高頻電子電路課程設計告--高頻小信號諧振放大器的設計

1、<p>　　《 高頻電子線路 》</p><p>　　課 程 設 計 報 告</p><p><b>　　題 目： </b></p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級： </p><p>

2、<b>　　姓 名： </b></p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　電氣工程學院</b></p><p>　　2013年12月12日</p><p><b>　　任務書</b></p>&l

3、t;p><b>　　摘 要</b></p><p>　　高頻小信號放大器是通信設備中常用的功能電路，它所放大的信號頻率在數百千赫至數百兆赫。高頻小信號放大器的功能是實現對微弱的高頻信號進行不失真的放大，從信號所含頻譜來看，輸入信號頻譜與放大后輸出信號的頻譜是相同的。</p><p>　　高頻小信號放大器的分類：</p><p>　　

4、按元器件分為：晶體管放大器、場效應管放大器、集成電路放大器;</p><p>　　按頻帶分為：窄帶放大器、寬帶放大器;</p><p>　　按電路形式分為：單級放大器、多級放大器;</p><p>　　按負載性質分為：諧振放大器、非諧振放大器;</p><p>　　其中高頻小信號調諧放大器廣泛應用于通信系統(tǒng)和其它無線電系統(tǒng)中，特別是在發(fā)射機的

5、接收端，從天線上感應的信號是非常微弱的，這就需要用放大器將其放大。高頻信號放大器理論非常簡單，但實際制作卻非常困難。其中最容易出現的問題是自激振蕩，同時頻率選擇和各級間阻抗匹配也很難實現。本文以理論分析為依據，以實際制作為基礎，用LC振蕩電路為輔助，來消除高頻放大器自激振蕩和實現準確的頻率選擇；另加其它電路，實現放大器與前后級的阻抗匹配。</p><p>　　關鍵詞： 高頻小信號放大器；調諧放大器</p&g

6、t;<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　目 錄1</b></p><p>　　第一章 總體方案1</p><p>　　1.1 設計條件1</p><p>　　1.2 總體方案簡述1</p><p>　　第二章 電路的基

7、本原理及電路的設計2</p><p>　　2.1 電路基本原理2</p><p>　　2.2主要性能指標及測量方法4</p><p>　　2.2.1 諧振頻率4</p><p>　　2.2.2 電壓增益5</p><p>　　2.2.3 通頻帶5</p><p>　　2.2.4 矩形

8、系數6</p><p>　　2.3 電路的設計與參數計算6</p><p>　　2.3.1 電路的確定6</p><p>　　2.3.2 參數計算7</p><p>　　第三章 電路的仿真與調試9</p><p>　　3.1電路的仿真9</p><p>　　3.2電路的安裝與測試1

9、0</p><p><b>　　第四章 總結12</b></p><p><b>　　參考文獻13</b></p><p>　　附錄 元件清單14</p><p><b>　　第一章 總體方案</b></p><p><b>　　1.1

10、 設計條件</b></p><p>　　已知條件：電源電壓，負載電阻，高頻三極管3DG6。</p><p>　　主要技術指標：中心頻率，電壓增益，通頻帶。</p><p>　　1.2 總體方案簡述 </p><p>　　高頻小信號放大器的功用就是無失真的放大某一頻率范圍內的信號。按其頻帶寬度可以分為窄帶和寬帶放大器 ，而最常用的是

11、窄帶放大器，它是以各種選頻電路作負載，兼具阻抗變換和選頻濾波功能。對高頻小信號放大器的基本要求是：</p><p>　?。?）增益要高，即放大倍數要大。</p><p>　?。?）頻率選擇性要好，即選擇所需信號和抑制無用信號的能力要強，通常用Q值來表示，其頻率特性曲線如圖-1所示,帶寬BW=f2-f1= 2Δf0.7，品質因數Q=fo/2Δf0.7. </p><p&g

12、t;　　（3）工作穩(wěn)定可靠，即要求放大器的性能盡可能地不受溫度、電源電壓等外界因素變化的影響，內部噪聲要小，特別是不產生自激，加入負反饋可以改善放大器的性能。 </p><p><b>　?。?）阻抗匹配。 </b></p><p>　　第二章 電路的基本原理及電路的設計</p><p>　　2.1 電路基本原理</p><

