高頻小信號諧振放大器設計

1、2015 2016學年 第1學期0 41K法手昆高頻電子線路課程設計報告題 目：高頻小信號諧振放大器的設計專 業(yè)：電子信息工程班 級：13電子信息姓 名：指導教師：電氣工程學院2015年12月12日任務書課題名稱高頻小信號諧振放大器的設計指導教師（職稱）執(zhí)行時間20152016學年第1學期 第14周學生姓名學號承擔任務方案設計、論文撰寫原理圖繪制及仿真驗證方案驗證與仿真軟件學習及資料查詢原理圖驗證軟件學習及仿真設計目的.了解LC串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路的選頻原理和回路 參數(shù)對回路特性的影響；.掌握高頻單調(diào)諧放大器的構成和工作原理；.掌握高頻單調(diào)諧放大器的等效電路、性能指標要求及分析 設計；.

2、掌握高頻調(diào)諧放大器的設計方案和測試方法。設計要求.設計高頻小信號諧振放大電路 ；.根據(jù)設計要求和技術指標設計好電路，選好元器件參數(shù)， 測試并計算諧振頻率、諧振增益、通頻帶、增益帶寬、噪聲 系數(shù)等指標；.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；.設置靜態(tài)工作點，確定耦合電容與高頻濾波電容。.設計并制作高頻小信號諧振放大器。2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，從信號 所含頻譜來看，輸入信號頻譜與放大后輸出信號的

3、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；按負載性質(zhì)分為：諧振放大器、非諧振放大器；所謂諧振放大器，就是采用諧振回路作負載的放大器。根據(jù)諧振回路的特性，諧振放 大器對于靠近諧振頻率的信號，有較大的增益；對于遠離諧振頻率的信號，增益迅速下降, 所以，諧振放大器不僅有放大作用，而且也起著濾波或選頻的作用。高頻小信號調(diào)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

4、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，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。關鍵詞：高頻小信號放大器；調(diào)諧放大器 TOC o 1-5 h z 高頻電子線路 1課程設計報告1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 任務書2摘要3目錄4 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第一章總體方案5設計條件5總體方案簡述5 HYPERLI

5、NK l bookmark6 o Current Document 第二章高頻小信號諧振放大器的原理分析 6主要特點6主要性能指標6諧振頻率6電壓增益和功率增益 6通頻帶7選擇性7工作穩(wěn)定性7噪聲系數(shù)8放大器等效電路與分析方法8單調(diào)諧回路諧振放大器9.多級單調(diào)諧放大器9.調(diào)諧電路的穩(wěn)定性1.0中和法11失配法11 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第三章高頻小信號諧振放大器的設計12主要參數(shù)12設計過程12回路的選擇 12設置靜態(tài)工作點13諧振回路參數(shù)計算 13確定耦合電容與高頻濾波電容 14 HYPERLINK l bookmark10 o C

6、urrent Document 第四章 高頻小信號諧振放大器電路仿真 1.5總原理圖15測量并調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點Q1.5高頻小信號諧振放大器主要性能的測量 1.6總結1.9 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 參考文獻2Q HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 答辯記錄及評分表21第一章總體方案設計條件主要技術指標(要求：放大電路工作穩(wěn)定)諧振頻率：fo 10.7 z諧振電壓放大倍數(shù)： uo 20d通頻帶：W0.7 6 z選擇性(矩形系數(shù))：0.1 10已知條件；負載電阻Rl 10,電源電壓Vcc 12V

7、總體方案簡述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。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)要高。(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。其中，帶寬為 W.7 f fL 2Af0.7,品質(zhì)因數(shù)為Qf0.7(3)電路工作要穩(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(nèi)部噪聲要小，特別是不產(chǎn)生自激振蕩，加入負反饋可以改善放大器 的性能。第二章高頻小信號諧振放大器的原

