《高頻電路原理與分析》課程報(bào)告高頻小信號(hào)發(fā)生器

1、高頻電路原理與分析課程報(bào)告設(shè)計(jì)名稱： 高頻小信號(hào)發(fā)生器 學(xué) 院： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 班 級(jí)： 通 信 07-2班 學(xué) 號(hào)： 8 姓 名： 教 師： 2010 年 9 月 16 日目錄目錄i一、選題意義- 1 -二、設(shè)計(jì)要求- 1 -三、總體方案設(shè)計(jì)- 2 -3.1 高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器簡(jiǎn)述：- 2 -3.2 高頻小信號(hào)諧振放大器工作原理- 3 -四、各部分設(shè)計(jì)及原理分析- 4 -4.1 放大器的性能分析- 4 -4.2 諧振回路的性能分析- 6 -五、調(diào)諧放大器的性能參數(shù)- 6 -六、參考電路及參數(shù)選擇- 10 -七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論- 12 -八心得體會(huì)- 12 -九、參考文獻(xiàn)- 13 -

2、附：高頻小信號(hào)放大器完整電路圖- 14 -一、選題意義高頻小信號(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)放大器的功能是放大各種無(wú)線設(shè)備中的高頻小信號(hào)，從信號(hào)所含頻譜來(lái)看，輸入信號(hào)頻譜與放大后輸出信號(hào)的頻譜是相同的，這里說(shuō)的小信號(hào)是強(qiáng)調(diào)輸入信號(hào)的電平較低，放大器工作在它的線性范圍。高頻小信號(hào)放大器的分類：1.按元器件分為：晶體管放大器、場(chǎng)效應(yīng)管放大器、集成電路放大器;2.按頻帶分為：窄帶放大器、寬帶放大器;3.按電路形式分為：?jiǎn)渭?jí)放大器、多級(jí)放大器;4.按負(fù)載性質(zhì)分為：諧振放大器、非諧振放大器;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(wú)線電系統(tǒng)

3、中，特別是在發(fā)射機(jī)的接收端，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(jiǎn)單，但實(shí)際制作卻非常困難。其中最容易出現(xiàn)的問(wèn)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(lái)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。 二、設(shè)計(jì)要求主要技術(shù)指標(biāo)：諧振頻率，諧振電壓放大倍數(shù)，通頻帶寬為1mhz，矩形系數(shù)小于10。1、對(duì)設(shè)計(jì)的電路方案各部分電路進(jìn)行分析；2、根據(jù)性能指標(biāo)計(jì)算電路元件參數(shù)，選取合適的電路元件；3、畫(huà)出完整電路圖；三、總體方案設(shè)計(jì)3.1 高頻小信

4、號(hào)調(diào)諧放大器簡(jiǎn)述： 高頻小信號(hào)放大器的功用就是無(wú)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：（1）增益要高，即放大倍數(shù)要大。例如，用于個(gè)匯總發(fā)接收機(jī)中的中頻放大器，其電壓放大倍數(shù)可達(dá)，及電壓增益為80100db，靠多級(jí)放大器才能實(shí)現(xiàn)。（2）頻率選擇性要好，即選擇所需信號(hào)和抑制無(wú)用信號(hào)的能力要強(qiáng)，通常用q值來(lái)表示，其頻率特性曲線如圖-1所示,帶寬bw=f2-f1= 2f0.7，品質(zhì)因數(shù)q=fo/2f0.7. 圖3.1 頻率特性曲線（3）工作穩(wěn)定可靠，這要求放大

5、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。 圖3.2 反饋導(dǎo)納對(duì)放大器諧振曲線的影響 （4）前后級(jí)之間的阻抗匹配，即把各級(jí)聯(lián)接起來(lái)之后仍有較大的增益，同時(shí)，各級(jí)之間不能產(chǎn)生明顯的相互干擾。 3.2 高頻小信號(hào)諧振放大器工作原理圖2.3是一個(gè)典型的高頻小信號(hào)諧振放大器的實(shí)際電路，由圖可知，直流偏執(zhí)電路與低頻放大電路完全相同，只是電容、對(duì)高頻旁路，他們的電容值比低頻中小的多。還有圖中采用抽頭諧振回路作為放大器負(fù)載，對(duì)信號(hào)頻率諧振，即，完成阻抗匹配和選頻濾波的功能。由于輸入的是高頻小信號(hào)，放大器工作在a（甲）類狀態(tài)。 圖3

