高頻小信號功率放大器

1、 桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）報告用紙 第 18 頁 共 19 頁摘 要在無線通信中，發(fā)射與接收的信號應(yīng)當(dāng)適合于空間傳輸。所以，被通信設(shè)備處理和傳輸?shù)男盘柺墙?jīng)過調(diào)制處理過的高頻信號。高頻小信號放大器是通信設(shè)備中常用的功能電路，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(shí)現(xiàn)對微弱的高頻信號進(jìn)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。高頻小信號放大器廣泛用于廣播、電視、通信、測量儀器等設(shè)備中。它的主要功能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(jìn)行抑制，以提高接收信號的質(zhì)量和抗干擾能力。 關(guān)鍵

2、詞：通信；小信號；功率；放大器AbstractIn wireless communications, launching and receiving the signal should be adapted to the transmission. Therefore, the communications equipment processing and transmission of the signal is modulated high-frequency signal processing. HF communications equipment is commonly used i

3、n small-signal amplifier circuit functions. it magnified hundreds kHz to several MHz frequency signal. High-frequency small-signal amplifier is the function of the high frequency signal is weak fidelity amplification from the content spectrum signal, the output signal after amplification of input si

4、gnal spectrum and the spectrum are the same. Small-signal amplifier widely used in high-frequency radio, television, telecommunications, measuring instruments and other equipment. Its main function is to receive from the many signals, and to be elected useful signal amplification, the signal useless

5、. signal, signal noise suppressor, to improve signal reception quality and anti-jamming capability.Key words: Communications; Small signal ；power; Amplifier 18目 錄 引言11 理論知識21.1 高頻小信號功率放大器概述21.2基本性能指標(biāo)21.3 晶小信號放大器的有關(guān)知識31.3.1串并聯(lián)諧振回路的特性31.3.2串并聯(lián)阻抗的等效互換31.3.3并聯(lián)諧振回路的耦合聯(lián)結(jié)與接入系數(shù)42 電路的制作72.1 電路原理圖及說明：72.2 放大器

6、具體分析72.2.1放大器的技術(shù)指標(biāo)72.2.2 穩(wěn)定性102.3 PCB152.3.1PCB圖152.3.2高頻PCB設(shè)計(jì)的布局布線153 調(diào)試163.1 調(diào)試16結(jié)論16謝 辭17參考文獻(xiàn)18附 錄19引言本文介紹的高頻小信號功率放大器的設(shè)計(jì)制作電路，高頻小信號放大器又稱為小信號放諧振放大器。本制作主要功能是：這個電路是兩級放大電路，輸入信號：100mVpp輸出負(fù)載：51諧振電壓放大倍數(shù):AUO30dB，通頻帶帶寬為4MHz。1 理論知識1.1 高頻小信號功率放大器概述 高頻小信號放大器的功用就是放大各種無線電設(shè)備中的高頻小信號，如常見的無線電接收機(jī)中高頻和中頻放大器。 高頻：頻率范圍從幾

7、百kHz到幾百M(fèi)Hz。小信號：所用的非線性放大元件（如晶體管或場效應(yīng)管）可近似看成線性元件，工作在線性范圍，可等效成四端網(wǎng)絡(luò)。高頻小信號放大器的基本組成是：由“放大部分+選頻濾波部分”按“級聯(lián)”方式構(gòu)成。具體分為：先放大后選頻，先選頻后放大，以及選頻、放大、再選頻的三種基本模式。放大部分的核心：晶體管、場效應(yīng)管、集成運(yùn)放或?qū)Ｓ眉煞糯笃鞯?。選頻濾波部分的核心：LC諧振回路或固定濾波器。 1.2基本性能指標(biāo) 高頻小信號放大器的基本性能指標(biāo)如下： （1）增益 增益定義為放大器的輸出信號電量與輸入信號電量的比值，用A加下標(biāo)（類似于低頻放大器的增益）來表示。 圖3-1（b）為一典型增益的幅頻特性曲線。

