高頻小信號諧振放大器課程設(shè)計

1、湖南工學(xué)院課 程 設(shè) 計 說 明 書課程名稱：通信電子線路設(shè)計題目：高頻小信號諧振放大器設(shè)計院 系：電氣與信息工程系學(xué)生姓名：劉超龍學(xué) 號：402070207專業(yè)班級：電信0702班2009年 05月 08日 26課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書設(shè)計題目 高頻小信號諧振放大器學(xué)生姓名劉超龍所在院系電氣與信息工程系專業(yè)、年級、班電信0702班設(shè)計要求： 1、掌握電子電路分析和設(shè)計得基本方法。包括：根據(jù)設(shè)計任務(wù)和指標(biāo)初選電路；調(diào)查研究和設(shè)計計算確定電路方案；選擇元件、安裝電路、調(diào)試改進；分析實驗結(jié)果、寫出設(shè)計性總結(jié)報告。 2 培養(yǎng)一定的自學(xué)能力、獨力分析問題的能力。包括：學(xué)會自己分析解決問題的方法應(yīng)對設(shè)

2、計中遇到的問題，能通過獨立思考、查詢工具書和文獻來尋找解決方案，掌握電路測試的一般規(guī)律；能通過觀察、判斷、實驗、再判斷的基本方法解決實驗中的一般故障；能對實驗結(jié)果獨立地進行分析，進而做出恰當(dāng)?shù)脑u價。 3、鞏固常用電子儀器的正確使用方法，掌握常用電子器件的測試技能。 4、通過嚴(yán)格的科學(xué)訓(xùn)練和設(shè)計實踐，逐步樹立嚴(yán)肅認(rèn)真、 一絲不茍、 實事求是的科學(xué)作風(fēng)，并逐步建立正確的生產(chǎn)觀、 經(jīng)濟觀和全局觀。 學(xué)生應(yīng)完成的工作：要求有課程設(shè)計說明書，并對總個所設(shè)計系統(tǒng)進行仿真調(diào)試，說明書中要有仿真結(jié)果和調(diào)試環(huán)節(jié)。參考文獻閱讀：1 張肅文 陸兆熊，高頻電子線路（第三版）高等教育出版社2 曾興雯 陳健， 高頻電子線

3、路輔導(dǎo)，西安電子科技大學(xué)出社。3 戴峻浩 ，高頻電子線路指導(dǎo)， 國防工業(yè)出版社。4 談文心 ，高頻電子線路m.，西安交通大學(xué)出版社。5 謝自美 ，電子線路設(shè)計實驗測試(第二版)華中科技大學(xué)出版社。工作計劃：1.確定電路形式。 2.設(shè)置靜態(tài)工作點。 3.計算諧振回路的參數(shù)。 4.確定輸入耦合回路及高頻濾波電容。5.電路的安裝與調(diào)試。 高頻小信號諧振放大器摘 要：掌握高頻小信號諧振放大器的工程設(shè)計方法，諧振回路的調(diào)諧方法，放大器的各項技術(shù)指標(biāo)的測試方法及高頻情況下的各種分布參數(shù)對電路性能的影響。表征高頻小信號諧振放大器的主要性能指標(biāo)由諧振頻率fo,諧振電壓放大倍數(shù)avo，放大器的通頻帶bw及選擇性

4、（通常用矩形系數(shù)kr0.1）。關(guān)鍵詞：1.諧振頻率 放大器的諧振回路諧振時所對應(yīng)的頻率f0稱為諧振頻率。2.電壓增益 放大器的諧振回路諧振時所對應(yīng)的電壓放大倍數(shù)av0稱為諧振放大器的電壓增益（放大倍數(shù)）。3.通頻帶 由于諧振回路的選頻作用，當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時，放大器的電壓放大倍數(shù)下降，習(xí)慣上稱電壓放大倍數(shù)av下降到諧振電壓放大倍數(shù)avo的0.707倍時所對應(yīng)的頻率范圍稱為放大器的通頻帶bw。4矩形系數(shù) 諧振放大器的選擇性可由諧振曲線的矩形系數(shù)kr0.1來表示矩形系數(shù)kr0.1為電壓放大倍數(shù)下降到0.1avo時對應(yīng)的頻率范圍與電壓放大倍數(shù)下降到0.707avo時對應(yīng)的頻率偏離之比。 目 錄

