【文章內(nèi)容簡介】 丙類諧振功率放大器，如果一級(jí)放大器不能滿足要求，可以選用兩級(jí)或者三級(jí) [2]。 傳輸線與天線 天線的主要作用是把已調(diào)制的高頻信號(hào)變成電磁波，輻射到空間去，從而實(shí)現(xiàn)無線電的發(fā)射功能 [6]。 由于無線設(shè)備本身的傳播距離的限制，因此，若想達(dá)到比 較理想的傳播距離，必須外接天線 [6]。這里面就必須涉及到兩個(gè)概念： 頻率范圍 頻率范圍指的是天線的工作頻段，這個(gè)參數(shù)決定了它適用于哪個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè) [6]。 增益值 增益值表示天線的功率放大倍數(shù)，增益值越大代表對(duì)輸入信號(hào)的放大倍數(shù)越大，傳輸質(zhì)量也就越好 [6]。 9 第三章 單元電路的設(shè)計(jì)與仿真 主振級(jí)與小信號(hào)電壓放大級(jí)的設(shè)計(jì) 主振級(jí)是調(diào)幅發(fā)射機(jī)的核心部件，其性能的好壞直接影響到發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量，因此，主振級(jí)產(chǎn)生的載波信號(hào)必須有較高的頻率穩(wěn)定度和較小的波形失真度，本機(jī)主振級(jí)備選方案可以有三種， RC 正弦波振蕩器，石英晶體振蕩器，三點(diǎn)式 LC 正弦波振蕩器等。 方案一：采用石英晶體振蕩器，石英晶體振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定度，在選擇合適的偏置電路的情況下，頻穩(wěn)度可達(dá)到 1110? 數(shù)量級(jí)，而且，其工作狀態(tài)穩(wěn)定，波形失真度也比較小，因此，在頻穩(wěn)度要求較高的電路中，可以選用石英晶體振蕩器作為主振級(jí)。 方案二：采用 RC 正弦波振蕩器，由于 RC 振蕩器主要是由電阻和電容組成的，在電路中并沒有諧振回路，因此， RC 振蕩器不適合于作為高頻振蕩器。 方案三：采用 LC 三點(diǎn) 式正弦波振蕩電路，三點(diǎn)式振蕩電路有電容三點(diǎn)式和電感三點(diǎn)式之分，相對(duì)來說，電容三點(diǎn)式的輸出波形相對(duì)電感三點(diǎn)式要穩(wěn)定，且頻率變化不會(huì)改變電抗的性質(zhì)，因此振蕩器一般都采用電容三點(diǎn)式形式。在頻率穩(wěn)定度要求不是很高的情況下，可以采用普通的電容三點(diǎn)式振蕩電路，如克拉潑電路和西勒電路。 LC 回路由于受到標(biāo)準(zhǔn)性和品質(zhì)因數(shù)的限制，其頻穩(wěn)度一般只能達(dá)到 410? 數(shù)量級(jí)。 為使整機(jī)電路簡單并且頻穩(wěn)度度較高，本機(jī)采用石英晶體振蕩器。 石英是一種各向異性的結(jié)晶體，其化學(xué)成分是二氧化硅。石英晶 片所以能做成諧振器，是基于他具有壓電效應(yīng)的原理。晶片的固有機(jī)械振動(dòng)頻率又稱為諧振頻率，其值與晶片的幾何尺寸有關(guān)，具有很高的穩(wěn)定性 [19]。 石英晶體振蕩器是利用石英晶體諧振器作為濾波元件構(gòu)成的振蕩器，其振蕩頻率由石英晶體諧振器決定。與 LC 諧振回路相比，石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性和極高的品質(zhì)因數(shù)，因此石英晶體振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度和頻穩(wěn)措施后，石英晶體振蕩器可以達(dá)到 4910 10??的頻率穩(wěn)定度。 根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求晶體振蕩電路如下所示，晶振， C1， C2， C3 與 T1 構(gòu)成改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路，振蕩頻率由晶振的等效電容和等效電感決定。