1、变容二极管的作用变容二极管是利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器 变容二极管与反向偏压件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压，即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越少，反向偏压与结电容之间的关系是非线性的。

2、(a) 反向偏压增加，造成电容减少;

(b) 反向偏压减少，造成电容增加。电容误差范围是一个规定的变容二极管的电容量范围。数据表将显示最小值、标称值及最大值，这些经常绘在图上。

实现调频的方法很多，大致可分为两类，一类是直接调频，另一类是间接调频。直接调频是用调制信号电压直接去控制自激振荡器的振荡频率(实质上是改变振荡器的定频元件)，变容二极管调频便属于此类。间接调频则是利用频率和相位之间的关系，将调制信号进行适当处理(如积分)后，再对高频振荡进行调相，以达到调频的目的。两种调频法各有优缺点。直接调频的稳定性较差，但得到的频偏大，线路简单，故应用较广;间接调频稳定性较高，但不易获得较大的频偏。

常用的变容二极管直接调频电路。

图中D为变容二极管，C2、L1、和C3组成低通滤滤器，以保证调制信号顺利加到调频级上，同时也防止调制信号影响高频振荡回路，或高频信号反串入调制信号电路中。调制级本身由两组电源供电。

对高频振荡信号来说，L1可看作开路，电源EB的交流电位为零，R1与C3并联;如果将隔直电容C4近似看作短路，R2看作开路，则可得到图(b)所示的高频等效电路。不难看出，它是一个电感三点式振荡电路。变容二极管D的结电容Cj，充当了振荡回路中的电抗元件之一。所以振荡频率取决于电感L2和变容二极管的结电容Cj的值， 。

变容二极管的正极直流接地(L2对直流可视为短路)，负极通过R1接+EB，使变容二极管获得一固定的反偏压，这一反偏压的大小与稳定，对调频信号的线性和中心频率的稳定性及精度，起着决定性作用。

对调制信号来说，L2可视为短路，调制信号通过隔直流电容C1和L1加到变容二极管D的负极，因此，当调制信号为正半周时，变容二极管的反偏电压增加，其结电容减小，使振荡频率变高;调制信号为负半周时，变容二极管的反偏压减小，其结电容增大，使振荡频率变低。

由上可见，变容二极管调频的原理是，用调制信号去改变加在变容二极管上的反偏压，以改变其结电容的大小，从而改变高频振荡频率的大小，达到调频的目的。由变容二极管结电容Cj变化实现调频的波形示意图如图Z0917所示。

图Z0918是应用电路举例请读者自行分析。

变容二极管调频电路包含有主振电路和调频电路两部分。主振电路有LC正弦波振荡器

构成，调频电路有变容二极管和电容、电阻构成。该设计给出变容二极管调频电路的工作原理和设计电路图，并对电路的主要性能参数进行分析。介绍了变容二极管的性质和各部分组成电路，最后还附有元器件清单和参考文献。

第一章 变容二极管调频电路的基本原理

第二章 元器件及各部分电路的介绍

变容二极管的特性概述

变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压大小而变化的原理设计的一种二极管。它的极间结构、伏安特性与一般检波二极管没有多大差别。不同的是在加反向偏压时，变容二管呈现较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会随调制信号电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。

三极管VT——起放大作用。在输入信号的控制之下，通过三极管将直流电源的能量，转换为输出信号的能量。

负载电阻Rc、RL——将变化的集电极电流转换为电压输出。

偏置电路Rb1、Rb2、Re——提供合适的偏置，保证三极管工作在线性区，使信号不产生失真。这种由上下两个电阻Rb1，Rb2提供偏置的形式也称为分压偏置，或称为射极偏置。 耦合电容C1、C2——输入耦合电容C1保证交流信号加到发射结，但又不影响发射结偏置。输出耦合电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。

直流电源VCC——为放大电路提供工作电源，给三极管放大信号提供能源

变容二极管偏置电路

电源V1、电阻R12， 电位器R13，以及电阻R14为变容二极管工作提供合适的静态工作点，并保证变容二极管工作在反向偏压的情况下。由于变容二极管的静态电容会随温度、偏置电压的变化而变化，造成中心频率的不稳定，在电路中电容 C16 、 C17 的加入可以提高振荡电路的中心频率稳定度，也可以减少高频振荡信号对变容二极管的影响，但 C3 ，C4 的接入电路，其调制灵敏度和最大偏频都会受到影响。图1-12为加入变容二极管偏置电路的设计图。分析可知，在变容二极管上接入的反向电压有直流和交流两种，静态调制特性测试的目的是：输入端不接低频交流信号 , 只有直流电压作用在变容二极管上时，振荡电路的输出频率，这个频率就是调频信号的中心频率。调频后，频率就是在这个中心频率附近变化的。