5、第1章 概述5第2章 電路的工作原理6第3章 電路設(shè)計方案7第4章 重要電路分析及功能 10第5章 主要性能指標(biāo)及測量方法 5.1 電壓增益 14 5.2 諧振曲線 15 5.3 放大器的通頻帶 17 5.4 放大器的矩形系數(shù) 18第6章 電路參數(shù)的設(shè)計 6.1 設(shè)置靜態(tài)工作點 19 6.2 計算諧振回路參數(shù) 19 6.3 確定輸入耦合回路及高頻濾波 20第7章 調(diào)試與仿真 7.1 電路的裝調(diào)與測試 21 7.2 電路仿真 22第8章 心得體會 23第9章 元件清單 24第10章 參考文獻 25第11章 附件 26 第1章 概 述 高頻小信號放大器是通信設(shè)備中常用的功能電路，常作為選頻放大器，

6、它所放大的信號頻率在數(shù)百千赫至數(shù)百兆赫。高頻小信號放大器的功能是實現(xiàn)對微弱的高頻信號進行不失真的放大，所謂“小信號”，一是信號幅度足夠小，使得所有有源器件（晶體三極管，場效應(yīng)管或ic）都可采用二端口y參數(shù)或線性等效電路來模型化；二是放大器的輸出信號與輸入信號成線性比例關(guān)系。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。高頻小信號放大器的分類：按放大器件分為：晶體管放大器、場效應(yīng)管放大器、集成電路放大器;按頻帶分為：窄帶放大器、寬帶放大器;按電路形式分為：單級放大器、多級放大器;按負(fù)載性質(zhì)分為：諧振放大器、非諧振放大器;高頻小信號諧振放大電路除具有放大功能外，還具有選頻功能，即

7、具有從眾多信號中選擇出有用信號、濾除無用的干擾信號的能力。從這個意義上講，高頻小信號諧振放大電路又可視為集放大、選頻于一體，由有源放大元件和無源選頻網(wǎng)絡(luò)所組成的高頻電子電路。主要用途是做接收機的高頻放大器和中頻放大器。其中高頻小信號調(diào)諧放大器廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)和其它無線電系統(tǒng)中，特別是在發(fā)射機的接收端，從天線上感應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)。本課程設(shè)計以理論分析為依據(jù)，以實際制作為基礎(chǔ)，用lc振蕩電路為輔助，來消除高頻放大器自激振蕩和實現(xiàn)準(zhǔn)確的頻率選擇；另

8、加其它電路，實現(xiàn)放大器與前后級的阻抗匹配。 第2章 電路的基本原理 圖2-1所示電路為共發(fā)射極接法的晶體管高頻小信號單級單調(diào)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(fù)載為lc并聯(lián)諧振回路。在高頻情況下，晶體管本身的極間電容及連接導(dǎo)線的分布參數(shù)等會影響放大器輸出信號的頻率或相位。晶體管的靜態(tài)工作點由電阻、及決定，其計算方法與低頻單管放大器相同。 圖2-1 高頻小信號諧振放大器第3章 電路設(shè)計方案高頻小信號調(diào)諧放大器簡述： 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(nèi)的信號。按其頻帶寬度可以分為窄帶和寬帶放大器 ，而最常用的是窄帶放大器，它是以

9、各種選頻電路作負(fù)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：（1）增益要高，即放大倍數(shù)要大。（2）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= 2f0.7，品質(zhì)因數(shù)q=fo/2f0.7. 圖3-1 諧振放大器的頻率特性曲線（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(nèi)部噪聲要小，特別是不產(chǎn)生自激，加入負(fù)反饋可以改善放大器的性能。 圖3-2 反饋導(dǎo)納對 （4）前后級之間的阻抗匹配，即把各級聯(lián)接起來之后仍有較大的增益，同時，各級之間不能產(chǎn)生明顯的相互干擾。

