高频小信号调谐放大器设计.doc

1、 目 录1 概述12 电路设计方案2 2.1 设计任务2 2.2 高频小信号调谐放大器特点2 2.3 高频小信号调谐放大器要求23 电路的基本原理及电路的设计3 3.1 电路的基本原理33.2 主要性能指标及测试方法53.3 电路的设计与参数计算84 电路的仿真与调试11 4.1 电路仿真114.2 电路元件参数设定及调试134.3 电路的安装与调试155 心得体会17参考文献18致谢19附录20 1 概述 20世纪末，电子通讯获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代

2、的节奏也越来越快。在无线通信中，发射与接收的信号应当适合于空间传输。所以，被通信设备处理和传输的信号是经过调制处理过的高频信号，这种信号具有窄带特性。而且，通过长距离的通信传输，信号受到衰减和干扰，到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号，在做进一步处理之前，应当经过放大和限制干扰的处理。这就需要通过高频小信号放大器来完成。这种小信号放大器是一种谐振放大器。高频调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗

3、匹配也很难实现。 高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。高频小信号放大器的分类： 按元器件分为： 晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器;按频带分为： 窄带放大器、宽带放大器;按电路形式分为：单级放大器、多级放大器;按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器; 其中高频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论

4、非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择。2电路设计方案2.1 设计任务设计一个高频小信号调谐放大器。要求中心频率为20MHz,电压增益，通频带为4MHz，负载电阻100，电源电压+12V。2.2 高频小信号放大器的特点 频率较高中心频率一般在几百kHz到几百MHz频带宽度在几KHz到几十MHz，故必须用选频网络。 小信号信号较小故工作在线性范围内(甲类放大器)即工作在线形放大状态。 采用谐振回路作负载，即对靠近谐振频率附近的

5、信号有较大的增益，对远离谐振频率附近的信号其增益迅速下降，即具有选频放大作用。2.3 高频小信号调谐放大器要求 高频小信号放大器的功用就是无失真的放大某一频率范围内的信号。按其频带宽度可以分为窄带和宽带放大器 ，而最常用的是窄带放大器，它是以各种选频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波功能。对高频小信号放大器的基本要求是： 增益要高，即放大倍数要大。 频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用Q值来表示，其频率特性曲线如图-1所示,带宽BW=f2-f1= 2f0.7，品质因数Q=fo/2f0.7. 3 电路的基本原理及电路的设计 3.1 电路基本原理 图3-1所示电路为共发射

6、极接法的晶体管小信号调谐回路谐振放大器。它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数会影响放大器的输出信号的频率或相位。晶体管的静态工作点由电阻RB1和RB2以及RE决定，其计算方法与低频单管放大器相同。 图3-1 放大器在谐振时的等效电路如图3-1-2所示，晶体管的4个y参数分别如下：输入导纳： 3.1输出导纳： 3.2正向传输导纳： 3.3反向传输导纳： 3.4式中，为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为： 3.5 为发射结电导，与晶体管的电流放大系数及有关，其中的关系为下所示： 3.6 为

7、基极体电阻，一般为几十欧姆；为集电极电容，一般为几皮法；为发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。 图3-2晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作点的电流 ，电流放大系数有关外，还与工作角频率w有关。晶体管手册中给出了的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得的。图3-2所示的等效电路中，p1为晶体管的集电极接入系数，即 3.7式中，N2为电感L线圈的总匝数；p2为输出变压器Tr0的副边与原边匝数比，即3.8式中，N3为副边总匝数。 为谐振放大器输出负载的电导，。通常小信号谐振放大器的下一级仍为晶体管谐振放大器，则将是下一级晶体管的输入电导。由图3-1-2可见，并联谐振回路的总电导的表达式为

8、3.9式中，为LC回路本身的损耗电导。3.2 主要性能指标及测量方法 表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率，谐振电压放大系数Avo，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1），采用3-3所示电路可以粗略测各项指标。 图3-3输入信号由高频小信号发生器提供，高频电压表，分别用于测量输入信号与输出信号的值。直流毫安表mA用于测量放大器的集电极电流的值，示波器监测负载两端输出波形。谐振放大器的性能指标及测量方法如下。3.2.1 谐振频率放大器的谐振回路谐振时所对应的频率称为谐振频率。的表达式为：3.10式中，L为谐振放大器电路的电感线圈的电感量；为谐路的总电容，的表达式为：

9、3.11式中，为晶体管的输出电容；为晶体管的输入电容。谐振频率的测试步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变电容C或电感L使回路谐振。LC并联谐振时，直流毫安表mA的指示为最小（当放大器工作在丙类状态时），电压表指示值达到最大，且输出波形无明显失真。这时回路谐振频率就等于信号发生器的输出频率。3.2.2 电压增益 放大器的谐振回路所对应的电压放大倍数Avo称为谐振放大器的电压增益.Avo的表达式为： 3.12的测量电路如图3-2-1所示，测量条件是放大器的谐振回路处于谐振状态。计算公式如下：3.133.2.3 通频带 由于谐振回路的选频作用，当工作频

