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))

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根本設(shè)計(jì)能力及根本調(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f0＝455KHz，最大增益200倍，矩形系數(shù)不大于5；3.負(fù)載電阻RL＝1KΩ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)包含電路圖，清單、調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié)〕。時(shí)間安排：1．2013年2．2013年12月11日至203.2013年12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)反應(yīng)6四、電路仿真與分析74.1multisim仿真軟件簡介74.2中頻選頻放大局部仿真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15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，確定最正確制作方案。通過multisim的仿真分析，按照設(shè)計(jì)要求，來確定最正確參數(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。通過屢次調(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multisim調(diào)諧AbstractThispaperofintermediatefrequencysmallsignalfrequencyselectiveamplifierofworkingprincipleforadetailedanalysis,throughtheperformanceanalysisoftheamplifiertodeterminetheoptimalproductionplan,.Throughthesimulationanalysis,multisimaccordingtothedesignrequirements,todeterminetheoptimalparameters,anduseoftheotherrelevantcircuittodebugamplifyingcircuit,solvedamplifyingcircuitofself-excitedoscillationproblemandtunedaccurateproblem.Thisdesign,designmadeintermediatefrequencysignalgenerator,usedtofinishonfrequencyselectiveamplifierphysicaltest.Throughmultipleregulatingcircuit,graspedaccuratelytunedmethod.Keywords:intermediatefrequencyselectiveamplifiermultisimtuning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)接收原理框圖如下列圖1所示。天線接收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。中頻放大與濾波局部是決定信號(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，那么對(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應(yīng)，或反向傳輸導(dǎo)納的反應(yīng)，當(dāng)該反應(yīng)在某個(gè)頻率相位上滿足正反應(yīng)條件，且足夠大，那么會(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)正反應(yīng)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所示為反應(yīng)電路。圖5反應(yīng)電路3.2提高放大器穩(wěn)定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，減弱反應(yīng)作用。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)附加的外部反應(yīng)電路〔中和電路〕來抵消晶體管內(nèi)部參數(shù)Yre的的反應(yīng)作用。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的反應(yīng)，從集電極回路取一反相的電壓，通過Cn反應(yīng)到輸入端。根據(jù)電橋平衡有那么中和條件為圖6反應(yīng)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)其它頻率只能有局部中和作用。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，那么中和電路的效果是很有限的。[4]3.3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，否那么就不穩(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)回路方案到達(dá)效果，通過負(fù)反應(yīng)使信號(hào)穩(wěn)定。整個(gè)系統(tǒng)原理框圖如下列圖7所示，電路原理圖如下列圖8所示。信號(hào)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)反應(yīng)供電圖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，故此三極管到達(dá)性能要求。由于臨時(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,所以為到達(dá)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，到達(dá)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)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)反應(yīng)信號(hào)負(fù)反應(yīng)是通過中和法中反應(yīng)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)反應(yīng)。由下公式，其中N1=6，N2=45。.四電路仿真與分析4.1multisim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ACAnalysis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中頻選頻放大局部仿真電路原理圖由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)，輸入輸出波形根本重合，說明整個(gè)電路確實(shí)放大了200倍。電路仿真到達(dá)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制作完成的硬件電路由于在購置元件時(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0~18pF的可調(diào)電容來與電感耦合使電路的諧振頻率到達(dá)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)的輸出波形比照?qǐng)D13、圖14和圖15的輸出波形可以看出，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到達(dá)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)也只到達(dá)了11倍左右，沒有到達(dá)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)沒有到達(dá)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擬模糊的知識(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)理論的缺乏。感謝學(xué)校給我們這次時(shí)機(jī)，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，2007.7[2]吳友宇．模擬電子技術(shù)根底．北京：清華大學(xué)出版社，2009.5[3]鈴木雅臣．晶體管電路設(shè)計(jì)(上)．北京：科學(xué)出版社，2004.9[4]J.卡爾?約瑟夫．射頻電路設(shè)計(jì)．北京：科學(xué)出版社，2007.8[5]朱彩蓮．Multisim電子電路仿真教程．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，