频小信号谐振放大器课程设计 .doc

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1、 高频小信号谐振放大器摘 要：掌握高频小信号谐振放大器的工程设计方法，谐振回路的调谐方法，放大器的各项技术指标的测试方法及高频情况下的各种分布参数对电路性能的影响。表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标由谐振频率fo,谐振电压放大倍数Avo，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1）。关键词：1.谐振频率 放大器的谐振回路谐振时所对应的频率f0称为谐振频率。2.电压增益 放大器的谐振回路谐振时所对应的电压放大倍数Av0称为谐振放大器的电压增益（放大倍数）。3.通频带 由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，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

2、大倍数Avo的0.707倍时所对应的频率范围称为放大器的通频带BW。4矩形系数 谐振放大器的选择性可由谐振曲线的矩形系数Kr0.1来表示矩形系数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0.707Avo时对应的频率偏离之比。 目 录第1章 概述5第2章 电路的工作原理6第3章 电路设计方案7第4章 重要电路分析及功能 10第5章 主要性能指标及测量方法 5.1 电压增益 14 5.2 谐振曲线 15 5.3 放大器的通频带 17 5.4 放大器的矩形系数 18第6章 电路参数的设计 6.1 设置静态工作点 19 6.2 计算谐振回路参数 19 6.3 确定输

3、入耦合回路及高频滤波 20第7章 调试与仿真 7.1 电路的装调与测试 21 7.2 电路仿真 22第8章 心得体会 23第9章 元件清单 24第10章 参考文献 25第11章 附件 26 第1章 概 述 高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，常作为选频放大器，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，所谓“小信号”，一是信号幅度足够小，使得所有有源器件（晶体三极管，场效应管或IC）都可采用二端口Y参数或线性等效电路来模型化；二是放大器的输出信号与输入信号成线性比例关系。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

4、同的。高频小信号放大器的分类：按放大器件分为：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;高频小信号谐振放大电路除具有放大功能外，还具有选频功能，即具有从众多信号中选择出有用信号、滤除无用的干扰信号的能力。从这个意义上讲，高频小信号谐振放大电路又可视为集放大、选频于一体，由有源放大元件和无源选频网络所组成的高频电子电路。主要用途是做接收机的高频放大器和中频放大器。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

5、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匹配也很难实现。本课程设计以理论分析为依据，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；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。 第2章 电路的基本原理 图2-1所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号单级单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等会影响放大器输出信号的频率或相位。晶体管的

6、静态工作点由电阻、及决定，其计算方法与低频单管放大器相同。 图2-1 高频小信号谐振放大器第3章 电路设计方案高频小信号调谐放大器简述： 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：（1）增益要高，即放大倍数要大。（2）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. 图3-1 谐振放大器的频率特性曲线（3）工

7、作稳定可靠，即要求放大器的性能尽可能地不受温度、电源电压等外界因素变化的影响，内部噪声要小，特别是不产生自激，加入负反馈可以改善放大器的性能。 图3-2 反馈导纳对 （4）前后级之间的阻抗匹配，即把各级联接起来之后仍有较大的增益，同时，各级之间不能产生明显的相互干扰。 根据上面各个具体环节的考虑设计出如图3-3所示的总体电路图及改进后的电路图如图3-4所示: 图3-3 接收机天线端及高频小信号放大器 图3-4 改进后的高频小信号调谐放大器23 第4章 重要电路分析及功能高频小信号调谐放大器与低频放大器的电路基本相同（如图2-1所示）。其中变压器T2的初级线圈为接收机前端选频网络的一部分，经次级

8、线圈耦合后作为放大器的输入信号，输出端也采用变压器耦合方式来实现选频和输出阻抗匹配。 如图-1所示，Cb与Ce为高频旁路电容，使交流为通路。本放大器的高频等效电路（不含天线下断的选频网络）如图4-1所示: 图4-1 调谐放大器的高频等效电路 电路中并联振荡回路两端间的阻抗为其中R是和电感串联的电阻，由于LR因此有：则并联回路两端电压为： 所以，当C=1/L时Vm有最大值，即回路谐振时输出电压最大。 实际制作中对基本电路的改进： 由于高频电路放大电路常常会自激振荡，也容易受各种因素的干扰，并且各级间很难实现阻抗匹配，所以要对基本电路进行适当的改进。 放大器内部电路的改进及理论依据： 如图4-2所

9、示,增加Re1形成交流负反馈，用以改变放大倍数和改善输出波形，由于电源内阻容易影响高频电路的工作，所以电源下端要接LC型网络作为电源去偶电路，以减少干扰，提高放大器的性能。另外还要特别注意的是，高频电路很容易产生自激振荡，所以需要想办法消除，最常用的办法是在LC谐振回路中串联一小电阻或并联一大电阻，从而减小回路的Q值，消除自激振荡。 图4-2外加射极跟随的高频放大器实际制作过程及谐振频率的快速确定： 高频放大器制作中最关键也是最难的就是选取恰当的电感和电容值，使电路谐振。谐振时有C=1/L，通过计算可以确定LC的值，但实际电路与理论计算往往相差很大，甚至能相差十几倍到几十倍，这就需要一定的操作

10、技巧。以33MHz放大器为例，经计算得电感为4.7uH时选用525pF的可调电容完全可以达到谐振频率，但接好电路后很少能够调到30MHz。多次实验表明，实际振荡频率一般小于计算的频率，这就要用其它办法来确定放大器的谐振频率。一个比较好的办法就是借助LC振荡电路来实现谐振。 如图4-3所示，此电路为共基组态的“考毕兹”振荡器，原理不再赘述，下面说明如何利用本电路:可调电容Cx选用和放大器电路中同一规格的，电感Lx是放大器中变压器接入谐振回路的电感值，由于本电路仅由Lx和Cx决定，但在实际电路中电容对电路的振荡频率的影响远远 没有电感明显，因而先选定电容（520pF可调），则频率为33MHz时，电

