在這篇文章中，我們研究了一種電抗調(diào)制器設(shè)計，該設(shè)計利用雙極結(jié)型晶體管的可變電容來調(diào)制科爾皮茲振蕩器的輸出。

在直接調(diào)頻生成中，調(diào)制信號直接改變載波振蕩器的頻率。為了實現(xiàn)這一點，我們需要一個具有可調(diào)電容或電感的LC振蕩器。在上一篇文章中，我們學(xué)習(xí)了如何將晶體管與RC反饋路徑相結(jié)合，以產(chǎn)生適用于直接FM發(fā)射機的可調(diào)電抗。在這篇文章中，我們將深入研究另一種創(chuàng)建可調(diào)電容器用于直接FM生成的方法。

這種方法利用了BJT晶體管的集電極-基極結(jié)通常是反向偏置的事實。反向偏置結(jié)的電容隨偏置電壓而變化。正如我們將看到的，這允許它用作電抗調(diào)制器。

兩種類型的電抗調(diào)制器

圖1顯示了前一篇文章中電抗調(diào)制器的簡化示意圖。

產(chǎn)生可調(diào)電容的電抗調(diào)制器。

圖1 產(chǎn)生可調(diào)電容的電抗調(diào)制器。圖片由Steve Arar提供

當(dāng)從集電極-發(fā)射極端子觀察時，圖1產(chǎn)生等效電容Ceq=gmR1C1。該電路結(jié)合了由R1和C1形成的外部反饋路徑，以產(chǎn)生可調(diào)電抗。

還可以通過使用BJT的反向偏置集電極-基極結(jié)來構(gòu)建壓控電容器。圖2顯示了使用這種技術(shù)的Colpitts振蕩器。

一種使用集電極-基極結(jié)電容的可調(diào)科爾皮茲振蕩器。

圖2 一種使用集電極-基極結(jié)電容的可調(diào)科爾皮茲振蕩器。圖片由Steve Arar提供

盡管圖1和圖2中的電路都被稱為電抗調(diào)制器，但它們的工作原理完全不同。在圖2中，集電極-基極電容（Cμ）用作可變電容。請注意，Cμ實際上是晶體管（Q1）的一部分，而不是外部電容器。

此外，請注意，交換圖1中R1和C1的位置會導(dǎo)致電路產(chǎn)生可調(diào)電感電抗。因為圖2中的電路使用了晶體管的可變結(jié)電容，所以它不能產(chǎn)生可調(diào)電感。

我們將在本文稍后返回圖2。在我們這樣做之前，讓我們確保我們了解Cμ的關(guān)鍵特性。

集電極基極結(jié)電容

測量表明，對于大多數(shù)器件，Cμ隨結(jié)上電壓的變化可以近似為：

方程式1

其中：

VD是結(jié)上的正向偏壓

Cμ0是VD=0時的結(jié)電容

V0表示結(jié)的內(nèi)置電勢（施加零偏壓）

n是取決于PN結(jié)摻雜分布的指數(shù)。

對于線性漸變連接，n=1/3；對于急轉(zhuǎn)彎，該值變?yōu)閚=1/2。超陡結(jié)產(chǎn)生的指數(shù)值大于1/2。對于給定的電壓范圍，電容變化范圍按以下順序增加：

線性漸變接頭。

突然的路口。

超陡峭的交叉口。

當(dāng)VD接近V0時，上述方程無效。對于大于約V0/2的VD，更精確的分析表明，結(jié)電容與上述方程預(yù)測的結(jié)電容略有不同。圖3對比了兩種分析的結(jié)果。請注意，此圖像使用ψ0代替V0。

反向偏置結(jié)電容隨正向偏置的變化。

圖3 反向偏置結(jié)電容隨正向偏置（ψ0）的變化。圖片由Paul R.Gray提供

為了更好地理解Cμ隨偏置電壓的變化，讓我們考慮一個例子。

示例1：確定BJT晶體管的集電極-基極電容

對于NPN晶體管，我們有Cμ0=10fF，n=0.3，V0=0.5V。讓我們在集電極-基極電壓（VCB）從1V變化到3V時找到Cμ。

將方程1應(yīng)用于VCB=1，我們得到：

方程式2

請注意，VD是結(jié)兩端的正向電壓。在我們的例子中，集電極-基極電壓為VCB=1 V，因此施加到結(jié)上的正向電壓為-1 V。對于VCB=3 V，我們有：

方程式3

上面的例子表明，增加反向偏壓會降低結(jié)電容，但為什么會發(fā)生這種情況呢？反向偏壓的增加增加了結(jié)兩端的電場，這反過來又?jǐn)U大了耗盡區(qū)。更寬的耗盡區(qū)意味著電容器的“極板”（P型和N型區(qū)域）之間的有效距離更大，導(dǎo)致電容減小。