10、率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数Av下降到谐振电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率范围称为放大器的通频带BW，其表达式为：3.14式中，为谐振放大器的有载品质因素。分析表明，放大器的谐振电压放大倍数与通频带BW的关系为：3.15上式说明，当晶体管确定，且回路总电容为定值时，谐振电压放大倍数与通频带BW的乘积为一常数。 通频带的测量电路如图3-2-1所示。可通过测量放大器的频率特性曲线来求通频带。采用逐点法的测量步骤是：先使调谐放大器的谐振回路产生谐振，记下此时的与，然后改变高频信号发生器的频率（保持Vs不变），并测出对应的电压放大倍数Av，由于回路失谐后电压

11、放大倍数下降，所以放大器的频率特性曲线如图3-4所示： 图3-4由BW得表达式可知： 3.16通频带越宽的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频带，同时又能提高放大器的电压增益，由式可知，除了选用较大的晶体管外，还应尽量减少调谐回路的总电容量。3.2.4 矩形系数 谐振放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kr0.1来表示，如图3-2-2所示，矩形系数Kr0.1为电压放大倍数下降到0.1Avo时对应的频率范围与电压放大倍数下降到0.707 时对应的频率偏移之比，即3.17上式表明，矩形系数Kr0.1越接近1，临近波道的选择性越好，滤除干扰信号的能力越强。可以通过测量图3-2-2所示的谐振放大器

12、的频率特性曲线来求得矩形波系数Kr0.1。 3.3 电路的设计与参数计算3.3.1 电路的确定 电路形式如图3-5所示。 图 3-53.3.2 参数计算 已知参数要求与晶体管9013参数。(1) 设置静态工作点 取 =1.5mA, =1.5V, =7.5V, 则 3.18 , 取标称值18K 3.19 可用30k电阻和100k电位器串联,以便调整静态工作点。 (2) 计算谐振回路参数 3.20 3.21 下面计算4个y参数， 因为, 所以 ， 3.22 因为，所以 ， 3.23 故模 回路总电容为 3.24 再计算回路电容 ，取标称值25pF输出耦合变压器Tr0的原边抽头匝数N1及副边匝数N3

13、,即 匝，匝 4 电路的仿真与调试4.1电路的仿真利用MULTISIM绘制出如图4-1所示的仿真实验电路 图4-1 仿真电路按图设置各元件的参数，打开仿真开关，从示波器上两个通道观察输出波形以及与输入信号的关系。如4-2图所示。 4-2 输出波形 在无信号输入，仅有直流激励的情况下用电流表测量三极管发射极极电流，测得约为1mA。 接入信号发生器，观察示波器输入输出波形，利用仪器测得各项指标如下所示：f0=19.902MHz4.1vo43dB35dB4.2仿真数据分析：在误差所允许的范围里面，仿真测量所得到的数据与理论值相比较得出的结果是几乎相等。4.2 电路元件参数设定及调试 参考所附电路原理

14、图5。先调静态工作点，由于设计要求中心频率，通频带， 矩形系数，电压增益，且电压增益不是很大，选用晶体管在性能上可以满足需要。晶体管选定后，根据高频小信号谐振放大器应工作于线性区，且在满足电压增益要求的前提下，IEQ应尽量小些以减小静态功率损耗。值得注意的是，IEQ变化会引起Y参数的变化。这里采用IEQ等于1mA进行计算，看是否能满足增益的需要，否则将进行调整。然后再调谐振回路。4.2.1 连接测试 按照所附电原理图5，将器件用连接器连好，按下开关J2，接通12V 电源，此时LED1 点亮。4.2.2 调整晶体管的静态工作点：在不加输入信号（即ui=0），将测试点接地，用万用表直流电压档（20

15、V档）测量电阻RA4 的电压，调整可调电阻WA1，使uEQ=2.25V（IE=1.5mA），记下此时的uBQ，uCEQ，uEQ及IEQ值。4.2.3 调谐放大器的谐振回路使它谐振在6.5MHz 方法是用BT-3 频率特性测试仪的扫频电压输出端和检波探头，分别接电路的信号输入端TTA1 及测试端TTA2，通过调节y 轴，放大器的“增益”旋纽和“输出衰减”旋纽于合适位置，调节中心频率度盘，使荧光屏上显示出放大器的“幅频谐振特性曲线”，根据频标指示用绝缘起子慢慢旋动变压器的磁芯，使中心频率f0=6.5MHz 所对应的幅值最大。如果没有频率特性测试仪，也可用示波器来观察调谐过程，方法是：在TTA1 处