13、;p>　　圖2-1所示電路為共發(fā)射極接法的晶體管小信號調諧回路諧振放大器。它不僅要放大高頻信號，而且還要有一定的選頻作用，因此，晶體管的集電極負載為LC并聯諧振回路。在高頻情況下，晶體管本身的極間電容及連接導線的分布參數會影響放大器的輸出信號的頻率或相位。晶體管的靜態(tài)工作點由電阻RB1和RB2以及RE決定，其計算方法與低頻單管放大器相同。</p><p><b>　　圖2-1</b>&

14、lt;/p><p>　　放大器在諧振時的等效電路如圖2-1所示，晶體管的4個y參數分別如下：</p><p><b>　　輸入導納： </b></p><p><b>　　輸出導納： </b></p><p><b>　　正向傳輸導納： </b></p>

15、<p><b>　　反向傳輸導納： </b></p><p>　　式中，為晶體管的跨導，與發(fā)射極電流的關系為：</p><p>　　為發(fā)射結電導，與晶體管的電流放大系數及有關，其關系為</p><p>　　為基極體電阻，一般為幾十歐姆；為集電極電容，一般為幾皮法；為發(fā)射結電容，一般為幾十皮法至幾百皮法。</p>&l

16、t;p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　晶體管在高頻情況下的分布參數除了與靜態(tài)工作點的電流 ，電流放大系數有關外，還與工作角頻率w有關。晶體管手冊中給出了的分布參數一般是在測試條件一定的情況下測得的。</p><p>　　圖2-2所示的等效電路中，p1為晶體管的集電極接入系數，即</p><p>　　式中，N2為電感L線

17、圈的總匝數；p2為輸出變壓器Tr0的副邊與原邊匝數比，即</p><p>　　式中，N3為副邊總匝數。</p><p>　　為諧振放大器輸出負載的電導，。通常小信號諧振放大器的下一級仍為晶體管諧振放大器，則將是下一級晶體管的輸入電導。</p><p>　　由圖2-2可見，并聯諧振回路的總電導的表達式為</p><p>　　式中，為LC回路本身

18、的損耗電導。</p><p>　　2.2主要性能指標及測量方法</p><p>　　表征高頻小信號諧振放大器的主要性能指標有諧振頻率，諧振電壓放大系數Avo，放大器的通頻帶BW及選擇性（通常用矩形系數Kr0.1），采用2-3所示電路可以粗略測各項指標。</p><p><b>　　圖2-3</b></p><p>　　輸

19、入信號由高頻小信號發(fā)生器提供，高頻電壓表，分別用于測量輸入信號與輸出信號的值。直流毫安表mA用于測量放大器的集電極電流的值，示波器監(jiān)測負載兩端輸出波形。諧振放大器的性能指標及測量方法如下。</p><p>　　2.2.1 諧振頻率</p><p>　　放大器的諧振回路諧振時所對應的頻率稱為諧振頻率。的表達式為：</p><p>　　式中，L為諧振放大器電路的電感線圈

20、的電感量；為諧路的總電容，的表達式為： </p><p>　　式中，為晶體管的輸出電容；為晶體管的輸入電容。</p><p>　　諧振頻率的測試步驟是，首先使高頻信號發(fā)生器的輸出頻率為，輸出電壓為幾毫伏；然后調諧集電極回路即改變電容C或電感L使回路諧振。LC并聯諧振時，直流毫安表mA的指示為最?。ó敺糯笃鞴ぷ髟诒悹顟B(tài)時），電壓表指示值達到最大，且輸出波形無明顯失真。這時回路諧振頻率就等

21、于信號發(fā)生器的輸出頻率。</p><p>　　2.2.2 電壓增益</p><p>　　放大器的諧振回路所對應的電壓放大倍數Avo稱為諧振放大器的電壓增益.Avo的表達式為：</p><p>　　Avo的測量電路如圖2-3所示，測量條件是放大器的諧振回路處于諧振狀態(tài)。Avo計算公式如下：</p><p><b>　　2.2.3 通頻

22、帶</b></p><p>　　由于諧振回路的選頻作用，當工作頻率偏離諧振頻率時，放大器的電壓放大倍數下降，習慣上稱電壓放大倍數Av下降到諧振電壓放大倍數的0.707倍時所對應的頻率范圍稱為放大器的通頻帶BW，其表達式為:</p><p>　　式中，為諧振放大器的有載品質因素。</p><p>　　分析表明，放大器的諧振電壓放大倍數與通頻帶BW的關系為：

