1、 课程设计指导高频电路的一般设计方法电子电路种类很多，千差万别，设计方法和步骤也因不同情况而异。这里给出高频电路设计的一般步骤，以供参考，设计者应根据具体情况，灵活掌握。1.总体实现方案的选择由课题要求实现的电路功能及性能指标，决定最终实现电路的构成。2.单元电路形式的选择根据课题要求实现的电路性能指标，确定总体实现方案中，各单元电路的形式。3.电路参数的计算根据所选单元电路的形式，对组成电路的各元器件的值进行计算。4.元器件的选择元器件的选择，除了要考虑计算出的参数值外，还要遵从节约电路成本，元器件购买方便，以及尽量利用现有条件实现的原则。以上各步骤之间不是绝对独立的，往往需要交叉进行，尤其
2、是有时受到元器件选择的限制，常会推翻最初的设计方案，从头来做。所以，在进行电路设计之初，要先把可能限制电路实现的因素考虑好，再着手设计，往往可以达到事半功倍的效果。表 1 评分办法课 题 满分设计与总结报告：方案设计与论证理论分析与计算测试方法与测试数据对测试结果的分析40基本要求实际制作完成情况 40发挥部分 根据完成项的数目、难度、完成的质量20高频电路设计举例课题一：基于 MC1496 的简易调幅发射机一、简要说明集成模拟乘法器性能好，外围电路结构简单，可实现振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频等过程，目前在无线通信、广播电视等领域应用较多。常见的产品型号有 MC1495/1496、LM
3、1595/1596 等。本课题的目的是练习集成模拟乘法器的使用，掌握幅度调制的原理。二、要求1基本要求：工作频率 5MHz；载波频率稳定度优于 10-3/分钟，发射功率（输出负载 RL=75上的功率） P0 10mW，调制度 ma=30%80%可调，调制频率 F=500Hz3kHz。2发挥部分：（1）全机使用单电源供电。（2）自行设计产生正弦波调制信号。（3）提高整机性能指标。电路要求：振荡器 缓冲级 调制电路 功率放大器（话筒）课题二：基于 MC1496 的简易调幅接收机一、简要说明本课题目的是练习集成模拟乘法器的使用，掌握同步检波的原理。此题目与课题一结合，可制作出完整的调幅收发系统。二、
4、要求1基本要求：直接放大式接收机，工作频率 5MHz，载波频率稳定度优于 10-3/分钟，灵敏度 1mV。2发挥部分：（1）全机使用单电源供电。（2）自行设计低频放大电路，输出功率（输出负载 RL=8 上的功率） P0 =100mW。（3）提高整机性能指标。电路要求：天线 调谐放大 检波 低放电路小功率调幅发射机任务：小功率调幅发射机设计技术指标：载波频率 f0=2MHz，载波频率稳定度不低于 10-3/分钟，输出负载 RL=75，发射功率（输出负载 RL上的功率） P010mW，调制度 ma=30%80%可调，调制频率 F=500Hz3kHz。一、实现方案的选择1调幅发射系统分析图 2.2.
