā)射系統(tǒng)框圖。主要由主振蕩器、緩沖級、高頻小信號放大器、調制器、高頻功率放大器、低頻電壓放大器等電路組成。在組成電路中，除了主振器、調制器、調制信號是最基本的組成單元，不能缺少外，其他單元電路的選擇，主要根據(jù)設計指標要求來確定。緩沖級將主振器與其后一級隔離，以減小后級對振蕩器頻率穩(wěn)定度及振蕩波形的影響。所以，是否選擇該單元電路，主要根據(jù)電路對穩(wěn)定性的要求高低。一般情況下，需要選擇該電路。高頻放大器的任務是將振蕩電壓放大以后送到振幅調制，為驅動調制級提供足夠的增益。是否選擇該單元電路，主要根據(jù)所選擇的振幅調制電路決定。即：如果選用低電平調幅電路（如用集成模擬乘法器做振幅調制器），由于這種調制器為小信號輸入，振蕩器輸出電壓一般能夠滿足要求，就不需要該放大電路；而如果采用高電平調幅電路（如集電極調幅電路），由于它要求大信號輸入，振蕩器輸出電壓不能滿足時，就要使用一至二級高頻放大器。功率放大器是調幅發(fā)射系統(tǒng)的末級，它的任務是提供發(fā)射系統(tǒng)所需要的輸出功率。是否選擇該電路，主要根據(jù)系統(tǒng)對發(fā)射功率的要求。如果由調幅電路輸出的功率能滿足性能要求的話，就可以不再其后加功率放大電路，否則，就不能省略。本設計任務總體實現(xiàn)方案的確定根據(jù)以上對調幅發(fā)射系統(tǒng)構成電路選擇方法的介紹，結合設計任務中給定的技術指標，確定總體實現(xiàn)方案如下：方案一：低電平調幅發(fā)射機由于設計任務要求實現(xiàn)的是小功率發(fā)射機，發(fā)射功率(輸出負麴乙上的功率)P0為10mW即可。所以，可以利用提供的集成模擬乘法器MC1496，組成低電平調幅電路。系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2低電平調幅發(fā)射機系統(tǒng)框圖方案二：高電平調幅發(fā)射機因為設計任務中對發(fā)射功率并沒有限制上限值，所以，也可以采用高電平調幅電路組成發(fā)射系統(tǒng)，如圖3所示。若緩沖級輸出電壓能滿足高電平調幅電路的要求，并且最終負載上的輸出功率也滿足指標要求時，則應力求電路結構簡單，去除高頻放大電路。圖3高電平調幅發(fā)射機系統(tǒng)框圖單元電路形式的選擇調幅發(fā)射系統(tǒng)各單元電路的分析主振器主振器就是高頻振蕩器，根據(jù)載波頻率的高低和頻率穩(wěn)定度來確定電路形式。在頻率穩(wěn)定度要求不高的情況下，可以采用電容反饋三點式振蕩電路，如克拉潑、西勒電路。頻率穩(wěn)定度要求高的情況下，可以采用晶體振蕩器，也可以采用單片集成振蕩電路。緩沖級緩沖級通常采用射極跟隨器，基本原理是利用它的輸入電阻高和輸出電阻低的特點，在電路中起著阻抗變換的作用。高頻放大器高頻放大器屬于線性放大器。根據(jù)電路所需要的電壓增益和選擇性，來確定電路形式。一般電路形式有單調諧放大器和雙調諧放大器。在對放大器選擇性要求不高的場合，可以選用單調諧放大器。為提高放大器的電壓增益，可以選擇多級放大器級聯(lián)的電路形式。振幅調制器振幅調制器的任務是將所需傳送的信息“加載”到高頻振蕩中，以調幅波的形式傳送出去。通常有低電平調幅和高電平調幅兩種實現(xiàn)電路。低電平調幅電路輸出功率小，適用于低功率系統(tǒng)。它的電路形式有多種，如斬波調幅器、平衡調幅器、模擬乘法器調幅等，比較常用的是采用模擬乘法器形式制成的集成調幅電路，即集成模擬乘法器調幅。這種集成電路的出現(xiàn)，使產生高質量調幅信號的過程變得極為簡單，而且成本很低。