在大反向偏差條件下估計Cμ

當(dāng)施加的反向偏置電壓遠(yuǎn)大于內(nèi)置電勢（VD?V0）時，我們可以將方程1簡化如下：

方程式4

其中A=Cμ0V0n，是一個常數(shù)。

現(xiàn)在我們已經(jīng)鞏固了對結(jié)電容的理解，我們準(zhǔn)備分析圖2中的科爾皮茲振蕩器。

具有可調(diào)集電極-基極電容的科爾皮茲振蕩器分析

回頭看圖2，我們看到Cμ與振蕩器的LC電路并聯(lián)出現(xiàn)。調(diào)諧LC電路中的總電容為：

方程式5

假設(shè)與集電極-基極結(jié)相關(guān)的指數(shù)為n=0.5，方程4得出Cμ為：

方程式6

基極-集電極結(jié)兩端的正向電壓為：

方程式7

其中vm（t）表示施加到晶體管基極的消息信號。結(jié)合方程式6和7，我們得到：

方程式8

假設(shè)vm（t）遠(yuǎn)小于VCC，我們可以使用以下近似值簡化上述表達式：

方程式9

因此，Cμ可以近似為：

方程式10

其中k是比例常數(shù)。因此，集電極基極電容近似為常數(shù)值（C0）加上與消息信號成比例的項。結(jié)合方程式5和10，總電容可得：

方程式11

其中：

Ck是振蕩器調(diào)諧LC電路中電容的中心值

k1是確定由消息信號引起的電容變化的比例常數(shù)。

有了總電容（Ctot），我們現(xiàn)在可以確定振蕩的瞬時頻率：

方程式12

最后，讓我們假設(shè)電容的時間依賴部分遠(yuǎn)小于其常數(shù)部分。然后，我們將方程9中的近似值應(yīng)用于方程12。這導(dǎo)致：

方程式13

其中fk表示振蕩頻率的恒定部分（或中心值），第二項表示消息信號線性地改變瞬時振蕩頻率。我們現(xiàn)在可以確定歸一化為fk的頻率偏差，如下所示：

方程式14

在方程式14中，方程式10和11用于用A和VCC表示k1。為了計算最大頻率偏差，我們必須使用該方程中vm（t）的最大值。

示例2：確定科爾皮茲振蕩器的頻率偏差

假設(shè)圖2中的Colpitts振蕩器使用：

VCC=5v

L1=10μH

C1=102 pF

C2=0.02μF。

集電極-基極結(jié)的參數(shù)如下：

Cμ0=5pf

V0=0.5伏

n=0.5。

讓我們確定振幅為單位的正弦消息信號的振蕩器的頻率偏差。

為了解決這個問題，我們將應(yīng)用方程式14。然而，在此之前，我們需要計算這個方程中使用的參數(shù)。我們首先使用方程式4來找到常數(shù)A：

方程式15

根據(jù)方程式10，集電極-基極電容的常數(shù)部分為：

方程式16

根據(jù)方程式11，諧振電路中電容的常數(shù)部分為：

方程式17

使用方程13，我們得到振蕩的中心頻率：

方程式18

最后，將我們得到的值代入方程14，我們得到頻率偏差：

方程式19

因為消息信號是振幅為1的正弦波，所以在前面的計算中vm（t）=1。

利用晶體管集電極-基極結(jié)電容的可調(diào)振蕩器

圖4顯示了通過將基于Cμ的電抗調(diào)制器連接到Colpitts振蕩器的諧振電路而創(chuàng)建的可調(diào)振蕩器。

一種連接到科爾皮茲振蕩器的基于結(jié)電容的電抗調(diào)制器。

圖4 基于Cμ的電抗調(diào)制器連接到科爾皮茲振蕩器。圖片由Steve Arar提供

Q1的集電極-基極電容用作可變電容。電容是調(diào)制信號的函數(shù)，該調(diào)制信號通過電阻器R1施加到Q1的基極。

在振蕩頻率下，電容器C1表現(xiàn)得像短路，將電抗調(diào)制器的輸出連接到振蕩器的諧振電路。電阻器R2和R3形成向Q1提供偏壓的分壓器網(wǎng)絡(luò)。電阻器R4提供發(fā)射極反饋以熱穩(wěn)定Q1。

在科爾皮茲振蕩器中，Q2用作放大器件。諧振儲能電路由電感器L1和電容器C3和C4組成。電容器C2提供必要的正反饋以啟動和維持振蕩。

消息信號導(dǎo)致Q1集電極處觀察到的電容變化。當(dāng)消息信號增加時，Q1集電極的有效電容也會增加。因此，振蕩頻率降低（參見方程式10和13）。當(dāng)消息信號減少時，集電極基極電容減小，振蕩頻率增加。

總結(jié)

在本文中，我們使用BJT晶體管的集電極-基極結(jié)創(chuàng)建了一個電壓控制電容器，該結(jié)通常是反向偏置的。對于反向偏置結(jié)，增加反向偏置電壓會降低結(jié)電容。該可變電容可以連接到振蕩器的諧振電路，以構(gòu)建適用于直接FM生成的可調(diào)振蕩器。