5、2-1 为最基本的调幅发射系统框图。主要由主振荡器、缓冲级、高频小信号放大器、调制器、高频功率放大器、低频电压放大器等电路组成。在组成电路中，除了主振器、调制器、调制信号是最基本的组成图 2.2.2-1 调幅发射系统框图单元，不能缺少外，其他单元电路的选择，主要根据设计指标要求来确定。缓冲级将主振器与其后一级隔离，以减小后级对振荡器频率稳定度及振荡波形的影响。所以，是否选择该单元电路，主要根据电路对稳定性的要求高低。一般情况下，需要选择该电路。高频放大器的任务是将振荡电压放大以后送到振幅调制，为驱动调制级提供足够的增益。是否选择该单元电路，主要根据所选择的振幅调制电路决定。即：如果选用低电平调
6、幅电路（如用集成模拟乘法器做振幅调制器） ，由于这种调制器为小信号输入，振荡器输出电压一般能够满足要求，就不需要该放大电路；而如果采用高电平调幅电路（如集电极调幅电路） ，由于它要求大信号输入，振荡器输出电压不能满足时，就要使用一至二级高频放大器。功率放大器是调幅发射系统的末级，它的任务是提供发射系统所需要的输出功率。是否选择该电路，主要根据系统对发射功率的要求。如果由调幅电路输出的功率能满足性能要求的话，就可以不再其后加功率放大电路，否则，就不能省略。2本设计任务总体实现方案的确定根据以上对调幅发射系统构成电路选择方法的介绍，结合设计任务中给定的技术指标，确定总体实现方案如下：方案一：低电平
7、调幅发射机由于设计任务要求实现的是小功率发射机，发射功率（输出负载 RL上的功率） P0 为 10mW 即可。所以，可以利用提供的集成模拟乘法器 MC1496，组成低电平调幅电路。系统框图如图 2.2.2-2 所示。方案二：高电平调幅发射机因为设计任务中对发射功率并没有限制上限值，所以，也可以采用高电平调幅电路组成发射系统，如图 2.2.2-3 所示。若缓冲级输出电压能满足高电平调幅电路的要求，并且最终负载上的输出功率也满足指标要求时，则应力求电路结构简单，去除高频放大电路。二、单元电路形式的选择1调幅发射系统各单元电路的分析（1）主振器主振器就是高频振荡器，根据载波频率的高低和频率稳定度来图
8、 2.2.2-2 低电平调幅发射机系统框图图 2.2.2-3 高电平调幅发射机系统框图确定电路形式。在频率稳定度要求不高的情况下，可以采用电容反馈三点式振荡电路，如克拉泼、西勒电路。频率稳定度要求高的情况下，可以采用晶体振荡器，也可以采用单片集成振荡电路。（2）缓冲级缓冲级通常采用射极跟随器，基本原理是利用它的输入电阻高和输出电阻低的特点，在电路中起着阻抗变换的作用。（3）高频放大器高频放大器属于线性放大器。根据电路所需要的电压增益和选择性，来确定电路形式。一般电路形式有单调谐放大器和双调谐放大器。在对放大器选择性要求不高的场合，可以选用单调谐放大器。为提高放大器的电压增益，可以选择多级放大器
9、级联的电路形式。（4）振幅调制器振幅调制器的任务是将所需传送的信息“加载”到高频振荡中，以调幅波的形式传送出去。通常有低电平调幅和高电平调幅两种实现电路。低电平调幅电路输出功率小，适用于低功率系统。它的电路形式有多种，如斩波调幅器、平衡调幅器、模拟乘法器调幅等，比较常用的是采用模拟乘法器形式制成的集成调幅电路，即集成模拟乘法器调幅。这种集成电路的出现，使产生高质量调幅信号的过程变得极为简单，而且成本很低。高电平调幅电路输出功率大，一般在系统末级直接产生满足发射要求的调幅波。它的电路形式主要有集电极调幅和基极调幅两种。集电极调幅电路的优点是效率高，晶体管获得充分的应用；缺点是需要大功率的调制信号
10、源。基极调幅电路的优缺点正好与之相反，它的平均集电极效率不高，但所需的调制功率很小，有利于调幅发射系统整机的小型化。（5）功率放大器功率放大器主要有甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路） 、丙类功放，根据功放的输出功率和效率来确定选择哪一种。采用低电平调幅电路的系统，由于调制器输出信号为调幅波，其后的功率放大器必须是线性的（如甲类、甲乙类或乙类功放） ；而采用高电平调幅电路的系统，则在末级直接产生达到输出功率要求的调幅波，多以丙类放大器作为此时的末级电路。2设计任务单元电路形式的确定根据以上对调幅发射系统单元电路形式的介绍，结合本设计任务的技术指标，确定各单元电路形式如下：由于技术指标中对主振器的
