高頻課程設計---高頻小信號放大器

1、<p>　　高頻電子線路課程設計</p><p>　　—— 高頻小信號放大器 </p><p>　　班級： 09級通信工程二班</p><p>　　姓名： </p><p><b>　　學號： </b></p><p>　　成

2、績： </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1節(jié) 課程設計的設計要求1</p><p><b>　　1.1設計目的1</b></p><p>　　1.2分析設計要求1</p><p>　　第2節(jié) 放大器的設

3、計原理2</p><p><b>　　2.1基本原理3</b></p><p>　　2.2典型信號放大器簡介4</p><p>　　2.2.1單調諧放大器</p><p>　　2.2.2 雙調諧放大器</p><p>　　第3節(jié) 電路設計方案8</p><p>　　

4、3.1 電路結構8</p><p>　　3.2 電路參數(shù)的計算與元件的選擇11</p><p>　　第4節(jié) 仿真及仿真結果分析15</p><p>　　4.1 仿真圖15</p><p>　　4.2 設計電路的性能評價15</p><p>　　第5節(jié) 設計心得體會16</p><p&

5、gt;　　第6節(jié) 參考文獻17</p><p>　　第一節(jié) 課程設計的設計要求</p><p><b>　　一、設計目的</b></p><p>　　掌握小信號調諧放大器的基本工作原理；</p><p>　　掌握諧振放大器電壓增益、通頻帶及選擇性的定義、測試及計算；</p><p>　　了解高

6、頻小信號放大器動態(tài)范圍的測試方法；</p><p>　　通過設計實驗掌握各種仿真軟件的使用。同時增加學生的動手實踐能力。</p><p>　　二、分析課程設計要求</p><p>　　在發(fā)射機的接收端，從天線上感應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

7、配也很難實現(xiàn)。本文以理論分析為依據(jù)，以實際制作為基礎，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)準確的頻率選擇；另加其它電路，實現(xiàn)放大器與前后級的阻抗匹配。</p><p>　　第二節(jié) 放大器的設計原理</p><p><b>　　基本原理</b></p><p>　　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的信號。按

8、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：</p><p>　?。?）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= 2Δf0.7，品質因數(shù)Q=fo/2Δ

9、f0.7. </p><p>　?。?）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，內部噪聲要小，特別是不產生自激，加入負反饋可以改善放大器的性能。</p><p>　　圖2-反饋導納對放大器諧振曲線的影響</p><p>　?。?）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，各級之間不能產生明顯的相互干擾。&

10、lt;/p><p>　　二、典型信號放大器的簡介</p><p>　　高頻小信號放大器可分為兩類：一類是以諧振回路為負載的諧振放大器；另一類是以濾波器為負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、噪聲信號進行抑制，以提高接收信號的質量和抗干擾能力。</p><p>　　按元器件分為:晶體管放大器（JBT

11、）、場效應管放大器（FET）、集成電路放大器（IC）; 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; 按負載性質分為：諧振放大器、非諧振放大器</p><p>　　諧振放大器是采用諧振回路作負載的放大器，諧振回路具有放大、濾波和選頻的作用。非諧振由阻容放大器和各種濾波器組成，其機構簡單，便于集成。</p><p>

12、<b>　?。ㄒ唬﹩握{諧放大器</b></p><p>　　小信號諧振放大器是通信機接收端的前端電路，主要用于高頻小信號或微弱信號的線性放大。其實驗單元電路如圖1-1所示。該電路由晶體管Q1、選頻回路T1二部分組成。它不僅對高頻小信號進行放大，而且還有一定的選頻作用。本實驗中輸入信號的頻率fS＝10.7MHz?；鶚O偏置電阻W3、R22、R4和射極電阻R5決定晶體管的靜態(tài)工作點。調節(jié)可變電阻W

13、3改變基極偏置電阻將改變晶體管的靜態(tài)工作點，從而可以改變放大器的增益。</p><p>　　表征高頻小信號調諧放大器的主要性能指標有諧振頻率f0，諧振電壓放大倍數(shù)Av0，放大器的通頻帶BW及選擇性（通常用矩形系數(shù)Kr0.1來表示）等。</p><p>　　圖3—單調諧小信號放大電路</p><p>　　放大器各項性能指標及測量方法如下：</p><

14、;p><b>　　1、諧振頻率</b></p><p>　　放大器的調諧回路諧振時所對應的頻率f0稱為放大器的諧振頻率，對于圖3所示電路（也是以下各項指標所對應電路），f0的表達式為</p><p>　　式中，L為調諧回路電感線圈的電感量；為調諧回路的總電容，的表達式為：</p><p>　　式中， Coe為晶體管的輸出電容；Cie為晶體