電路中的 T1 靜態(tài)工作點(diǎn)由 R1R2 和 R3 決定，在設(shè)計(jì)靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)首先決定集電極電流 Icq，一般都取~4mA， Icq 過大會(huì)引起波形失真，有時(shí)還伴隨產(chǎn)生高次諧波 [6]。設(shè)晶體管β =60，Icq=2mA， ，由三極cceq VV )3/1~2/1(?管的回路計(jì)算方法可推算出 R1=150kΩ， R2=100Ω， R3=3kΩ。晶體振蕩級(jí)與小信號(hào)放大級(jí)聯(lián)合電路圖如圖（圖 311）所示 [7]： 10 此電路中主振級(jí)工作在較低的 6MHz 的頻率上，一般晶體振蕩器都能達(dá)到要求，且具有一定的輸出電壓，而且頻率穩(wěn)定度較高，無需進(jìn)行倍頻 [3]。 頻率輸出需要通過 C1 微調(diào)，使振蕩頻率穩(wěn)定在 6MHz。 R1 、 R2 和 0pR 構(gòu)成分壓式偏置電路， C2 和 C3 的串接電容直接并接在晶體兩端，為晶體的負(fù)載電容。主振級(jí)的模擬仿真結(jié)果如下（圖 312 和圖 313）所示， 由晶振產(chǎn)生的信號(hào)由于振幅較小，因此需要加入小信號(hào)放大器，從而提高振蕩級(jí)的輸出振幅， T1 構(gòu)成小信號(hào)電壓放大器，由 0pR 控制輸出電壓的振幅。高頻電壓放大器的任務(wù)是將振蕩電壓放大以后送到振幅調(diào)制器，可以選用高頻調(diào)諧放大器。需要使用幾級(jí)放大器要看振幅調(diào)制器選擇什么樣的電路型式。如果選用集成模擬乘法器作振幅調(diào)制器，輸入信號(hào)是小信號(hào)。當(dāng)振蕩器輸出電壓能夠滿足要求時(shí)，可以不加高頻電壓放大器。如果采用集電極調(diào)幅電路，就要使用一至二級(jí)高頻電壓放大器，以滿足集電極 調(diào)幅的大信號(hào)輸入。諧振放大器的調(diào)試方法與阻容耦合放大器相同，首先應(yīng)調(diào)整每一級(jí)所需的直流工作點(diǎn)，但要圖 311 主振級(jí)單元 電路 圖 312 晶振產(chǎn)生的載波頻率 圖 313 晶體振蕩器輸出波形 11 注意一點(diǎn)：在多級(jí)諧振放大器中，由于增益高，容易引起自激振蕩。因此，在測(cè)試其直流工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)先用示波器觀察一下放大器的輸出端是否有自激振蕩波形。如果已經(jīng)有自激振蕩，應(yīng)先設(shè)法排除它，然后再測(cè)試其直流工作點(diǎn)。否則，所測(cè)數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的。對(duì)于調(diào)諧放大器的頻率特性、增益及動(dòng)態(tài)范圍的調(diào)整及測(cè)試，一般有兩種方法，一種是逐點(diǎn)法；一種是掃頻法。后者比較簡單、直觀。但由于其頻標(biāo)較粗，對(duì)于窄帶調(diào)諧放大器難以精確測(cè)試 [6]。 經(jīng)過小信號(hào) 放大后輸出波形 (圖 314）如下 [5]： 與未加入放大器時(shí)相比，波形和頻率都沒有變化，指示振幅（電壓）有所增加。 緩沖隔離級(jí)的設(shè)計(jì) 為了減小調(diào)制級(jí)對(duì)主振級(jí)的影響，需要采用加入緩沖級(jí)的方法。在緩沖隔離級(jí)的選擇上不論是在低頻電路還是高頻電路的整機(jī)設(shè)計(jì)中，緩沖隔離級(jí)常采用射極跟隨器電路 [1]。調(diào)節(jié)射極電阻 Rp1，可以改變射極跟隨器輸入阻抗。如果忽略晶體管基極體電阻 rb39。b 的影響，則射極輸出器的輸入電阻 39。//i B LR R R?? ，式中， 39。6 1 2( ) //L p pR R R R??, 45//BR R R? ? ，輸出電阻 Ro 為 Ro=(R6+Rp1)//r0 。