6、.3 晶體管高頻小信號(hào)放大器四、各部分設(shè)計(jì)及原理分析4.1 放大器的性能分析高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器與低頻放大器的電路基本相同（如圖3.4所示）。其中變壓器t2的初級(jí)線圈為接收機(jī)前端選頻網(wǎng)絡(luò)的一部分，經(jīng)次級(jí)線圈耦合后作為放大器的輸入信號(hào)，輸出端也采用變壓器耦合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻和輸出阻抗匹配。放大器在高頻情況下的等效電路如圖3.4所示，晶體管的4個(gè)y參數(shù)，及分別為輸入導(dǎo)納 （1-1）輸出導(dǎo)納 （1-2）正向傳輸導(dǎo)納 （1-3）反向傳輸導(dǎo)納 （1-4）圖3.4 放大器的高頻等效回路式中，晶體管的跨導(dǎo)，與發(fā)射極電流的關(guān)系為 （1-5）發(fā)射結(jié)電導(dǎo)，與晶體管的電流放大系數(shù)及ie有關(guān)，其關(guān)系為 （1-6） 基極

7、體電阻，一般為幾十歐姆；集電極電容，一般為幾皮法；發(fā)射結(jié)電容，一般為幾十皮法至幾百皮法。由此可見(jiàn)，晶體管在高頻情況下的分布參數(shù)除了與靜態(tài)工作電流，電流放大系數(shù)有關(guān)外，還與工作頻率有關(guān)。晶體管手冊(cè)中給出的分布參數(shù)一般是在測(cè)試條件一定的情況下測(cè)得的。如在30mhz，=2ma，=8v條件下測(cè)得3dg6c的y參數(shù)為： 如果工作條件發(fā)生變化，上述參數(shù)則有所變動(dòng)。因此，高頻電路的設(shè)計(jì)計(jì)算一般采用工程估算的方法。4.2 諧振回路的性能分析圖3.5 諧振回路圖3.4中所示的等效電路中，為晶體管的集電極接入系數(shù)，與如上圖3.5所示： （1-7）式中，為電感l(wèi)線圈的總匝數(shù)。為輸出變壓器t的副邊與原邊的匝數(shù)比，即

8、（1-8）式中，為副邊（次級(jí)）的總匝數(shù)。為調(diào)諧放大器輸出負(fù)載的電導(dǎo)，。通常小信號(hào)調(diào)諧放大器的下一級(jí)仍為晶體管調(diào)諧放大器，則將是下一級(jí)晶體管的輸入導(dǎo)納。由圖1-2可見(jiàn)，并聯(lián)諧振回路的總電導(dǎo)的表達(dá)式為 （1-9） 式中，g為lc回路本身的損耗電導(dǎo)。諧振時(shí)l和c的并聯(lián)回路呈純阻，其阻值等于1/g，并聯(lián)諧振電抗為無(wú)限大，則jwc與1/（jwl）的影響可以忽略。五、調(diào)諧放大器的性能參數(shù)表征高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的主要性能指標(biāo)有諧振頻率，諧振電壓放大倍數(shù)，放大器的通頻帶bw及選擇性（通常用矩形系數(shù)來(lái)表示）等。放大器各項(xiàng)性能指標(biāo)及測(cè)量方法如下：（1）諧振頻率放大器的調(diào)諧回路諧振時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為放大器的諧振頻

