設計一個射頻小信號放大器

1、題目 : 設計一個射頻小信號放大器概述高頻小信號放大器是通信設備中常用的功能電路，它所放大的信號頻率在數(shù)百千赫至數(shù)百兆赫。 高頻小信號放大器的功能是實現(xiàn)對微弱的高頻信號進行不失真的放大，所謂小信號 ,一是信號幅度足夠小 ,使得所有有源器件 (晶體三極管 ,場效應管或 ic)都可采用二端口 y參數(shù)或線性等效電路來模型化;二是放大器的輸出信號與輸入信號成線性比例關系.從信號所含頻譜來看，輸入信號頻譜與放大后輸出信號的頻譜是相同的。高頻小信號放大器的分類：按元器件分為：晶體管放大器、場效應管放大器、集成電路放大器; 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

2、載性質分為：諧振放大器、非諧振放大器;. 高頻小信號諧振放大器除具有放大功能外,還具有選頻功能 ,即具有從眾多信號中選擇出有用信號,濾除無用的干擾信號的能力.從這個意義上講 ,高頻小信號諧振放大電路又可視為集放大,選頻一體 ,由有源放大元件和無源選頻網(wǎng)絡所組成的高頻電子電路 .主要用途是做接收機的高頻放大器和中頻放大器. 其中高頻小信號調諧放大器廣泛應用于通信系統(tǒng)和其它無線電系統(tǒng)中，特別是在發(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配也很難實現(xiàn)。本文

3、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。2 電路的基本原理圖 2-1 所示電路為共發(fā)射極接法的晶體管高頻小信號單級單調諧回路諧振放大器。它不僅要放大高頻信號，而且還要有一定的選頻作用，因此，晶體管的集電極負載為 lc 并聯(lián)諧振回路。在高頻情況下，晶體管本身的極間電容及連接導線的分布參數(shù)等會影響放大器輸出信號的頻率或相位。晶體管的靜態(tài)工作點由電阻 rb1、rb2及 re決定，其計算方法與低頻單管放大器相同。圖 2-1 高頻小信號諧振放大器3 電路設計方案高頻小信號調諧放大器簡述：高頻小

4、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：(1)增益要高，即放大倍數(shù)要大。(2)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-fl=2f0.7， 品質因數(shù) q=fo/2f0.7。圖 3-1 諧振放大器的頻率特性曲線(3)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

5、善放大器的性能。圖 3-2 反饋導納對(4)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。根據(jù)上面各個具體環(huán)節(jié)的考慮設計出如圖3-3 所示的總體改進電路圖圖 3-3 改進后的高頻小信號諧振放大器4 重要電路分析及功能高頻小信號諧振放大器與低頻放大器的電路基本相同（如圖2-1 所示） 。其中變壓器 t2 的初級線圈為接收機前端選頻網(wǎng)絡的一部分，經次級線圈耦合后作為放大器的輸入信號， 輸出端也采用變壓器耦合方式來實現(xiàn)選頻和輸出阻抗匹配。cb 與 ce 為高頻旁路電容，提供交流通路。本放大器的高頻等效電路如圖4-1 所示：圖 4-1 調諧放大器的高

6、頻等效電路電路中并聯(lián)振蕩回路兩端間的阻抗為其中 r 是和電感串聯(lián)的電阻，由于因此有：則并聯(lián)回路兩端電壓為：所以，當時 vm 有最大值，即回路諧振時輸出電壓最大。實際制作中對基本電路的改進：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。放大器內部電路的改進及理論依據(jù)：如圖 4-2 所示，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lc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，高頻電路很容易產生自激振蕩，所以需要想辦法消

7、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。圖 4-2 外加射極跟隨的高頻放大器實際制作過程及諧振頻率的快速確定：高頻放大器制作中最關鍵也是最難的就是選取恰當?shù)碾姼泻碗娙葜?，使電路諧振。諧振時有 c=1/l，通過計算可以確定lc 的值，但實際電路與理論計算往往相差很大，甚至能相差十幾倍到幾十倍，這就需要一定的操作技巧。以33mhz 放大器為例，經計算得電感為4.7uh 時選用 5-25pf的可調電容完全可以達到諧振頻率，但接好電路后很少能夠調到30mhz。多次實驗表明，實際振蕩頻率一般小于計算得頻率， 這就要用其他辦法來確定放大器的諧振頻