式中， r0 很小，所以可將射極輸出器的輸出電路等效為一個(gè)恒壓源 [3]。緩沖隔離級(jí)單元電路圖（圖 321）如右： 電壓放大倍數(shù) VA 為： 圖 314 經(jīng)小信號(hào)放大器后輸出載波 LmLmV RgRgA ?? ?? 1 12 式中， mg —— 晶體管的跨導(dǎo)，一般情況下 。所以圖示 射極輸出器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、電壓放大倍數(shù)近似等于 1 的特點(diǎn)。晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)位于交流負(fù)載線的中點(diǎn)，一般取 ， 3 10CQI mA?。對(duì)于圖示電路，取 6CEQVV?，4CQI mA? ，若晶體管電流放大倍數(shù)β =60，則 61 / 1 .5p E Q C QR R V I k? ? ? ?，取 R6=1kΩ的電阻， Rp1=1kΩ的電位器。 10RB BQII?， βCQBQ II ? ， KI c qV c e qI e qV e qRkRbV e qV b qV c cR1010 ) c c105????????β （ 估算功率激勵(lì)級(jí)的輸入阻抗為 335Ω，即射隨器的負(fù)載電阻 Rp2=335Ω，并可計(jì)算出射隨器的輸入電阻 Ri，即 3 .6Bi LRRKR? ?? ? ?? 輸入電壓 Vi 為 為減 小射隨器對(duì)前級(jí)振蕩器的影響，耦合電容 C1 不能太大，一般為數(shù)十皮法。 C2 為 F 左右。 語音放大級(jí)電路設(shè)計(jì) 語音放大器主要是對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行放大和限頻，經(jīng)過放大后的語音信號(hào)送入調(diào)制級(jí)對(duì)高頻載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，本機(jī)采用 LM386 進(jìn)行語音功率放大。電源由 6 腳引入， 4 腳接地， 8 腳與地之間接有源濾波退耦電容 C7。信號(hào)由 3 腳引入，經(jīng)放大后由 1 腳經(jīng)輸出電容1???LmRg CCCEQVV 21??? iii RPV圖 321 緩沖隔離級(jí)單元電路 13 C8 送到受調(diào)放大級(jí)。 3 腳到地之間接入 C6 和 RP4 組成負(fù)反饋電路，決定放大倍數(shù)的大小。RP4 越小，電路增益越高；反之，增益越小 [9]。語音放大級(jí)單元電路圖（ 圖 331）如下 : 音頻放大器輸出波形模擬圖（圖 332）如下 [5]： 幅度調(diào)制電路的設(shè)計(jì) 所謂振幅調(diào)制就是用被傳輸?shù)牡皖l信號(hào)去控制高頻振蕩器，使其輸出信號(hào)的幅度隨著低頻信號(hào)的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)搬移到高頻段，被高頻信號(hào)攜帶并有效進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪康?。完成這種調(diào)制過程的裝置稱為振幅調(diào)制器。 振幅調(diào)制（ AM）就是用低頻信號(hào)（調(diào)制信號(hào)） )(tU? 去控制高頻載波 )(tUc 的振幅，使載波的振幅隨調(diào)制信號(hào)成正比變化。調(diào)制過程如圖所示： 圖 331 語音放大級(jí)電路 圖 332 音頻放大器輸出波形模擬圖 14 (1)普通調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 為了突出基本概念，簡化分析，假設(shè)調(diào)制信號(hào)為單頻等幅余弦波，即 tUtU m ?? ?? c os)( （ 341） 設(shè)載波電壓為 tUtU ccmc ?c os)( ? （ 342） 通常載波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)制頻率，即滿足 c? ? ，根據(jù)調(diào)幅 的定義可直接寫出調(diào)幅波的表示式 ttmUttUtU cacmcAM ?? c o s)c o s1(c o s)()( ???? （ 343） （ 2）調(diào)幅度的定義 調(diào)幅度（又稱調(diào)制度或調(diào)制指數(shù)）反映了調(diào)制信號(hào)對(duì)高頻載波幅度的控制能力，它是mac UkU ??? 