高頻電子電路設(shè)計(jì)

1、目錄摘要31 諧振電路41.1 串聯(lián)諧振回路41.2并聯(lián)諧振回路52 諧振放大器及其主要技術(shù)指標(biāo)62.1諧振放大器及組成62.2高頻小信號(hào)放大器72.3高頻小信號(hào)放大器的主要質(zhì)量指標(biāo)83 影響諧振放大器的穩(wěn)定因素93.1影響放大器穩(wěn)定的主要因素93.2 反饋對(duì)諧振放大器的影響11自激11電磁干擾124 諧振放大器穩(wěn)定性措施134.1 中和法134.2 失配法15總結(jié)與體會(huì)17主要參考文獻(xiàn)17摘要所謂諧振放大器，就是采用諧振回路（串、并聯(lián)及耦合回路）作負(fù)載的放大器。根據(jù)諧振回路的特性，諧振放大器對(duì)于靠近諧振頻率的信號(hào)，有較大的增益；對(duì)于遠(yuǎn)離諧振頻率的信號(hào)，增益迅速下降，所以，諧振放大器不僅有放大

2、作用，而且也起著濾波或選頻的作用。工作穩(wěn)定性是指放大器的工作狀態(tài)（直流偏量）、晶體管參數(shù)、電路元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時(shí)，放大器的主要特性的穩(wěn)定程度。一般的不穩(wěn)定現(xiàn)象是增益變化、中心頻率偏移、通頻帶變寬、諧振曲線變形等。極端的不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)放大器自激，致使放大器完全不能正常工作。其內(nèi)部原因與反饋有關(guān)，反饋的途徑有兩種：一是晶體管內(nèi)部的反饋（自激），二是晶體管外部電磁干擾。因此，根據(jù)這些影響因素提出了減少傳輸導(dǎo)納，單向化，減少噪聲與干擾等穩(wěn)定電路的方法。1諧振電路在具有電阻R、電感L和電容C元件的交流電路中，電路兩端的電壓與其中電流相位一般是不同的。如果我們調(diào)節(jié)電路元件（L或C）的參數(shù)或電源頻率，

3、可以使它們相位相同，整個(gè)電路呈現(xiàn)為純電阻性。電路達(dá)到的這種狀態(tài)我們稱之為諧振。在諧振狀態(tài)下，電路的總阻抗達(dá)到極值或近似達(dá)到極值。研究諧振的目的就是要認(rèn)識(shí)這種客觀現(xiàn)象，并在科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)上充分利用諧振的特征，同時(shí)又要預(yù)防它所產(chǎn)生的危害。按電路聯(lián)接的不同，有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振之分。1.1 串聯(lián)諧振回路如圖:在電阻R、電感L及電容C所組成的串聯(lián)電路中，當(dāng)容抗XC與感抗XL相等時(shí)，即XCXL，電路中的電壓U與電流I的相位相同，電路呈純電阻性，這種現(xiàn)象叫串聯(lián)諧振。圖串聯(lián)諧振回路當(dāng)電路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，電路的阻抗Z=R,電路中總阻抗最小，電流將達(dá)到最大值。當(dāng)X=L-1/C=0時(shí)，即有=0，此時(shí)電路發(fā)生了諧振

4、,并且通過(guò)諧振可以使有用的電信號(hào)通過(guò)，即當(dāng)電路的激勵(lì)的頻率等于電路的固有頻率時(shí)，電路的電磁振蕩的振幅也將達(dá)到峰值，這也是它的選擇性。同時(shí)它還必須滿足一定的頻帶寬度。1.2并聯(lián)諧振回路如圖:在電感線圈L，電容器C與外加信號(hào)源相互并聯(lián)的振蕩電路中，當(dāng)電容的大小恰恰使電路中的電壓與電流同相位，即電源電能全部為電阻消耗，成為電阻電路時(shí)，叫作并聯(lián)諧振。并聯(lián)諧振是一種完全的補(bǔ)償，電源無(wú)需提供無(wú)功功率，只提供電阻所需要的有功功率。諧振時(shí)，電路的總電流最小，因此，并聯(lián)諧振也稱為電流諧振。圖并聯(lián)諧振回路2 諧振放大器及其主要技術(shù)指標(biāo)2.1諧振放大器及組成所謂諧振放大器，就是采用諧振回路（串、并聯(lián)及耦合回路）作負(fù)