9、率，對(duì)于圖1-1所示電路（也是以下各項(xiàng)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)電路），的表達(dá)式為 （1-10）式中，l為調(diào)諧回路電感線圈的電感量；為調(diào)諧回路的總電容，的表達(dá)式為 （1-11） 式中， coe為晶體管的輸出電容；cie為晶體管的輸入電容。諧振頻率的測(cè)量方法是：用掃頻儀作為測(cè)量?jī)x器，用掃頻儀測(cè)出電路的幅頻特性曲線，調(diào)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(diǎn)。（2）電壓放大倍數(shù)放大器的諧振回路諧振時(shí)，所對(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)稱為調(diào)諧放大器的電壓放大倍數(shù)。的表達(dá)式為 （1-12） 式中，為諧振回路諧振時(shí)的總電導(dǎo)。因?yàn)閘c并聯(lián)回路在諧振點(diǎn)時(shí)的l和c的并聯(lián)電抗為無(wú)限大，因此可以忽略其電導(dǎo)。但要注意的是本身

10、也是一個(gè)復(fù)數(shù)，所以諧振時(shí)輸出電壓u0與輸入電壓ui相位差為（180o+ ）。的測(cè)量方法是：在諧振回路已處于諧振狀態(tài)時(shí)，用高頻電壓表測(cè)量圖1-1中rl兩端的電壓u0及輸入信號(hào)ui的大小，則電壓放大倍數(shù)由下式計(jì)算： 或 db (1-13)（3）通頻帶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)下降到諧振電壓放大倍數(shù)的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率偏移稱為放大器的通頻帶bw，其表達(dá)式為 (1-14)式中，ql為諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)。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 (1-15)上式說(shuō)明，當(dāng)晶體管選定即yfe確定，且回路總電容c為

11、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)。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。通頻帶bw的測(cè)量方法：是通過(guò)測(cè)量放大器的諧振曲線來(lái)求通頻帶。測(cè)量方法可以是掃頻法，也可以是逐點(diǎn)法。逐點(diǎn)法的測(cè)量步驟是：先調(diào)諧放大器的諧振回路使其諧振，記下此時(shí)的諧振頻率及電壓放大倍數(shù)然后改變高頻信號(hào)發(fā)生器的頻率（保持其輸出電壓us不變），并測(cè)出對(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)。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5示。 0.7bw0.1 2f0.1圖5.1諧振曲線由式（1-14）可得 (1-16)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(shí)又能提高放大器的電壓增益

12、，由式（1-15）可知，除了選用較大的晶體管外，還應(yīng)盡量減小調(diào)諧回路的總電容量。如果放大器只用來(lái)放大來(lái)自接收天線的某一固定頻率的微弱信號(hào)，則可減小通頻帶，盡量提高放大器的增益。（4）選擇性矩形系數(shù)調(diào)諧放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)時(shí)來(lái)表示，如圖（1-3）所示的諧振曲線，矩形系數(shù)為電壓放大倍數(shù)下降到0.1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率偏移與電壓放大倍數(shù)下降到0.707時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率偏移之比，即 （1-17）上式表明，矩形系數(shù)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(jí)調(diào)諧放大器的選擇性較差（矩形系數(shù)遠(yuǎn)大于1），為提高放大器的選擇性，通常采用多級(jí)單調(diào)諧回路的諧振放大器。可以通過(guò)測(cè)量調(diào)諧放大器的

13、諧振曲線來(lái)求矩形系數(shù)。六、參考電路及參數(shù)選擇圖6.1調(diào)諧放大器（1）主要技術(shù)指標(biāo)：諧振頻率=10.7mhz，諧振電壓放大倍數(shù)2，通頻帶bw=1mhz，矩形系數(shù)10。因ft比工作頻率大（510）倍，所以選用3dg12c，選=50，工作電壓為12v，查手冊(cè)得=70, =3pf，當(dāng)=1.5ma時(shí)為25pf，取l1.8h，變壓器初級(jí)n2=23匝，次級(jí)為10匝。p1=0.43, p2=0（2）確定電路為單級(jí)調(diào)諧放大器，如上圖1-4。（3）確定電路參數(shù)。a、設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)由于放大器是工作在小信號(hào)放大狀態(tài)，放大器工作電流icq一般選取0.82ma為宜，現(xiàn)取=1.5ma，=2.25v，=9.75v。則 則=1