高電平調幅電路輸出功率大，一般在系統(tǒng)末級直接產生滿足發(fā)射要求的調幅波。它的電路形式主要有集電極調幅和基極調幅兩種。集電極調幅電路的優(yōu)點是效率高，晶體管獲得充分的應用；缺點是需要大功率的調制信號源?；鶚O調幅電路的優(yōu)缺點正好與之相反，它的平均集電極效率不高，但所需的調制功率很小，有利于調幅發(fā)射系統(tǒng)整機的小型化。功率放大器功率放大器主要有甲類、甲乙類或乙類(限于推挽電路)、丙類功放，根據(jù)功放的輸出功率和效率來確定選擇哪一種。采用低電平調幅電路的系統(tǒng)，由于調制器輸出信號為調幅波，其后的功率放大器必須是線性的(如甲類、甲乙類或乙類功放)；而采用高電平調幅電路的系統(tǒng)，則在末級直接產生達到輸出功率要求的調幅波，多以丙類放大器作為此時的末級電路。設計任務單元電路形式的確定根據(jù)以上對調幅發(fā)射系統(tǒng)單元電路形式的介紹，結合本設計任務的技術指標，確定各單元電路形式如

信號墻出下：由于技術指標中對主振器的頻率和頻率穩(wěn)定度要求不高，所以，采用西勒振蕩電路；緩沖級采用射極跟隨器；低電平調幅電路采用集成模擬乘法器實現(xiàn)；高電平電路采用基極調幅電路。信號墻出電路參數(shù)計算根據(jù)以上確定的單元電路形式，下面給出具體的電路，以及組成電路的各元件值的計算方法。1.主振器圖4為西勒振蕩電路。它被接成共基極組態(tài)，Cb為基極旁路電容。其靜態(tài)工作點由偏置電阻Rbi、Rb2、Re、Rc決定。電容Ci、C2、C3、C4與電感L］組成振蕩回路。振蕩器輸出信號一般盡可能從低阻抗點取出，以減弱外接負載對振蕩幅度、頻率穩(wěn)定度的影響。本電路從發(fā)射極取出信號送給下一級。(1)偏置電阻值的計算偏置電阻決定靜態(tài)工作點，所以，要先確定振蕩器的靜態(tài)工作電流ICQ。一般小功率振蕩器的靜態(tài)工作電流ICq為(1~4)mA，設計時可以在此范圍內任取一值，如取ICQ=2mA。根據(jù)所選晶體管型號確定電流放大系數(shù)0的值。則：?VV由R=-E?一E西勒振蕩電路一，確定R，式中一般取v?0.2VI CCV-V由R+R=cc 西勒振蕩電路一，確定R，式中一般取v?0.2VI CCV-V由R+R=cc CEQ，CQ或依據(jù)集電極直流電壓VC確定R，式中取匕eq=(0.6?1)V:由流過R一的電流I一=101_=101塞仰確定R。c確定b2 B2VBQ=VEQ+■IB2R b2—VR+Rcc根據(jù)以上計算出的各電阻值為便于調整靜態(tài)工作點振蕩回路元件值的計算根據(jù)西勒振蕩器的原理，C3<<C1，C3<<C2,回路的振蕩頻的0主要由C3、C4和L］決定，即f=2njL(C+cT1 1 3 4而一般諧振回路的電感L與電容?！曛抵g關系取為Lc=105?106由此確定Li、C3、C4的值。電容Cl、C2由反饋系數(shù)F=C1/C2，以及電路條件C3?C1，C3<<C2決定。一般F取1/8~1/2o以上估算各電容值時，應盡量選取標稱電容值。為便于調整振蕩頻率，實際電路中C4可用固定值的電容與可變電容器并聯(lián)。旁路電容值的選取一般應使旁路電容Cb的容抗為與其并聯(lián)的電阻值的1/20~1/10。但是，當與其并聯(lián)的電阻值較大時，應當使Cb的容抗為幾十歐姆甚至幾歐姆。這里選取標稱值c=0.01|iF。b2.緩沖級圖5為射極跟隨器電路，即共集電極組態(tài)的放大器。其靜態(tài)工作點由偏置電阻Rbi、Rb2、Re決定。