第三章 主要性能参数的分析

主振频率 LC振荡器的输出频率称为主振频率或载波频率。用数字频率测量回路的谐振频率，高频电压表测量谐振电压，示波器检测震荡波形

第四章 总结设计体会

设计原理图

主要参考文献

1：李银华 电子线路设计指导 北京航天航空大学出版社2005.6

2：谢自美 电子线路设计·实验·测试 华中科技大学出版社2003.10

3：张肃文 高频电子线路 高等教育出版社2004.11

由图分析可知，它是由LC振荡器与变容二极管及其偏置电路组成。其中Cc为耦合电容，Lc为高频扼流圈，它对高频信号可视为开路。变容二极管是振荡回路的一个组成部分，加在变容二极管上的反向电压为

ur =Vcc-VB+ uΩ(t) =VQ+ uΩ(t) (1-5)

式中VQ= Vcc-VB是加在变容二极管上的直流偏置电压; uΩ(t)为调制信号电压。

图1-2(a)是变容二极管的结电容与反向电压ur的关系曲线,由电路可知, 加在变容二极管上的反向电压为直流偏压VQ和调制电压uΩ(t)之和,若设调制电压为单频余弦信号,即uΩ(t)=UΩm cosΩt则反向电压为

VQ+UΩm cosΩt (1-6)

在ur (t)的控制下,结电容随时间发生变化如图1-2(a)所示。结电容是振荡器的振荡回路的一部分,结电容随调制信号变化,回路总电容也随调制信号变化,故振荡频率也将随调制信号而变化,如图1-2(b)所示。只要适当选取变容二极管的特性及工作状态,可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性关系,如图1-2(c)所示,从而实现调频。

图1-2 调制信号控制变容二极管结电容关系示意图。

2.4变容二极管调频电路的设计思路与理论分析

设调制信号为uΩ(t)=UΩm cosΩt,加在二极管上的反向直流偏压为 VQ, VQ的取值应保证在未加调制信号时振荡器的振荡频率等于要求的载波频率,同时还应保证在调制信号uΩ(t)的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。加在变容二极管上的控制电压为

ur (t)= VQ+ UΩm cosΩt (1-7)

根据式(1-7)可得，相应的变容二极管结电容变化规律为

(1)当调制信号电压uΩ(t)=0时，即为载波状态。此时ur (t)= VQ，对应的变容二极管结电容为CjQ

(1-8)

(2)当调制信号电压uΩ(t)=UΩm cosΩt时,对应的变容二极管的结电容与载波状态时变容二极管的结电容的关系是

(1-9)

令m= uΩ/(UD+VQ)为电容调制度,则可得

(1-10)

上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电压的关系由振荡回路决定。

图1-3是变容二极管部分接入振荡器振荡回路的等效电路。调频特性取决于回路的总电容C∑,而C∑可以看成一个等效的变容二极管, C∑随调制电压uΩ(t)的变化规律不仅决定于变容二极管的结电容Cj随调制电压uΩ(t)的变化,而且还与C1和C2的大小有关。因为变容二极管部分接人振荡回路,其中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但其最大频偏要减小。

图1-3 变容二极管部分接入振荡器振荡回路的等效电路

图1-4所示是变容二极管全部接入振荡回路的等效电路。

图1-4 变容二极管全部接入振荡器振荡回路的等效电路

该电路的设计主要依据变容二极管部分接入振荡器振荡回路的等效电路的方案。在此假定变容二极管调频电路的近似分析模型示意图如下所示。

图1-5为变容二极管调频电路的近似分析模型

变容二极管通过耦合电容并接在回路的两端，形成振荡回路总电容的一部分。因而，振荡回路的总电容C为：

振荡频率为： (1-11)

(1-12)

通常加在变容二极管上的反向偏压为：

变容二极管利用PN结的结电容制成，在反偏电压作用下呈现一定的结电容(势垒电容)，而且这个结电容能灵敏地随着反偏电压在一定范围内变化，其关系曲线称

图1-5所示。

图1-6 用调制信号控制变容二极管结电容的改变。

由图可见：未加调制电压时，直流反偏(通常在参考教材中称为)所对应的结电容为～曲线，如

(在参考教材中称)。当反偏增加时，减小;反偏减小时，增大，很显然其变

～曲线的线化具有一定的非线性，当调制电压较小时，可近似认为工作在变容二极管

性段，将随调制电压线性变化，当调制电压较大时，此时，～曲线的非线性就不可以再加以忽略了，它将给调频带来一定的非线性失真。

在图1-5变容二极管调频电路的近似分析模型中，假设调制电压很小，工作在

线的线性段，暂不考虑高频电压对变容二极管作用。

设 (1-13) ～曲

由图1-6(c)可见：变容二极管的结电容随υR变化。

即： (1-14)