15、管的輸入電容；P1為初級線圈抽頭系數(shù)；P2為次級線圈抽頭系數(shù)。</p><p>　　諧振頻率f0的測量方法是：</p><p>　　用掃頻儀作為測量儀器，測出電路的幅頻特性曲線，調變壓器T的磁芯，使電壓諧振曲線的峰值出現(xiàn)在規(guī)定的諧振頻率點f0。</p><p><b>　　2、電壓放大倍數(shù)</b></p><p>　　放

16、大器的諧振回路諧振時，所對應的電壓放大倍數(shù)AV0稱為調諧放大器的電壓放大倍數(shù)。AV0的表達式為</p><p>　　式中，為諧振回路諧振時的總電導。要注意的是yfe本身也是一個復數(shù)，所以諧振時輸出電壓V0與輸入電壓Vi相位差不是180º 而是為180º+Φfe。</p><p>　　AV0的測量方法是：在諧振回路已處于諧振狀態(tài)時，用高頻電壓表測量圖1-1中輸出信號V0及

17、輸入信號Vi的大小，則電壓放大倍數(shù)AV0由下式計算：</p><p>　　AV0 = V0 / Vi 或 AV0 = 20 lg (V0 /Vi) dB </p><p><b>　　3、通頻帶</b></p><p>　　由于諧振回路的選頻作用，當工作頻率偏離諧振頻率時，放大器的電壓放大倍數(shù)下降，習慣上稱電壓

18、放大倍數(shù)AV下降到諧振電壓放大倍數(shù)AV0的0.707倍時所對應的頻率偏移稱為放大器的通頻帶BW，其表達式為</p><p>　　BW = 2△f0.7 = f0/QL </p><p>　　式中，QL為諧振回路的有載品質因數(shù)。</p><p>　　分析表明，放大器的諧振電壓放大倍數(shù)AV0與通頻帶BW的關系為</p&

19、gt;<p>　　上式說明，當晶體管選定即yfe確定，且回路總電容為定值時，諧振電壓放大倍數(shù)AV0與通頻帶BW的乘積為一常數(shù)。這與低頻放大器中的增益帶寬積為一常數(shù)的概念是相同的。</p><p>　　通頻帶BW的測量方法：是通過測量放大器的諧振曲線來求通頻帶。測量方法可以是掃頻法，也可以是逐點法。逐點法的測量步驟是：先調諧放大器的諧振回路使其諧振，記下此時的諧振頻率f0及電壓放大倍數(shù)AV0然后改變高

20、頻信號發(fā)生器的頻率（保持其輸出電壓VS不變），并測出對應的電壓放大倍數(shù)AV0。由于回路失諧后電壓放大倍數(shù)下降，所以放大器的諧振曲線如圖4所示。</p><p><b>　　可得： </b></p><p>　　通頻帶越寬放大器的電壓放大倍數(shù)越小。要想得到一定寬度的通頻寬，同時又能提高放大器的電壓增益，除了選用yfe較大的晶體管外，還應盡量減小調諧回路的總電容量

21、CΣ。如果放大器只用來放大來自接收天線的某一固定頻率的微弱信號，則可減小通頻帶，盡量提高放大器的增益。</p><p>　　4、選擇性——矩形系數(shù)</p><p>　　調諧放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)Kv0.1時來表示，如圖1-2所示的諧振曲線，矩形系數(shù)Kv0.1為電壓放大倍數(shù)下降到0.1 AV0時對應的頻率偏移與電壓放大倍數(shù)下降到0.707 AV0時對應的頻率偏移之比，即<

22、/p><p>　　Kv0.1 = 2△f0.1/ 2△f0.7 = 2△f0.1/BW </p><p>　　上式表明，矩形系數(shù)Kv0.1越小，諧振曲線的形狀越接近矩形，選擇性越好，反之亦然。一般單級調諧放大器的選擇性較差（矩形系數(shù)Kv0.1遠大于1），為提高放大器的選擇性，通常采用多級單調諧回路的諧振放大器?？梢酝ㄟ^測量調諧放大器的諧振曲線來求矩形系數(shù)Kv0

23、.1。</p><p><b>　　（二）雙調諧放大器</b></p><p>　　為了克服單調諧回路放大器的選擇性差、通頻帶與增益之間矛盾較大的缺點，可采用雙調諧回路放大器。雙調諧回路放大器具有頻帶寬、選擇性好的優(yōu)點，并能較好地解決增益與通頻帶之間的矛盾，從而在通信接收設備中廣泛應用。</p><p>　　在雙調諧放大器中，被放大后的信號通過