16、用高频信号发生器注入频率为6.5MHz，大小为25mV 的信号，用示波器探头在TTA2 处测试（在示波器上看到的是正弦波），调节变压器磁芯使示波器波形最大（即调好后，磁芯不论往上或往下，波形幅度都减小）。4.2.4 测量电压增益AV0 用频率特性测试仪测AV0。在测量前，先要对测试仪的y 轴放大器进行校正，即零分贝校正，调节“输出衰减”和“y 轴增益“旋纽，使屏幕上显示的方框占有一定的高度，记下此时的高度和此时“输出衰减”的读数N1dB，然后接入被测放大器，在保持y 轴增益不变的前提下，改变扫频信号的“输出衰减”旋纽，使谐振曲线清晰可见。记下此时的“输出衰减”的值N2dB，则电压增益为AV0

17、=（N2-N1）dB或者在TTA1 处用高频信号发生器注入频率为6.5MHz，大小为25mV 的信号,使调谐回路处于谐振状态，用高频毫伏表测量RL(RAS) 两端的电压uo, 并利用式来计算AV0.若用示波器测，则为输出信号的大小比输入信号的大小之比。如果AV0 较小，可以通过调静态工作点来解决（即IE 增大）。4.2.5 测量通频带BW 用扫频仪测量BW先调节“频率偏移”（扫频宽度）旋纽，使相邻两个频标在横轴上占有适当的格数，然后接入被测放大器，调节“输出衰减”和y 轴增益，使谐振特性曲线在纵轴占有一定高度，测出其曲线下降3dB 处两对称点在横轴上占有的宽度，根据内频标就可以近似算出放大器的

18、通频带BW=B0.7=100kHz （宽度）或者利用描点法来测量。4.2.6 测量放大器的选择性放大器选择性的优劣可用放大器谐振曲线的矩形系数Kr0.1 表示。用(5)中同样的方法测出B0.1 即可由于处于高频区，分布参数的影响存在，放大器的各项技术指标满足设计要求后的文件参数值与设计计算值有一定的偏差，所以在调试时要反复仔细调整才能使谐振回路处于谐振状态。在测试要保证接地良好。4.2.7调谐放大器的稳定性主要是晶体管内反馈的影响。在高频调谐放大器中，由于晶体体管集电结电容Cbc的内部反馈，形成了放大器的输出电路与输入电路之间的相互影响。它使高频调谐放大器存在工作不稳定的问题，主要表现在以下两

19、种现象：首先，当高频调谐放大器装配完毕后，进行输出回路（集电极负载回路）和输入回路（基极信号源一端的前级回路）调整时，由于Cbc的内部反馈作用，放大器的输入阻抗和输出阻抗相互影响，使得高频调谐放大器的调谐和阻抗匹配需要反复进行，使得高频调谐放大器的调整变的十分麻烦。其次，放大后的输出信号通过内部反馈，把一部分信号电压反馈到输入端。反馈电压反馈到输入端又放大，放大后再反馈，如此循环不已，在一定条件下，放大器也能在某些频率上自激振荡，使得放大器的功能完全破坏，而丧失了放大器的作用。此外，晶体管的内部反馈随频率而不同，在某些频率上是正反馈，在某些频率上是负反馈，正、负反馈的强弱也随频率而异，使得高频

20、调谐放大器的输出电压或增益随频率变化的特性将受到影响。提高放大器稳定性的方法。放大器的不稳定主要是由晶体体管集电结电容Cbc引起的，在设计、制作高频晶体管时使Cbc尽量小；在选用高频晶体管时，应尽量选用Cbc值小的器件。此外，也可在电路上采取措施，以消除三极管内部的反馈作用，常用的方法是失配法和中和法。4.3 电路的安装与测试 将上述设计的元器件参数值按照图2-1所示电路进行安装。先调整放大器的静态工作点，然后再调谐振回路使其谐振。 调整静态工作点的方法是，不加输入信号（Vi=0），将C1的左端接地，将谐振回路的电容C开路，这时用万用表测量电阻Re两端的电压，调整电阻Rb1使Veq=1.5V(

21、Ie=1mA)。记下此时电路的Rb1值及静态工作点Vbq、Vceq、Veq、及Ieq。 调谐振回路使其谐振的方法是，按照图5-1所示的测试电路接入高频电压表V1、V2，直流毫安表mA及示波器。再将信号发生器的输出频率置于fi=10MHZ，输出电压Vi=5mV。为避免谐振回路失谐引起的高反向电压损坏晶体管，可先将电源电压+Vcc降低，如使+Vcc=+6V。调输出耦合变压器的磁芯使回路谐振，即电压表V2的指示值达到最大，毫安表mA为最小且输出波形无明显失真。回路处于谐振状态后，再将电源电压恢复至+12V。 实验数据： f0=20.1MHzvo44dB 数据分析： 在误差允许范围内，中心频率的理论值