J、C2分別為輸入、輸出耦合電容。(1)偏置電阻值的計算射極跟隨器的靜態(tài)工作電流ICq一般為(3~10)mA，設計時BQ確定%廣R=IcqR'V 1CC-1b2"2J選取最接近的標稱電阻值。實際電路中Rb1常用固定值的電阻與電位器串聯(lián)?？梢栽诖朔秶鷥热稳∫恢担缛CQ=4mA。根據(jù)所選晶體管型號確定電流放大系數(shù)的值。而Rb1、Rb2、Re值的計算方法，則與主振器中偏置電阻值的計算方法相同，請參照計算。為便于電路調整，實際電路中Re可用固定值的電阻與電位器串聯(lián)。（2）級間耦合電容的選取級間耦合電容值的大小，主要由前后級之間的隔離度決定。為減小射隨器對前級振蕩電路的影響，耦合電容q不能太大，一般為pF級。而射隨電路輸出耦合電M2可以取大些，如0.0NF。低電平調幅電路采用集成模擬乘法器MC1496構成的調幅電路，如圖6所示。電路采用雙電源供電方式。圖E低電平調幅電路載波信號從10腳（VX端）輸入，C3為高頻旁路電容，使8腳交流接地；調制信號從1腳（VY端）輸入，C4為低頻旁路電容，使4腳交流接地。調幅信號從12腳單端輸出。電阻r6、R7、R8、R9、R10提供靜態(tài)偏置電阻，保證乘法器內部的各個晶體管工作于放大狀態(tài)，阻值的選取應使得下列靜態(tài)偏置電壓關系式成立：V=V，V=V，V=V2V＜（V-V）＜15V6122.7V＜V-8V）＜15V2.7V＜V—V）＜15V根據(jù)器件參數(shù)要求，5腳靜態(tài)偏置電流5應小于4mA，一般取/qmA，則0-0.7V-0.7V’5=R丁500Q5可見，在確定負電源電壓vee后，可得電阻r5的值。引腳2與3之間的外接負反饋電阻匕，可調節(jié)乘法器的信號增益，擴展調制信號的線性動態(tài)范圍。其值增大，線性范圍增大，但乘法器的增益會減小。電阻R2與電位器RP組成平衡調節(jié)電路，改變RP的值可以使乘法器輸出有載波的普通調幅波或抑制載波的雙邊帶調幅波。基極調幅電路圖7為基極調幅電路，載波和調制信號同時加在晶體管的基極，調幅波從集電極的諧振回路取出。為使晶體管工作狀態(tài)為甲乙類或乙類，需要預先確定基極偏置電阻的值。根據(jù)晶體管型號確定截止電壓VBE的值。若選擇乙類工作狀態(tài)，則基極靜態(tài)偏置電壓VBo=VBE。由V=丁勺2 V，確定Rb1、BQBEBQR+RCC b1Rb2的值，一般這兩個電阻值應選為kQ數(shù)量級。電阻匕一般取幾百

歐姆。諧振回路電感L和電容C的值，依據(jù)載波頻率f0=2矣確定。電感L采用帶磁芯的變壓器，以便調節(jié)磁芯改變電感量，達到調諧；同時，也可以實現(xiàn)阻抗匹配。TOC\o"1-5"\h\zCV-V* V集電極等效負載電阻R=? 一，式中尸。為設計任務中要求達到的發(fā)射功率；V表示晶體管集c 2P ces電極、發(fā)射極間的飽和壓降，一般為1V左右。設變壓器初級線圈匝數(shù)N1，次級線圈匝數(shù)N2，集電極接入初級線圈的匝數(shù)N0,則匝數(shù)比由以下兩式確N_:RN_:七R定：苛一￥Q"，~N Q^LL式中風表示任務指標中給出的發(fā)射機輸出負載。線性功率放大器圖8為甲類線性功放電路，適用于中間級或輸出功率較小的末級功率放大器。為獲得最大不失真輸出功率，靜態(tài)工作點應選在交流負載線的中點，所以，集電極靜態(tài)電流ICQ與集電極交流的振幅ICm近似相等。靜態(tài)工作電流ICQ一般為（3?10）mA，設計時可以在此范圍內任取一值，