5、載的放大器。根據(jù)諧振回路的特性，諧振放大器對(duì)于靠近諧振頻率的信號(hào)，有較大的增益；而對(duì)于遠(yuǎn)離諧振頻率的信號(hào)，增益迅速下降。所以，諧振放大器不僅有放大作用，而且也起著濾波或選頻的作用。諧振放大器有又可分為調(diào)諧放大器（通稱高頻放大器）和頻帶放大器（通稱中頻放大器）。前者的調(diào)諧回路需對(duì)外來(lái)不同的信號(hào)頻率進(jìn)行調(diào)諧；后者的調(diào)諧回路的諧振頻率固定不變。諧振放大器組成大致有：?jiǎn)握{(diào)諧回路諧振放大器（原理電路圖如圖）、多級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器、雙調(diào)諧回路諧振放大器、參差調(diào)諧放大器和集中選擇性放大器等。圖單調(diào)諧回路諧振放大器2.2高頻小信號(hào)放大器對(duì)高頻小信號(hào)放大器來(lái)說(shuō)，由于信號(hào)小，可以認(rèn)為它工作在晶體管（或場(chǎng)效應(yīng)管

6、）的線性范圍內(nèi)。這就允許把晶體管看成線性元件，因此可作為有源線性四端網(wǎng)絡(luò)來(lái)分析。它主要用在各種無(wú)線電接收設(shè)備及高頻儀表中，其主要作用是放大微弱的高頻有用信號(hào)，同時(shí)抑制無(wú)用干擾信號(hào)。其電路如圖圖晶體管放大器圖 y參數(shù)等效電路電路圖為晶體管的 y參數(shù)等效電路。此等效電路不僅與晶體管有關(guān)，而且與外電路有關(guān)， （1） （2） （3）通過(guò)（1）（3）可得： （4） + （5）由上式說(shuō)明：輸入導(dǎo)納YI與負(fù)載導(dǎo)納YL有關(guān)，這反映了晶體管有內(nèi)部反饋，而這個(gè)內(nèi)部反饋是由反向傳輸導(dǎo)納YRE所引起的；輸出導(dǎo)納YO與信號(hào)源導(dǎo)納YS有關(guān)，這也反映了晶體管存在內(nèi)部反饋，而這個(gè)內(nèi)部反饋也是由YRE引起；晶體管的正向傳輸導(dǎo)納

7、越大，則放大器的增益也越大。2.3高頻小信號(hào)放大器的主要質(zhì)量指標(biāo)對(duì)于高頻小信號(hào)放大器，它有以下主要質(zhì)量指標(biāo)：1.增益：放大器輸出電壓（或功率）與輸入電壓（或功率）之比，稱為放大器的增益或放大倍數(shù)，用AV（或AP）。我們希望每級(jí)放大器的增益盡量大，使?jié)M足總增益時(shí)級(jí)數(shù)盡量少。放大器增益的大小，取決于所用的晶體管、要求的通頻帶寬度、是否良好的匹配和穩(wěn)定的工作。2.通頻帶：由于放大器所放大的一般都是已調(diào)制的信號(hào)，而已調(diào)制的信號(hào)都包含一定的頻譜寬度，所以放大器必須有一定的通頻帶，以便讓必要的信號(hào)中的頻譜分量通過(guò)放大器。放大器的通頻帶決定于負(fù)載回路的形式和回路的等效品質(zhì)因數(shù)QL。此外，放大器的總通頻帶隨著

8、放大級(jí)數(shù)的增加而變窄。并且，通頻帶越寬，放大器的增益就越小，兩者是互相矛盾的。3.選擇性：放大器從含有各種不同頻率的信號(hào)總和（有用的和有害的）中選出有用信號(hào)，排除有害（干擾）信號(hào)的能力，稱為放大器的選擇性。選擇性有兩個(gè)基本指標(biāo)-矩形系數(shù)和抑制比。4.工作穩(wěn)定性：工作穩(wěn)定性是指放大器的工作狀態(tài)(直流偏置)、晶體管參數(shù)、電路元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時(shí)，放大器的主要特性的穩(wěn)定程度。一般的不穩(wěn)定現(xiàn)象是增益變化、中心頻率偏移、通頻帶變窄、諧振曲線變形等。5.噪聲系數(shù)：在放大器中，噪聲總是有害無(wú)益的，因而應(yīng)力求使它的內(nèi)部噪聲愈小愈好，即要求噪聲系數(shù)接近1。3 影響諧振放大器的穩(wěn)定因素3.1影響放大器穩(wěn)定的

9、主要因素放大器的工作穩(wěn)定性是重要的質(zhì)量指標(biāo)之一，放大器的輸入導(dǎo)納:在前面討論 Avo 時(shí)忽略了內(nèi)部反饋 Yre,由于晶體管不是理想的單向化元器件，存在著反向傳輸導(dǎo)納Yre,輸出電壓反饋到輸入端引起了輸入電流和輸入阻抗變化，在某些特定的頻率上，可能使放大器呈現(xiàn)負(fù)阻，甚至使放大器失去性能，處于自激振蕩狀態(tài)，這是絕對(duì)不允許的，晶體管內(nèi)部負(fù)反饋對(duì)頻率特性的影響如圖圖反饋導(dǎo)納對(duì)放大器諧振曲線的影響放大器的工作穩(wěn)定性是指放大器的工作狀態(tài)、晶體管的參數(shù)、電路元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時(shí)，放大器的主要特性的穩(wěn)定程度。諧振放大器的穩(wěn)定性不僅與內(nèi)部反饋有關(guān)，實(shí)際上在實(shí)際的電路制作中，還要考慮反饋引起的不穩(wěn)定性。應(yīng)用

