高頻小信號放大器設(shè)計

1、河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院課程設(shè)計報告2010 2011學(xué)年 第 一 學(xué)期課程名稱 高頻電路原理與分析 設(shè)計題目 高頻小信號調(diào)諧放大器的設(shè)計 學(xué)生姓名 學(xué) 號 0720130026 專業(yè)班級 通信07-1班 指導(dǎo)教師 蘇玉娜 2010年 9 月 18日目錄 1. 緒論12.設(shè)計目的2 3.總體方案簡介3 3.1電路的基本原理 33.2設(shè)計思路43.3設(shè)計方案84.結(jié)果與分析125.心得體會15 6.參考文獻 157.附錄16高頻小信號放大器設(shè)計1緒論 高頻小信號放大器是通信設(shè)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，

2、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功用就是無失真的放大某一頻率范圍內(nèi)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。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(yīng)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;按負載性質(zhì)分為：諧振放大器、非諧振放大器; 其中高頻小信號調(diào)諧放大器廣泛應(yīng)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(yīng)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

3、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)。本文以理論分析為依據(jù)，以實際制作為基礎(chǔ)，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 設(shè)計目的高頻調(diào)諧放大器廣泛應(yīng)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(yīng)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)問題是自激震蕩，同時頻率選擇和各級建阻抗匹配也惡化你難實現(xiàn)。Multisim軟件能實現(xiàn)從電學(xué)概念設(shè)計到輸出物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及這

4、之間的所有分析、驗證、和設(shè)計數(shù)據(jù)管理。使用Multisim等計算機軟件對產(chǎn)品進行輔助設(shè)計在很早以前就已經(jīng)成為了一種趨勢，這類軟件的問世也極大地提高了設(shè)計人員在機械、電子等行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量與效率。通過對高頻電子線路的學(xué)習(xí)，使用Multisim軟件設(shè)計了一個高頻小信號放大器。3 總體方案簡介3.1電路的基本原理 高頻小信號放大器的功用就是五失真的放大某一頻率范圍內(nèi)的信號。按其頻帶寬度可以分為窄帶和寬帶放大器。高頻小信號放大器是通信電子設(shè)備中常用的功能電路，它所放大的信號頻率在數(shù)百千赫。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，從信號所含頻譜來看，輸入信號頻譜與放大后輸出信號的

5、頻譜是相同的。圖3.1晶體管高頻小信號單極單調(diào)諧回路諧振放大器圖3.1所示電路為共發(fā)射極接法的晶體管高頻小信號單極單調(diào)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(dǎo)線的分布參數(shù)等會影響放大器射出信號的頻率或相位。晶體管的靜態(tài)工作點電阻RB1、RB2及RE決定，其計算方法與低頻單管放大器相同。放大器在諧振時的等效電路如圖3.2所示，晶體管的4個y參數(shù)分別為：輸入導(dǎo)納： 輸出導(dǎo)納：正向傳輸導(dǎo)納：反向傳輸導(dǎo)納：式中為晶體管的跨導(dǎo)，與發(fā)射極電流的關(guān)系為：圖3.2諧振放大器的高頻等效電路晶體管在高頻

6、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，還與工作角頻率有關(guān)。晶體管手冊中給出的分布參數(shù)一般是在測試條件一定的情況下測得的。如在條件下測的2SC945的y參數(shù)： 如果工作條件發(fā)生變化，則上述參數(shù)值僅作參考。因此，高頻電路的設(shè)計計算一般采用工程估算方法。如圖所示等效電路中，為晶體管的集電極接入系數(shù)，即：式中，為電感線圈的總匝數(shù)；為輸出變壓器的副邊與原邊的 匝數(shù)比，即：式中，為副邊的總匝數(shù)；為諧振放大器輸出負載的電導(dǎo)，。通常小信號諧振放大器的下一級仍為晶體管諧振放大器，則將是下一級晶體管的輸出電導(dǎo)?？梢姴⒙?lián)諧振回路的總電導(dǎo)：3.2設(shè)計思路及測量方法表征高頻小信號諧振放大器的主要性能指