8、（2）通頻帶 通頻帶定義為放大器的增益比最大增益下降3dB時的上限截止頻率fH 與下限截止頻率fL之差，用BW0.7 = fH - fL 表示。（3）選擇性 選擇性表示放大器對通頻帶以外的各種干擾信號及其噪聲的濾除能力，或者說，從各種干擾中選出有用信號的能力。放大電路的選擇性主要由選頻電路來決定。衡量選擇性的具體指標(biāo)是矩形系數(shù)Kr0.1。（4）工作穩(wěn)定性 這是指選頻放大器中的非線性放大元器件的偏置，交流參數(shù)，以及其它電路元件參數(shù)發(fā)生變化時，電路性能（如增益、通頻帶、矩形系數(shù)等）的穩(wěn)定程度。（5）噪聲系數(shù) 與低頻放大器一樣，選頻放大器的輸出噪聲也來源于輸入端和放大電路本身。通常用信噪比來表示噪聲

9、對信號的影響，電路中某處信號功率與噪聲功率之比稱信噪比。信噪比越大，信號質(zhì)量越好。噪聲系數(shù)是用來反映電路本身噪聲大小的技術(shù)指標(biāo)。其定義為輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比的比值。噪聲系數(shù)越接近于1，說明放大器的抗噪能力越強(qiáng)，輸出信號的質(zhì)量越好。以上五項(xiàng)性能指標(biāo)，相互間有聯(lián)系也有矛盾。如增益和穩(wěn)定性，通頻帶和選擇性等。因此，應(yīng)根據(jù)要求決定主次和取舍。1.3 晶小信號放大器的有關(guān)知識1.3.1串并聯(lián)諧振回路的特性1.3.2串并聯(lián)阻抗的等效互換由圖：圖 2-1 等效互換電路可知(2-2)得：(2-3)根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的定義，串連電路的品質(zhì)因數(shù)為代入上式得可見等效結(jié)果 Q 不變。即若回路品質(zhì)因數(shù)較高 ，

10、由式（ 2-3 ）可得(2-4)(2-5)此時可得：串聯(lián)電路轉(zhuǎn)換為并聯(lián)電路后， R2 為串聯(lián)電路 r1 的 倍，而X2與串聯(lián)電路X1相同，保持不變。1.3.3并聯(lián)諧振回路的耦合聯(lián)結(jié)與接入系數(shù)當(dāng)并連諧振回路作為放大器的負(fù)載時，其連接的方式將直接影響放大器的性能。一般來看直接接入是不適用的，因?yàn)榫w管的輸出阻抗低，會降低諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q。通常，多采用部分接入方式，以完成阻抗變換的要求。我們定義：接入系數(shù)p為轉(zhuǎn)換前的圈數(shù)（或容抗）與轉(zhuǎn)換后的圈數(shù)（或容抗）的比值。由此定義我們分別可得：（1）變壓器耦合聯(lián)接的變比關(guān)系圖 2-2 變壓器耦合聯(lián)接的變換根據(jù)功率關(guān)系，故（2-6）根據(jù)變壓器的電壓變換關(guān)系，

11、即可得(2-7)（2） 自耦變壓器耦合聯(lián)接的變比關(guān)系圖 2-3 自耦變壓器耦合聯(lián)接的變換上圖是自耦變壓器耦合聯(lián)接形式，其變比關(guān)系的分析與變壓器耦合相同。同理可得(2-8)（3）雙電容分壓耦合聯(lián)結(jié)的變比關(guān)系圖 2-4 雙電容分壓耦合聯(lián)結(jié)的變換其變比關(guān)系可以應(yīng)用串并聯(lián)等效互換的關(guān)系求得，首先將 Rl 與 2 組成的并聯(lián)支路等效為串聯(lián)支路。其中X不變 , 電阻 RLS 為再將 R LS 、 C 1 、 C 2 組成的串聯(lián)支路等效為并聯(lián)支路。而電阻又因?yàn)椋核?2-9)上面以電阻 R L 的等效變換推導(dǎo)了各種聯(lián)結(jié)形式的變比關(guān)系。可以得到電阻轉(zhuǎn)換通式為(2-10)為了以后分析電路時運(yùn)用方便，可將上述變化