8、率。一個比較好的辦法就是借助lc 振蕩電路來實現(xiàn)諧振。如圖 4-3 所示，此電路為共基組態(tài)的“考畢茲”振蕩器，原理不再贅述，下面說明如何利用本電路： 可調電容 cx 選用和放大器電路中同一規(guī)格的，電感 lx是放大器中變壓器接入諧振回路的電感值，由于本電路僅由lx 和 cx 決定，但在實際電路中電容對電路的諧振頻率的影響遠遠沒有電感明顯，因而先選定電容（5-20pf 可調） ，則頻率為 33mhz 時，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，可把繞好的做樣品） ，繞適當?shù)娜?shù)后再用高頻q 表測量其電感值大小，

9、不斷改變其圈數(shù)，使lx 基本達到要求（ 4uh 左右） ，然后把繞制好的電感作為 lx 接入圖 4-2 所示的電路中，再用示波器測量此電路的震蕩頻率，調節(jié) cx，看震蕩頻率是否為33mhz，若不是，則相應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）來繞變壓器的次級線圈。圖 4-3 共基組態(tài)的“考畢茲”振蕩器5 主要性能指標及測量方法5.1 主要性能指標中心頻率就是調諧放大電路的工作頻率，一般在幾百khz 到幾百 mhz。它是根據(jù)設備的整體指標確定的， 是調諧放大器的主要指標， 是設計放大電路時選擇有源器件和計算諧振回路元件參數(shù)的依據(jù)。

10、5.1.1 電壓增益增益表示了放大電路對有用信號的放大能力，通常用在中心頻率上的電壓增益和功率增益來表示。電壓增益根據(jù)定義，由上圖得從等效關系可知則放大器諧振時，對應的諧振頻率為則通常，在電路計算時，電壓增益用其模表示，則可表示為5.1.2通頻帶為了保證頻帶信號無失真地通過放大電路,要求其增益頻率響應特性必須有與信號帶寬相適應的平坦寬度。放大電路電壓增益頻率響應特性由最大值下降3db 時，對應的頻率寬度為放大器的通頻帶，通常以bw 表示。通頻帶的定義是時對應的為放大器的通頻帶。根據(jù)定義得則5.1.3 選擇性選擇性是指對通頻帶之外干擾信號的衰減能力，有兩種表示方法： 一種是用矩形系數(shù)來說明鄰近波

11、帶選擇性的好壞；另一種是用抑制比來說明對帶外某一特定干擾頻率信號的抑制能力。5.1.4工作穩(wěn)定性工作穩(wěn)定性是指當放大器電路的工作狀態(tài)、元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時，放大器的主要性能的穩(wěn)定程度。不穩(wěn)定現(xiàn)象表現(xiàn)在增益變化、中心頻率偏移、 通頻帶偏移和諧振曲線變形等方面。引起不穩(wěn)定的原因主要是由于寄生反饋作用的結果。為了消除或者減少不穩(wěn)定現(xiàn)象，必須盡可能找出寄生反饋的路徑，消除一切可能產生反饋的因素。5.1.5 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)是用來描述放大器本身產生噪聲電平大小的一個參數(shù)。放大器本身產生噪聲電平的大小，對所傳輸信號，特別是對微弱信號的影響是極其不利的。上述各個指標相互關聯(lián)而又相互矛盾，需要根據(jù)實際情

