高頻電子電路課程設(shè)計(jì)告--高頻小信號(hào)諧振放大器的設(shè)計(jì)

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

2、<b>　　姓 名： </b></p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　電氣工程學(xué)院</b></p><p>　　2013年12月12日</p><p><b>　　任務(wù)書</b></p>&l

3、t;p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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，從信號(hào)所含頻譜來看，輸入信號(hào)頻譜與放大后輸出信號(hào)的頻譜是相同的。</p><p>　　高頻小信號(hào)放大器的分類：</p><p>　　

4、按元器件分為：晶體管放大器、場效應(yīng)管放大器、集成電路放大器;</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(jí)放大器、多級(jí)放大器;</p><p>　　按負(fù)載性質(zhì)分為：諧振放大器、非諧振放大器;</p><p>　　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)和其它無線電系統(tǒng)中，特別是在發(fā)射機(jī)的

5、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)放大器理論非常簡單，但實(shí)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(shí)頻率選擇和各級(jí)間阻抗匹配也很難實(shí)現(xiàn)。本文以理論分析為依據(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。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 高頻小信號(hào)放大器；調(diào)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)2</p><p>　　2.1 電路基本原理2</p><p>　　2.2主要性能指標(biāo)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(shù)6</p><p>　　2.3 電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算6</p><p>　　2.3.1 電路的確定6</p><p>　　2.3.2 參數(shù)計(jì)算7</p><p>　　第三章 電路的仿真與調(diào)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(jié)12</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)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(shè)計(jì)條件</b></p><p>　　已知條件：電源電壓，負(fù)載電阻，高頻三極管3DG6。</p><p>　　主要技術(shù)指標(biāo)：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(hào)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(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

11、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：</p><p>　　（1）增益要高，即放大倍數(shù)要大。</p><p>　?。?）頻率選擇性要好，即選擇所需信號(hào)和抑制無用信號(hào)的能力要強(qiáng)，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(zhì)因數(shù)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(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。 </p><p><b>　　（4）阻抗匹配。 </b></p><p>　　第二章 電路的基本原理及電路的設(shè)計(jì)</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(hào)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)會(huì)影響放大器的輸出信號(hào)的頻率或相位。晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)由電阻RB1和RB2以及RE決定，其計(jì)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(shí)的等效電路如圖2-1所示，晶體管的4個(gè)y參數(shù)分別如下：</p><p><b>　　輸入導(dǎo)納： </b></p><p><b>　　輸出導(dǎo)納： </b></p><p><b>　　正向傳輸導(dǎo)納： </b></p>

15、<p><b>　　反向傳輸導(dǎo)納： </b></p><p>　　式中，為晶體管的跨導(dǎo)，與發(fā)射極電流的關(guān)系為：</p><p>　　為發(fā)射結(jié)電導(dǎo)，與晶體管的電流放大系數(shù)及有關(guān)，其關(guān)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(jié)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(shù)除了與靜態(tài)工作點(diǎn)的電流 ，電流放大系數(shù)有關(guān)外，還與工作角頻率w有關(guān)。晶體管手冊中給出了的分布參數(shù)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(shù)，即</p><p>　　式中，N2為電感L線

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

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

19、入信號(hào)由高頻小信號(hào)發(fā)生器提供，高頻電壓表，分別用于測量輸入信號(hào)與輸出信號(hào)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(fù)載兩端輸出波形。諧振放大器的性能指標(biāo)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(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為諧振頻率。的表達(dá)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(dá)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(hào)發(fā)生器的輸出頻率為，輸出電壓為幾毫伏；然后調(diào)諧集電極回路即改變電容C或電感L使回路諧振。LC并聯(lián)諧振時(shí)，直流毫安表mA的指示為最小（當(dāng)放大器工作在丙類狀態(tài)時(shí)），電壓表指示值達(dá)到最大，且輸出波形無明顯失真。這時(shí)回路諧振頻率就等

21、于信號(hào)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(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)Avo稱為諧振放大器的電壓增益.Avo的表達(dá)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(jì)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(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時(shí)，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)的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱為放大器的通頻帶BW，其表達(dá)式為:</p><p>　　式中，為諧振放大器的有載品質(zhì)因素。</p><p>　　分析表明，放大器的諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶BW的關(guān)系為：

23、</p><p>　　上式說明，當(dāng)晶體管確定，且回路總電容為定值時(shí)，諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶BW的乘積為一常數(shù)。</p><p>　　通頻帶的測量電路如圖2-3所示。可通過測量放大器的頻率特性曲線來求通頻帶。采用逐點(diǎn)法的測量步驟是：先使調(diào)諧放大器的諧振回路產(chǎn)生諧振，記下此時(shí)的與，然后改變高頻信號(hào)發(fā)生器的頻率（保持Vs不變），并測出對(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)Av，由于回路失諧后電壓放大倍數(shù)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(dá)式可知： </p><p>　　通頻帶越寬的電壓放大倍數(shù)越小。要想得到一定寬度的通頻帶，同時(shí)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(yīng)盡量減少調(diào)諧回路的總電容量。</p><p>　　

25、2.2.4 矩形系數(shù)</p><p>　　諧振放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)Kr0.1來表示，如圖2-4所示，矩形系數(shù)Kr0.1為電壓放大倍數(shù)下降到0.1Avo時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍與電壓放大倍數(shù)下降到0.707 時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率偏移之比，即</p><p>　　上式表明，矩形系數(shù)Kr0.1越接近1，臨近波道的選擇性越好，濾除干擾信號(hào)的能力越強(qiáng)?？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(shù)Kr0.1。</p><p>　　2.3 電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)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(shù)計(jì)算</p><p&g

