晶體管中頻小信號(hào)選頻放大器設(shè)計(jì)(高頻電子線路課程設(shè)計(jì))

1、武漢理工大學(xué)高頻電子線路課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 電子1001班 指導(dǎo)教師： 韓屏 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：晶體管中頻小信號(hào)選頻放大器設(shè)計(jì)初始條件：具較扎實(shí)的電子電路的理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；對(duì)電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設(shè)計(jì)能力及基本調(diào)試能力；能夠正確使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測(cè)。要求完成的主要任務(wù)： 1.采用晶體管或集成電路完成一個(gè)調(diào)幅中頻小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)；2.放大器選頻頻率f0455KHz，最大增益200倍，矩形系數(shù)不大于5；3.負(fù)載電阻RL1K時(shí)，輸出電壓不小干0.5V，無明顯失真；4.完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告（應(yīng)包含

2、電路圖，清單、調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié)）。時(shí)間安排：12013年12月10日分班集中，布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求；課設(shè)答疑事項(xiàng)。22013年12月11日 至2013年12月26日完成資料查閱、設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫。3. 2013年12月27日提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘要IAbstractII一、緒論1二、中頻小信號(hào)放大器的工作原理2三、中頻選頻放大器的設(shè)計(jì)方案33.1 穩(wěn)定性分析33.2 提高放大器穩(wěn)定性的方法43.3中頻選頻放大53.4 信號(hào)負(fù)反饋6四、電

3、路仿真與分析74.1 multisim仿真軟件簡介74.2 中頻選頻放大部分仿真7五、實(shí)物制作及調(diào)試9六、個(gè)人體會(huì)12參考文獻(xiàn)13附錄I 元件清單14附錄II總電路圖152武漢理工大學(xué)高頻電子線路課程設(shè)計(jì)摘要本文對(duì)中頻小信號(hào)選頻放大器的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)解析，通過對(duì)放大器的性能分析，確定最佳制作方案。通過multisim的仿真分析，按照設(shè)計(jì)要求，來確定最佳參數(shù)，并利用其他相關(guān)電路來調(diào)試放大電路，解決了放大電路中自激振蕩問題和調(diào)諧準(zhǔn)確的問題。本次設(shè)計(jì)中，自己設(shè)計(jì)制作了中頻信號(hào)發(fā)生器，用來完成對(duì)選頻放大器的實(shí)物的測(cè)試。通過多次調(diào)整電路，掌握了準(zhǔn)確調(diào)諧的方法。 關(guān)鍵詞：中頻 選頻放大器 multis

4、im 調(diào)諧AbstractThis paper of intermediate frequency small signal frequency selective amplifier of working principle for a detailed analysis, through the performance analysis of the amplifier to determine the optimal production plan,. Through the simulation analysis, multisim according to the design re

5、quirements, to determine the optimal parameters, and use of the other relevant circuit to debug amplifying circuit, solved amplifying circuit of self-excited oscillation problem and tuned accurate problem. This design, design made intermediate frequency signal generator, used to finish on frequency

6、selective amplifier physical test. Through multiple regulating circuit, grasped accurately tuned method.Keywords: intermediate frequency selective amplifier multisim tuningII一、緒論中頻小信號(hào)放大器廣泛用于通信系統(tǒng)和其他電子系統(tǒng)的接受設(shè)備中。天線接受到的高頻信號(hào)是很微弱的，一般在微伏級(jí)，需將傳輸?shù)男盘?hào)恢復(fù)出來，需要將信號(hào)放大，這就需要用高頻小信號(hào)諧振放大器和中頻小信號(hào)選頻放大器來完成。中頻小信號(hào)選頻放大器就與高頻小信號(hào)諧振

