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在这篇文章中，我们将介绍直接调频产生的基本概念，并研究一个关键的调频调制电路：电抗调制器。

使用几种类型的调制器来生成FM信号。在某些情况下，调制信号直接改变载波的频率。其他类型，我们将在本系列文章的后面讨论，在转换为FM之前使用相位调制作为中间步骤。

在所有情况下，FM信号生成都需要一个输出频率可变的电路。该输出频率需要与消息信号的瞬时幅度成正比地变化。瞬时频率应仅基于消息信号的幅度而变化，并且与消息信号的频率无关。最后，理想的调频调制器应保持恒定的载波频率。

一旦我们认识到FM调制器是一个具有可变输出频率的电路，就很容易看出具有可调电容或电感的LC振荡器可以作为FM调制器。例如，在Hartley和Colpitts振荡器中，振荡频率由下式给出：

方程式1

因此，我们寻求创建适合并入我们的LC振荡器的电压控制电容或电感的方法。我们还需要确保频率变化与消息信号的幅度成正比。

一种简单的调频发生器

在本文中，我们将主要关注一种称为电抗调制器的电路。与变容二极管一样，它是直接产生FM的两种最流行的产生可调电抗的方法之一。然而，如图1所示，也可以使用与LC振荡器的谐振电路并联放置的电容式麦克风来构建一个非常简单的FM发生器。振荡频率由谐振电路中的电容器和电感器决定。

用于产生调频波的电容式麦克风。

图1 用于产生调频波的电容式麦克风 

在上述电路中，电容式麦克风（也称为电容式麦克风）用作谐振电路的电容。这种麦克风的电容随着声波的冲击而变化。因此，声波的振幅控制着振荡器的频率偏离其中心值的程度。声波的频率决定了振荡器输出端的频率变化率。

电容式麦克风调频系统虽然具有指导意义，但由于缺乏足够的频率稳定性，无法实现实际应用所需的频率偏差，因此在实践中很少使用。因此，电抗调制器技术得到了更广泛的应用。

电抗调制器

电抗调制器使用晶体管和无源元件来产生可变电抗。这种可变电抗可以是电容性的或电感性的，用于改变LC振荡器的谐振电路。基本电抗调制器如图2所示。

一种基本的电抗调制器。

图2 一种基本的电抗调制器

请注意，电抗调制器可以围绕BJT或FET器件构建。

在该电路中，电容器C1和电阻器R1用于提供从晶体管集电极到基极的反馈。对于C1，我们选择一个较小的值，以确保其在感兴趣频率下的电抗远高于R1的电阻。因此，流经R1C1支路的电流基本上由电容器设定。

忽略基本电流，我们可以通过以下公式近似反馈电流（ifb）：

方程式2

晶体管基极的电压可通过以下公式获得：

方程式3

如果晶体管的跨导为gm，则产生的集电极电流为：

方程式4

假设ifb相对于ic可以忽略不计，我们现在可以计算从集电极看到的阻抗：

方程式5

从集电极观察到的阻抗对应于有效电容：

方程式6

如该方程所示，通过为R1和C1选择正确的值，可以将等效电容设置为适当的初始值。

电抗调制器分析的见解

关于上述分析，一个重要的观察结果是，在R1C1支路中选择小电容对电路的功能至关重要。由于电容器C1的阻抗远高于R1，因此出现在基极端子（vb）处的电压将集电极电压（vc）领先90度（方程式3）。因此，集电极电流（ic）领先vc 90度，这对于具有整体电容阻抗至关重要。

同样值得注意的是，在计算ifb时，我们的简化分析忽略了R1。如果没有这种简化，我们得到：

方程式7

在这种情况下，集电极电流为：

方程式8

假设ifb≥ic，我们确定从集电极观察到的阻抗为：

方程式9

上述方程式中的术语1/gm表示电路还产生随gm变化的电阻分量，从而随消息信号变化。这种可变电阻改变了储能电路的品质因数，导致一些意外的幅度调制。为了尽量减少调幅效应，可能需要在振荡器后放置一个限幅器。

使用电抗调制器产生调频信号

从方程式6中，我们知道电路的等效电容取决于晶体管的跨导（gm）。因此，有效电容可以通过施加到基极端子的偏置电压而变化，电路用作电压控制电容。图3说明了电抗调制器的集电极和发射极端子如何连接到LC振荡器以构建可调振荡器。

连接到Clapp-Gouriet振荡器的电抗调制器。

图3 连接到Clapp-Gouriet振荡器的电抗调制器

图3采用了Clapp-Gouriet振荡器，这是Colpitts振荡器的变体。如上所述，调制信号被施加到基极端子，从而改变跨导和有效电容（Ceq）。通过这种方式，它产生FM波。

构建压控电感器

如果我们颠倒图2中R1和C1的位置，得到的电路会产生电感性电抗。如图4所示。

一种电抗调制器电路，用于产生电感阻抗。

图4 一种电抗调制器电路，用于产生电感阻抗

在这种情况下，C1的电抗需要比R1的电阻小得多。由于R1是R1C1支路中的主阻抗，电流ifb计算如下：

方程式10

当该电流通过C1时，它产生的基极电压为：

方程式11

这会产生以下集电极电流：

方程式12

现在，假设ifb与ic相比可以忽略不计，我们可以确定从集电极观察到的有效阻抗：

方程式13

这对应于R1C1/gm的有效电感，这显然取决于晶体管的跨导。当使用电抗调制器构建可变电感器时，我们可能需要一个与R1串联的隔直电容器，如图5所示。

电感电抗调制器可能需要反馈路径中的隔直电容器。

图5 电感电抗调制器可能需要反馈路径中的隔直电容器

电容器C2对调制器的电抗没有显著影响；它只是防止集电极的DC电平影响栅极偏压。此外，在计算晶体管基极端子处出现的等效电容时，请记住要考虑米勒效应。

总结

在直接调频系统中，调制信号直接改变载波振荡器的频率。这需要一个电容或电感可调的LC振荡器。在本文中，我们学习了电抗调制器电路如何仅使用晶体管和几个无源元件来实现这一点。

当消息信号改变可变电抗时，它会导致载波振荡器的谐振频率相应调整。通过这种方式，电抗调制器可以提供实际应用所需的大频率偏差。在下一篇文章中，我们将计算这个频率偏差。然后，我们将扩展我们的讨论，包括适用于直接FM生成的其他电抗调制器电路。

关键词： 调频信号 电抗调制器