22、与实际值一致，在放大器处于谐振状态下，电压放大倍数Avo放大倍数与理论值有一定的差距，导致误差的原因有如下几点： 实物的实际值与理论值有一定的差距。如电阻电容的理论值与标称值不一致，并且电阻电容的标称值也有一定的误差。 由于分布参数的影响，晶体管手册中给出的分布参数一般都是在测试条件一定的情况下测得的。且分布参数还与静态工作电流及电流放大系数有关。放大器的各项技术指标满足设计要求后的元器件参数值与设计计算值有一定的偏离。 性能指标参数的测量方法存在一定的误差。如在调谐过程中，我们通过直接观察波形的输出值的大小来确定电路是否调谐。这样调谐频率的测量值存在误差的同时，放大倍数的测量值也会产生误差。

23、 实验仪器设备的老化等也会导致电路调试过程中出现一定的误差。设计的过程中调试与焊接出现的一下不可避免的失误也使得测量值出现误差。5 心得与体会 本次课程设计的完成，收获颇多，首先，巩固和加深了对电子线路基本知识的理解，提高了综合运用所学知识的能力。其次，通过与实际电路方案的分析比较，设计计算，元件选取，安装调试等环节，让我们学会初步掌握了简单实用电路的分析方法和工程设计方法。最重要的是增强了动手能力和根据自己所学需要查阅资料的能力，以及自己分析和解决问题的能力。从电路的设计到文档的处理以及电路板的制作，我们小组成员们紧密合作让我感受到了团结的力量。总而言之，课程设计在我们努力下基本达到了预期目

24、的，所制的产品在功能上基本达到了设计要求，而且在工艺上也已经尽可能的做到了经济，美观。在制作中遇到的一些问题，虽然尽大家的能力解决了一些，但还是存在一些缺陷，望老师谅解。同时，本次设计的完成也让我体会到了一种成就感，让我对学习有了更强的积极性。参考文献1谢自美. 电子线路设计. 武汉：华中科技大学，2006.2022The 1 Xie of. Electronic circuit design ( M ). Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2006.20222沈伟慈.高频电路.西安：西安电子科技大学出版社，2000.1

25、214 Shen Weici high frequency circuit ( M ). Xian: Xian Electronic and Science University press, 2000.12143张义芳. 高频电子线路M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.1517 Zhang Yifang high frequency electronic circuit M. Harbin: Harbin Institute of Technology press, 1998.15174高吉祥，易凡，丁文霞，陆珉，刘安芝.电子技术基础实验与课程设计M.北京：电子工业出版社，2002.

26、2224 high auspicious, Yifan, Ding Wenxia, Lu Min, Liu Anzhi. Experiment on basis of electronic technology curriculum design M. Beijing: Electronic Industry Press, 2002.22245郭维芹. 模拟电子线路实验M.上海： 同济大学出版社，1985. 2426 Guo Weiqin analog electronic circuit experiment M. Shanghai: Tongji University press, 198

27、5, 24266宋树祥，周冬梅. 高频电子线路M.北京： 北京大学出版社，2007.2729 Song Shuxiang, Zhou Dongmei high frequency electronic circuit M. Beijing: Peking University Press, 2007.2729 致 谢本次课程设计，能够顺利的完成，多亏老师和同学的指导和帮助。放大器的设计及制作在所有课题里是相对简单的，但实际做起来并没有我们想的那么容易。从原理图与参数的设计到面包板的制作。我们遇到了很大的困难，特别是在参数设置时，相对低频放大，高频放大的参数设置要复杂的多，在使用MULTISIM

28、进行仿真时，我们遇到了许多的问题，经过我们组的成员共同努力，和同学们的交流和耐心的指导，我们才顺利完成任务，在此我我们向他表示我们衷心的感谢。课程设计的完成，还要感谢实验室老师的耐心指导以及老师给我们提供的各种参考文献，在老师的严格要求下，这次的实际操作让我学到了很多从书本上学不到却终身受益的知识，良好的学习习惯，端正的学习态度。这为我以后的学习和工作打下了良好的基础，更好的去面对社会，适应社会。在此特别感谢俞斌老师这个学期来对我们的的耐心教学及环环引导让我们对高频电子线路设计的学习变得生动有趣！对我们以后的发展有很大的帮助，谢谢！ 附 录元件清单 Part TypeDesignatorNumble1K电阻12K电阻118k电阻150k电阻25pF电容1100nF电容220pF电容12uH电感12N2222NPN1 仿真图 PCB图实物图23