24、互感耦合回路加到下級放大器的輸入端，若耦合回路初、次級本身的損耗很小，則均可被忽略。 </p><p>　　圖5—雙調諧小信號放大</p><p><b>　　1、電壓增益為</b></p><p><b>　　2、通頻帶</b></p><p>　　為弱耦合時，諧振曲線為單峰；</p>

25、<p>　　為強耦合時，諧振曲線出現(xiàn)雙峰；</p><p>　　臨界耦合時，雙調諧放大其的通頻帶</p><p>　　BW = 2△f0.7 = fo/QL</p><p>　　3、選擇性——矩形系數(shù)</p><p>　　Kv0.1 = 2△f0.1/ 2△f0.7 =</p><p>　　Kr0.1 =

26、 2Δf0.1/ 2Δf0.7 </p><p>　　= 2Δf0.1/BW</p><p>　　上式表明：矩形系數(shù) Kr0.1愈接近1，則實際曲線愈接近理想矩形，鄰近波道選擇性愈好，濾除鄰近波道干擾信號的能力愈強。但單調諧回路放大器的矩形系數(shù)遠大于1，這是單調諧回路放大器的缺點。故實際工程應用中，通常采用多級諧振放大器。</p><p><b>　　電路

27、設計方案</b></p><p><b>　　電路結構</b></p><p>　　放大器的增益大于35dB，且f0=10MHZ，，采用單級放大器實現(xiàn)，擬定高頻小信號諧振放大器的電路原理圖如圖1-1所示。</p><p>　　根據(jù)上面各個具體環(huán)節(jié)的考慮設計出下面總體的電路：</p><p>　　圖6—接受天線

28、端及高頻小信號放大器</p><p>　　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?shù)母倪M。</p><p>　　增加Re1形成交流負反饋，用以改變放大倍數(shù)和改善輸出波形，由于電源內阻容易影響高頻電路的工作，所以電源下端要接LCπ型網(wǎng)絡作為電源去偶電路，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

29、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。</p><p><b>　　(一)靜態(tài)工作過程</b></p><p>　　當輸入信號ui=0V時，放大器處于直流工作狀態(tài)(靜態(tài))。理想情況下，變壓器T1的次級、變壓器T2的初級視為短路，電容器Cb、Ce、Cf視為開路，放大器的直流通路如圖1-

30、2(a)所示。此時，輸出信號為0。</p><p><b>　　(二)動態(tài)工作過程</b></p><p>　　當輸入信號ui不等于0V時，放大器處于交直流工作狀態(tài)(動態(tài))。理想情況下，電容器Cb、Ce、Cf視為短路，放大器的交流通路如圖1-2(b)所示。</p><p>　　二、電路參數(shù)的計算與元件選擇</p><p>

31、;　　(一)選擇晶體管與計算Y參數(shù)</p><p>　　根據(jù)晶體管Y參數(shù)等效電路可知，為了保證當大氣工作穩(wěn)定，應該選擇yre小的晶體管。為了能在給頂?shù)墓ぷ黝l率上正行工作，要求晶體管的頻率特性要好，一般選用的管子。在要求電壓增益高的情況下，應選取|yfe|大的晶體管。</p><p>　　由于設計要求f=10MHz，，且電壓增益不是很大，選用晶體管3DG6C在性能上可以滿足需要。晶體管選定后

32、，根據(jù)高頻小信號諧振放大器應工作于線性區(qū)，且在滿足電壓增益要求的前提下，應盡量小些以減小靜態(tài)功率損耗。值得注意的是，變化會引起Y參數(shù)的變化，在正常的取值范圍內，隨著的增加，|yfe|變大，gie、goe略有增加。這里采用等于1mA進行Y參數(shù)計算，看是否能滿足增益的需要，否則將進行調整。</p><p>　　1、求晶體管的混合參數(shù)</p><p>　　已知晶體管3DG6C的參數(shù)為，，，，。據(jù)

33、此可求得：</p><p>　　(1)發(fā)射結的結電阻3；</p><p>　　(2)發(fā)射結的結電導-3S；</p><p>　　(3)晶體管的跨導-3S；</p><p>　　(4)發(fā)射結電容-12F = 24.5pF。</p><p>　　2、由混合參數(shù)求Y參數(shù)</p><p>　　由于，，可

34、以按下列公式計算：</p><p>　　(1)共射晶體管輸入導納 （1-1）</p><p>　　由此可得：，-12F。</p><p>　　(2)共射晶體管輸出導納 （1-2）</p><p>　　由此可得：，-12F。</p><p>　　(3)共射晶體管正向傳輸導納<

35、/p><p><b>　　（1-3）</b></p><p><b>　　由此可得：，。。</b></p><p>　　(4)共射晶體管反向傳輸導納</p><p><b>　　（1-4）</b></p><p><b>　　由此可得：，。。<