12、關(guān)系推廣到電導(dǎo)、電抗、電流和電壓源的等效變比關(guān)系上去，可得（2-11）利用上式可以很方便地進(jìn)行各種變換，這對我們以后分析電路是非常有用的。同學(xué)們一定要理解和牢記 。2 電路的制作2.1 電路原理圖及說明：高頻小信號諧振放大器是由放大電路（由晶體管、場效應(yīng)管或集成電路組成）與選頻電路（主要是LC諧振回路）組成，作用是將微小的高頻信號進(jìn)行線性放大，選出中心頻率（輸入信號對應(yīng)）的信號，并濾除不需要的干擾頻率信號。原理圖如下：本放大器由共發(fā)射極組態(tài)的晶體管和并聯(lián)諧振回路組成，如圖，其直流偏置由R1、R2 、Re來實(shí)現(xiàn)，CT1，C2，L5和 CT2，C9，L2 分別組成L、C諧振回路。C7為高頻旁路電容

13、。若晶體管用y參數(shù)等效電路等效，信號源用Is和Ys等效。變壓器次級的負(fù)載為下一級放大器的輸入導(dǎo)納Yie2。2.2 放大器具體分析2.2.1放大器的技術(shù)指標(biāo)（1）電壓增益 根據(jù)定義，由上圖得從等效關(guān)系可知則(2-26)放大器諧振時，對應(yīng)的諧振頻率為(2-27)則通常，在電路計(jì)算時，電壓增益用其模表示，即可表示為（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。(2-28)由式（ 2-28 ）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 f 在 f 0 附近變化，則(2-29)式中， ， 稱為一般失諧。令 ， 稱為廣義失諧。代入上式得(2-30)取

14、模得(2-31)下圖是諧振特性的兩中表示形式 :圖2-11放大器的諧振特性（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)定義得則故(2-32)（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(2-33)由此可以看出，單調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)遠(yuǎn)大于1。也就是它的諧振曲線與矩形相差較遠(yuǎn)，選擇性差。2.2.2 穩(wěn)定性(1)諧振放大器存在不穩(wěn)定的原因前面分析電路曾假定晶體管的yre=0。但是，在實(shí)際運(yùn)用中，晶體管存在著反向傳輸導(dǎo)納yre，放大器的輸出電壓可通過晶體管的yre反向作用到輸入端，引起輸入電流的變化，這種反饋?zhàn)饔脤⒖赡芤?/p>

15、放大器產(chǎn)生自激等不良后果。圖2-12等效輸入電路由上圖可見：輸入導(dǎo)納Yi為Yi=yie+YF其中，YF =gF+jbF為反饋導(dǎo)納。負(fù)載導(dǎo)納影響輸入導(dǎo)納，輸入導(dǎo)納影響負(fù)載導(dǎo)納。值得注意的是，YF是頻率的函數(shù)，在某些頻率上，gF有可能為負(fù)值，還會使放大器自激振蕩；bF使回路失諧，中心頻率偏移。(2)放大器的穩(wěn)定系數(shù)及穩(wěn)定增益放大器的穩(wěn)定系數(shù)下圖是調(diào)諧放大器的等效電路。當(dāng)信號源提供輸入電壓后，通過晶體管得到，而 通過 y re 反饋到輸入端得圖 2-13 調(diào)諧放大器等效電路如果反饋電壓在相位和幅度上Ui與Ui相同，這就意味著放大器要產(chǎn)生自激振蕩。現(xiàn)將Ui與Ui的比值定義為穩(wěn)定系數(shù)，即(2-39)S