8、理分析主要特點：晶體管集電極負載通常是一個由 LC組成的并聯(lián)諧振電路。由于LC并聯(lián)諧振回路的 阻抗是隨著頻率變化而變化，理論上可以分析，并聯(lián)諧振在諧振頻率處呈現(xiàn)純阻，并達到 最大值。即放大器在回路諧振頻率上將具有最大的電壓增益。若偏離諧振頻率，輸出增益 減小?？傊?，調(diào)諧放大器不僅具有對特定頻率信號的放大作用，同時也起著濾波和選頻的 作用。主要性能指標：高頻小信號諧振放大器主要的性能指標將分成下面的幾部分進行說明:諧振頻率放大器的諧振回路諧振時所對應的頻率稱為放大器的諧振頻率，理論上，對于 LC組 成的并聯(lián)諧振回路來說，諧振頻率為：1f02 MlC式中，L為調(diào)諧回路電感線圈的電感值；C為調(diào)諧回路

9、的總電容。2.2.2電壓增益和功率增益電壓放大倍數(shù)用u表示，等于放大器輸出電壓uo與輸入電壓5之比，功率增益用 p 表示，等于放大器輸出功率 2與輸入功率p之比，即Uo u UiP P放大器的諧振電壓增益放大倍數(shù)（uo）指：放大器處在在諧振頻率fo下，輸出電壓與輸入電壓之比測量方法：當諧振回路處于諧振狀態(tài)時，用高頻毫伏表測量輸入信號Ui和輸出信號Uo大小。2.2.3通頻帶圖2-2-2放大器歸一化幅頻特性曲線通頻帶定義為放大器增益從最大值下降3d （1/血）時所對應的頻率范圍，用 2、。7（或 Wo.7）表示。2.2.4選擇性選擇性表示放大器對通頻帶以外的各種干擾信號及其噪聲的濾除能力，或者說，

10、從各 種干擾中選出有用信號的能力。理想情況下，放大器應該對通頻帶以內(nèi)的各種信號頻譜分 量具有相同的放大作用，而對通頻帶以外的信號則完全抑制。為了評價實際幅頻特性曲線 接近理想矩形的程度，這里引入矩形系數(shù)：0.12A %2A fo.7式中，2A fo.i是增益下降到最大值的0.1倍時的頻帶寬度。0.707倍和0.1倍之間 的頻標為過?S帶，0.1越小，則過渡帶越陡峭，表明選擇性越好，越接近理想曲線。實際中0.1總是大于1的，等于1則為理想情況。2.2.5工作穩(wěn)定性工作穩(wěn)定性是指放大器中的直流偏置、交流參數(shù)和電路元件參數(shù)等發(fā)生變化時，放大 器性能的穩(wěn)定程度。一般不穩(wěn)定現(xiàn)象表現(xiàn)在增益變化、中心頻率偏

11、移、通頻帶變化和諧振曲線畸變等方面。不穩(wěn)定狀態(tài)嚴重時可使放大器產(chǎn)生自激振蕩，不能正常工作。所以必須 采取穩(wěn)定措施，如穩(wěn)定工作點、限制放大器的增益、選擇反向傳輸導納小的有源器件、中 和法或失配法以及安排合理的電路工藝（元件布局、布線、接地）等來解決穩(wěn)定性問題。2.2.6噪聲系數(shù)放大器的性能在很大程度上與干擾（常指外部）和噪聲（指內(nèi)部）有關，因此，要盡 量減少這些干擾和噪聲對放大器的影響。噪聲系數(shù)定義為輸入端信噪比與輸出端信噪比的 比值，記為 F,即:Psi / PniF Pso / Pno顯然，噪聲系數(shù)越小越好，說明放大器抑制噪聲的能力越強。當放大器沒有內(nèi)部噪聲 時，f 1。噪聲的來源主要有兩個

12、方面：電阻熱噪聲和半導體管噪聲。兩者有許多相同 的特性。2.3放大器等效電路與分析方法在小信號條件下，晶體管可用網(wǎng)絡參數(shù)等效電路中的 y參數(shù)等效電路或混合 冗型等效 電路取代，分別如下圖所示： +圖2-3 （a）混合無電路圖圖2-3 （b）y參數(shù)等效電路圖Y參數(shù)等效電路與混合 冗等效電路參數(shù)的轉(zhuǎn)換，用混合 九參數(shù)表示的Y參數(shù):YieYbe1rbb%eYfeV2gm1rbbYbeyre1V2jwCbcVi1rbbYb，eyoejwCbc(1 gmrbb)1 rbbYbe其中，YbejwCbe,Yb,ejW(CbeCbc) o2.4單調(diào)諧回路諧振放大器圖2-3單調(diào)諧回路諧振放大器原理圖從理論上分析