11、频率和频率稳定度要求不高，所以，采用西勒振荡电路；缓冲级采用射极跟随器；低电平调幅电路采用集成模拟乘法器实现；高电平电路采用基极调幅电路。三、电路参数计算根据以上确定的单元电路形式，下面给出具体的电路，以及组成电路的各元件值的计算方法。1主振器图 2.2.2-4 为西勒振荡电路。它被接成共基组态，C b为基极旁路电容。其静态工作点由偏置电阻 Rb1、R b2、R e、R c决定。电容C1、C 2、C 3、C 4与电感 L1组成振荡回路。振荡器输出信号一般尽可能从低阻抗点取出，以减弱外接负载对振荡幅度、频率稳定度的影响。本电路从发射极取出信号送给下一级。（1）偏置电阻值的计算偏置电阻决定静态工作
12、点，所以，要先确定振荡器的静态工作电流 ICQ。一般小功率振荡器的静态工作电流 ICQ为（14）mA，设计时可以在此范围内任取一值，如取 ICQ=2mA。根据所选晶体管型号确定电流放大系数的值。则：由 ，确定 Re，式中一般取CQEeIVR CEV2.0由 ，确定 Rc，式中取 ；EceI /EQ或依据集电极直流电压 ，确定 RC。CCV)16.0(由流过 Rb2的电流 ，确定/2QBII，式中 。22BEQBbIIVeCQEICb C3C1C2 C4Rb2 ReRcRb1 L1+Vc信 号 输 出图 2.2.2-4 西勒振荡电路由 ，确定 。CbBQVR21121BQCbVR根据以上计算出的
13、各电阻值，选取最接近的标称电阻值。为便于调整静态工作点，实际电路中 Rb1常用固定值的电阻与电位器串联。（2）振荡回路元件值的计算根据西勒振荡器的原理，C 350%。一、总体实现方案的选择1. 调频发射系统分析图 2.2.2-9 为基本的直接调频发射系统框图。主要由调频振荡器、缓冲隔离器、倍频器、高频功率放大器、调制信号发生器等电路组成。由调相实现调频的间接调频发射系统，与直接调频发射系统相比，主要是调频波产生过程不同。图 2.2.2-10 给出了间接调频时调频波的产生过程图，调频波输出后，系统的组成电路也包括缓冲隔离器、倍频器、高频功率放大器等。考虑到直接调频系统应用的广泛性，以及电路的易实
14、现性，本设计举例主要介绍直接调频发射系统的实现。图 2.2.2-9 直接调频发射系统组成框图 实际制作的直接调频发射系统组成电路的选择，主要根据设计指标要求来确定。调频振荡器在产生稳定的载波信号的同时，完成调频功能，是调频发射系统的核心电路，不可缺少。缓冲隔离级将调频振荡器与功放级隔离，以减小后级对振荡器频率稳定度及振荡波形的影响。是否选择该单元电路，主要根据电路对稳定性要求的高低。一般情况下，需要选择该电路。倍频器将调频振荡器产生的信号频率加倍，以达到发射机载波频率的要求，这样可以降低振荡器的工作频率，提高电路的频率稳定度。如果振荡器的振荡频率可以满足发射机载波频率的要求，就可省去此电路。高
15、频功放电路使负载（天线）上获得设计要求的发射功率。如果要求达到的发射功率比较大，那么在末级功放之前还要加功率推动级，以便为末级功放提供足够的激励功率。如果要求的发射功率不大，且振荡级的输出功率能够满足末级功放的输入要求，那么功放推动级也可省去。2. 本设计任务总体实现方案的确定根据以上对调频发射系统构成电路选择方法的介绍，结合设计任务中给定的技术指标，确定总体实现方案如下：方案一：集成调频发射系统载 波振 荡 器 缓 冲 器 调 相 器积 分 器调 制 信 号 调 频 波输 出图 2.2.2-10 间接调频发射系统的调频波产生过程随着集成芯片技术的发展，集成电路已成为无线电收发系统不可缺少的组