10、電路中，放大器外部的寄生反饋，都是以電磁耦合的方式出現(xiàn)的，引起電磁干擾必然存在發(fā)射電磁干擾的源，能接收干擾的感應(yīng)裝置，以及兩者之間的耦合途徑。由于頻率高的緣故，干擾和接收裝置幾乎是不可能避免的，關(guān)鍵是弄清楚耦合途徑以及如何去截?cái)嗨?。在其放大器組成的放大電路中，隨著放大器的級(jí)聯(lián)，總的頻帶明顯減小，為保證一定的通頻帶，單級(jí)通頻需加寬，單級(jí)增益就下降。而組成的單調(diào)諧和雙調(diào)諧回路不能很好的解決總增益和總帶寬的問(wèn)題，參差調(diào)諧電路就是其中最好的辦法，必須采用各種方法是電路保持穩(wěn)定。3.2反饋對(duì)諧振放大器的影響在放大器的反饋中，反饋的途徑有兩種：一是晶體管內(nèi)部的反饋，二是晶體管外部干擾。自激在內(nèi)部反饋中，自

11、激是最重要的因素。放大器的輸入阻抗等效電路如圖所示：圖放大器等效輸入端回路反饋導(dǎo)納 YF：其中 YF 改變了回路的QL值 ,YF引起回路失諧。YF是頻率的函數(shù)，在某些頻率上可能為負(fù)值，即呈負(fù)電導(dǎo)性，它使回路的總電導(dǎo)減小，QL值增加，放大器的通頻帶減小，增益也因損耗的減少而增加。即負(fù)電導(dǎo)YF供給回路能量，出現(xiàn)正反饋，當(dāng)YF =gS + yie 時(shí)，則回路總電導(dǎo)等于0 ，放大器失去放大性能，處于自激振蕩工作狀態(tài)。從上面的分析中，當(dāng) YS + Yi = 0 時(shí)放大器產(chǎn)生自激，由式中可見(jiàn)放大器的反饋能量抵消了回路損耗能量，且電納部分也恰好抵消。因此，放大器產(chǎn)生自激的條件是：即晶體管反向傳輸導(dǎo)納 yre

12、 愈大，則反饋愈強(qiáng)，上式左邊值就愈小。該值愈接近于 1 ，放大器愈不穩(wěn)定。因此我們引入穩(wěn)定系數(shù) S 來(lái)表示放大器的穩(wěn)定性。根據(jù)上式可以推導(dǎo)穩(wěn)定系數(shù)：、分別為yfe 、yre的相角，S表示放大器能穩(wěn)定工作的條件。當(dāng)滿足Ys+Yi=0時(shí)， S=1時(shí)放大器自激；S<1時(shí)放大器自激加強(qiáng) ；S>1時(shí)放大器存在潛在不穩(wěn)定；只有當(dāng)S>>1時(shí)內(nèi)部反饋?zhàn)钚。糯笃鞑殴ぷ鞣€(wěn)定。電磁干擾電磁干擾的耦合途徑主要有以下幾種：1.傳導(dǎo)耦合：導(dǎo)線經(jīng)過(guò)有干擾的環(huán)境，即拾取干擾信號(hào)并經(jīng)導(dǎo)線傳導(dǎo)到電路而造成對(duì)電路的干擾，稱為傳導(dǎo)耦合，或者叫直接耦合。2.共阻抗耦合： 當(dāng)兩個(gè)電路的電流經(jīng)過(guò)一個(gè)公共

13、阻抗時(shí)，一個(gè)電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會(huì)影響到另一個(gè)電路。3.感應(yīng)耦合： (a)電感應(yīng)耦合-容性：干擾電路的端口電壓會(huì)導(dǎo)致干擾回路中的電荷分布，這些電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)，得以部分會(huì)被敏感電路拾取，當(dāng)電場(chǎng)隨時(shí)間變化，敏感回路中的時(shí)變感應(yīng)電荷就會(huì)在回路中形成感應(yīng)電流，這種叫做電感應(yīng)容性耦合。 (b)磁感應(yīng)耦合:干擾回路中的電流產(chǎn)生的磁通密度的一部分會(huì)被其他回路拾取，當(dāng)磁通密度隨時(shí)間變化是就會(huì)在敏感回路中出現(xiàn)感應(yīng)電壓，這種回路之間的耦合叫做磁感應(yīng)耦合。4.輻射耦合:輻射源向自由空間傳播電磁波，感應(yīng)電路的兩根導(dǎo)線就像天線一樣，接受電磁波，形成干擾耦合。干擾源距離敏感電路比較近的

