電子設計-高頻部分.ppt

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電子設計 高頻部分 課件制作 劉國華2009 3 電子信息學院 內(nèi)容安排 第一講基礎知識第二講高頻放大器及設計第三講振蕩器及設計第四講調幅與調頻通信及系統(tǒng)設計第五講設計舉例 參考資料 1 謝自美主編 電子線路綜合設計 武漢 華中科技大學出版社 20062 高吉祥主編 高頻電子線路設計 北京 電子工業(yè)出版社 20073 謝自美主編 電子線路設計 實驗 測試 第二版 武漢 華中科技大學出版社 20004 李晉炬編著 通信電路與系統(tǒng)實驗教程 北京 北京理工大學出版社 20065 于海勛 鄭長明 高頻電路實驗與仿真 北京 科學出版社 2005 第一講基礎知識 一 理論基礎二 測量基礎三 設計與布線基礎 一 理論基礎 1 通信系統(tǒng) 以調幅為例 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調幅發(fā)射系統(tǒng)框圖 產(chǎn)生載波 聲電轉換 載波放大 振幅調制 調幅接收機 接收機框圖 圖1 2超外差式調幅接收機框圖 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 技術指標高頻小信號放大器的技術指標有中心頻率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諧放大器的工作頻率 在此頻率上 調諧放大器增益最大 它是調諧放大器的重要性能指標 同時也是選擇有源放大器和計算調諧回路設計參數(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 負載有調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 采用負反饋 犧牲增益增加穩(wěn)定性 采用結電容小的管子 圖1 4單調諧放大器電路圖 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 大信號輸入管子導通 工作在C類 導通角 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 集電極調幅用 圖1 5高頻諧振功放電路與負載特性 設計方法簡介 具體設計方法和計算步驟如下 1 利用公式計算出導通角 VBE為管子起始導通電壓 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果 實際設計高頻諧振功率放大器時 需要耐心調試與測試 才能使設計電路符合要求 4 高頻振蕩器 范圍應用 載波源 本振電路組成 基本放大電路 選頻網(wǎng)絡和反饋網(wǎng)絡起振 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 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 與晶體管結電容無關 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 幅度調制和解調 混頻 倍頻 調頻 鑒頻 限幅 AM DSB SSB 包絡檢波和同步檢波 直接調頻 間接調頻 變?nèi)荻O管調頻 晶體管振蕩器直接調頻 電容話筒調頻 斜率鑒頻 相位鑒頻 比例鑒頻 鎖相鑒頻 鎖相調頻 振幅調制與解調原理 振幅調制數(shù)學原理 調制信號 載波信號 振幅解調原理大信號二極管包絡檢波 二極管和RC低通濾波電路同步檢波 輸入振幅調制信號和恢復載波 振幅調制電路 高電平調幅高頻功率放大和振幅調制同時進行 用高頻諧振功放實現(xiàn) 工作在過壓狀態(tài) 電路略 低電平調幅先調幅再功率放大 可用模擬相乘器實現(xiàn) 圖1 8MC1496構成的振幅調制電路 載波輸入 調制信號輸入 振幅調制波形與測量 振幅調制波形 圖1 9振幅調制波形與測量方法 a AM波形峰谷法測量 b AM波形梯形法測量 c DSB波形 調幅度 梯形法 將AM信號送到示波器垂直通道 調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制過程中有無明顯的非線性失真 頻率調制原理 調頻信號的數(shù)學表達式 調頻信號帶寬 調頻信號波形 載波頻率隨調制信號幅度而改變的疏密波 載波幅度不變 調頻信號指標 最大頻偏 fm 頻率調制電路 變?nèi)荻O管調頻電路 圖1 10變?nèi)荻O管調頻電路 本質上是一個壓控振蕩器VCO 鑒頻電路通常調試比較復雜 故設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)學原理 圖1 11混頻電路模型 混頻器的主要技術指標有混頻增益 1dB壓縮點 三階互調阻斷點 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 交叉調制失真和互調干擾 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 當輸入小信號時 系統(tǒng)高增益 當輸入大信號時 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 通過頻率負反饋 自動調節(jié)本振頻率穩(wěn)定在預期頻率上 調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 也可用于頻率調制和鑒頻 以后將詳細介紹具體應用 AGC和AFC原理電路 圖1 13調幅接收機電路AGC原理 信號 AGC D1截止 R2 D1對T1無負載作用 T1負載電阻 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)的關鍵 圖1 16鎖相環(huán)路的數(shù)學模型 鎖相環(huán)應用 鎖相分頻 倍頻 圖 a f0 Nfi鎖相混頻圖 b 鎖相調頻和鑒頻圖 c d 鎖相頻率合成圖 e 設晶振頻率為fr 輸出頻率為fo 則fr與fo的關系為當參考頻率fr一定時 改變可變程序分頻比可以改變輸出頻率fo 并且步進間隔為 圖1 17PLL的應用 a b c d e 鎖相調頻和鑒頻電路 高頻鎖相環(huán)NE564 圖1 18NE564內(nèi)部結構 鎖相鑒頻和調頻電路 二 測量基礎 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 設計與布線基礎 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 需要轉折時不要90 轉向 可45 折線或圓弧曲線轉折 盡量縮小環(huán)路面積 布線時應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