高频谐振放大电路设计

本科毕业设计（论文）（2012届）题目高频谐振放大电路学院物理与电子工程学院专业电子信息工程班级08电子信息工程（2）班学号学生姓名指导教师完成日期2012年2月摘要本设计主要由衰减器和三级由S9018等分立元件组成的LC谐振放大器组成。衰减器采用PI型电阻网络构成，并通过实验验证调整到40DB的衰减量。放大器的谐振频率为15MHZ，偏差为20KHZ、增益可达86DB，此时矩形系数为62。放大器3DB带宽为700KHZ，输入电阻等于50欧姆。实验验证了当输入信号为5MV，此时输出电压为05V，放大100倍，频率为15MHZ，波形无明显失真。关键词衰减器；LC谐振放大器；三极管S9018ABSTRACTTHISDESIGNISMAINLYBYTHEATTENUATORANDTHETHREELEVELBYS9018ANDOTHERDISCRETECOMPONENTSLCRESONANTAMPLIFIERATTENUATORUSINGPITYPERESISTORNETWORK,ANDTHROUGHEXPERIMENTALVERIFICATIONOFADJUSTMENTTOTHE40DBATTENUATIONTHERESONANTFREQUENCYOFTHEAMPLIFIERFOR15MHZ,BIASOF20KHZ,GAINOFUPTO86DB,THERECTANGLECOEFFICIENTIS62AMPLIFIER3DBBANDWIDTHOF700KHZ,INPUTRESISTANCEEQUALTO50OHMSEXPERIMENTALVALIDATIONOFAWHENTHEINPUTSIGNALIS5MV,THEOUTPUTVOLTAGEOF05V,AMAGNIFICATIONOF100TIMES,THEFREQUENCYIS15MHZ,WAVEFORMWITHOUTSIGNIFICANTDISTORTIONKEYWORDSATTENUATORLCRESONANTAMPLIFIERTHREETRANSISTORS9018目录1引言12系统方案23系统理论分析与计算331PI型衰减器332放大电路433高频小信号调谐放大器的原理分析7331小信号调谐放大器主要特点7332谐振频率8333晶体管高频小信号等效电路等分析方法9334电容抽头部分接入电路9335单级调谐回路谐振放大器电路原理1034多级放大器的设计原则104电路设计1141系统总体框图设计1142衰减器电路原理图设计1143LC谐振放大器电路原理图1244电源125系统测试1351测试条件与仪器1352测试结果及分析1453数据误差分析及改进15参考文献16谢辞171引言20世纪末，电子通讯获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。在无线通信中，发射与接收的信号应当适合于空间传输。所以，被通信设备处理和传输的信号是经过调制处理过的高频信号，这种信号具有窄带特性。而且，通过长距离的通信传输，信号受到衰减和干扰，到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号，在做进一步处理之前，应当经过放大和限制干扰的处理。这就需要通过高频小信号放大器来完成。这种小信号放大器是一种谐振放大器。高频调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。高频小信号放大器的分类按元器件分为晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器按频带分为窄带放大器、宽带放大器按电路形式分为单级放大器、多级放大器按负载性质分为谐振放大器、非谐振放大器其中高频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。2系统方案本系统主要由衰减器、放大模块、主放大组成，下面分别论证这几个模块的选择。21衰减器的论证与选择方案一用PI型电阻衰减。将15MHZ正弦波输入，显示输出端波形，经实验验证可以达到40DB。方案二用集成运放AD603衰减。