16、成部分，如我们熟悉的收音机、电视机、手机等等。所以，在自行设计制作高频电路时，也可以尝试使用单片集成电路，学习集成电路的使用也是电路设计中重要的环节。在选择集成芯片时，可以优先选用那些在市场上容易买到、价格适宜的产品。单片集成的调频低功率发射电路，可以包含调频振荡器级、缓冲隔离级、倍频级等多个单元电路。单片集成调频发射系统如图2.2.2-11 所示。由于单片集成调频发射系统的输出功率比较小，因此需要在集成电路后加功率放大器。方案二：分立调频发射系统由于设计任务的技术指标要求不高，所以，采用由调频振荡器、缓冲隔离器、高频功率放大器、调制信号发生器等分立电路组成的调频发射机，也可以实现设计目标。集
17、成调频发射系统 高频功放调制信号图 2.2.2-11 集成调频发射系统框图二、单元电路形式的选择1调频振荡器直接调频发射系统中，调频振荡器的电路形式主要有晶体振荡器直接调频，电抗管调频、变容二极管调频。晶体振荡器直接调频电路的优点是提高了振荡器中心频率的稳定性；电抗管调频电路与变容二极管调频电路相比，要复杂一些。考虑到本设计任务要求中心频率的稳定性不高（10 -3/分钟） ，用 LC 振荡器就可达到；再考虑到电路的简单易实现，所以，选择采用 LC 调频振荡器、变容二极管调频电路。2缓冲隔离级缓冲级通常采用射极跟随器电路。3高频功率放大器要使负载（天线）上获得令人满意的发射功率，而且整机效率较高
18、，应选择丙类功率放大器。末级功放的功率增益不能太高，否则电路性能不稳定，容易产生自激。因此要根据发射机各部分的作用，适当地合理分配功率增益。功率推动级为末级功放提供激励功率。可以选择在弱过压工作状态下的丙类功放，或甲类功放。本设计任务中，发射功率要求不高，省去功放推动级。三、电路参数计算根据以上确定的单元电路形式，下面给出具体的电路，以及组成电路的各元件值的计算方法。1调频振荡器基于 LC 振荡器的变容二极管直接调频电路原理，在本书第一篇基础实验四“频率调制与解调”中有详细介绍，图 2.2.2-12 为基于西勒振荡器的变容二极管调频电路。此类电路的静态工作点的设置及其偏置电阻的计算方法，与普通
19、 LC 振荡器的方法相同，详见 2.2.1节小功率调幅发射机中主振器“偏置电阻值的计算” 。振荡回路元件值的计算，只要把变容二极管在固定直流反向偏压下的结电容 Cj看作振荡回路总电容中的一部分处理即可，由振荡的中心频率确定变容二极管结电容 Cj的值，中心振荡频率（即载波频率） 、反馈系数等参数的计算和取值方法，详见 2.2.1 节小功率调幅发射机中主振器“振荡回路元件值的计算” 。调制信号并联在变容二极管两端，在振荡回路中构成了部分接入，有利于提高中心频率的稳定度，减小调制失真。接入系数，为保证频偏达到技术指标要求， p 不宜取得过小，可14jCp以先取 p=0.3，需要的话，在实际电路调试中
20、可以再做调整。确定接入系数 p 后，即可得到电容 C4的值。变容二极管直流偏置电阻的计算，根据需要的反向偏压值决定。根据已知的变容二极管结电容 Cj与反向偏压变化关系曲线（或关系Cb C3C1C2Rb2 ReRcRb1 L+VcR1R2R3C4Cj ZLC5 C6+u图 2.2.2-12 变容二极管调频电路式） ，得到相应结电容 Cj的静态反向偏压 VjQ的值。再由电路中的分压关系，可知 ，从而确定分压电阻 R1、 R2的值。为便jQVR21于调整静态偏压，实际电路中 R1常用固定值的电阻与电位器串联组成。由于在调频振荡电路中高频信号和低频信号同时工作，所以，电路中辅助性元件的位置和值的选取，
21、对于保证两种信号各自的通路、减小它们之间的相互影响，都非常重要。首先分析扼流圈的作用。对于低频调制信号来说，扼流圈呈现的阻抗应很小，相当于短路，保证低频信号的一端输入加至变容二极管的负端；而对高频信号，扼流圈则应呈现大阻抗，相当于开路，以减小高频振荡信号对低频信号的影响。其次分析隔直电容的作用。对于低频调制信号来说，电容呈现的阻抗应很大，相当于开路，保证低频信号加至变容二极管的两端；而对高频信号，电容则应呈现小阻抗，相当于短路，以进一步滤除高频信号。所以，扼流圈和隔直电容的取值应满足以下关系式：，LC001L1式中， 0表示高频载波信号的角频率， 表示低频调制信号的角频率。2缓冲隔离级这里仍采
