在這篇文章中，我們將介紹直接調頻產生的基本概念，并研究一個關鍵的調頻調制電路：電抗調制器。

使用幾種類型的調制器來生成FM信號。在某些情況下，調制信號直接改變載波的頻率。其他類型，我們將在本系列文章的后面討論，在轉換為FM之前使用相位調制作為中間步驟。

在所有情況下，FM信號生成都需要一個輸出頻率可變的電路。該輸出頻率需要與消息信號的瞬時幅度成正比地變化。瞬時頻率應僅基于消息信號的幅度而變化，并且與消息信號的頻率無關。最后，理想的調頻調制器應保持恒定的載波頻率。

一旦我們認識到FM調制器是一個具有可變輸出頻率的電路，就很容易看出具有可調電容或電感的LC振蕩器可以作為FM調制器。例如，在Hartley和Colpitts振蕩器中，振蕩頻率由下式給出：

方程式1

因此，我們尋求創建適合并入我們的LC振蕩器的電壓控制電容或電感的方法。我們還需要確保頻率變化與消息信號的幅度成正比。

一種簡單的調頻發生器

在本文中，我們將主要關注一種稱為電抗調制器的電路。與變容二極管一樣，它是直接產生FM的兩種最流行的產生可調電抗的方法之一。然而，如圖1所示，也可以使用與LC振蕩器的諧振電路并聯放置的電容式麥克風來構建一個非常簡單的FM發生器。振蕩頻率由諧振電路中的電容器和電感器決定。

用于產生調頻波的電容式麥克風。

圖1 用于產生調頻波的電容式麥克風 

在上述電路中，電容式麥克風（也稱為電容式麥克風）用作諧振電路的電容。這種麥克風的電容隨著聲波的沖擊而變化。因此，聲波的振幅控制著振蕩器的頻率偏離其中心值的程度。聲波的頻率決定了振蕩器輸出端的頻率變化率。

電容式麥克風調頻系統雖然具有指導意義，但由于缺乏足夠的頻率穩定性，無法實現實際應用所需的頻率偏差，因此在實踐中很少使用。因此，電抗調制器技術得到了更廣泛的應用。

電抗調制器

電抗調制器使用晶體管和無源元件來產生可變電抗。這種可變電抗可以是電容性的或電感性的，用于改變LC振蕩器的諧振電路。基本電抗調制器如圖2所示。

一種基本的電抗調制器。

圖2 一種基本的電抗調制器

請注意，電抗調制器可以圍繞BJT或FET器件構建。

在該電路中，電容器C1和電阻器R1用于提供從晶體管集電極到基極的反饋。對于C1，我們選擇一個較小的值，以確保其在感興趣頻率下的電抗遠高于R1的電阻。因此，流經R1C1支路的電流基本上由電容器設定。

忽略基本電流，我們可以通過以下公式近似反饋電流（ifb）：

方程式2

晶體管基極的電壓可通過以下公式獲得：

方程式3

如果晶體管的跨導為gm，則產生的集電極電流為：

方程式4

假設ifb相對于ic可以忽略不計，我們現在可以計算從集電極看到的阻抗：

方程式5

從集電極觀察到的阻抗對應于有效電容：

方程式6

如該方程所示，通過為R1和C1選擇正確的值，可以將等效電容設置為適當的初始值。

電抗調制器分析的見解

關于上述分析，一個重要的觀察結果是，在R1C1支路中選擇小電容對電路的功能至關重要。由于電容器C1的阻抗遠高于R1，因此出現在基極端子（vb）處的電壓將集電極電壓（vc）領先90度（方程式3）。因此，集電極電流（ic）領先vc 90度，這對于具有整體電容阻抗至關重要。

同樣值得注意的是，在計算ifb時，我們的簡化分析忽略了R1。如果沒有這種簡化，我們得到：

方程式7

在這種情況下，集電極電流為：

方程式8

假設ifb≥ic，我們確定從集電極觀察到的阻抗為：

方程式9

上述方程式中的術語1/gm表示電路還產生隨gm變化的電阻分量，從而隨消息信號變化。這種可變電阻改變了儲能電路的品質因數，導致一些意外的幅度調制。為了盡量減少調幅效應，可能需要在振蕩器后放置一個限幅器。

使用電抗調制器產生調頻信號

從方程式6中，我們知道電路的等效電容取決于晶體管的跨導（gm）。因此，有效電容可以通過施加到基極端子的偏置電壓而變化，電路用作電壓控制電容。圖3說明了電抗調制器的集電極和發射極端子如何連接到LC振蕩器以構建可調振蕩器。

連接到Clapp-Gouriet振蕩器的電抗調制器。

圖3 連接到Clapp-Gouriet振蕩器的電抗調制器

圖3采用了Clapp-Gouriet振蕩器，這是Colpitts振蕩器的變體。如上所述，調制信號被施加到基極端子，從而改變跨導和有效電容（Ceq）。通過這種方式，它產生FM波。

構建壓控電感器

如果我們顛倒圖2中R1和C1的位置，得到的電路會產生電感性電抗。如圖4所示。

一種電抗調制器電路，用于產生電感阻抗。

圖4 一種電抗調制器電路，用于產生電感阻抗

在這種情況下，C1的電抗需要比R1的電阻小得多。由于R1是R1C1支路中的主阻抗，電流ifb計算如下：

方程式10

當該電流通過C1時，它產生的基極電壓為：

方程式11

這會產生以下集電極電流：

方程式12

現在，假設ifb與ic相比可以忽略不計，我們可以確定從集電極觀察到的有效阻抗：

方程式13

這對應于R1C1/gm的有效電感，這顯然取決于晶體管的跨導。當使用電抗調制器構建可變電感器時，我們可能需要一個與R1串聯的隔直電容器，如圖5所示。

電感電抗調制器可能需要反饋路徑中的隔直電容器。

圖5 電感電抗調制器可能需要反饋路徑中的隔直電容器

電容器C2對調制器的電抗沒有顯著影響；它只是防止集電極的DC電平影響柵極偏壓。此外，在計算晶體管基極端子處出現的等效電容時，請記住要考慮米勒效應。

總結

在直接調頻系統中，調制信號直接改變載波振蕩器的頻率。這需要一個電容或電感可調的LC振蕩器。在本文中，我們學習了電抗調制器電路如何僅使用晶體管和幾個無源元件來實現這一點。

當消息信號改變可變電抗時，它會導致載波振蕩器的諧振頻率相應調整。通過這種方式，電抗調制器可以提供實際應用所需的大頻率偏差。在下一篇文章中，我們將計算這個頻率偏差。然后，我們將擴展我們的討論，包括適用于直接FM生成的其他電抗調制器電路。