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電子設(shè)計 高頻部分 課件制作 劉國華2009 3 電子信息學(xué)院 內(nèi)容安排 第一講基礎(chǔ)知識第二講高頻放大器及設(shè)計第三講振蕩器及設(shè)計第四講調(diào)幅與調(diào)頻通信及系統(tǒng)設(shè)計第五講設(shè)計舉例 參考資料 1 謝自美主編 電子線路綜合設(shè)計 武漢 華中科技大學(xué)出版社 20062 高吉祥主編 高頻電子線路設(shè)計 北京 電子工業(yè)出版社 20073 謝自美主編 電子線路設(shè)計 實驗 測試 第二版 武漢 華中科技大學(xué)出版社 20004 李晉炬編著 通信電路與系統(tǒng)實驗教程 北京 北京理工大學(xué)出版社 20065 于海勛 鄭長明 高頻電路實驗與仿真 北京 科學(xué)出版社 2005 第一講基礎(chǔ)知識 一 理論基礎(chǔ)二 測量基礎(chǔ)三 設(shè)計與布線基礎(chǔ) 一 理論基礎(chǔ) 1 通信系統(tǒng) 以調(diào)幅為例 2 高頻小信號放大器3 高頻功率放大器4 高頻振蕩器5 頻譜變換6 反饋控制電路 1 調(diào)幅通信系統(tǒng) 包括發(fā)射機和接收機 發(fā)射機組成框圖 圖1 1調(diào)幅發(fā)射系統(tǒng)框圖 產(chǎn)生載波 聲電轉(zhuǎn)換 載波放大 振幅調(diào)制 調(diào)幅接收機 接收機框圖 圖1 2超外差式調(diào)幅接收機框圖 混頻器 對本振信號和高頻輸入信號相乘運算 輸出固定的差拍頻率 中頻 有利于后級中頻放大器設(shè)計 本振 頻率穩(wěn)定度很高的高頻振蕩器 振蕩頻率隨輸入信號頻率改變而改變 高質(zhì)量接收機用頻率合成方式產(chǎn)生本振頻率 2 高頻小信號放大器 技術(shù)指標(biāo)高頻小信號放大器的技術(shù)指標(biāo)有中心頻率f0 增益AV 帶寬BW0 7和矩形系數(shù)Kr0 1和噪聲系數(shù)NF 1 中心頻率中心頻率是指調(diào)諧放大器的工作頻率 在此頻率上 調(diào)諧放大器增益最大 它是調(diào)諧放大器的重要性能指標(biāo) 同時也是選擇有源放大器和計算調(diào)諧回路設(shè)計參數(shù)的重要依據(jù) 2 增益Av 電壓和功率增益 帶寬和矩形系數(shù) 3 帶寬和矩形系數(shù) 圖1 3帶寬和矩形系數(shù) 矩形系數(shù) 矩形系數(shù)大于1 越小放大器性能越接近理想 噪聲系數(shù) 4 噪聲系數(shù) 噪聲系數(shù)用輸入信號噪聲功率比 S N i與輸出噪聲功率比 S N o定義 通常用dB表示 噪聲系數(shù)反映了信號從電路輸入端傳到輸出端時 信噪比的惡化程度 NF 0dB時 說明放大器時理想的 沒有引入噪聲 通信系統(tǒng)是由多級級聯(lián)而成 而系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要由第一級決定 越往后級 對系統(tǒng)噪聲系數(shù)影響越小 因此 接收機前端放大器必須采用低噪聲放大器 高頻小信號放大器特點和電路 1 頻帶放大器 帶寬問題 2 有窄帶和寬帶放大器之分 負(fù)載有調(diào)諧回路的為窄帶放大器 3 增益不是很大 30dB 4 工作穩(wěn)定性問題 采用負(fù)反饋 犧牲增益增加穩(wěn)定性 采用結(jié)電容小的管子 圖1 4單調(diào)諧放大器電路圖 最高頻率 功率放大倍數(shù)為1 2 高頻諧振功率放大器 1 特點 靜態(tài)時管子截止 大信號輸入管子導(dǎo)通 工作在C類 導(dǎo)通角 90 效率較高 2 與高頻小信號放大器區(qū)別 高頻諧振功放工作在大信號狀態(tài) 輸入信號幾百毫伏到幾伏 晶體管工作在非線性狀態(tài) 工作在C類 輸出功率大 效率較高 小信號諧振放大器工作在小信號狀態(tài) 輸入信號微伏到毫伏級 晶體管工作在線性區(qū)域 工作在A類 輸出功率小 效率不高 最高50 