27、t;　　已知參數(shù)要求與晶體管3DJ6參數(shù)。</p><p>　　(1) 設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)</p><p>　　取 =1mA, =1.5V, =7.5V, 則</p><p>　　, 取標(biāo)稱值18KΩ</p><p>　　可用30kΩ電阻和100kΩ電位器串聯(lián),以便調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。</p><p>　　(2) 計(jì)算諧

28、振回路參數(shù)</p><p>　　下面計(jì)算4個(gè)y參數(shù)，</p><p><b>　　因?yàn)? 所以</b></p><p><b>　　，，</b></p><p><b>　　因?yàn)椋?lt;/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(jì)算回路電容</b></p><p><b>　　，取標(biāo)稱值51pF</b></p><p>　

30、　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</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(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。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(diào)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(shí)驗(yàn)電路</p><p>　　圖3-1 仿真電路</p><p>　　(2) 按圖設(shè)置各元件的參數(shù)，

32、打開仿真開關(guān)，從示波器上兩個(gè)通道觀察輸出波形以及與輸入信號(hào)的關(guān)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(hào)輸入，僅有直流激勵(lì)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>　?、平尤胄盘?hào)發(fā)生器，觀察示波器輸入輸出波形，按照設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)中周。利用儀器測得各指

33、標(biāo)如下：</p><p><b>　　f0=10MHz</b></p><p><b>　?。羦o＝34dB</b></p><p>　　仿真數(shù)據(jù)分析：在誤差允許范圍里，仿真測量所得數(shù)據(jù)與理論值相等。</p><p>　　3.2電路的安裝與測試</p><p>　　將上述設(shè)計(jì)

34、的元器件參數(shù)值按照?qǐng)D2-1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。</p><p>　　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開路，這時(shí)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(shí)電路的Rb1值及靜態(tài)工作點(diǎn)Vbq、Vceq、Veq、及Ieq。 </p><p>　　調(diào)

35、諧振回路使其諧振的方法是，按照?qǐng)D3-1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(hào)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(dá)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(fù)至+12V。</p>

36、<p>　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： f0=9.7MHz</p><p><b>　　Ａvo＝28dB</b></p><p><b>　　數(shù)據(jù)分析：</b></p><p>　　在誤差允許范圍內(nèi)，中心頻率的理論值與實(shí)際值一致，在放大器處于諧振狀態(tài)下，電壓放大倍數(shù)Avo放大倍數(shù)與理論值有一定的差距，導(dǎo)致誤差的原因有如

37、下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）實(shí)物的實(shí)際值與理論值有一定的差距。如電阻電容的理論值與標(biāo)稱值不一致， 并且電阻電容的標(biāo)稱值也有一定的誤差。</p><p>　?。?）由于分布參數(shù)的影響，晶體管手冊中給出的分布參數(shù)一般都是在測試條件一定 的情況下測得的。且分布參數(shù)還與靜態(tài)工作電流及電流放大系數(shù)有關(guān)。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)

38、算值有一定的偏離。</p><p>　?。?）性能指標(biāo)參數(shù)的測量方法存在一定的誤差。如在調(diào)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(diào)諧。這樣調(diào)諧頻率的測量值存在誤差的同時(shí)，放大倍數(shù)的測量值也會(huì)產(chǎn)生誤差。</p><p>　?。?）實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的老化等也會(huì)導(dǎo)致電路調(diào)試過程中出現(xiàn)一定的誤差。</p><p>　?。?）由于工作頻率較高，高頻小信號(hào)放大器

39、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）。但電路調(diào)試環(huán)境條件有限。</p><p><b>　　第四章 總結(jié) </b></p><p>　　通過這一課程設(shè)計(jì)，我掌握了獨(dú)立搜集資料、思考分析問題的能力和獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力，使自己無論在今后的學(xué)習(xí)中還是工作中遇到困難的時(shí)候都能自己將其</p>

40、<p>　　解決。同時(shí)，對(duì)書理論知識(shí)有了更深刻的了解。</p><p>　　完成這一課設(shè)后，我對(duì)高頻小信號(hào)放大器也有了更深刻地理解。高頻小信號(hào)放大器廣泛用于廣播,電視,通信,測量儀器等設(shè)備中.高頻小信號(hào)放大器可分為兩類:一類是以諧振回路為負(fù)載的諧振放大器;另一類是以濾波器為負(fù)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(hào)中,選出有用信號(hào)并加以放大,同時(shí)對(duì)無用信號(hào),干擾信號(hào),噪聲信號(hào)進(jìn)行抑制,以

41、提高接收信號(hào)的質(zhì)量和抗干擾能力.</p><p>　　高頻小信號(hào)調(diào)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(hào)或微弱信號(hào)的線性放大。在本次課設(shè)中，我了解了高頻小信號(hào)放大器的特點(diǎn)：① 放大小信號(hào),晶體管工作在線性范圍內(nèi)(甲類放大器)② 信號(hào)的中心頻率一般在幾百kHz到幾百M(fèi)Hz,頻帶寬度在幾khz到幾十MHz,為頻帶放大器,故必須用選頻網(wǎng)絡(luò)。</p><p><b&g

42、t;　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 曾興文、劉乃安、陳?。哳l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(jì)算機(jī)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(shù)量</p><p>　　電阻 30KΩ 一個(gè)</p><p>　　電阻 18KΩ 一個(gè)</p&g

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

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