7、標(biāo)有諧振頻率、諧振電壓放大倍數(shù)、放大器的通頻帶及選擇性等，采用圖所示的測試電路可以粗略的測試各項指標(biāo)，若要求測量準確，必要是應(yīng)采用精度較高的高頻測量儀器。圖中輸入信號由高頻信號發(fā)生器提供，高頻電壓表、分別用于測量放大器是 輸入電壓與輸出電壓的值。直流毫安表mA用于測量放大器的集電極電流的值，示波器監(jiān)測負載兩端的輸出波形。諧振放大器的各項性能指標(biāo) 及測量方法如下。(1)諧振頻率 放大器的諧振回路諧振是所對應(yīng)的頻率稱為諧振頻率。對于圖所示電， 的表達式為：式中，為諧振回路電感線圈的電感量；為諧振回路的總電容, 的表達式為式中，為晶體管的輸出電容；為晶體管的輸入電容。 諧振頻率的測量步驟是，首先使高

8、頻信號發(fā)生器的 輸出頻率為 ，輸出電壓為幾毫伏；然后調(diào)諧集電極回路即改變或電感線圈的磁芯位置使回路諧振。并聯(lián)回路諧振時，直流毫安表的 指示值為最小，電壓表的指示值達到最大，且輸出波形無明顯失真。這是回路的諧振頻率就等于信號發(fā)生器的 輸出頻率。 由于分布參數(shù)的 影響，有時諧振回路的 輸出電流的最小值與輸出電壓的最大值不一定同時出現(xiàn)，這時視電壓表的指示值達到最大時的狀態(tài)為諧振回路處于諧振狀態(tài)。如用掃頻儀測量諧振放大器是否諧振，應(yīng)使電壓諧振曲線的 峰值出現(xiàn)周期規(guī)定的諧振頻率點。(2)電壓增益放大器是諧振回路諧振時所對應(yīng)的電壓放大倍數(shù)稱為諧振放大器的電壓增益。的表達式為：要注意的是，本身也是一個復(fù)數(shù)，

9、所以諧振時輸出電壓與輸入電壓的相位差為 。只有當(dāng)工作頻率較低時， ，與的相位差才等于180。的測量電路如圖所示，測量條件是放大器的諧振回路處于諧振狀態(tài)，當(dāng)回路諧振時分別記下輸出端電壓表的讀數(shù)及輸入端電壓表的讀數(shù)，則電壓放大倍數(shù)由下式計算：(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，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倍時所對應(yīng)的 頻率范圍稱為放大通頻帶，其表達式為： 。式中， 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)與通頻帶的關(guān)系為： 上式說明，當(dāng)晶體管選定即確定，且回路總電容為定值時，諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶

10、的 乘積為一常數(shù)的概念是相同的。通頻帶的測量電路如圖所示?？赏ㄟ^測量放大器的頻率特性曲線來求通頻帶。測量方法有掃頻法和逐點法，逐點法的測量步驟是：先使調(diào)諧放大器的諧振回路產(chǎn)生諧振，記下此時的諧振頻率及電壓放大倍數(shù)，然后改變高頻信號發(fā)生器的頻率，并測出對應(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，所以放大器的頻率特性曲線如圖3.3所示圖3.3頻率特性曲線通頻帶越寬放大器的電壓放大倍數(shù)就越小。要想得到一定寬度的通頻帶，同時有能提高放大器的電壓增益，由式可知，除了選用較大的晶體管外，還應(yīng)盡量減小調(diào)諧回路是 總電容量。如果放大器只用來放大來自接受天線的某一固定頻率的微弱信號，則可減小通頻帶，盡量

11、提高放大器的增益。 (4)矩形系數(shù) 諧振放大器的 選擇性可用諧曲線的矩形系數(shù)來表示，如圖所示 ，矩形系數(shù)為電壓放大倍數(shù)下降到時對應(yīng)的頻率范圍與電壓放大倍數(shù)下降到時對應(yīng)的頻率偏移之比，即上式表明，矩形系數(shù)越接近1，鄰近波道的選擇性越好，濾除干擾信號的能力越強。一般單極諧振放大器的選擇性較差，因其矩形系數(shù)遠大于，為提高放大器的選擇性，通常采用多級放大器，可以通過測量諧振放大器的頻率特性曲線來求得矩形系數(shù)。3.3設(shè)計方案設(shè)計一個高頻小信號諧振放大器。設(shè)計參數(shù)：，晶體管為3DG100C，.查手冊得,。時, 。，匝，,。主要技術(shù)指標(biāo)：諧振頻率，諧振電壓放大倍數(shù)，通頻帶，矩形系數(shù) (1)設(shè)置靜態(tài)工作點可用