16、越大，放大器越穩(wěn)定； S=1 為維持自激振蕩的條件。由于， Y s 是信號源的內(nèi)導(dǎo)納，它是有前級放大器的諧振回路等效而得，即(2-40)式中，用幅值與相角表示(2-41)其中同理，輸出回路也可用相同形式表示，即(2-42)其中，通常，放大器的輸入賄回路和輸出回路相同，即，則(2-43)根據(jù)相位相同的條件，可得代入得(2-44)單級調(diào)諧放大器的穩(wěn)定增益所謂穩(wěn)定增益，是指晶體管不加任何穩(wěn)定措施，而滿足穩(wěn)定系數(shù) S 要求時，放大器工作于諧振頻率的最大電壓增益。從圖 2-9 所示等效電路可求得放大器的電壓增益。設(shè)各級放大器的參數(shù)相同，且晶體管接入系數(shù)為 p 1 ，下級負(fù)載接入為 p 2 ，則單級電壓增

17、益為由于各級參數(shù)相同，從輸出電壓 Uo 處向放大器輸出端看，可認(rèn)為其等效導(dǎo)納為，故可得于是則當(dāng)回路諧振時，諧振電壓為故穩(wěn)定電壓增益為(2-45)提高諧振放大器穩(wěn)定性的措施由于yre的反饋?zhàn)饔?，晶體管是一個雙向器件。使晶體管的反饋?zhàn)饔孟倪^程稱為單向化，其目的是提高放大器的穩(wěn)定性。單向化的方法有中和法和失配法。（一）中和法所謂中和，是在晶體管放大器的輸出與輸入之間引入一個附加的外部反饋電路，以抵消晶體管內(nèi)部yre的反饋?zhàn)饔?。圖 2-14 具有中和電路的放大器應(yīng)該注意的是，嚴(yán)格的中和很難達(dá)到。因晶體管的 yre 是隨頻率變化的。（二）失配法所謂失配是指信號源內(nèi)阻不與晶體管的輸入阻抗匹配，晶體管輸

18、出端的負(fù)載不與本級晶體管的輸出阻抗匹配。失配法的實(shí)質(zhì)是降低放大器的電壓增益，以確保滿足穩(wěn)定的要求?？梢赃x用合適的接入系數(shù)p1、p2或在諧振回路兩端并聯(lián)阻尼電阻來實(shí)現(xiàn)降低電壓增益。在實(shí)際運(yùn)用中，較多的是采用共射-共基級聯(lián)放大器，其等效電路如下：圖2-15共射-共基級聯(lián)放大器從圖中可以看出，輸入回路與晶體管采用部分接入，而輸出回路與晶體管直接接入，這是由于共基晶體管輸出電阻很大，不用部分接入。2.3 PCB2.3.1PCB圖如下圖：2.3.2高頻PCB設(shè)計(jì)的布局布線（1）高頻微波板的基本要求 基材 電訊工程師在設(shè)計(jì)時，已經(jīng)根據(jù)實(shí)際阻抗的需要，選擇了指定的介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、銅箔厚度，因此，在接受訂

19、單時，要認(rèn)真核對，一定要滿足設(shè)計(jì)要求。 傳輸線制作精度要求 高頻信號的傳輸，對于印制導(dǎo)線的特性阻抗要求十分嚴(yán)格，即對傳輸線的制作精度要求一般為±0.02mm (±0.01mm精度傳的輸線也很常見)，傳輸線的邊緣要非常整齊，微小的毛刺、缺口均不允許產(chǎn)生。 鍍層要求 高頻微波板傳輸線的特性阻抗直接影響微波信號的傳輸質(zhì)量。而特性阻抗的大小與銅箔的厚度有一定的關(guān)系，特別對于孔金屬化的微波板，鍍層厚度不僅影響總的銅箔厚度，而且影響蝕房刻后導(dǎo)線的精度，因此，鍍層厚度的大小及均勻性，要嚴(yán)格控制。 機(jī)械加工方面的要求 首先高頻微波板的材料與印制板的環(huán)氧玻璃布材料在機(jī)加工方面有很大的不同；其