由公式(1-11)可得出此时振荡回路的总电容为

由此可得出振荡回路总电容的变化量为：

(1-15)

由式可见：振荡回路总电容的变化量随调制信号的变化规律而变化，式中

结电容变化的最大幅值。我们知道：当回路电容有微量变化

的变化，其关系如下： 是变容二极管时，振荡频率也会产生

(1-16)

式中，是未调制时的载波频率;

由公式(1-12)便可计算出(在调频中将其称为中心频率)。 是调制信号为零时的回路总电容，显然

即：

将(1-15)式代入(1-16)式，可得：

(1-17)

频偏： (1-18)

振荡频率： (1-19)

与回路的中心频率

成反由此可见：振荡频率随调制电压线性变化，从而实现了调频。其频偏成正比，与结电容变化的最大值成正比，与调制信号成正比与回路的总电容

比。

为了减小高频电压对变容二极管的作用，减小中心频率的漂移，常将图6—1中的耦合电容的容量选得较小(与同数量级)，这时变容二极管部分接入振荡回路。理论分析将证

明这时回路的总电容为 (1-20)

回路总电容的变化量为：

回路总电容的变化量为：

(1-22)

频偏:

(1-23)

式中，称为接入系数。

～曲线决定。从曲线中可见，对

较小时，

较大时，较大，产较小， (1-21) 关于直流反偏工作点电压的选取，可由变容二极管的不同的值，其曲线的斜率(跨导)各不相同。生的频偏也大，但非线性失真严重，同时调制电压不宜过大。反之，

达不到所需频偏的要求，所以一般先选在～曲线线性较好，且

。 较大区段的中间位置，大致为手册上给的反偏数值，例：2CC1C，

(2)变容二极管

偏～曲线的测量，将图1-5的振荡回路重画于图1-7，。若去掉变容二极管，回路则由代表不同反、组成，时的结电容，其对应的振荡频率为

，它们分别为 对应的振荡频率为

(1-24)

(1-25)

图1-7 测量Cj～VR曲线

由式(1-24)、(1-25)可得：

(1-26)

的求得可将一已知电容并接在回路两端。此时，对应的频率为，有

由式(1-25)、(1-27)可得： (1-27)

变容二极管调频的调制灵敏度。 (1-28)

单位调制电压所引起的频偏称为调制灵敏度，本论文中以

式中，表示，单位为KHz/V，即 (1-29) 为调制信号的幅度(峰值)。

时引起的频率变化量，由于变容管部分接入谐振回路，则

为

(1-30)

的关系可采用下面近似公式，即 为变容管的结电容变化引起回路总电容的变化量 频偏较小时，与

将式(1-31)代入(1-29)中得 (1-31)

式中， (1-32) 为静态时谐振回路为变容二极管结电容的变化引起回路总电容的变化量，

的总电容，即

调制灵敏度可以由变容二极管 (1-33) 特性曲线上处的斜率KC及式(1-32)计算，Sf越大，调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。

使用12V供电，三极管Q1，Q2,Q3均使用C9018系列，变容管使用2CC系列变容二极管。 主要技术指标：主振频率，最大频偏。

本电路设计中，由R1、R2、W1、R3组成变容二极管的直流偏压电路。C3、C4、C12组成变容二极管的不同接入系数。IN1为调制信号输入端，由L4、C8、C7、C9、C5和振荡管组成LC调制电路。

第三章 变容二极管调频总体电路设计与分析

3.1总体设计电路及工作原理

变容二极管调频电路的总体设计电路见图1-6

图1—6 变容二极管调频器设计总电路图。

设计总电路由三部分构成：

(1) 正弦波振荡电路。

(2) 变容二极管偏置电路。

变容二极管调频电路如图1-6 所示，调制信号加C14，L4，C15 组成的低通滤波器一端，使变容二极管的瞬时反向偏置电压在静态反向偏置电压的基础上按调制信号的规律变化，从而使振荡频率也随调制电压的规律变化，此时从射随器电路的发射极端便会输出调频波(FM)图1-7示出了当变容二极管在低频简谐波调制信号作用情况下，电容和振荡频率的变化示意图。在(a)中，U0是加到二极管的直流电压，当u=U0时，电容值为C0。uΩ是调制电压，当uΩ为正半周时，变容二极管负极电位升高，即反向偏压增大;变容二极管的电容减小;当uΩ为负半周时，变容二极管负极电位降低，即反向偏压减小，变容二极管的电容增大。在图(b)中，对应于静止状态，变容二极管的电容为C0，此时振荡频率为f0。因为，所以电容小时，振荡频率高，而电容大时，振荡频率低。从图(a)中可以看到，由于C-u曲线的非线性，虽然调制电压是一个简谐波，但电容随时间的变化是非简谐波形，但是由于，f和C的关系也是非线性。不难看出，C-u和f-C的非线性关系起着抵消作用，即得到f-u的关系趋于线性(见图(c))。