14、時(shí)候，如果輻射源有低電壓大電流，則磁場(chǎng)起主要作用；如果干擾源有高電壓小電流，則電場(chǎng)起主要作用。4 諧振放大器穩(wěn)定性措施4.1中和法此種方法起著消除 Yre 的反饋?zhàn)饔?。它是在晶體管的輸入端和輸出端之間引入一個(gè)外加的反饋電路即中和電路，由于Yre中包含電導(dǎo)分量和電容分量，因此外部反饋電路也包括電阻分量RN和電容分量CN兩部分，并要使通過(guò)RN、CN的外部反饋電流正好與通過(guò)Yre所產(chǎn)生的內(nèi)部反饋電流相位差為180°，從而互相抵消，變雙向器件為單向器件。通常是在輸出回路與晶體管基極之間接入一個(gè)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)中和作用，該電容亦稱中和電容。線路如圖：CN為外接電容，圖中和法的原理圖當(dāng)電橋平衡時(shí)， c

15、d 兩端的回路電壓 不會(huì)反映到ab兩端，即輸出不影響輸入，變雙向器件為單向器件。電橋平衡時(shí)，兩對(duì)邊阻抗之比相等，因此外接電容：由于 yre 與 w 有關(guān)，故中和法只能在一個(gè)頻率上完全中和。接收機(jī)中常用的中和電路如圖：圖接收機(jī)中常用的中和電路圖中的CN就是中和電容，通過(guò)相應(yīng)的反饋可以互相抵消 。4.2失配法此方法是指信號(hào)源內(nèi)阻不與晶體管輸入阻抗匹配，晶體管輸出端負(fù)載阻抗不與本級(jí)晶體管的輸出阻抗相匹配。由于阻抗不匹配，輸出電壓減小，反饋到輸入電路的影響也隨之減小。因此失配法是用犧牲增益換來(lái)提高放大器的穩(wěn)定性。根據(jù)前面分析可知放大器等效輸入導(dǎo)納為:要使放大器輸入導(dǎo)納 Yi 等于晶體管短路輸入導(dǎo)納 Y

16、ie ，即使后項(xiàng)為零，則必須加大 Y L。 晶體管實(shí)現(xiàn)單向化，只與管子本身參數(shù)有關(guān)，因此失配法一般采用共發(fā)-共基級(jí)聯(lián)放大器實(shí)現(xiàn)，如圖：因?yàn)楣舶l(fā)電路中輸入、輸出阻抗較高，共基電路中輸入阻抗低，輸出阻抗高，而共基的輸入阻抗是共發(fā)的負(fù)載，所以YL 大。圖共發(fā)一共基級(jí)聯(lián)放大器又因?yàn)楣舶l(fā)的 Yoe較小，對(duì) BG2 來(lái)說(shuō)： BG1 的輸出導(dǎo)納就是它的信號(hào)源內(nèi)導(dǎo)納 Ys ，而Ys ( Yoe ) 小則 BG2 輸出導(dǎo)納 Y0 就只和共基極晶體管 BG2 本身有關(guān)，而不受它的輸入電路的影響。所以復(fù)合管的輸入和輸出導(dǎo)納基本上不再互相依賴，可把它看成單向器件。但是這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，中和法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，增益

17、不受影響；其缺點(diǎn)是只能在一個(gè)頻率上完全中和，不適合寬帶。失配法的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，能改善各種參數(shù)變化的影響以及頻帶寬，適合寬帶放大，適于波段工作；其缺點(diǎn)是增益較低。總結(jié)與體會(huì)通過(guò)這次高頻課程設(shè)計(jì)諧振放大器的穩(wěn)定性分析，使我更加熟悉和了解了諧振放大器穩(wěn)定性的工作原理，掌握了諧振放大器的主要性能指標(biāo)，以及影響諧振放大器穩(wěn)定性的因素和解決不穩(wěn)定性的措施。從而提高了自己的分析解決問(wèn)題的能力，以及設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新的精神。同時(shí)也使我對(duì)待課程設(shè)計(jì)有了一些深刻感知。我認(rèn)為：首先，我們要認(rèn)真對(duì)待課程設(shè)計(jì)，提前做好準(zhǔn)備工作，例如：在圖書館查找一些相關(guān)的資料和上網(wǎng)搜索一些相關(guān)的知識(shí)。其次，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們要充分利用課本上的知識(shí)和老師講過(guò)