7、放大器中功能一樣，只是工作在中頻，工作波段相對(duì)較低，一般為幾百千赫茲到幾兆赫茲。通信系統(tǒng)的信號(hào)接收原理框圖如下圖1所示。天線接收高頻放大混頻器功率放大解調(diào)器本地振蕩中頻放大與濾波圖1 通信系統(tǒng)信號(hào)接收原理框圖 混頻器是將高頻信號(hào)變?yōu)橹蓄l信號(hào)，這樣信號(hào)便于處理。中頻放大與濾波部分是決定信號(hào)雜波程度的關(guān)鍵。由混頻器出來的中頻信號(hào)，由于依然很微弱，需要進(jìn)行放大，另外，前級(jí)的干擾如果經(jīng)過放大，則對(duì)后級(jí)影響更大，故在放大前需要將干擾濾除，得到需要的放大信號(hào)。為此，中頻小信號(hào)放大器的制作關(guān)鍵有兩個(gè)：增益系數(shù)足夠高和頻率選擇性足夠好。這樣，信號(hào)才能經(jīng)過解調(diào)更好的恢復(fù)出來。二、中頻小信號(hào)放大器的工作原理由于通

8、信系統(tǒng)的接收設(shè)備所接收的無線電信號(hào)非常微弱，經(jīng)過混頻后，需要經(jīng)過放大才能將原始信號(hào)恢復(fù)。如圖1所示為一中頻放大器的典型電路。由圖2可知，直流偏置電路與低頻放大器電路完全相同，只是、對(duì)中頻起旁路作用。相對(duì)低頻來說，集電極采用LC網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載，起選頻作用，并且完成阻抗匹配的功能。由于輸入的是小信號(hào)，放大器工作于甲類放大狀態(tài)。圖3為其交流等效電路。 圖2 中頻小信號(hào)典型電路 圖3 交流等效電路為了便于分析，用Y型參數(shù)等效電路來等效晶體管，典型應(yīng)用電路進(jìn)一步等效如圖4所示。2圖4 晶體管等效電路Y參數(shù)不僅與靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓、電流值有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)，是頻率的復(fù)函數(shù)。當(dāng)放大器工作在窄帶時(shí)，Y參數(shù)變

9、化不大，可以將Y參數(shù)看作常數(shù)。我們討論的高頻小信號(hào)諧振放大器沒有特別說明時(shí)，都是工作在窄帶，晶體管可以用Y參數(shù)等效。 放大器的指標(biāo)參數(shù):(1) 電壓放大倍數(shù)K(2) 輸入導(dǎo)納(3) 輸出導(dǎo)納(4) 矩形系數(shù)三、中頻選頻放大器的設(shè)計(jì)方案3.1 穩(wěn)定性分析存在晶體管集基間電容的反饋，或反向傳輸導(dǎo)納的反饋，當(dāng)該反饋在某個(gè)頻率相位上滿足正反饋條件，且足夠大，則會(huì)在滿足條件的頻率上產(chǎn)生自激振蕩，致使放大器存在穩(wěn)定性的問題。3當(dāng)正反饋嚴(yán)重時(shí)，即Yir中的負(fù)電導(dǎo)使放大器輸入端的總電導(dǎo)為0或負(fù)值時(shí)，即使沒有外加信號(hào)，放大器輸出端也會(huì)有輸出信號(hào)，產(chǎn)生自激,圖5所示為反饋電路。圖5 反饋電路3.2 提高放大器穩(wěn)定

10、性的方法從晶體管本身著手：減小反向傳輸導(dǎo)納Yre，而Yre取決于集電結(jié)電容，選擇集電結(jié)電容小的管子，減弱反饋?zhàn)饔?。從電路結(jié)構(gòu)著手：設(shè)法消除晶體管的反向作用，使它單向化，具體方法有中和法和失配法。中和法：通過在晶體管的輸出端與輸入端之間引入一個(gè)附加的外部反饋電路（中和電路）來抵消晶體管內(nèi)部參數(shù)Yre的的反饋?zhàn)饔?。失配法：通過增大負(fù)載導(dǎo)納，進(jìn)而增大總回路導(dǎo)納，使輸出電路失配，圖6是利用中和電容Cn的中和電路。為了抵消Yre的反饋，從集電極回路取一反相的電壓，通過Cn反饋到輸入端。根據(jù)電橋平衡有則中和條件為 圖6 反饋電路中和電路中固定的中和電容Cn只能在某一個(gè)頻率點(diǎn)起到完全中和的作用，對(duì)其它頻率只