23、</p><p>　　上式說明，當晶體管確定，且回路總電容為定值時，諧振電壓放大倍數與通頻帶BW的乘積為一常數。</p><p>　　通頻帶的測量電路如圖2-3所示?？赏ㄟ^測量放大器的頻率特性曲線來求通頻帶。采用逐點法的測量步驟是：先使調諧放大器的諧振回路產生諧振，記下此時的與，然后改變高頻信號發(fā)生器的頻率（保持Vs不變），并測出對應的電壓放大倍數Av，由于回路失諧后電壓放大倍數下降，所以

24、放大器的頻率特性曲線如圖2-4所示：</p><p><b>　　圖2-4</b></p><p>　　由BW得表達式可知： </p><p>　　通頻帶越寬的電壓放大倍數越小。要想得到一定寬度的通頻帶，同時又能提高放大器的電壓增益，由式可知，除了選用較大的晶體管外，還應盡量減少調諧回路的總電容量。</p><p>　　

25、2.2.4 矩形系數</p><p>　　諧振放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數Kr0.1來表示，如圖2-4所示，矩形系數Kr0.1為電壓放大倍數下降到0.1Avo時對應的頻率范圍與電壓放大倍數下降到0.707 時對應的頻率偏移之比，即</p><p>　　上式表明，矩形系數Kr0.1越接近1，臨近波道的選擇性越好，濾除干擾信號的能力越強?？梢酝ㄟ^測量圖2-4所示的諧振放大器的頻率特性曲

26、線來求得矩形波系數Kr0.1。</p><p>　　2.3 電路的設計與參數計算</p><p>　　2.3.1 電路的確定</p><p>　　電路形式如圖2-5所示。</p><p><b>　　圖 2-5</b></p><p>　　2.3.2 參數計算</p><p&g

27、t;　　已知參數要求與晶體管3DJ6參數。</p><p>　　(1) 設置靜態(tài)工作點</p><p>　　取 =1mA, =1.5V, =7.5V, 則</p><p>　　, 取標稱值18KΩ</p><p>　　可用30kΩ電阻和100kΩ電位器串聯,以便調整靜態(tài)工作點。</p><p>　　(2) 計算諧

28、振回路參數</p><p>　　下面計算4個y參數，</p><p><b>　　因為, 所以</b></p><p><b>　　，，</b></p><p><b>　　因為，所以</b></p><p><b>　　，</b>

29、</p><p><b>　　故模 </b></p><p><b>　　回路總電容為</b></p><p><b>　　再計算回路電容</b></p><p><b>　　，取標稱值51pF</b></p><p>　

30、　輸出耦合變壓器Tr0的原邊抽頭匝數N1及副邊匝數N3,即</p><p><b>　　匝，匝</b></p><p>　　(3) 確定輸入耦合回路及高頻濾波電容</p><p>　　高頻小信號諧振放大器的輸入耦合回路通常是 指變壓器耦合的諧振回路。由于輸入變壓器Tri原邊諧振回路與放大器諧振回路的諧振頻率相等，也可以直接采用電容耦合，高頻耦合

31、電容一般選擇瓷片電容。</p><p>　　第三章 電路的仿真與調試</p><p><b>　　3.1電路的仿真</b></p><p>　　(1)利用MULTISIM繪制出如圖3-1所示的仿真實驗電路</p><p>　　圖3-1 仿真電路</p><p>　　(2) 按圖設置各元件的參數，

32、打開仿真開關，從示波器上兩個通道觀察輸出波形以及與輸入信號的關系。如3-2圖所示。</p><p><b>　　圖3-2 輸出波形</b></p><p>　?、旁跓o信號輸入，僅有直流激勵的情況下用電流表測量三極管發(fā)射極極電流，測得約為1mA。</p><p>　　⑵接入信號發(fā)生器，觀察示波器輸入輸出波形，按照設計要求調節(jié)中周。利用儀器測得各指

33、標如下：</p><p><b>　　f0=10MHz</b></p><p><b>　?。羦o＝34dB</b></p><p>　　仿真數據分析：在誤差允許范圍里，仿真測量所得數據與理論值相等。</p><p>　　3.2電路的安裝與測試</p><p>　　將上述設計

34、的元器件參數值按照圖2-1所示電路進行安裝。先調整放大器的靜態(tài)工作點，然后再調諧振回路使其諧振。</p><p>　　調整靜態(tài)工作點的方法是，不加輸入信號（Vi=0），將C1的左端接地，將諧振回路的電容C開路，這時用萬用表測量電阻Re兩端的電壓，調整電阻Rb1使Veq=1.5V(Ie=1mA)。記下此時電路的Rb1值及靜態(tài)工作點Vbq、Vceq、Veq、及Ieq。 </p><p>　　調