13、可得:在諧振點上的電壓增益為:RPzYfeuoP1 P2 Yfe22g1r goe P2 gie矩形系數(shù)為：0.12、f0.12 f0.7102 1 9.95從這里也可以看出,矩形系數(shù)比1大得多,說明選擇性還是比較差的。2.5多級單調(diào)諧放大器在實際中，有時單級調(diào)諧放大器不能滿足總的增益要求，就要采用多級放大器。根據(jù) 各級諧振情況分為多級單調(diào)諧放大器（每級諧振頻率均相同）和參差調(diào)諧放大器（各級諧振頻率不同，但相差不大）。假如有m級放大器，其電壓增益分別為u1, 0,um,則總增益為：m u1 - u2 um為了方便討論，設每一級電壓增益均相等（都為u),則（1）電壓增益為：m um（2）諧振曲線

14、：當每級是由完全相同的單機放大器組成時，多級諧振曲線等于各單級諧振曲線的乘 積，諧振曲線表達式為mo 1m22-2、fQlfo上式表明，級數(shù)越多（m越大），諧振曲線月尖銳，選擇性越好。(3)通頻帶：2、f07 m - 2m 1 -f0:2m 1 2A %7Ql由于m是大于1的整數(shù)，所以誨1 一定小于1,即通頻帶變窄了，且 m越大，通頻帶越窄。（4）矩形系數(shù)：令上面的諧振曲線為0.1,可以求出2A f0.1m為2Af01m100m 1 f.mQl于是，矩形系數(shù)為r0.1 m2 f0.1 m100 12A f0.7 m由上式可知，m越大，矩形系數(shù)越小，但不可能小于 2.56 （當m取無窮大），也就

15、是 說矩形系數(shù)有所改善，但是是有限度的，離理想矩形系數(shù)（矩形系數(shù)為 1）還有很大差距。 說明單調(diào)諧回路放大器選擇性較差，增益和通頻帶的矛盾比較突出。為了解決這些矛盾， 通常采用雙調(diào)諧回路放大器和參差調(diào)諧放大器。2.6調(diào)諧電路的穩(wěn)定性在實驗時，經(jīng)常在測試電路中會出現(xiàn)自激的現(xiàn)象，特別是在多級放大的情況中。我們 將這種沒有外部輸入信號，由于電路內(nèi)部正反饋作用而自動維持輸出交流信號的現(xiàn)象稱為 自激。它經(jīng)常和進行高頻電路設計相違背，我們把這種具有自激現(xiàn)象的放大器稱為自激振10 蕩器，它實際上就是一個有足夠反饋量的正反饋放大器。產(chǎn)生自激振蕩的條件和振蕩電路的原理一致。即滿足：（1）相位平衡條件放大器的反饋

16、信號與輸入信號必須同相位，即相位差是180。（或冗的偶數(shù)倍。（2）振幅平衡條件指放大器的反饋信號必須有一定的幅度。在振蕩建立的初期，必須使反饋信號大于原 輸入端的信號。交流負反饋能夠改善放大電路的許多性能，改善的程度由負反饋的深度 決定。但是，如果電路組成不合理，反饋過深，且電路附加相移（高頻區(qū)或低頻區(qū)）改變了反饋信號的極性時，電路中的負反饋就會變成正反饋。反而會使放大電路產(chǎn)生自激振蕩。 這種自激振蕩是一定要消除的?？朔约さ姆椒ㄔ谶@里介紹以下兩種：中和法中和法是在晶體管的輸入端和輸出端之間引入一個外部反饋電路（或反饋元件），又稱為中和電路，以消除晶體管內(nèi)部反向傳輸導納 yre的反饋作用。失配

17、法失配法是指信號源內(nèi)阻不與晶體管輸入阻抗或負載阻抗不與晶體管輸出阻抗匹配，具 體地說，就是通過減小負載阻抗，從而減少回路總阻抗，使輸出電壓相應減少，對輸入端 的影響也就減少。顯然，這是用犧牲增益來獲得放大器的穩(wěn)定。為了滿足增益和穩(wěn)定性兩 方面的性能指標要求，常采用共射-共基級聯(lián)成一個復合管組成的放大電路。11第三章高頻小信號諧振放大器的設計3.1王要參數(shù):要求：諧振頻率：f0 10.7 z諧振電壓放大倍數(shù)：uo 20d通頻帶：W0.7 1 z50查手選擇性（矩形系數(shù)）：0.1 10給定條件：回路電感L 4, Qo 100, p1 1,p2 0.3，晶體管用9018,冊可知，9018在Vce 1