12、30電阻和100電位器串聯(lián)，以便調(diào)整靜態(tài)工作點。(2)計算諧振回路參數(shù)因為 ，所以 因為 ，所以故?？傠娙轂椋?C=1/（2f0）2L=55.2pF回路電容 取標(biāo)稱值51求出耦合變壓器的的一原邊抽頭匝數(shù)及副邊匝數(shù)，即 匝 匝確定輸入耦合回路放大器的輸入耦合回路通常是指變壓器耦合的諧振回路，由于輸入變壓器原邊諧振回路的諧振頻率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。3.4利用Multisim 對電路的仿真圖將元件參數(shù)值進行安裝。先調(diào)整放大器的靜態(tài)工作點，然后再調(diào)諧振回路使其諧振。圖3.4是高頻諧振放大器的測試電路設(shè)計圖。圖3.4高頻諧振放大器電路圖調(diào)整靜態(tài)工作點，不加輸入信號，將

13、的 左端接地，將諧振回路的電容開路，這時用萬用表測量電阻兩端的電壓，調(diào)整電阻使。記下此時電路的值及靜態(tài)工作點、及。諧振回路使其諧振的，按圖3.4所示的電路接入高頻電壓表、，直流毫安表mA及示波器。再將信號發(fā)生器的輸入頻率置于=10.7MHz，輸出電壓=5mV。為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+降低，如使+=+6V。調(diào)輸出耦合變壓器的磁芯使回路諧振，即電壓表的指示值達到最大，毫安表mA的指示值為最小且輸出波形無明顯失真。回路處于諧振狀態(tài)后，再將電源電壓恢復(fù)至+9V。在放大器處于諧振狀態(tài)下測量各項技術(shù)指標(biāo)，如電壓放大倍數(shù)、通頻帶BW及矩形系數(shù)，其測量方法如前面所述。若這

14、些指標(biāo)的測量值與設(shè)計要求值相差較遠，則應(yīng)根據(jù)他們的表達式進行分析。如果電壓放大倍數(shù)較小，則可以通過調(diào)整靜態(tài)工作點Q或接入系數(shù)使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(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計要求后的元件參數(shù)值與設(shè)計計算值有一定偏離。需要反復(fù)調(diào)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)。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(nèi)。4 結(jié)果與分析以下是利用Multisim軟件仿真高頻諧振放大器電路的效果圖。圖4.1和圖4.2 分別是利用示波器對電源、負載電阻所測的效果圖，通過兩個圖的比較可以看出電路的確達

15、到了放大的作用。圖4.1 電源示波器圖 圖4.2電阻兩端的電壓屬性圖通過上圖的比較可以看出放大電路的確起到放大作用。圖4.3電流源配置圖 圖4.3是電流源的配置圖，通過配置圖我們可以比較輸入和輸出的情況。圖4.4電阻R1電壓圖圖4.5 電阻R2電壓圖 5 心得體會經(jīng)過這段時間的努力，終于完成了這次課程設(shè)計，雖然結(jié)果不是很滿意。但總的來說還是不錯的，基本上符合要求。本次設(shè)計通過對高頻電子電路的學(xué)習(xí)使用Multisim軟件設(shè)計了一個高頻小信號放大器。在設(shè)計過程中遇到問題，我先思考找出問題所在，然后在去圖書館或上網(wǎng)查資料，或者是問同學(xué)，在這個過程中對以前學(xué)的知識有了更深刻的認識。 在這個過程中，我也曾經(jīng)因為無從下手，對設(shè)計問題的迷茫而失落過，也曾經(jīng)為成功的畫了一個原理圖而興奮不已。雖然這只是一次的極簡單的課程設(shè)計，可是平心而論，也耗費了我不少的心血，這就讓我不得不佩服技術(shù)編書方面前輩，讓我意識到老一輩對我們社會的付出是艱辛的。通過這次課程設(shè)計，我學(xué)會了把書本在知識和實際的電路聯(lián)系起來，就是理論結(jié)合實際，