图1-7电容和振荡频率的变化示意图

3.3变容二极管调频器获得线性调制的条件和调频灵敏度

设回路电感为L，回路的电容是变容二极管的电容C(暂时不考虑杂散电容及其它与变容二极管相串联或并联电容的影响)，则振荡频率为

荡应该与调制电压成线性关系，用数学表示为。为了获得线性调制，频率振，式中A是一个常数。由以上二式可得，将上式两边平方并移项可得，这即是变容二极管调频器获得线性调制的条件。这就是说，当电容C与电压u的平方成反比时，振荡频率就与调制电压成正比。

调频灵敏度定义为每单位调制电压所产生的频偏。

，式中B为一管子结构即电路串、并固定电容有设回路电容的C-u曲线可表示为

关的参数。将上式代入振荡频率的表示式中，可得：

调制灵敏度：

当n=2时，

设变容二极管在调制电压为零时的直流电压为U0,相应的回路电容量为C0,振荡频率为

，就有

则有

上述分析表明，在n=2的条件下，调制灵敏度与调制电压无关(这就是线性调制的条件)，而与中心振荡频率成正比，与变容二极管的直流偏压成反比。后者给我们一个启示，为了提高调制灵敏度，在不影响线性的条件下，直流偏压应该尽可能低些，当某一变容二极管能使总电容C-u特性曲线的n=2的直线段愈靠近偏压小的区域时，那么，采用该变容二极管所能得到的调制灵敏度就愈高。当我们采用串和并联固定电容以及控制高频振荡电压等方法来获得C-u特性n=2的线性段时，如果能使该线性段尽可能移向电压低的区域，那么对提高调制灵敏度是有利的。

由可以看出，当回路电容C-u特性曲线的n值(即斜率的绝对值)愈大，调制灵敏度越高。因此，如果对调频器的调制线性没有要求，则不外接串联或并联固定电容，并选用n值较大的变容管，就可以获得较高的调制灵敏度。

第四章 变容二极管调频电路各模块电路的设计。

4.1正弦波振荡电路

下图中， 三极管Q1以及其偏置电阻R1,R2,R3,构成变容二极管调频振荡器，其中R1为可变电位器，改变其阻值的大小可以控制正弦波振荡电路的输出频率。该振荡电路采用克拉泼电容三端式的改进形式。L1 、 C5 、C6 和变容二极管2CC1B 为电容三点式振荡器的一个等效元件，接在集电极和基极之间。 C2、 C3 构成电容三点式的另二个元件，分别接在三极管 V1 的发射极二侧。如图(1-8)所示：

图(1-8)变容二极管调频正弦波振荡电路。

用示波器测得用于调频的正弦波振荡电路的振荡波形如图(1-9)所示：振荡幅度为1.076V,振荡频率为( )。

图1-9 正弦波振荡电路波形图。

4.2三极管单管共射极放大电路

半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管最基本的作用就是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定

强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数β。三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。 通常电路设计中常用的三极管有9 0× ×系列，包括低频小功率硅管9013(NPN)、9012(PNP)，低噪声管9014(NPN)，高频小功率管9018(NPN)等。设计过程中，基本放大电路是放大电路中最基本的结构，是构成复杂放大电路的基本单元。它利用双极型半导体三极管输入电流控制输出电流的特性，或场效应半导体三极管输入电压控制输出电流的特性，实现信号的放大。该变容二极管调频器电路的设计中，三极管均采用高频小功率管9018(NPN)，采用是TO-92标准封装。此变容二极管调频电路中放大器的设计采用共射组态基本放大电路的组成。共射组态基本放大电路如图1-9所示。在该电路中，输入信号加在加在基极和发射极之间，耦合电容器C1和Ce视为对交流信号短路。输出信号从集电极对地取出，经耦合电容器C2隔除直流量，仅将交流信号加到负载电阻RL之上。放大电路的共射组态实际上是指放大电路中的三极管是共射组态。

共射组态交流基本放大电路

三极管 Q2及其偏置电阻构成的放大电路对振荡信号进行放大，荡电路与放大电路的波形输出比较，很显然经放大电路后，振荡波形的振幅明显增大了。