18、0V、2mA時，有：gie 2860 s,goe 200 s,Cie 19pf,yfe 45ms, yre 0.31ms負載電阻Rl 10,電源電壓Vcc 12V3.2設計過程回路的選擇依據(jù)上一章關于高頻小信號諧振放大器的原理分析以及給定的條件及參數(shù)要求，可采 用共射晶體管單調(diào)諧回路諧振放大器，設計參考電路見圖3-2單調(diào)諧高頻小信號放大器電原理圖圖中放大管選用9018,該電路靜態(tài)工作點Q主要由Rb1,Rw1,Re, Rb2與Vcc確定。利用12Rbi和Rwi、電的分壓固定基極偏置電位Vbq ,如滿足條件i q：當溫度變化時 CQVbqVbeBQ CQ ，抑制了 CQ的變化，從而獲得穩(wěn)定的工作點

19、。由此可知，只有當1 Q時，才能獲得Vq恒定，所以，在選用硅管的時候， BQ (5 10) BQo 只有當負反饋越強時，電路穩(wěn)定性越好，故要求Vbq Vbe。設置靜態(tài)工作點由于放大器是工作在小信號放大狀態(tài)，放大器工作電流CQ一般在0.8mA2mA之間選取，在設計的電路中，我們?nèi)?c 1.5m ，設Re 1。由于 VeqEQRe,又 CQ EQ,則 Veq 1.5m11.5V ；由于Vbq Veq Vbeq(硅管的發(fā)射結電壓 Veq 0.7V),所以Vbq1.5 0.7V 2.2V；由于 VCeq Vcc Veq,所以 Vceq 12 2.2V 9.8V ;由于 Rb2 Vbq / 5 10 I

20、bq ,所以 BQ cq/1.5/50m0.03m ,取 10 bq,則Rb2 Vbq/10 bq 2.2/0.37.3，取標稱電阻為 8.2;由于 Rb1Vcc Vbq /Vbq % ,所以 %12 2.2 /2.2 8.236.5，考慮到調(diào)整靜態(tài)電流cq的方便，R2用22 電位器與15電阻串聯(lián)。諧振回路參數(shù)計算(1)回路總電容C由于 o2 1C則八1八LC一 55.3pF2 fo L(2)回路電容C2由于 C C (P1 Coe)所以 C 55.3pF12 7pF 48.3pF取C為標稱值30 pF與5 20 pF微調(diào)電容并聯(lián)。(3)電感線圈電與N1的匝數(shù)根據(jù)理論推導，當線圈的尺寸及所選用

21、的磁心確定后，則其相應的參數(shù)就可以認為是 一個確定值，可以把它看成是一個常數(shù)。此時線圈的電感量僅和線圈匝數(shù)的平方成正比，即：L N2式中,K-系數(shù)，它與線圈的尺寸及磁性材料有關；N-線圈匝數(shù)一般K值的大小是由試驗確定的。當要繞制的線圈電感量為某一值Lm時，可先在鐵芯上纏繞10匝，然后用電感測量儀測出其電感值 Lo ,再用下面的公式求出系數(shù) K的值：132K L0/N0式中，No-實驗時所繞匝數(shù)，由此根據(jù)Lm和 值便可求出線圈應繞的圈數(shù)，即:N實驗中，L采用帶螺紋磁芯、金屬屏蔽罩的10S型高頻電感繞制。在原線圈鐵芯上用0.08mm漆包線纏繞10匝后得到的電感為2仙H。由此可確定Lo/ No2 2

22、 10 5 /102 2 10 8 /匝要得到4pH的電感，所需匝數(shù)為:LmK4 1052 10 814匝最后再按照接入系數(shù)要求的比例，來繞制變壓器的初級抽頭與次級線圈的匝數(shù)。由于N1 p1 N2，而 N2 14 匝。則：N1 0.3 14 4.2 匝。3.2.4確定耦合電容與高頻濾波電容耦合電容CC2的值，可在1000pF-0.01 pF之間選擇，一般用陶瓷電容。旁路電容Ce、C3c4的取值一般為0.01-0.1濾波電感的取值一般為 220-330 Ho14第四章 高頻小信號諧振放大器電路仿真總原理圖用Multisim13.0畫出仿真電路圖如下;測量并調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點Q仿真條件：電感線圈用固定