35、諧振回路使其諧振的方法是，按照圖3-1所示的測試電路接入高頻電壓表V1、V2，直流毫安表mA及示波器。再將信號發(fā)生器的輸出頻率置于fi=10MHZ，輸出電壓Vi=5mV。為避免諧振回路失諧引起的高反向電壓損壞晶體管，可先將電源電壓+Vcc降低，如使+Vcc=+6V。調輸出耦合變壓器的磁芯使回路諧振，即電壓表V2的指示值達到最大，毫安表mA為最小且輸出波形無明顯失真。回路處于諧振狀態(tài)后，再將電源電壓恢復至+12V。</p>

36、<p>　　實驗數據： f0=9.7MHz</p><p><b>　　Ａvo＝28dB</b></p><p><b>　　數據分析：</b></p><p>　　在誤差允許范圍內，中心頻率的理論值與實際值一致，在放大器處于諧振狀態(tài)下，電壓放大倍數Avo放大倍數與理論值有一定的差距，導致誤差的原因有如

37、下幾點：</p><p>　　（1）實物的實際值與理論值有一定的差距。如電阻電容的理論值與標稱值不一致， 并且電阻電容的標稱值也有一定的誤差。</p><p>　?。?）由于分布參數的影響，晶體管手冊中給出的分布參數一般都是在測試條件一定 的情況下測得的。且分布參數還與靜態(tài)工作電流及電流放大系數有關。放大器的 各項技術指標滿足設計要求后的元器件參數值與設計計

38、算值有一定的偏離。</p><p>　?。?）性能指標參數的測量方法存在一定的誤差。如在調諧過程中，我們通過直接觀察波形的輸出值的大小來確定電路是否調諧。這樣調諧頻率的測量值存在誤差的同時，放大倍數的測量值也會產生誤差。</p><p>　?。?）實驗儀器設備的老化等也會導致電路調試過程中出現一定的誤差。</p><p>　　（5）由于工作頻率較高，高頻小信號放大器

39、容易受到外界各種信號的干擾，特別是射頻干擾。通常采取的措施是把放大器裝入金屬屏蔽盒內（屏蔽盒與地線應接觸良好）。但電路調試環(huán)境條件有限。</p><p><b>　　第四章 總結 </b></p><p>　　通過這一課程設計，我掌握了獨立搜集資料、思考分析問題的能力和獨立學習的能力，使自己無論在今后的學習中還是工作中遇到困難的時候都能自己將其</p>

40、<p>　　解決。同時，對書理論知識有了更深刻的了解。</p><p>　　完成這一課設后，我對高頻小信號放大器也有了更深刻地理解。高頻小信號放大器廣泛用于廣播,電視,通信,測量儀器等設備中.高頻小信號放大器可分為兩類:一類是以諧振回路為負載的諧振放大器;另一類是以濾波器為負載的集中選頻放大器.它們的主要功能都是從接收的眾多電信號中,選出有用信號并加以放大,同時對無用信號,干擾信號,噪聲信號進行抑制,以

41、提高接收信號的質量和抗干擾能力.</p><p>　　高頻小信號調諧放大器是高頻電子線路中的基本單元電路,主要用于高頻小信號或微弱信號的線性放大。在本次課設中，我了解了高頻小信號放大器的特點：① 放大小信號,晶體管工作在線性范圍內(甲類放大器)② 信號的中心頻率一般在幾百kHz到幾百MHz,頻帶寬度在幾khz到幾十MHz,為頻帶放大器,故必須用選頻網絡。</p><p><b&g

42、t;　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 曾興文、劉乃安、陳健．高頻電子線路[J]．北京：高等教育出版社，2007</p><p>　　[2] 張肅文等．高頻電子線路（第四版）[J]．北京：高等教育出版社，2004</p><p>　　[3] 聶典等．Multisim 10計算機仿真[J]．北京：電子工業(yè)出版社，2010</p>

43、<p><b>　　附錄 元件清單</b></p><p>　　元件名稱 元件大小 元件數量</p><p>　　電阻 30KΩ 一個</p><p>　　電阻 18KΩ 一個</p&g

44、t;<p>　　電阻 1.5kΩ 一個</p><p>　　電阻 1kΩ 一個 </p><p>　　電位器 100KΩ 一個</p><p>　　電容 1000pF

45、 一個</p><p>　　電容 0.01uF 一個</p><p>　　電容 0.033uF 一個</p><p>　　瓷片電容 51pF 一個</p><p>　　中周