由于15MHZ正弦波频率太大，AD603在输入为15MHZ正弦波时，输出的频率却不是15MHZ,产生失真，而且噪声干扰太大，放大倍数小于1。方案三用变压器衰减。由于绕变压器太复杂，而且衰减不稳定，故不采用。综合以上三种方案，选择方案一。22放大模块的论证与选择方案一用运算放大器。由于运算放大器的供电电源一般是5V，而36V供电很少，且输入频率15M太大，一般的放大器的的特征频率没那么大，经过测试，发现频率失真。方案二用3DG12三极管。3DG12放大倍数一般30倍左右，实验所需要的增益为60DB到80DB方案三用S9018三极管。9018带宽足够、电流放大系数较大且功耗低。综合以上三种方案，选择方案三。23主放大的论证与选择方案一用MC1496PG集成芯片。由于集成芯片功耗大，而且对15M高频率交流信号的放大倍数很小，而且易衰减，不稳定。方案二用9018三极管等分立元件构成的LC谐振放大器。根据谐振回路的特性，谐振放大器对于靠近谐振频率的信号，有较大的增益；对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降。谐振放大器不仅有放大作用，而且也起着滤波或选频的作用。综合考虑采用方案二。24控制系统AGC的论证与选择方案一利用可增益集成芯片AD603。AD603的功耗比较大，对于高频信号放大的效果很差，而且易失真。方案二通过控制三极管集电级电流IC来调节其电流放大系数,从而实现AGC功能。综合考虑采用方案二。3系统理论分析与计算31PI型衰减器图1描绘了基本的PI型衰减器以及它的设计方程。调整分流电阻R1和串联电阻R3以满足衰减值A20LOGK，同时提供与系统特性阻抗匹配的输入输出阻抗。当PIN管工作在高于其截止频率FC时，它可以用作为流控可变电阻。故可用三个PIN管代替PI型电路中的固定电阻来构造一个可变衰减器。32放大电路增加电信号幅度或功率的电子电路。应用放大电路实现放大的装置称为放大器。它的核心是电子有源器件2，如电子管、晶体管等。为了实现放大，必须给放大器提供能量。常用的能源是直流电源，但有的放大器也利用高频电源作为泵浦源。放大作用的实质是把电源的能量转移给输出信号。输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。现代电子系统中，电信号的产生、发送、接收、变换和处理，几乎都以放大电路为基础。20世纪初，真空三极管的发明和电信号放大的实现，标志着电子学发展到一个新的阶段。20世纪40年代末晶体管的问世，特别是60年代集成电路的问世，加速了电子放大器以至电子系统小型化和微型化的进程。放大电路的基本形式有3种共发射极放大电路，共基极放大电路和共集电极放大电路。在构成多级放大器时，这几种电路常常需要相互组合使用。现代使用最广的是以晶体管（双极型晶体管或场效应晶体管）放大电路为基础的集成放大器。大功率放大以及高频、微波的低噪声放大，常用分立晶体管放大器。高频和微波的大功率放大主要靠特殊类型的真空管，如功率三极管或四极管、磁控管、速调管、行波管以及正交场放大管等。放大电路的前置部分或集成电路元件变质引起高频振荡产生“咝咝“声，检查各部分元件，若元件无损坏，再在磁头信号线与地间并接一个1000PF0047伏的电容，“咝咝“声若不消失，则需要更换集成块。三极管放大电路一、共发射极放大电路2,3共发射极放大电路简称共射电路，输入端AA外接需要放大的信号源；输出端BB外接负载。发射极为输入信号UI和输出信号UO的公共端。公共端通常称为“地”（实际上并非真正接到大地），其电位为零，是电路中其他各点电位的参考点，用“”表示。1电路的组成及各元件的作用（1）三极管VNPN管，具有放大功能，是放大电路的核心。（2）直流电源VCC使三极管工作在放大状态，VCC一般为几伏到几十伏。（3）基极偏置电阻RB它使发射结正向偏置，并向基极提供合适的基极电流（。RB一般为几十千欧至几百千欧。（4）集电极负载电阻RC它将集电极电流的变化转换成集射极之间电压的变化，以实现电压放大。RC的值一般为几千欧至几十千欧。（5）耦合电容C1、C2又称隔直电容，起通交流隔直流的作用。