使用VCO实现变容二极管直接调频(图)

Direct Frequency Modulation Based on Varactor
摘 要：介绍了一种使用VCO实现调频的锁相环电路并给出了关键技术，变容二极管直接调频和锁相，环路滤波器的设计及实验结果。该电路不仅具有低相位噪声、高稳定载波、很小的非线性失真，而且具有理想的音频调制频响。
关键词：调频；变容二极管；自动相位控制
---调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。调频电台的频带通常大约是200～250kHz，其频带宽度是调幅电台的数十倍，便于传送高保真立体声信号。由于调幅波受到频带宽度的限制，在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾，因此音频信号的频率局限于30～8000Hz的范围内。在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至30～15000Hz，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量大为提高。
---许多中小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频的LC振荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。
变容二极管直接调频原理
---二极管通过改变外加反向电压可以改变空间电荷区的宽度，从而改变势垒电容的大小。变容二极管是就是利用这种特性制成的特殊的PN结二极管，是一种电抗可变的非线性电路元件，一般使用的材料为硅或砷化镓。图1是变容二极管的特性曲线，图2是变容二极管直接调频示意图。


---变容二极管在反向偏置时，结电容可用下式来表示：，其中，VD为PN结内建电位差，Cj0为外加反向电压u=0时的结电容，n为电容变化指数。n取决于变容二极管PN结的杂质分布规律，对于缓变结n值等于1/3，突变结n值等于1/2，超突变结n值在1～5之间。
---变容二极管在反向偏置直接调频电路中，不能工作于正向偏压区。如图2所示，为了保证变容二极管在调制电压变化过程中保持反向偏压，必须加上一个大于调制信号振幅的反向直流偏压E0。所以在单音调制时，变容二极管上的电压u=E0+UΩcosΩt，得到结电容变化规律为(见本期杂志）
---式中，称为电容调制度，
---为静态工作点时的结电容。
---则振荡回路的谐振角频率为：(见本期杂志）
---式中，是未受调制时的振荡角频率，即载波角频率。将式中作为变量，并在处展开为泰勒级数，得到：(见本期杂志）
---从上式可以看出，振荡器的频率变化量中不仅包含有与调制信号成正比的分量，而且含有调制信号的二次谐波及更高次谐波分量，同时还有中心频率的漂移。一般总是在保证最大角频偏的前提下，选择具有较大变容指数n的管子，减小电容调制度m，从而减小中心频率的漂移，提高振荡器的频率稳定度，还要消除各次谐波失真分量，实现线性调频。
锁相稳频技术
---对于变容二极管直接调频电路来说，由于调制器是由普通的LC自激振荡器和并联的变容二极管组成，所以有很多因素会引起振荡频率发生变化，这些因素包括变容二极管的非线性、电源电压的变动、负载的变化、温度等环境条件的变化、电路元器件老化、机械振动等。为了消除这些导致中心频率不稳定的因素，除了注意电路和结构的设计外，还应当采用自动相位控制电路使中心频率稳定在规定范围以内。

---图3是典型的锁相稳频电路的结构框图。共包括四个部分：压控振荡器、鉴相器、基准晶体振荡器和分频器。放大的调制信号加入压控振荡器，对其进行频率调制，经过调制的高频信号一路送至后面的放大电路，另一部分送入分频器进行分频。分频器输出的方波信号送入鉴相器中，与基准晶体振荡器经过分频后得到的基准信号进行比较，实现相位锁定。鉴相器的输出信号经过环路滤波器送入压控振荡器中，控制压控振荡器的振荡频率，从而达到稳定频率的目的。


---由于调频的结果使压控振荡器输出信号的瞬时频率总是偏离其基准值，而环路的功能就是要抑制这种频偏，这就产生了一个矛盾。为了解决这个矛盾，应该使调制信号的频谱处于环路通带之外，也就是需要在鉴相器和压控振荡器之间加一个低通滤波器，将其滤除。环路只对引起压控振荡器平均中心频率不稳定的那一部分起作用，也就是说，已调信号在中心频率附近很小的一个频偏范围内变化。

主要电路工作原理
---本电路实际上是一个小功率调频发射机，其调制部分采用了变容二极管直接调频技术，主要功能是实现87～108MHz频段内以100kHz为间隔的调频激励源；输入调频信号为音频(30Hz～15kHz)，要求实现最大频偏为75kHz，其框图如图4所示。


---下面简单分析一下各主要部分的工作原理。
● VCO电路
---VCO电路是实现频率调制与载波生成的关键性电路部分，其具体电路如图5所示。

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