設(shè)計(jì)一個(gè)射頻小信號(hào)放大器

1、題目 : 設(shè)計(jì)一個(gè)射頻小信號(hào)放大器概述高頻小信號(hào)放大器是通信設(shè)備中常用的功能電路，它所放大的信號(hào)頻率在數(shù)百千赫至數(shù)百兆赫。 高頻小信號(hào)放大器的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱的高頻信號(hào)進(jìn)行不失真的放大，所謂小信號(hào) ,一是信號(hào)幅度足夠小 ,使得所有有源器件 (晶體三極管 ,場(chǎng)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(lái)模型化;二是放大器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)成線性比例關(guān)系.從信號(hào)所含頻譜來(lái)看，輸入信號(hào)頻譜與放大后輸出信號(hào)的頻譜是相同的。高頻小信號(hào)放大器的分類(lèi)：按元器件分為：晶體管放大器、場(chǎng)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：?jiǎn)渭?jí)放大器、多級(jí)放大器; 按負(fù)

2、載性質(zhì)分為：諧振放大器、非諧振放大器;. 高頻小信號(hào)諧振放大器除具有放大功能外,還具有選頻功能 ,即具有從眾多信號(hào)中選擇出有用信號(hào),濾除無(wú)用的干擾信號(hào)的能力.從這個(gè)意義上講 ,高頻小信號(hào)諧振放大電路又可視為集放大,選頻一體 ,由有源放大元件和無(wú)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(jī)的高頻放大器和中頻放大器. 其中高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)和其它無(wú)線電系統(tǒng)中，特別是在發(fā)射機(jī)的接收端， 從天線上感應(yīng)的信號(hào)是非常微弱的，這就需要用放大器將其放大。高頻信號(hào)放大器理論非常簡(jiǎn)單，但實(shí)際制作卻非常困難。 其中最容易出現(xiàn)的問(wèn)題是自激振蕩， 同時(shí)頻率選擇和各級(jí)間阻抗匹配也很難實(shí)現(xiàn)。本文

3、以理論分析為依據(jù)，以實(shí)際制作為基礎(chǔ)，用lc 振蕩電路為輔助，來(lái)消除高頻放大器自激振蕩和實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的頻率選擇； 另加其它電路，實(shí)現(xiàn)放大器與前后級(jí)的阻抗匹配。2 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(hào)單級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器。它不僅要放大高頻信號(hào)，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(huì)影響放大器輸出信號(hào)的頻率或相位。晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)由電阻 rb1、rb2及 re決定，其計(jì)算方法與低頻單管放大器相同。圖 2-1 高頻小信號(hào)諧振放大器3 電路設(shè)計(jì)方案高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器簡(jiǎn)述：高頻小

4、信號(hào)放大器的功用就是無(wú)失真的放大某一頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。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， 它是以各種選頻電路作負(fù)載，兼具阻抗變換和選頻濾波功能。 對(duì)高頻小信號(hào)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(hào)和抑制無(wú)用信號(hào)的能力要強(qiáng)，通常用 q值來(lái)表示，其頻率特性曲線如圖 -1 所示，帶寬 bw=f2-fl=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

5、善放大器的性能。圖 3-2 反饋導(dǎo)納對(duì)(4)前后級(jí)之間的阻抗匹配,即把各級(jí)聯(lián)接起來(lái)之后仍有較大的增益,同時(shí) ,各級(jí)之間不能產(chǎn)生明顯的相互干擾。根據(jù)上面各個(gè)具體環(huán)節(jié)的考慮設(shè)計(jì)出如圖3-3 所示的總體改進(jìn)電路圖圖 3-3 改進(jìn)后的高頻小信號(hào)諧振放大器4 重要電路分析及功能高頻小信號(hào)諧振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(jí)線圈為接收機(jī)前端選頻網(wǎng)絡(luò)的一部分，經(jīng)次級(jí)線圈耦合后作為放大器的輸入信號(hào)， 輸出端也采用變壓器耦合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻和輸出阻抗匹配。cb 與 ce 為高頻旁路電容，提供交流通路。本放大器的高頻等效電路如圖4-1 所示：圖 4-1 調(diào)諧放大器的高