22、用图 2.2.2-5 所示的射极跟随器电路作为缓冲级，即共集电极组态的放大器。偏置电阻及级间电容的取值方法，详见电路参数计算中缓冲级电路的计算。高频功率放大器采用甲类功放作功率推动级电路时，功放的电路与元件值计算，请参见线性功率放大器的电路计算方法。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率，电路如图 2.2.2-13 所示。电路元件值的计算，从选择临界状态为功放工作状态开始。然后，根据所图 2.2.2-13 高频功率放大器选导通角确定各分量电流以及直流功率等。这部分内容在一般的高频电子线路教材中都有详细的介绍，读者可参见相关教材。另外，由于基于这种工程估算方法得到的各种参
23、数值，与实际电路调试时，根据测试结果不断调整后得到的最终参数值之间，往往存在较大的误差。所以，丙类功放电路的设计与制作，需要一定的经验和技巧，只有亲手进行电路的设计与制作，才能真正掌握。2.2.3 调幅接收机本设计举例的目的是掌握点频超外差调幅接收机的设计。任务：普通调幅接收机设计技术指标：载波频率 f0=2MHz，调制信号频率 F=500Hz3kHz。输出功率 P0=0.25W， RL=8，灵敏度 1mV。一、总体实现方案的选择1调幅接收系统分析图 2.2.2-14 为超外差式调幅接收系统方框图。主要由输入回路、高频小信号调谐放大器、混频器、本机振荡、中频放大器、检波器、低频放大等电路组成。
24、在一些超外差接收机里，为保证输出信号电平恒定，还往往增加自动增益控制电路，控制高频放大级和中频放大级的增益。（1）输入回路输入回路是接收系统选择信号的第一关。它的作用是初步选取接收系统要接收的某一载波信号，以尽量少的损耗传送到下一级，并抑制接收频率以外的一切干扰信号。衡量输入回路性能的指标主要有通频带和选择性。为了保证信号不产生频率失真，通频带要有适当的宽度；为了对邻频道信号有足够的衰减，要有一定的选择性。 图 2.2.2-14 超外差式调幅接收系统框图（2）高频小信号调谐放大器高频小信号放大器对天线接收下来的微弱信号进行电压放大，同时，进一步对接收信号进行筛选。衡量此电路性能的指标主要有电压
25、放大倍数（或电压增益） 、通频带和选择性。（3）混频器混频器将输入信号的载频 f0与本机振荡信号频率 fL进行频率变换，使输入信号的载频变成固定的中频信号，并保持其调制规律不变。混频器有高中频和低中频之分，高中频取 f0与 fL之和，低中频取 f0与 fL之差。本设计以常用的低中频为例。（4）本机振荡本机振荡即正弦波振荡器，产生频率为 fL的等幅振荡信号，并将信号送入混频器与输入信号的各个频率分量进行混频，（5）中频放大器中频放大器的任务是将混频器的输出信号进行电压放大，以满足检波器对输入信号幅度的要求。（6）检波器检波即调幅波的解调，从输入的调幅波中还原调制信号。可见，检波器是调幅接收机的核
26、心电路，衡量它性能的指标主要有检波效率、检波失真、等效输入电阻等。2本设计任务总体实现方案的确定根据设计任务要求，载波频率 f0=2MHz 比较低，可省去变频过程，直接将接收的调幅波放大后解调。因此，确定本设计任务总体实现方案有：方案一：同步检波接收机利用同步检波的方法，对调幅波解调时，实现电路包括输入回路、高频放大、本地载波、检波器。方案二：包络检波接收机利用包络检波的方法，对调幅波解调时，实现电路包括输入回路、高频放大、检波器。二、 单元电路形式的选择输入回路的电路形式主要有单调谐回路，双调谐耦合回路。其中耦合回路的选频特性要优于单调谐回路，一般在接收机性能要求较高的场合使用。本设计选择单
27、调谐回路。接收机中高频放大电路和中频放大电路，均属于小信号线性放大，电路工作于甲类状态。电路的形式有单调谐放大电路、双调谐放大电路等，对电路选择性要求较高的场合，一般选择双调谐放大电路。本设计选择单调谐放大电路。实现同步检波器的电路形式有乘法器、环形或桥形幅度调制器等。由于集成电路的发展，在广播接收机、电视接收机电路中，多采用模拟乘法器来完成同步解调。包络检波器是利用二极管的单向导电特性和检波负载 C 的充放LR电过程实现检波，适用于解调含有较大载波分量的大信号。三、电路参数计算1输入回路图 2.2.2-15 为单调谐输入回路。根据接收信号的中心频率 f0和接收信号的带宽 B，确定表示输入回路