10、 根據(jù)上面各個具體環(huán)節(jié)的考慮設(shè)計出如圖3-3所示的總體電路圖及改進后的電路圖如圖3-4所示: 圖3-3 接收機天線端及高頻小信號放大器 圖3-4 改進后的高頻小信號調(diào)諧放大器 第4章 重要電路分析及功能高頻小信號調(diào)諧放大器與低頻放大器的電路基本相同（如圖2-1所示）。其中變壓器t2的初級線圈為接收機前端選頻網(wǎng)絡(luò)的一部分，經(jīng)次級線圈耦合后作為放大器的輸入信號，輸出端也采用變壓器耦合方式來實現(xiàn)選頻和輸出阻抗匹配。 如圖-1所示，cb與ce為高頻旁路電容，使交流為通路。本放大器的高頻等效電路（不含天線下斷的選頻網(wǎng)絡(luò)）如圖4-1所示: 圖4-1 調(diào)諧放大器的高頻等效電路 電路中并聯(lián)振蕩回路兩端間的阻抗

11、為其中r是和電感串聯(lián)的電阻，由于lr因此有：則并聯(lián)回路兩端電壓為： 所以，當(dāng)c=1/l時vm有最大值，即回路諧振時輸出電壓最大。 實際制作中對基本電路的改進： 由于高頻電路放大電路常常會自激振蕩，也容易受各種因素的干擾，并且各級間很難實現(xiàn)阻抗匹配，所以要對基本電路進行適當(dāng)?shù)母倪M。 放大器內(nèi)部電路的改進及理論依據(jù)： 如圖4-2所示,增加re1形成交流負(fù)反饋，用以改變放大倍數(shù)和改善輸出波形，由于電源內(nèi)阻容易影響高頻電路的工作，所以電源下端要接lc型網(wǎng)絡(luò)作為電源去偶電路，以減少干擾，提高放大器的性能。另外還要特別注意的是，高頻電路很容易產(chǎn)生自激振蕩，所以需要想辦法消除，最常用的辦法是在lc諧振回路中

12、串聯(lián)一小電阻或并聯(lián)一大電阻，從而減小回路的q值，消除自激振蕩。 圖4-2外加射極跟隨的高頻放大器實際制作過程及諧振頻率的快速確定： 高頻放大器制作中最關(guān)鍵也是最難的就是選取恰當(dāng)?shù)碾姼泻碗娙葜?，使電路諧振。諧振時有c=1/l，通過計算可以確定lc的值，但實際電路與理論計算往往相差很大，甚至能相差十幾倍到幾十倍，這就需要一定的操作技巧。以33mhz放大器為例，經(jīng)計算得電感為4.7uh時選用525pf的可調(diào)電容完全可以達到諧振頻率，但接好電路后很少能夠調(diào)到30mhz。多次實驗表明，實際振蕩頻率一般小于計算的頻率，這就要用其它辦法來確定放大器的諧振頻率。一個比較好的辦法就是借助lc振蕩電路來實現(xiàn)諧振。

13、 如圖4-3所示，此電路為共基組態(tài)的“考畢茲”振蕩器，原理不再贅述，下面說明如何利用本電路:可調(diào)電容cx選用和放大器電路中同一規(guī)格的，電感l(wèi)x是放大器中變壓器接入諧振回路的電感值，由于本電路僅由lx和cx決定，但在實際電路中電容對電路的振蕩頻率的影響遠遠 沒有電感明顯，因而先選定電容（520pf可調(diào)），則頻率為33mhz時，電感需要4uh左右。用一外徑較大的磁芯（其中磁芯的q值一定要高，否則高頻損耗太大，放大器就不能放大），然后用漆包線手工繞制電感（若要大批量生產(chǎn)，可把繞好的做樣品），繞適當(dāng)?shù)娜?shù)后再用高頻q表測量其電感值大小，不斷改變其圈數(shù)，使lx基本達到要求（4uh左右），然后把繞制好的電