11、感需要4uH左右。用一外径较大的磁芯（其中磁芯的Q值一定要高，否则高频损耗太大，放大器就不能放大），然后用漆包线手工绕制电感（若要大批量生产，可把绕好的做样品），绕适当的圈数后再用高频Q表测量其电感值大小，不断改变其圈数，使Lx基本达到要求（4uH左右），然后把绕制好的电感作为Lx接入图4-2所示的电路中，再用示波器测量此电路的震荡频率，调节Cx,看振荡频率是否为33MHz,若不是，则相应的减少或增加变压器（即接入的电感）的圈数，直到其频率为所要求的为止，最后再按照要求的比例（常用3：1）来绕变压器的次级线圈。图4-3 共基组态的“考毕兹”振荡器 第5章 主要性能指标及测量方法5.1.电压增益

12、 根据定义，由上图得从等效关系可知则放大器谐振时，对应的谐振频率为则通常，在电路计算时，电压增益用其模表示，即可表示为5.2. 谐振曲线放大器的谐振曲线是表示放大器的相对电压增益与输入信号频率的关系。由上式可得对谐振放大器来讲，通常讨论的 f 与 f 0 相差不大，可认为 f 在 f 0 附近变化，则式中， ， 称为一般失谐。令 ， 称为广义失谐。代入上式得取模得下图是谐振特性的两中表示形式： 图5-1放大器的谐振特性5.3.放大器的通频带通频带的定义是时所对应的 为放大器的通频带。根据定义得则 5.4.放大器的矩形系数矩形系数的定义是 其中， 是 时所对应的频带宽度，即故根据矩形系数的定义得

13、 第6章 电路参数的计算6.1 设置静态工作点 取 =3.8mA, =1.5V, =7.5V, 则 , 取标称值18K 可用50k电阻和100k电位器串联,以便调整静态工作点。6.2 计算谐振回路参数 下面计算4个y参数， 因为, 所以 ， 因为，所以 ， 故模 回路总电容为 再计算回路电容 ，取标称值51pF输出耦合变压器Tr0的原边抽头匝数N1及副边匝数N3,即 匝，匝6.3 确定输入耦合回路及高频滤波电容 高频小信号谐振放大器的输入耦合回路通常是 指变压器耦合的谐振回路，如图2-1所示。由于输入变压器Tri原边谐振回路与放大器谐振回路的谐振频率相等，也可以直接采用电容耦合，如图3-3所示

14、。高频耦合电容一般选择瓷片电容第7章 调试与仿真7.1 电路的装调与测试 将上述设计的元器件参数值按照图所示电路进行安2-1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(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7-1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=5m

15、V。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。 在放大器处于谐振状态下测量各项的技术指标，如电压放大倍数Avo、通频带BW及矩形系数Kr0.1，其测量方法如前所述。若这些指标的测量值与设计要求值相差较远，则应根据它们的表达式进行分析。如果电压放大倍数Avo较小，则可以通过调整静态工作点Q或接入系数P1、使Avo增大或更换较大的晶体管。 由于分布参数的影响，放大器的各项技术指标满足设计要求后的元

16、器件参数值与设计计算值有一定的偏离，需要反复调整输出耦合变压器的磁芯位置才能使谐振回路处于谐振状态。采用图所示的测量方法判断回路的谐振状态不太准确，易产生测量误差，较好的方法是采用扫频测量仪测量回路的谐振曲线。 由于工作频率较高，高频小信号放大器容易受到外界各种信号的干扰，特别是射频干扰。通常采取的措施是把放大器装入金属屏蔽盒内（屏蔽盒与地线应接触良好）。7.2电路仿真1 、利用EWB绘制出如图所示的仿真实验电路 图7-1 仿真电路 2 、 按图设置各元件的参数，打开仿真开关，从示波器上观察检波器输出波形以及与输入信号的关系。如6-2图所示。图7-2波形图 第8章 心得体会 通过这次高频课程设

17、计小信号谐振放大电路,更加熟悉了解了小信号谐振的工作原理, 掌握了谐振电路主要性能指标的测量方法和主要参数的调整方法等。更进一步的掌握用PROTEL绘制原理图和PCB图，在绘图过程中，注意元器件的摆放，尽量做到布线美观，节约材料，在制作实物时，掌握了腐蚀和焊接的技巧，锻炼了自己的工程意识,动手能力,分析解决实际问题的能力,以及设计能力和创新的精神,提高了自己的综合素质.同时,熟练掌握了常用电工工具,常用电工电子测试仪器,仪表的使用方法.真心感谢张松华老师的指导,感谢老师给我们这次实践的机会,希望这样的实践活动以后能多点,进一步提高自己的动手能力，更好的理解理论知识.总而言之，通过这次的实际操作

18、让我学到了很多是从书本上所学不到的，这将对我终身有益！在此衷心得感谢张松华老师的指导。 第9章 元件清单 元件名称 元件大小 元件数量 电阻 200K 一个 电阻 60K 一个 电阻 2k 一个 电阻 1k 一个 电容 10nF 一个 电容 1uF 一个 电容 33nF 一个瓷片电容 48pF 一个 电感线圈 一个 第10章 参考文献 1 谢自美.电子线路设计实验测试（第三版）.华中科技大学出版社.2006。2 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，北京：电子工业出版社，2002。3 郭维芹. 模拟电子线路实验. 同济大学出版社，1985. 4 宋树祥，周冬梅. 高频电子线路. 北京大学出版社，2007. 5张义芳，冯建化。高频电子线路.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.6沈伟慈.高频电路.西安：西安电子科技大学出版社，2000