11、能有部分中和作用。另外，如果再考慮到分布參數(shù)的作用和溫度變化等因素的影響，則中和電路的效果是很有限的。43.3中頻選頻放大由于中頻小信號(hào)放大器制作關(guān)鍵在于高增益和頻率選擇性。課設(shè)要求200倍放大，一級(jí)放大一般無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槿龢O管的值一般為100到200之間。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的放大，一級(jí)信號(hào)通過三極管的放大倍數(shù)不宜過高，否則就不穩(wěn)定了。另外為增強(qiáng)信號(hào)的頻率選擇性，在系統(tǒng)的前置預(yù)濾波，以及對(duì)電源進(jìn)行濾波，最大限度減少干擾。另外，為了穩(wěn)定信號(hào)，采用閉環(huán)回路方案達(dá)到效果，通過負(fù)反饋使信號(hào)穩(wěn)定。整個(gè)系統(tǒng)原理框圖如下圖7所示，電路原理圖如下圖8所示。信號(hào)輸入低通濾波電源5V信號(hào)輸出選頻放大前置濾波信號(hào)負(fù)反饋供

12、電圖7 中頻小信號(hào)選頻放大器系統(tǒng)框圖圖8 中頻小信號(hào)選頻放大器中頻選頻放大器硬件電路如圖8所示，由兩級(jí)放大電路組成，每級(jí)之間采用變壓器耦合。三極管由于在仿真軟件的元件庫中無法找到9018，所以用了功能和9018相近的D42C11代替，變壓器采用調(diào)諧頻率為465KHz的中周加電容微調(diào)至455KHz。 資料介紹如下：表1 三極管參數(shù)和中周參數(shù)三極管9018H中周TTF-11-0197-146圈數(shù)L12651.1GHz圈數(shù)L23451.3pF圈數(shù)L466-電容C13330pF-諧振fo465KHz此三極管的增益系數(shù)、截止頻率都符合參數(shù)要求，由上分析，越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性越高，故此三極管達(dá)到性能要求。由于

13、臨時(shí)買不到455KHz的諧振點(diǎn)的中周，選用465KHz的代替，另外在電路中配以可調(diào)電容，降低其頻率到455KHz。原電感可用以下公式計(jì)算得到： 其中，f0為465KHz，C為330pF，這樣求得電感值為355uH,所以為達(dá)到455KHz，所需電容值為344.7pF，故另外并聯(lián)一個(gè)14.7pF的電容即可。本次選用微調(diào)電容0-18pF，達(dá)到要求。由于兩個(gè)三極管都工作在甲類放大狀態(tài)，選取靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)時(shí)，將Vce設(shè)定為VCC/2，為減小功耗，使Ic不要太大，選0.5mA,Rb11和Rb12上流過0.1mA的電流，通過參數(shù)調(diào)節(jié)，確定Rb11為20,Rb12為16.8，Re12取100，Re11為2。動(dòng)

14、態(tài)工作時(shí)，由于頻率為455KHz，需使得Re11>>，取C為0.1uF適合。3.4 信號(hào)負(fù)反饋 信號(hào)負(fù)反饋是通過中和法中反饋電容來實(shí)現(xiàn)的，本次設(shè)計(jì)中采用可微調(diào)電容0-20pF來實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋。由下公式 ，其中N1=6，N2=45。.四 電路仿真與分析4.1 multisim仿真軟件簡介鑒于仿真的方便，采用NI公司的multisim11.0，由于豐富的元件庫，電路原理圖設(shè)計(jì)非常方便，另外，該軟件可采用AC Analysis來分析設(shè)計(jì)的合理性，也可采用內(nèi)部的各種虛擬儀器來分析，豐富的儀器使得分析也非常方便。4.2 中頻選頻放大部分仿真電路原理圖由multisim設(shè)計(jì)如圖9，由于變壓器參數(shù)難