6、頻等效電路電路中并聯(lián)振蕩回路兩端間的阻抗為其中 r 是和電感串聯(lián)的電阻，由于因此有：則并聯(lián)回路兩端電壓為：所以，當(dāng)時(shí) vm 有最大值，即回路諧振時(shí)輸出電壓最大。實(shí)際制作中對(duì)基本電路的改進(jìn)：由于高頻電路放大電路常常會(huì)自激振蕩，也容易受各種因素的干擾， 并且各級(jí)間很難實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，所以要對(duì)基本電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。放大器內(nèi)部電路的改進(jìn)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

7、除，最常用的辦法是在lc 諧振回路中串聯(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(shí)際制作過(guò)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(shí)有 c=1/l，通過(guò)計(jì)算可以確定lc 的值，但實(shí)際電路與理論計(jì)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(jì)算得電感為4.7uh 時(shí)選用 5-25pf的可調(diào)電容完全可以達(dá)到諧振頻率，但接好電路后很少能夠調(diào)到30mhz。多次實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際振蕩頻率一般小于計(jì)算得頻率， 這就要用其他辦法來(lái)確定放大器的諧振頻

8、率。一個(gè)比較好的辦法就是借助lc 振蕩電路來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振。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(shuō)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 lx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(shí)際電路中電容對(duì)電路的諧振頻率的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有電感明顯，因而先選定電容（5-20pf 可調(diào)） ，則頻率為 33mhz 時(shí)，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(cè)量其電感值大小，

9、不斷改變其圈數(shù)，使lx 基本達(dá)到要求（ 4uh 左右） ，然后把繞制好的電感作為 lx 接入圖 4-2 所示的電路中，再用示波器測(cè)量此電路的震蕩頻率，調(diào)節(jié) cx，看震蕩頻率是否為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(lái)繞變壓器的次級(jí)線圈。圖 4-3 共基組態(tài)的“考畢茲”振蕩器5 主要性能指標(biāo)及測(cè)量方法5.1 主要性能指標(biāo)中心頻率就是調(diào)諧放大電路的工作頻率，一般在幾百khz 到幾百 mhz。它是根據(jù)設(shè)備的整體指標(biāo)確定的， 是調(diào)諧放大器的主要指標(biāo)， 是設(shè)計(jì)放大電路時(shí)選擇有源器件和計(jì)算諧振回路元件參數(shù)的依據(jù)。

10、5.1.1 電壓增益增益表示了放大電路對(duì)有用信號(hào)的放大能力，通常用在中心頻率上的電壓增益和功率增益來(lái)表示。電壓增益根據(jù)定義，由上圖得從等效關(guān)系可知?jiǎng)t放大器諧振時(shí)，對(duì)應(yīng)的諧振頻率為則通常，在電路計(jì)算時(shí)，電壓增益用其模表示，則可表示為5.1.2通頻帶為了保證頻帶信號(hào)無(wú)失真地通過(guò)放大電路,要求其增益頻率響應(yīng)特性必須有與信號(hào)帶寬相適應(yīng)的平坦寬度。放大電路電壓增益頻率響應(yīng)特性由最大值下降3db 時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率寬度為放大器的通頻帶，通常以bw 表示。通頻帶的定義是時(shí)對(duì)應(yīng)的為放大器的通頻帶。根據(jù)定義得則5.1.3 選擇性選擇性是指對(duì)通頻帶之外干擾信號(hào)的衰減能力，有兩種表示方法： 一種是用矩形系數(shù)來(lái)說(shuō)明鄰近波

11、帶選擇性的好壞；另一種是用抑制比來(lái)說(shuō)明對(duì)帶外某一特定干擾頻率信號(hào)的抑制能力。5.1.4工作穩(wěn)定性工作穩(wěn)定性是指當(dāng)放大器電路的工作狀態(tài)、元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時(shí)，放大器的主要性能的穩(wěn)定程度。不穩(wěn)定現(xiàn)象表現(xiàn)在增益變化、中心頻率偏移、 通頻帶偏移和諧振曲線變形等方面。引起不穩(wěn)定的原因主要是由于寄生反饋?zhàn)饔玫慕Y(jié)果。為了消除或者減少不穩(wěn)定現(xiàn)象，必須盡可能找出寄生反饋的路徑，消除一切可能產(chǎn)生反饋的因素。5.1.5 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)是用來(lái)描述放大器本身產(chǎn)生噪聲電平大小的一個(gè)參數(shù)。放大器本身產(chǎn)生噪聲電平的大小，對(duì)所傳輸信號(hào)，特別是對(duì)微弱信號(hào)的影響是極其不利的。上述各個(gè)指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)而又相互矛盾，需要根據(jù)實(shí)際情