14、感作為lx接入圖4-2所示的電路中，再用示波器測量此電路的震蕩頻率，調(diào)節(jié)cx,看振蕩頻率是否為33mhz,若不是，則相應(yīng)的減少或增加變壓器（即接入的電感）的圈數(shù)，直到其頻率為所要求的為止，最后再按照要求的比例（常用3：1）來繞變壓器的次級線圈。圖4-3 共基組態(tài)的“考畢茲”振蕩器 第5章 主要性能指標(biāo)及測量方法5.1.電壓增益 根據(jù)定義，由上圖得從等效關(guān)系可知則放大器諧振時，對應(yīng)的諧振頻率為則通常，在電路計算時，電壓增益用其模表示，即可表示為5.2. 諧振曲線放大器的諧振曲線是表示放大器的相對電壓增益與輸入信號頻率的關(guān)系。由上式可得對諧振放大器來講，通常討論的 f 與 f 0 相差不大，可認(rèn)為

15、 f 在 f 0 附近變化，則式中， ， 稱為一般失諧。令 ， 稱為廣義失諧。代入上式得取模得下圖是諧振特性的兩中表示形式： 圖5-1放大器的諧振特性5.3.放大器的通頻帶通頻帶的定義是時所對應(yīng)的 為放大器的通頻帶。根據(jù)定義得則 5.4.放大器的矩形系數(shù)矩形系數(shù)的定義是 其中， 是 時所對應(yīng)的頻帶寬度，即故根據(jù)矩形系數(shù)的定義得 第6章 電路參數(shù)的計算6.1 設(shè)置靜態(tài)工作點 取 =3.8ma, =1.5v, =7.5v, 則 , 取標(biāo)稱值18k 可用50k電阻和100k電位器串聯(lián),以便調(diào)整靜態(tài)工作點。6.2 計算諧振回路參數(shù) 下面計算4個y參數(shù)， 因為, 所以 ， 因為，所以 ， 故模 回路總電

16、容為 再計算回路電容 ，取標(biāo)稱值51pf輸出耦合變壓器tr0的原邊抽頭匝數(shù)n1及副邊匝數(shù)n3,即 匝，匝6.3 確定輸入耦合回路及高頻濾波電容 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，如圖2-1所示。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，如圖3-3所示。高頻耦合電容一般選擇瓷片電容第7章 調(diào)試與仿真7.1 電路的裝調(diào)與測試 將上述設(shè)計的元器件參數(shù)值按照圖所示電路進行安2-1裝。先調(diào)整放大器的靜態(tài)工作點，然后再調(diào)諧振回路使其諧振。 調(diào)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

17、，這時用萬用表測量電阻re兩端的電壓，調(diào)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。 調(diào)諧振回路使其諧振的方法是，按照圖7-1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(diào)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?；芈诽幱谥C振狀態(tài)后，再將電源電壓恢復(fù)至+12v。 在放大器處于諧振狀態(tài)

18、下測量各項的技術(shù)指標(biāo)，如電壓放大倍數(shù)avo、通頻帶bw及矩形系數(shù)kr0.1，其測量方法如前所述。若這些指標(biāo)的測量值與設(shè)計要求值相差較遠，則應(yīng)根據(jù)它們的表達式進行分析。如果電壓放大倍數(shù)avo較小，則可以通過調(diào)整靜態(tài)工作點q或接入系數(shù)p1、使avo增大或更換較大的晶體管。 由于分布參數(shù)的影響，放大器的各項技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計要求后的元器件參數(shù)值與設(shè)計計算值有一定的偏離，需要反復(fù)調(diào)整輸出耦合變壓器的磁芯位置才能使諧振回路處于諧振狀態(tài)。采用圖所示的測量方法判斷回路的諧振狀態(tài)不太準(zhǔn)確，易產(chǎn)生測量誤差，較好的方法是采用掃頻測量儀測量回路的諧振曲線。 由于工作頻率較高，高頻小信號放大器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(nèi)（屏蔽盒與地線應(yīng)接觸良好）。7.2電路仿真1 、利用ewb繪制出如圖所示的仿真實驗電路 圖7-1 仿真電路 2 、 按圖設(shè)置各元件的參數(shù)，打開仿真開關(guān)，從示波器上觀察檢波器輸出波形以及與輸入信號的關(guān)系。如6-2圖所示。圖7-2波形圖 第8章 心得體會 通過這次高頻課程設(shè)計小信號諧振放大電路,更加熟悉了解了小信號諧振的工作原理, 掌握了諧振電路主要性能指標(biāo)的測量方法和主要參數(shù)的調(diào)整方法等。更