36、;/b></p><p>　　(二)、確定靜態(tài)工作點</p><p>　　根據(jù)晶體管的混合參數(shù)已知條件可知：晶體管為3DG6C，，，。為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點，晶體管分壓式偏置電阻上流過的電流一般需設置為(5~10)，這里取10倍關系，并設置，，則</p><p><b>　　(1) </b></p><p>　　(2)

37、 ， </p><p>　　取標稱值13，得到實際的流過偏置電阻上的電流為</p><p>　　在實際制作過程中，可用30的電阻和50的電位器串聯(lián)，以便調整靜態(tài)工作點.</p><p>　　b、計算諧振回路參數(shù)</p><p>　　根據(jù)圖1-2(b)圖作出高頻小信號諧振放大器的Y參數(shù)等效電路和簡化等效電路，分別如圖1-3、

38、1-4所示。</p><p>　　(一)計算諧振回路總電容 </p><p>　　由圖可知諧振回路的總電容為</p><p><b>　　(1-5)</b></p><p><b>　　式中，,，，。</b></p><p>　　選取，，，，則有諧振回路總電容為<

39、/p><p>　　為了計算方便，可通過調節(jié)可變電容CT使。</p><p>　　(二)根據(jù)諧振頻率選取電感L</p><p>　　由公式可得：L=12.67uH</p><p>　　(三)計算回路損耗電導和阻尼電阻RT</p><p>　　根據(jù)中心頻率f=10MHz,通頻帶為4MHz可得回路的損耗電導</p>

40、<p><b>　　(1-6)</b></p><p><b>　　有載品質因數(shù)，故</b></p><p>　　由圖1-4可知回路損耗電導</p><p><b>　　(1-7)</b></p><p>　　式中，為空載品質因素，其表達式為</p>

41、<p><b>　　(1-8)</b></p><p>　　若取回路空載品質因素，則有。</p><p>　　在式(1-7)中代入，，，可得</p><p><b>　　解得。</b></p><p><b>　　仿真及仿真結果分析</b></p>&l

42、t;p><b>　　一、仿真圖</b></p><p>　　1.通過EWB軟件實現(xiàn)的高頻小信號放大器仿真圖：</p><p>　　2.按圖設置各元件參數(shù)，打開仿真開關，從示波器觀察檢波器輸出波形及輸入信號的關系。如圖所示：</p><p><b>　　設計電路的性能評價</b></p><p>

43、;　　將上述設計元件的參數(shù)值先進行安裝，調整放大電路的靜態(tài)工作點，然后再調諧振回路使其諧振。</p><p>　　在放大器處于諧振的條件下，測量放大電路的各項技術指標。若這些測量值與課程設計要求的值較遠，則應根據(jù)表達式進行分析。如果電壓放大倍數(shù)較小，則可以通過調節(jié)靜態(tài)工作點Q或者接入系數(shù)使其增大。</p><p>　　由于分布參數(shù)的影響，放大器的各項指標滿足設計要求后的元件參數(shù)值與設計計算

44、值有一定的偏差。需要反復調整輸出耦合變壓器的磁芯位置才能使電路始終處于諧振狀態(tài)。</p><p>　　由于工作頻率較高，高頻小信號放大器容易收到外界的干擾。特別是射頻干擾，通常采取的措施是把放大器放入金屬屏蔽盒中。</p><p><b>　　設計心得體會</b></p><p>　　經過兩個星期的課程設計，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我也失

45、落過，也曾一度熱情高漲。從開始時滿富盛激情到最后汗水背后的復雜心情，點點滴滴無不令我回味無長。生活就是這樣，汗水預示著結果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。我想說，課程設計確實有些辛苦，但苦中也有樂，而且課程設計也是一個團隊的任務，一起的工作可以讓我們有說有笑，相互幫助，配合默契，多少人間歡樂在這里灑下，我感覺我和同學們之間的距離更加近了；我想說，課程設計確實很累，但當我們所做的內容制成成果時，心中也不免產生興奮；

46、 同時我認為我們的工作是一個團隊的工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，必須發(fā)揚團結協(xié)作的精神。某個人的離群都可能導致導致整項工作的失敗。課程設計過程中只有一個人知道原理是遠遠不夠的，必須讓每個人都知道，否則一個人的錯誤，就有可能導致整個工作失敗。團結協(xié)作是我們此次涉及成功的一項非常重要的保證。而這次設計也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。 </p><p>　　對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加

47、可喜。挫折是一份財富，經歷是一份擁有。這次課程設計必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！ </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1、張肅文 主編《高頻電子線路》 高等教育出版社.</p><p>　　2、張義芳，馮建化?！陡哳l電子線路》 哈爾濱工業(yè)大學出版社</p><p>　　3、高吉