12、況確定其主次， 進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。5.1.6 諧振曲線放大器的諧振曲線是表示放大器的相對(duì)應(yīng)電壓增益與輸入信號(hào)頻率的關(guān)系。由上式可得對(duì)諧振放大器來(lái)講，通常討論的f 與 f0 相差不大，可認(rèn)為f 在 f0 附近變化，則式中，稱(chēng)為一般失諧。令，稱(chēng)為廣義失諧。代入上式得取模得下面是諧振特性的兩種表示形式：圖 5-1 放大器的諧振特性5.1.7 放大器的矩形系數(shù)矩形系數(shù)的定義是其中，是時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻帶寬度，即故根據(jù)矩形系數(shù)的定義得6 電路參數(shù)的計(jì)算6.1 設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)6.2 計(jì)算諧振回路參數(shù)下面計(jì)算 4 個(gè) y 參數(shù)，故?；芈房傠娙轂樵儆?jì)算回路電容，取標(biāo)稱(chēng)值 62pf 輸出耦合變壓器 tr0 的原邊抽頭匝數(shù)

13、n1 及副邊匝數(shù) n3，即6.3 確定輸入耦合回路及高頻濾波電容高頻小信號(hào)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。7 調(diào)試與仿真7.1 電路的裝調(diào)與測(cè)試將上述設(shè)計(jì)的元器件參數(shù)值按照?qǐng)D所示電路進(jìn)行安裝。先調(diào)整放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)，然后再調(diào)諧振回路使其諧振。調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)的方法是，不加輸入信號(hào)（vi=0） ，將 c1 的左端接地，將諧振回路的電容c 開(kāi)路，這時(shí)用萬(wàn)能表測(cè)量電阻re兩端的電壓，調(diào)整電阻rb1使 veq=1.5v（

14、ie=1ma） 。記下此時(shí)電路的rb1值及靜態(tài)工作點(diǎn)vbq、vceq、veq、及 ieq。調(diào)諧振回路使其諧振的方法是， 按照?qǐng)D 7-1 所示的測(cè)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(hào)發(fā)生器的輸出頻率置于fi=10mhz ，輸出電壓 vi=5ma。為了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(dá)到最大，毫安表ma 為最小且輸出波形無(wú)明顯失真?；芈诽幱谥C振狀態(tài)后，再將電源電壓恢復(fù)+12v。在放大器處于諧振狀態(tài)下測(cè)量各項(xiàng)的技術(shù)指標(biāo)，如電壓放大倍數(shù)avo、

15、通頻帶 bw 及矩形系數(shù) kr0.1，其測(cè)量方法如前所述。若這些指標(biāo)的測(cè)量值與設(shè)計(jì)要求值相差較遠(yuǎn)，則應(yīng)根據(jù)他們的表達(dá)式進(jìn)行分析。如果電壓放大倍數(shù)avo 較小，則可以通過(guò)調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求后的元器件參數(shù)值與設(shè)計(jì)計(jì)算值有有一定的偏離， 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(cè)量方法判斷回路的諧振狀態(tài)不太準(zhǔn)確，易產(chǎn)生測(cè)量誤差，較好的方法是采用掃頻測(cè)量?jī)x測(cè)量回路的諧振曲線。由于工作頻率較高， 高頻小信號(hào)放大器容易受到外界各種信號(hào)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7.2.1 利用 ewb 繪制出如圖所示的仿真實(shí)驗(yàn)電路圖 7-1 仿真電路7.2.2 按圖設(shè)置各元件的參數(shù)，打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，從示波器上觀察檢波器輸出波形以及輸入信號(hào)的關(guān)系。圖7-2 所示通過(guò)這次高頻課程設(shè)計(jì)小信號(hào)諧振放大電路，更加熟悉了解了小信號(hào)諧振的工作原理，掌握了諧振電路主要性能指標(biāo)的測(cè)量方法和主要參數(shù)的調(diào)整方法等