20、次是高頻微波板的加工精度比印制板的要求高很多，一般外形公差為±0.1mm（精度高的一般為±0.05mm或者為0-0.1mm）。 特性阻抗的要求 前面已經(jīng)談到了有關(guān)特性阻抗的內(nèi)容，它是高頻微波板最基本的要求，不能滿足特性阻抗的要求，一切都是徒勞的。（2）高頻微波板生產(chǎn)中應(yīng)注意的問題 工程資料的處理：對客戶的文件進(jìn)行CAM處理時，一定要把握兩方面的內(nèi)容，一是要認(rèn)真吃透傳輸線的制作精度要求；二是根據(jù)精度要求并結(jié)合本廠的制程能力，作出適當(dāng)?shù)墓に囇a(bǔ)償。 下料：通常印制板下料均使用剪板機(jī)或自動開料機(jī)，但對于微波介質(zhì)材料則不能一概而論，要根據(jù)不同的介質(zhì)特性，而選擇不同的下料方法，多以銑、

21、割為主，以免影響材料的平整度以及板面的質(zhì)量。 鉆孔：對于不同的介質(zhì)材料，不僅鉆孔的參數(shù)有所不同，而且對鉆頭的頂角、刃長、螺旋角等都有其特殊的要求，對于鋁基、銅基的微波介質(zhì)材料，鉆孔時加工方式也有所不同，以避免毛刺的產(chǎn)生。 導(dǎo)通孔接地：一般情況下，導(dǎo)通孔采用化學(xué)沉銅的方法接地，化學(xué)沉銅時通常使用化學(xué)法或等離子法進(jìn)行處理，從安全方面考慮，我們采用等離子法，效果很好；而對于鋁基的微波介質(zhì)材料，若使用通常的化學(xué)沉銅，有相當(dāng)大的難度，一般建議采用金屬導(dǎo)電材料灌孔接地的方法較為合適，但孔電阻一般小于20m?。 圖形轉(zhuǎn)移：本工序是保證圖形精度的一個重要工序。在選擇光刻膠、濕膜、干膜等感光材料時，必須滿足圖形

22、精度的要求；同時光刻機(jī)或曝光機(jī)的光源也必須滿足制程的需要。 蝕刻：本工序要嚴(yán)格控制蝕刻的工藝參數(shù)，如：蝕刻液各成份的含量、蝕刻液的溫度、蝕刻速度等。確保導(dǎo)線邊緣整齊，無毛刺、缺口，導(dǎo)線精度在公差要求的范圍內(nèi)。要切切實(shí)實(shí)做好這一點(diǎn)，需要細(xì)功夫，是非常必要的。 涂鍍：高頻微波板導(dǎo)線上最后涂層一般有錫鉛合金、錫銦合金、錫鍶合金、銀、金等。但以電鍍純金較為普遍。 成形：高頻微波板的成形與印制板一樣，以數(shù)控銑為主。但銑削的方法對于不同的材料，是有很大區(qū)別的。金屬基微波板的銑削需要使用中性冷卻液進(jìn)行冷卻，而且銑削的參數(shù)也有相當(dāng)大的差異。    總之，高頻微波板的生產(chǎn)中，除了要注意以上的一些問題，還必須小心熱風(fēng)整平時錫缸溫度、風(fēng)壓的大小及周轉(zhuǎn)、裝夾過程中的壓痕和劃傷。只有認(rèn)真仔細(xì)地注意每一個環(huán)節(jié)，才能真正做出合格的產(chǎn)品來。3 調(diào)試3.1 調(diào)試調(diào)試時，可先檢查印制板及焊接的質(zhì)量是否符合要求，有無虛焊點(diǎn)及線路間有無短路、斷路。然后用萬用表測試或通電檢測，檢查無誤后，可通12V電壓，在加入100mv,11.9MHZ（我個人的學(xué)號的后三位）的信號，先調(diào)節(jié)第一級的，使得其輸出頻率為11.9MHZ，在調(diào)節(jié)第二級的，最后使得輸出電壓大于2V以上，頻率為11.9MHZ，這樣就成功了。我這次做電路板運(yùn)氣比較好，接入電源和信號，隨便調(diào)節(jié)一下就得了。