28、谐振特性的品质因数。fQ0图 2.2.2-15 单调谐输入回路根据中心频率 ，确定回路电感 L 和电容 C 的值。)2/(10LCf其中，电容值不能太小，否则，分布电容会影响回路的稳定性，一般取 CCie(Cie表示下级高频放大电路中晶体管的输入电容)。为便于调整，实际电路中电容 C 常用固定电容和可变电容并联的形式。在设计输入回路时，还要考虑它与天线之间，以及它与下一级放大电路之间的阻抗匹配。所以，要事先确定天线的等效阻抗，以及放大电路的等效输入阻抗。输入回路可以采用部分接入的方法，改善下一级电路对输入回路选频性能的影响。2高频小信号调谐放大器图 2.2.2-16 为小信号调谐放大器的电路。
29、（1）直流偏置电阻值的计算 一般取发射极静态电压 。则基极电压 ，其VEQ1BEQBV中，V BE为晶体管基极、发射极间的电压，对于硅管 VBE约为 0.7V，对于锗管 VBE约为 0.2V。根据系统的功率增益分配，确定本电路交流输出功率 P0。设发射极电压和集电极饱和压降共占去电源电压 VCC的 10%，则放大器直流功率 。CQdcIVP9.0由于甲类放大器的集电极效率最大为 ，而%50c，则 。dcdcCP5.0)./(20CCQI由 ，确定 Re。EeIVR由流过 Rb2的电流 ，确定：/102CQBI。22BEQBbII由 ，确定 。CbBQVR21 121BQCbVR图 2.2.2-
30、16 小信号调谐放大器下面介绍交流下元件参数的设定。电阻 R0和电容 C0组成低通滤波器，抑制高频信号对直流电源的干扰，防止通过电源线形成本级电路对其他级电路的反馈。对于小功率接收机，R 0一般取 100，C 0的阻抗值应小于等于 R0阻值的1/10。旁路电容 CE的阻抗值也应小于等于 RE的 1/10；级间隔直耦合电容 CC的阻抗值应小于等于放大器输入阻抗的 1/10。集电极谐振回路元件值的设定方法。考虑晶体管 Y 参数等效电路的 Y 参数值，假设接入系数值后，根据已知的电路工作频率 f0设定回路外接电感值 L 和总电容值 C，外接电容值 C 等于 C减去晶体管 Y 参数中的输入输出电容。再
31、根据工作频率 f0及回路带宽 B，决定回路有载品质因数 QL= f0/B；回路谐振电阻 R可由 R=2 f0LQL决定。3本地振荡电路本地振荡电路与发射机中的主振器原理相同，设计方法也相同，可参见发射机中主振器电路参数的计算。4同步检波器采用 MC1496 实现的电路谢自美，如图 2.2.2-17 所示。5二极管包络检波器 检波器的电路如图 2.2.2-18 所示。图 2.2.2-18 二极管包络检波器（1）二极管 D 的选择在选择检波二极管时，要考虑输入信号的频率，保证二极管的工作频率远小于其自身的截止频率。一般可选用点接触型检波二极管，如 2AP9，其截止频率为 100MHz，本例中就可选
32、用此二极管。 （2）检波负载电阻的确定C1 C4C3RpMC1496C2-VEuc C8uous +Vc1108 61251423R1 2R34 R5 R1C6 C7R6R7 R8Re R9R10C54图 2.2.2-17 MC1496 实现的同步检波电路先估算检波器后的低频放大器等效输入电阻 ri 的值，一般为25k 。为满足检波输出波形不产生负峰切割失真的条件，即 iLarRm式中 ma表示调幅度，通常，在接收机中 ma最大约为 0.8，平均为0.3，所以，一般选 RL=510 k。（3）负载电容 C 的确定根据检波输出波形不产生惰性失真的条件，得工程上近似计算式： 5.1maxCRL本例中已知调制信号频率 F=500Hz3kHz，所以，max=2Fmax=23103rad/s，从而求得 C 小于（4）隔直耦合电容 CC的确定CC的存在主要影响检波的下限频率。为使调制信号频率为最小值时，C C上的电压降不大，不产生频率失真，必须满足下式： icrCmin1在通常的音频范围内，上式是容易满足的。一般取 CC为几F，如 510F。