與載波振幅之比，即 cmmacmca UUkUUm ???? （ 344） 式中， ak 為比例常數(shù)。但在實(shí)際測(cè)量中并不利用此公示計(jì)算，一般采用波形測(cè)量的方（ a）調(diào)制信號(hào)波形 （ b） 載波信號(hào)波形 （ c） Ma＜ 1時(shí)的已調(diào)波形 （ d） Ma=1時(shí)的已調(diào)波波 形 （ e） Ma＞ 1時(shí)的已調(diào)波波形 圖 341 調(diào)幅波調(diào)制過程 t t t t t 15 法，如右圖（圖 342）所示， )cos1( tmU acm ?? 是包絡(luò)函數(shù)，它反映了調(diào)幅信號(hào)包絡(luò)線的變化。因此，在調(diào)制信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)調(diào)幅信號(hào)的最大振幅為 )1(m a x acmcm mUU ?? ，最小振幅為 )1(m in acmcm mUU ?? ，由此可得調(diào)幅度， m inm a xm inm a xcmcmcmcma UU UUm ??? （ 345） 由上式可得調(diào)幅度還可以表示為 %100???? BA BAma （ 346） 式中， max2 cmUA? ； min2 cmUB? 。 為了使調(diào)幅波不失真，即高頻振幅能真實(shí)的反映調(diào)制信號(hào)， am 應(yīng)小于或者等于 1?am ，則產(chǎn)生過調(diào)制，如上邊（ e）圖所示，實(shí)際中應(yīng)該避免產(chǎn)生過調(diào)幅。 根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求以及為了最大程度的減小各極間的干擾，本機(jī)采用模擬乘法器作為調(diào)幅電路，模擬乘法器的出現(xiàn)，使高質(zhì)量的調(diào)幅信號(hào)的產(chǎn)生變得很簡單，而且成本也很低。幅度調(diào)制單元電路圖（圖 343）如下圖： Umax Umin B A 圖 342 普通調(diào)幅波波形 圖 343 調(diào)幅電路 16 根據(jù)設(shè)計(jì)要求的工作電壓以及模擬乘法器的工作特性設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)。乘法器的靜態(tài)偏置電流主要由內(nèi)部恒流源 Io 的值來確定 ,Io 是第 5 引腳上的電流 I5 的鏡像電流，改變電阻 R25 可調(diào)節(jié) Io 的大小。 在設(shè)置乘法器各點(diǎn)的靜態(tài)偏置電壓時(shí)，應(yīng)使乘法器內(nèi)部的三極管均工作在放大狀態(tài)，并盡量使靜態(tài)工作點(diǎn)處于直流負(fù)載線的中點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于圖所示電路，應(yīng)使內(nèi)部電路中三極管的 Vce=4V~6V，即 V6V8=V12V10=4V~6V， V8V4=V10V1=4V~6V， V2（ Vee） =V3（ Vee） =4V~6V。為了使輸出上，下調(diào)制對(duì)稱，在設(shè)計(jì)外部電路時(shí)，還應(yīng)使 V12=V6， V8=V10，而且 12 腳及 6 腳所接的負(fù)載電阻應(yīng)相等，即 R28=R29，調(diào)制輸出信息波形（圖 344）如下