23、電感 L1=2.8用、L2=1.2出，中間抽頭。其余元件參數(shù)參 見圖3-2o調(diào)整靜態(tài)工作點的方法是：不加輸入信號，將 C1的左端接地，將諧振回路的電 容C5開路，記下此時電路的靜態(tài)工作點 Vbq、Vceq、Veq及eq。15圖4-2靜態(tài)工作點仿真電路圖靜態(tài)工作點VCQ (V)Vbq (V)Veq (mV)VCEQ (V)eq (mA)121.626995.39711.00555.311高頻小信號諧振放大器主要性能的測量仿真條件：輸入高頻信號頻率f 10.7M z,幅度（峰-峰值）10mV。示波器的調(diào)節(jié)如 圖4-3所示：圖4-3設置諧振頻率阻尼電阻Ri 470 、反饋電阻R 510 、負載電阻R

24、2 10。示波器的A通道為16輸入，B通道為輸出，仿真結果如下:(1)電壓增益圖4-3-1(a)電壓增益仿真圖由圖可知，輸入為Ui 16.734mV ,輸出為Uo 429.300mV ,顯然輸出波形發(fā)生了反 向。諧振放大倍數(shù)為Au。以 25,即 Uo 201g 25 20Uig實際諧振頻率圖4-3-1 (b)諧振頻率測量由圖可知，諧振頻率約為10.044MHz左右。(2)通頻帶17將輸入信號頻率調(diào)整，使得輸出的幅度為0.707Uom ax仿真測得Wo.7 5.8M z,仿真結果如下:圖4-3-2 (a)波特圖圖4-3-2 ( b)波特圖(3)矩形系數(shù)仿真得到f0.1L 1.414 zf0.1H

25、45.252 z矩形系數(shù) r0.145.252 1.414 /5.8 7.56 10以上實驗結果都滿足實驗要求。該方案成立。18通過這一課程設計，我掌握了獨立搜集資料、思考分析問題的能力和獨立學習的能力， 使自己無論在今后的學習中還是工作中遇到困難的時候都能自己將其解決。同時，對書理 論知識有了更深刻的了解。完成這一課設后，我對高頻小信號放大器也有了更深刻地理解。高頻小信號放大器廣 泛用于廣播，電視，通信，測量儀器等設備中.高頻小信號放大器可分為兩類：一類是以諧振回 路為負載的諧振放大器；另一類是以濾波器為負載的集中選頻放大器.它們的主要功能都是 從接收的眾多電信號中，選出有用信號并加以放大，

26、同時對無用信號，干擾信號，噪聲信號進 行抑制，以提高接收信號的質(zhì)量和抗干擾能力.高頻小信號調(diào)諧放大器是高頻電子線路中的基本單元電路 ，主要用于高頻小信號或微 弱信號的線性放大。在本次課設中，我了解了高頻小信號放大器的特點：1、放大小信號，晶體管工作在線性范圍內(nèi)（甲類放大器）2、信號的中心頻率一般在幾百 kHz到幾百MHz,頻帶寬度在幾khz到幾十MHz,為頻帶放 大器，故必須用選頻網(wǎng)絡。在測試過程中，我不斷利用課堂所學理論知識調(diào)整電路，并最終實現(xiàn)設計目的過程使 自己從另一個層面更形象地理解了理論，對于理論與實踐的關系也有了新的認識。曾經(jīng)的 學習只停留在書本上，但課程設計使我更充分的接觸到了實際。19參考文獻1曾興文、劉乃安、陳健.高頻電子線路.北京：高等教育出版社，20072張肅文等.高頻電子線路（第四版）.北京：高等教育出版社，20043聶典等.Multisim 10計算機仿真.北京：電子工業(yè)出版社，20104謝自美.電子線路設計 實驗測試第三版.華中科技大學出版社5楊翠娥.高頻電子線路實驗與課程設計.哈爾濱工程大學出版社6何中庸高頻電品&設計與制作.科學出版社7謝沅清.模擬電子線路H .成都電子科大出版社8張肅文.高頻電子線路第