電路和工作狀態(tài) 原理電路如圖1 5 工作狀態(tài) 欠壓 臨界 過壓 欠壓 基極調(diào)幅用 由于效率低 功率管容易燒壞 一般不用 臨界 輸出功率最大 發(fā)射機末端用 過壓 效率可達(dá)最大 管子耗散功率小 工作比較安全 功放中間級用 集電極調(diào)幅用 圖1 5高頻諧振功放電路與負(fù)載特性 設(shè)計方法簡介 具體設(shè)計方法和計算步驟如下 1 利用公式計算出導(dǎo)通角 VBE為管子起始導(dǎo)通電壓 Vbm為基極輸入電壓峰值 2 查余弦脈沖分解系數(shù)表得出 1 0和 3 一般給定輸出功率Po 由公式可以計算出Ic1m 4 由公式 計算出Ic0 5 由公式PD VCCIc0計算出電源提供功率 6 由公式PT PD PO計算出管子消耗功率 7 最后由公式計算出效率 以上只是理論計算結(jié)果 實際設(shè)計高頻諧振功率放大器時 需要耐心調(diào)試與測試 才能使設(shè)計電路符合要求 4 高頻振蕩器 范圍應(yīng)用 載波源 本振電路組成 基本放大電路 選頻網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)起振 平衡 穩(wěn)定條件 振幅條件和相位條件實際電路 三點式 晶振 基音 泛音 VCO PLL頻率合成性能指標(biāo) 頻率穩(wěn)定度 輸出電平穩(wěn)定度和波形失真 原理電路 三點式振蕩電路 電容 電感三點式 圖1 6三點式振蕩器原理圖 電容三點式振蕩器的反饋元件為電容 因此諧波失真小 波形好 頻率調(diào)節(jié)不方便且頻率覆蓋系數(shù)小 電感三點式振蕩器反饋元件為電感 諧波失真大 波形差 振蕩頻率最大幾十MHz 容易起振 頻率覆蓋系數(shù)大是其優(yōu)點 實際設(shè)計中 高頻率穩(wěn)定度的電容三點式振蕩器用的比較多 比較典型的有克拉潑振蕩器和西勒振蕩器 克拉潑與西勒振蕩器 電容三點式振蕩器共基極克拉潑 特點 振蕩頻率與C3有關(guān) 與晶體管結(jié)電容無關(guān) 頻穩(wěn)度高 但頻率覆蓋系數(shù)小 西勒 特點 接入系數(shù)小 頻率穩(wěn)定度高 頻率覆蓋系數(shù)大 應(yīng)用廣泛 圖1 7克拉潑與西勒振蕩原理電路 C1 C3 C2 C3 則C C3 5 頻譜變換與電路 頻譜變換 頻譜搬移 頻譜非線性變換 幅度調(diào)制和解調(diào) 混頻 倍頻 調(diào)頻 鑒頻 限幅 AM DSB SSB 包絡(luò)檢波和同步檢波 直接調(diào)頻 間接調(diào)頻 變?nèi)荻O管調(diào)頻 晶體管振蕩器直接調(diào)頻 電容話筒調(diào)頻 斜率鑒頻 相位鑒頻 比例鑒頻 鎖相鑒頻 鎖相調(diào)頻 振幅調(diào)制與解調(diào)原理 振幅調(diào)制數(shù)學(xué)原理 調(diào)制信號 載波信號 振幅解調(diào)原理大信號二極管包絡(luò)檢波 二極管和RC低通濾波電路同步檢波 輸入振幅調(diào)制信號和恢復(fù)載波 振幅調(diào)制電路 高電平調(diào)幅高頻功率放大和振幅調(diào)制同時進(jìn)行 用高頻諧振功放實現(xiàn) 工作在過壓狀態(tài) 電路略 低電平調(diào)幅先調(diào)幅再功率放大 可用模擬相乘器實現(xiàn) 圖1 8MC1496構(gòu)成的振幅調(diào)制電路 載波輸入 調(diào)制信號輸入 振幅調(diào)制波形與測量 振幅調(diào)制波形 圖1 9振幅調(diào)制波形與測量方法 a AM波形峰谷法測量 b AM波形梯形法測量 c DSB波形 調(diào)幅度 梯形法 將AM信號送到示波器垂直通道 調(diào)制信號送到水平通道 示波器上顯示波形 用上式可以計算調(diào)制系數(shù)m 通過觀察A B間的連線是否為直線可以判斷調(diào)制過程中有無明顯的非線性失真 頻率調(diào)制原理 調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式 調(diào)頻信號帶寬 調(diào)頻信號波形 