15、以設(shè)置，因此在仿真時(shí)采用單級(jí)調(diào)試。圖9 仿真電路用虛擬電壓表來測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)，虛擬示波器查看輸出波形，觀察到的現(xiàn)象如圖10、圖11所示。圖10 靜態(tài)工作點(diǎn)仿真測(cè)試圖11 輸出仿真結(jié)果由圖10的靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)試結(jié)果可以看到，三極管滿足發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏的工作要求，三極管工作在正常放大狀態(tài)。由圖11的輸入輸出波形仿真結(jié)果可以看到，當(dāng)輸入波形在50mV/Div檔而輸出波形在1V/Div檔時(shí)，輸入輸出波形基本重合，表明整個(gè)電路確實(shí)放大了200倍。電路仿真達(dá)到了預(yù)期的要求。五、實(shí)物制作及調(diào)試經(jīng)過長時(shí)間的精心準(zhǔn)備和電路板的焊接，完成了硬件電路的制作，最后做好的硬件電路如圖12所示。圖12 制作完成的硬件電

16、路由于在購買元件時(shí)未能買到中周這一重要元件，所以在電路制作時(shí)使用了330uH的定值電感和330pF的定值電容來代替中周的作用，并使用018pF的可調(diào)電容來與電感耦合使電路的諧振頻率達(dá)到455KHz。同時(shí)取消了二級(jí)放大電路，使用的是單級(jí)放大電路，預(yù)測(cè)最后實(shí)物的放大倍數(shù)可能會(huì)達(dá)不到預(yù)期的要求。最后測(cè)試時(shí)當(dāng)輸入信號(hào)峰峰值為50mV，輸入頻率分別為455KHz、300KHz和700KHz時(shí)的輸出結(jié)果分別如圖13、圖14和圖15所示。 圖13 輸入頻率為455KHz時(shí)的輸出波形圖14 輸入頻率為300KHz時(shí)的輸出波形圖15 輸入頻率為700KHz時(shí)的輸出波形對(duì)比圖13、圖14和圖15的輸出波形可以看出

17、，只有當(dāng)輸入信號(hào)的頻率在455KHz左右時(shí)輸出波形的峰峰值才最大，即此時(shí)電路的放大倍數(shù)為最大，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率遠(yuǎn)離455KHz時(shí)輸出波形的峰峰值都會(huì)顯著變小。由此可以得出該電路達(dá)到了選頻頻率為455KHz的功能。同時(shí)可以看到當(dāng)輸入信號(hào)頻率為455KHz時(shí)輸出信號(hào)的峰峰值也只有560mv，此時(shí)電路的放大倍數(shù)也只達(dá)到了11倍左右，沒有達(dá)到要求的200倍放大倍數(shù)，這是因?yàn)橛布娐肥褂玫氖且患?jí)放大，并沒有采用設(shè)計(jì)時(shí)的二級(jí)放大電路，所以才導(dǎo)致放大倍數(shù)沒有達(dá)到要求。六、個(gè)人體會(huì)通過此次中頻小信號(hào)選頻放大器的設(shè)計(jì)，我收獲頗豐。首先，通過調(diào)試三極管，復(fù)習(xí)了以前模電所學(xué)的知識(shí)，在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了各種各樣的錯(cuò)誤，在不斷修正中掌握了以前理解比較模糊的知識(shí)。另外，為了使選頻足夠精確，不斷調(diào)試電感和電容的參數(shù)，懂得實(shí)際調(diào)試來彌補(bǔ)理論的不足。感謝學(xué)校給我們這次機(jī)會(huì)，鍛煉了我們的動(dòng)手能力。通過這次課設(shè)讓我明白了理論和實(shí)際操作之間的差距，而且也讓我很明確得意識(shí)到自己在高頻上有很多的知識(shí)漏洞，以后應(yīng)該多鉆研一下。參考文獻(xiàn)1 曾興雯高頻電路原理與分析（第四版）西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.72 吳友宇模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京：清華大學(xué)出版社，2009.53 鈴木雅臣晶體管電路設(shè)計(jì)(上)北京：科學(xué)出版社，2004.94 J.卡爾約瑟夫射頻電路設(shè)計(jì)北京：科學(xué)出版社，2007.85 朱彩蓮Multisim電