12、況確定其主次， 進行合理設計。5.1.6 諧振曲線放大器的諧振曲線是表示放大器的相對應電壓增益與輸入信號頻率的關系。由上式可得對諧振放大器來講，通常討論的f 與 f0 相差不大，可認為f 在 f0 附近變化，則式中，稱為一般失諧。令，稱為廣義失諧。代入上式得取模得下面是諧振特性的兩種表示形式：圖 5-1 放大器的諧振特性5.1.7 放大器的矩形系數(shù)矩形系數(shù)的定義是其中，是時所對應的頻帶寬度，即故根據(jù)矩形系數(shù)的定義得6 電路參數(shù)的計算6.1 設置靜態(tài)工作點6.2 計算諧振回路參數(shù)下面計算 4 個 y 參數(shù)，故?；芈房傠娙轂樵儆嬎慊芈冯娙?，取標稱值 62pf 輸出耦合變壓器 tr0 的原邊抽頭匝數(shù)

13、n1 及副邊匝數(shù) n3，即6.3 確定輸入耦合回路及高頻濾波電容高頻小信號諧振放大器的輸入耦合回路通常是指變壓器耦合的諧振回路，如圖 2-1 所示。由于輸入變壓器tri 原邊諧振回路與放大器諧振回路的諧振頻率相等，也可以直接采用電容耦合， 如圖 3-3 所示。高頻耦合電容一般選擇瓷片電容。7 調試與仿真7.1 電路的裝調與測試將上述設計的元器件參數(shù)值按照圖所示電路進行安裝。先調整放大器的靜態(tài)工作點，然后再調諧振回路使其諧振。調整靜態(tài)工作點的方法是，不加輸入信號（vi=0） ，將 c1 的左端接地，將諧振回路的電容c 開路，這時用萬能表測量電阻re兩端的電壓，調整電阻rb1使 veq=1.5v（

14、ie=1ma） 。記下此時電路的rb1值及靜態(tài)工作點vbq、vceq、veq、及 ieq。調諧振回路使其諧振的方法是， 按照圖 7-1 所示的測試電路接入高頻電壓表v1、v2， 直流毫安表 ma 及示波器。再將信號發(fā)生器的輸出頻率置于fi=10mhz ，輸出電壓 vi=5ma。為了避免諧振回路失諧引起的高反向電壓損壞晶體管，可先將電源電壓 +vcc 降低，如使 +vcc=+6v。調輸出耦合變壓器的磁芯使回路諧振，即電壓表 v2 的指示值達到最大，毫安表ma 為最小且輸出波形無明顯失真?；芈诽幱谥C振狀態(tài)后，再將電源電壓恢復+12v。在放大器處于諧振狀態(tài)下測量各項的技術指標，如電壓放大倍數(shù)avo、

15、通頻帶 bw 及矩形系數(shù) kr0.1，其測量方法如前所述。若這些指標的測量值與設計要求值相差較遠，則應根據(jù)他們的表達式進行分析。如果電壓放大倍數(shù)avo 較小，則可以通過調整靜態(tài)工作點q 或接入系數(shù) p1、 使 avo 增大或更換較大的晶體管。由于分布參數(shù)的影響， 放大器的各項技術指標滿足設計要求后的元器件參數(shù)值與設計計算值有有一定的偏離， 需要反復調整輸出耦合變壓器的磁芯位置才能使諧振回路處于諧振狀態(tài)。采用圖所示的測量方法判斷回路的諧振狀態(tài)不太準確，易產生測量誤差，較好的方法是采用掃頻測量儀測量回路的諧振曲線。由于工作頻率較高， 高頻小信號放大器容易受到外界各種信號的干擾，特別是射頻干擾。 通常采取的措施是把放大器裝入金屬屏蔽盒內（屏蔽盒與地線應接觸良好） 。7.2 電路仿真7.2.1 利用 ewb 繪制出如圖所示的仿真實驗電路圖 7-1 仿真電路7.2.2 按圖設置各元件的參數(shù)，打開仿真開關，從示波器上觀察檢波器輸出波形以及輸入信號的關系。圖7-2 所示通過這次高頻課程設計小信號諧振放大電路，更加熟悉了解了小信號諧振的工作原理，掌握了諧振電路主要性能指標的測量方法和主要參數(shù)的調整方法等