載波頻率隨調(diào)制信號幅度而改變的疏密波 載波幅度不變 調(diào)頻信號指標(biāo) 最大頻偏 fm 頻率調(diào)制電路 變?nèi)荻O管調(diào)頻電路 圖1 10變?nèi)荻O管調(diào)頻電路 本質(zhì)上是一個壓控振蕩器VCO 鑒頻電路通常調(diào)試比較復(fù)雜 故設(shè)計時一般用集成電路實現(xiàn) 如MC3362內(nèi)部就集成有乘積型相位鑒頻器 混頻原理和電路 數(shù)學(xué)原理 圖1 11混頻電路模型 混頻器的主要技術(shù)指標(biāo)有混頻增益 1dB壓縮點 三階互調(diào)阻斷點 噪聲系數(shù)和隔離度 混頻器在產(chǎn)生中頻信號的同時 會產(chǎn)生很多的混頻失真 接收機中絕大多數(shù)失真來自混頻器 常見的混頻干擾和失真有鏡頻干擾 交叉調(diào)制失真和互調(diào)干擾 圖1 12混頻電路 6 反饋控制電路 自動增益控制電路 AGC 作用 當(dāng)輸入小信號時 系統(tǒng)高增益 當(dāng)輸入大信號時 系統(tǒng)低增益 輸入信號幅度變換范圍較大時 輸出幅度基本不變 調(diào)幅接收機中可明顯改善輸入信號動態(tài)范圍 通常從檢波輸出反饋到高放和中放電路 自動調(diào)節(jié)高放和中放增益 自動頻率控制電路 AFC 作用 通過頻率負(fù)反饋 自動調(diào)節(jié)本振頻率穩(wěn)定在預(yù)期頻率上 調(diào)頻接收機中使用較多 通常從鑒頻器輸出反饋到本振端 本振一般采用VCO 自動相位控制電路 鎖相環(huán)路PLL 通信系統(tǒng)中用途最廣泛 大都采用集成PLL電路實現(xiàn) 環(huán)路鎖定后 輸出頻率鎖定在輸入頻率上 無頻率差 可用來產(chǎn)生高穩(wěn)定的本振信號 也可用于頻率調(diào)制和鑒頻 以后將詳細(xì)介紹具體應(yīng)用 AGC和AFC原理電路 圖1 13調(diào)幅接收機電路AGC原理 信號 AGC D1截止 R2 D1對T1無負(fù)載作用 T1負(fù)載電阻 T1增益 AFC原理 VCO fI f 鑒頻輸出電壓 VCO 圖1 14帶AFC的接收機電路和VCO特性 鎖相環(huán)原理 PLL原理框圖 圖1 15PLL的組成框圖 環(huán)路鎖定后 f0 fi 由于有VCO的存在 PLL的輸出頻率在一定范圍內(nèi)才可能等于輸入信號頻率 理解這一點是理解鎖相環(huán)的關(guān)鍵 圖1 16鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型 鎖相環(huán)應(yīng)用 鎖相分頻 倍頻 圖 a f0 Nfi鎖相混頻圖 b 鎖相調(diào)頻和鑒頻圖 c d 鎖相頻率合成圖 e 設(shè)晶振頻率為fr 輸出頻率為fo 則fr與fo的關(guān)系為當(dāng)參考頻率fr一定時 改變可變程序分頻比可以改變輸出頻率fo 并且步進(jìn)間隔為 圖1 17PLL的應(yīng)用 a b c d e 鎖相調(diào)頻和鑒頻電路 高頻鎖相環(huán)NE564 圖1 18NE564內(nèi)部結(jié)構(gòu) 鎖相鑒頻和調(diào)頻電路 二 測量基礎(chǔ) 1 高頻測量儀器示波器 高頻信號測量需要高阻抗探頭 高頻信號源 輸出幅度Vrms 單位dBuV uV mV dBm 注意換算關(guān)系 儀器連接與接地 儀器連接與接地 頻譜分析儀 可以測量微弱射頻信號頻率 電平幅度 諧波和噪聲分布 110dBm 13dBm 三 設(shè)計與布線基礎(chǔ) 1 元器件布局基本原則 高頻元件的放置要盡量緊湊 從而可以縮短布線長度 降低信號線的交叉干擾 2 布線設(shè)計基本原則 盡量減小分布電容和分布電感 元器件引腳盡量短 強 若信號線分開 布線走向能直勿彎 需要轉(zhuǎn)折時不要90 轉(zhuǎn)向 可45 折線或圓弧曲線轉(zhuǎn)折 盡量縮小環(huán)路面積 布線時應(yīng)考慮盡量減小分布電容 3 接地和抗干擾信號接地 電流返回源的低阻抗路徑 高頻多點接地 低頻一點接地 抗干擾措施 屏蔽 隔離和濾波