C1、C2一般为几微法至几十微法的电解电容器，在联结电路时，应注意电容器的极性，不能接错。2放大电路的静态分析3静态是指放大电路没有交流输入信号（UI0）时的直流工作状态。静态时，电路中只有直流电源VCC作用，三极管各极电流和极间电压都是直流值，电容C1、C2相当于开路，其等效电路如图622所示，该电路称为直流通路。对放大电路进行静态分析的目的是为了合理设置电路的静态工作点（用Q表示），即静态时电路中的基极电流IBQ、集电极电流ICQ和集射间电压UCEQ的值，防止放大电路在放大交流输入信号时产生的非线性失真。三极管工作于放大状态时，发射结正偏，这时UBEQ基本不变，对于硅管约为07V，锗管约为03V。3放大电路的性能指标分析电压放大倍数、输入电阻和输出电阻是放大电路的三个主要性能指标，分析这三个指标最常用的方法是微变等效电路法，这是一种在小信号放大条件下，将非线性的三极管放大电路等效三、功率放大电路1功率放大电路3,4的基本概念功率放大电路的任务是输出足够的功率，推动负载工作，例如扬声器发声、继电器动作、电动机旋转等。功率放大电路和电压放大电路都是利用三极管的放大作用将信号放大，不同的是功率放大电路以输出足够的功率为目的，工作在大信号状态，而电压放大电路的目的是输出足够大的电压，工作在小信号状态。功率放大电路应满足以下要求3（1）输出功率足够大为了获得较大的输出信号电压和电流，往往要求三极管工作在极限状态。实际应用时，应考虑到三极管的极限参数PCM、ICM和UBRCEO。（2）效率高所谓效率是指功率放大电路向负载输出的信号功率与直流电源提供的功率之比。功率放大电路在输出信号功率的同时，晶体管本身也发热损耗功率，称为管耗。显然，为了提高效率，应尽量减小管耗。（3）非线性失真小功率放大电路在大信号的工作状态，很容易产生非线性失真，因此需要采取措施，减小非线性失真。2互补对称功率放大电路（1）双电源互补对称功率放大电路4双电源互补对称功率放大电路简称OCL电路，V1管和V2管为参数特性对称一致的NPN和PNP管，它们的基极连在一起作为输入端，发射极连在一起直接接负载RL。显然，V1管和V2管均为射极输出器接法。（2）工作原理静态工作分析由于V1管和V2管的基极都未加偏置电压，因此静态时，两管都不导通，静态电流为零，管子工作在截止区，电源不供给功率。由于电路对称，因此发射极电位为零，负载上无电流。动态工作分析设输入信号为正弦电压UI，如图630A所示。在正半周时，V1管发射结正偏导通，V2管发射结反偏截止，由VCC提供的电流IC1经V1管流向负载，在负载RL上获得正半周输出电压UO。同理，在负半周时，V1管发射结反偏截止，V2管发射结正偏导通，由VCC提供的电流IC2从VCC端经负载流向V2管，在RL上获得负半周输出电压UO。可见，在UI的整个周期内，V1管和V2管轮流导通，相互补充，从而在RL上得到完整的输出电压UO，故称为补对称功率放大电路。由于V1管和V2管均为射极输出器接法，因此UOUI，交越失真及其消除方法在上述电路中，V1管和V2管的基极都未加偏置电压，静态时UBE0。由于三极管有一死区电压，当UI小于死区电压时，两管均不导通，输出为零，只有当UI增加到大于死区电压时，管子才导通，因此，当输入正弦电压UI时，在输出电压UO的正负半周交接处出现失真，3集成功率放大电路简介集成功率放大电路是将功率放大电路中的各个元件及其联线制作在一块半导体芯片上的整体。它具有体积小、重量轻、可靠性高、使用方便等优点，因此在收录机、电视机及伺服放大电路中获得广泛应用。四、多级放大电路简介实际应用中，放大电路的输入信号都是很微弱的，一般为毫伏级或微伏级。为获得推动负载工作的足够大的电压和功率，需将输入信号放大成千上万倍。由于前述单级放大电路的电压放大倍数通常只有几十倍，所以需要将多个单级放大电路联结起来，组成多级放大电路对输入信号进行连续放大。多级放大电路6,7中，输入级用于接受输入信号。为使输入信号尽量不受信号源内阻的影响，输入级应具有较高的输入电阻，因而常采用高输入电阻的放大电路，例如射极输出器等。中间电压放大级用于小信号电压放大，要求有较高的电压放大倍数。输出级是大信号功率放大级，用以输出负载需要的功率。