14、.5k取流過(guò)的電流為基極電流的7倍，則有： 取10 k則 則取=5.1k，選用47的可調(diào)電阻以便調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。b、計(jì)算諧振回路參數(shù) 由式（1-6）得 由式（1-5）得 由式（1-1）（1-4）得4個(gè)y參數(shù)由于則有 =1.373ms 因 則有 計(jì)算回路總電容，由（1-10）得由（1-11）得則有ca3=119pf，取標(biāo)稱值120pf c、確定耦合電容及高頻濾波電容高頻電路中的耦合電容及濾波電容一般選取體積較小的瓷片電容，現(xiàn)取耦合電容=0.01f，旁路電容=0.1f，濾波電容=0.1f七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論電容對(duì)電路的振蕩頻率的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有電感明顯，因而先選定電容（520pf可調(diào)），則頻率為33mh

15、z時(shí)，電感需要4uh左右。用一外徑較大的磁芯（其中磁芯的q值一定要高，否則高頻損耗太大，放大器就不能放大），然后用漆包線手工繞制電感（若要大批量生產(chǎn)，可把繞好的做樣品），繞適當(dāng)?shù)娜?shù)后再用高頻q表測(cè)量其電感值大小，不斷改變其圈數(shù)，使lx基本達(dá)到要求（4uh左右），然后把繞制好的電感作為lx接入圖-7所示的電路中，再用示波器測(cè)量此電路的震蕩頻率，調(diào)節(jié)cx,看振蕩頻率是否為33mhz,若不是，則相應(yīng)的減少或增加變壓器（即接入的電感）的圈數(shù)，直到其頻率為所要求的為止，最后再按照要求的比例（常用3：1）來(lái)繞變壓器的次級(jí)線圈。多次的實(shí)驗(yàn)表明，用本方法來(lái)確定變壓器初級(jí)線圈的圈數(shù)，既準(zhǔn)確又方便，一旦把變壓器

16、的圈數(shù)確定下來(lái)，整個(gè)高頻放大器就很好制作了，也可以把做好的變壓器作為樣品從而實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)制作。當(dāng)然，也有其它可行的方法來(lái)確定諧振回路的頻率，如：可以在放大器輸入端加一幅度恒定的信號(hào)，然后改變其頻率，用示波器觀察輸出信號(hào)在哪一頻率下最大，從而找到諧振頻率。這一方法思路簡(jiǎn)單，可行性也較強(qiáng)，但是，如果放大器的工作頻率過(guò)高，那么許多種類的高頻信號(hào)源就很難輸出恒定的正弦波，頻率升高時(shí)，信號(hào)源的輸出電壓幅度明顯的下降，甚至波形嚴(yán)重失真。在這種情況下，借助于lc振蕩器可以很容易的找到諧振頻率，從而確定變壓器初級(jí)線圈的電感量及圈數(shù)。 本文通過(guò)對(duì)實(shí)際電路的分析，結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)，并利用其它電路作為輔助，提出了一

17、種制作高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的有效方法，解決了在制作高頻放大器時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的自激振蕩、頻率難以確定以及電路中各級(jí)間阻抗不匹配問(wèn)題。八心得體會(huì)通過(guò)課程設(shè)計(jì)，每個(gè)人都把這樣一種事情當(dāng)成是自己的重要任務(wù)，并為之付出很大的努力，不斷的去思考自己所遇到的問(wèn)題，不斷的去改善自己。生活當(dāng)中，我們面對(duì)很多問(wèn)題的時(shí)候所采取的具體行動(dòng)也是不同的，但是我們面對(duì)問(wèn)題時(shí)候的態(tài)度是非常重要的，而不是一個(gè)人的能力到底有多強(qiáng)，態(tài)度決定一切，端正的態(tài)度和明確的目標(biāo)是我們解決問(wèn)題的關(guān)鍵，這最終決定結(jié)果成功與否.做課程設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)了無(wú)法解決的問(wèn)題，所以我也查閱了大量相關(guān)資料、書(shū)籍以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢相關(guān)資料，這也是獲取知識(shí)最重要的途徑之一，吸取前人的經(jīng)驗(yàn)也是解決問(wèn)題的很好途徑。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹(shù)立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)程中的探索的艱難和成功的喜悅。雖然這個(gè)項(xiàng)目還不是很完善，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西