多级放大电路的级间耦合方式及特点在多级放大电路中，级与级之间的联结方式称为耦合。级间耦合时应满足以下要求各级要有合适的静态工作点；信号能从前级顺利传送到后级；各级技术指标能满足要求。33高频小信号调谐放大器的原理分析331小信号调谐放大器主要特点1频率较高中心频率一般在几百KHZ到几百MHZ频带宽（2F07）在几KHZ到几十MHZ2小信号信号较小，所以工作在线性范围内甲类放大器332小信号调谐放大器质量指标1增益（放大系数）2通频带放大器的电压增益下降到最大值的07（即1/2）倍时，上、下限频率之间的频率范围称为放大器的通频带，用B2F07表示。也称为3DB带宽。3选择性从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。矩形系数表示与理想滤波特性的接近程度。抑制比表示对某个干扰信号FN的抑制能力，用DN表示。4工作稳定性指放大器的工作状态直流偏置、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定。5）噪声系数与低频放大器一样，选频放大器的输出噪声也来源于输入端和放大电路本身。通常用信噪比来表示噪声对信号的影响，电路中某处信号功率与噪声功率之比称信噪比。信噪比越大，信号质量越好。噪声系数是用来反映电路本身噪声大小的技术指标。其定义为输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值。噪声系数越接近于1，说明放大器的抗噪能力越强，输出信号的质量越好。333谐振频率放大器调谐回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，理论上，对于LC组成的并联谐振电路，谐振频率的表达式为式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；C为调谐回路的总电容。谐振频率的测试方法放大器的调谐回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，可以用扫频仪测出电路的幅频特性曲线，另外，也可以通过点频法改变输入信号频率，得到输出增益随频率变化的幅频特性曲线，电压谐振曲线的峰值即对应谐振频率点。334晶体管高频小信号等效电路等分析方法高频小信号放大器7由于输入信号幅值小，可以认为晶体管工作在线性区，经常采用有源线性四端网络进行分析。如图21，22所示，Y参数等效电路和混合等效电路是描述晶体管高频小信号下工作状况的重要模型。图21混合等效电路图图22Y参数等效电路Y参数等效电路与混合等效电路参数的转换，用混合参数表示的Y参数335电容抽头部分接入电路图23接入系数21CN335单级调谐回路谐振放大器电路原理图24单级单调谐回路谐振放大器图24是一个单级单调谐回路谐振放大器8的原理图，理论上分析，谐振时电压增益放大器的增益可用带宽表示为其中单调谐放大器的选择性用矩形系数来表示为34多级放大器的设计原则多级放大器时，必须处理好各项指标之间的矛盾，包括合理地选择电路形式，半导体器件类型和谐振回路的参数。为了减少级数和简化电路9，一般都采用增益较大的共发电路。电路形式锁定以后，根据对增益的要求和每级放大器可能达到的稳定增益，确定放大器的级数。然后根据通频带和选择性的要求，确定选用谐振电路的形式和谐振回路的个数。多级放大器13中的每级增益都受到最大稳定增益的限制。为了保证多级小信号调谐放大器稳定地工作，一般采取如下措施（1）选用CBC小的晶体管，或采用减小CBC影响的电路，如采用中和电路，共发共基组合电路等。（2）采用增加插入损耗（回路上并联电阻），增加失配损耗（适当的回路插头）或减小静态工作点电流等方法降低放大器的增益，使它低于单级的最大稳定增益。（3）避免由于电源内阻，引线分布参数等外部因素引起放大器工作的不稳定，因此应加强各级电源馈电的滤波去耦，电路布线时注意导线的走线方向，高频地电位点采用就近接地，级间利用地线隔离等。（4）在发射极回路上串接负反馈电阻，电阻阻值一般在200以下。常用的一些电路，如电视接收机的图像中频放大电路34级，增益40DB以上，从电路结构上，多采用共射共基混合连接电路，另外也可以选用集成宽带放大电路和具有相应选频特性的窄带滤波器构成谐振放大电路。4电路设计41系统总体框图设计系统总体框图如图31所示。图41系统总体框图42衰减器电路原理图设计R150R250R325K123J1123J21234J12图32衰减器子系统框图43LC谐振放大器电路原理图图1LC谐振放大器子系统框图44电源电源由直流稳压源提供5V。45电路分析1由于实验室提供信号是05V，而需要的输入信号是5MV，所以需要衰减100倍，通过PI衰减器来实现；得到的输出信号就是我们需要的输入信号5MV；2将得到的输入信号进行一级放大，先通过一个电容C1，通交流隔直流，然后进入一个共射放大电路；图1中,C1,C2为耦合电容,耦合就是起信号的传递作用,电容器能将信号信号从前级耦合到后级,是因为电容两端的电压不能突变,在输入端输入交流信号后,因两端的电压不能突变因,输出端的电压会跟随输入端输入的交流信号一起变化,从而将信号从输入端耦合到输出端。但有一点要说明的是,电容两端的电压不能突变,但不是不能变。在图1中各个电阻的设定则取决于静态工作点的设置，静态工作点的设置为UCE接近于电源电压的一半,这是为了使信号正负能有对称的变化空间,在没有信号输入的时候,即信号输入为0,假设UCE为电源电压的一半,我们当它为一水平线,作为一个参考点。当输入信号增大时,则IB增大,IC电流增大,则电阻R2的电压U2ICR2会随之增大,UCEVCCU2,会变小。U2最大理论上能达到等于VCC,则UCE最小会达到0V,这是说,在输入信增加时,UCE最大变化是从1/2的VCC变化到0V同理,当输入信号减小时,则IB减小,IC电流减小,则电阻R2的电压U2ICR2会随之减小,UCEVCCU2,会变大。在输入信减小时,UCE最大变化是从1/2的VCC变化到VCC。这样,在输入信号一定范围内发生正负变化时,UCE以1/2VCC为准的话就有一个对称的正负变化范围,所以一般图1静态工作点的设置为UCE接近于电源电压的一半。为了电路的稳定性，采用了分压配置电路，在这电路中直流电源为5V，由于谐振频率是15MHZ，电容采用001UF，由公式得到L0112H一般R7取100300，我选择R8300欧，R610欧；有一个电流要估算的,就是流过R1的电流了,一般取值为IB的10倍左右,取00006A。则R149V/000068KR209V/00006A15K考虑到实际上的值可能远大于100,所以R2的实际取值为47K。三极管则选用S9018，所以我选择R42K，在加上一个滑动变阻器10K来调节，R5则为15K；综上所述我选择的元器件为R42K，R710K，R515K,C1001UF,C2001UF,C5001UF,R610欧,R8300欧；3将在C2出得到的信号输入第二级放大模块，第二级放大模块与第一级放大模块一样，都是放大10倍，所以选用的元器件相同；4在C3出得到的信号就是我们所需的信号，即放大100倍，中心频率为15MHZ的信号。5系统测试51测试条件与仪器测试条件检查多次，硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器模拟示波器、数字示波器、数字万用表、高频信号发生器、频率特性测试仪52测试结果及分析1测试结果数据输入信号频率输出信号频率5MV15MHZ05V15MHZ此实验得到的数据基本符合所需要求。2测试结果波形波形虽然有一定误差，但基本符合实验要求。53数据误差分析及改进上述数据以及波形存在一定误差，这是由于多种元素造成的，但基本能达到要求，如果需要在进一步，需要注意以下几点1需要添加电容来滤波；2做电路板时需要覆铜来减低干扰；3仪器的精密度要提升；4计算时要更精确更周密；参考文献1白城师范学院学报J2011年05期2韩敬东,半导体器件与基本放大电路M机械工业出版社,2010031051793房国志,模拟电子技术基础M国防工业出版社,2007070136654孙成林，杨晓剑电子线路M北京理工大学出版社20098145565朱代先,高频电路原理及应用M西安电子科技大学出版社2011年9月56896胡斌