课程设计（论文）-宽带中频放大电路的设计.doc

课程设计说明书 第I页 宽带中频放大电路的设计 摘 要 中频放大器是功率放大器的一种，同时具有选频的功能，即对特定频段的 功率增益高于其他频段的增益。同时，它也是组成超外差接收机的一种，其任 务是把变频得到的中频信号加以放大，然后送到检波器检波，具有工作频段较 低，选择性好，工作稳定性好等特点。因此，中频放大电路在实际应用中对超 外差收音机、选择性和通频带等性能指标起着极其重要的作用。在本次宽带中 频放大的课程设计中，主要是通过超外差电路的工作原理来设计单元电路中各 个独立的元件电路，然后对于整机电路和在此电路基础上的扩展电路进行设计， 最后用仿真软件，进行仿真，调试，完成电路设计。 关键词：超外差电路，宽带中频，放大器 课程设计说明书 第II页 目 录 1 绪 论.1 1.1 超外差接收机的结构.1 1.2 超外差接收机的分析.2 1.3 超外差接收机的发展.3 2 设计过程.4 2.1 宽带中频放大电路整机设计.4 2.2 单元电路设计.4 2.2.1 输入级电路设计.4 2.2.2 谐振放大器.6 2.2.3 单管单调谐放大器.7 2.2.4 多级单调谐放大器.7 2.2.5 谐振放大器的稳定性.8 2.3 宽带中频放大器.9 2.4 展宽放大器频带的方法.10 3 宽带中频放大电路原理图.12 总 结.13 致 谢.14 参考文献.15 课程设计说明书 第1页 1 课题描述（概述，简介） 简要介绍课题内容，意义之类。21 世纪人类已进入信息时代，人们可用各 种方式方便快捷地传递与接收信息。信息是一个抽象的概念。信息的具体形式 有：语言、文字、符号、音乐、图形、图像和数据。各种类型的信息对人类社 会生活产生极大的影响，如军事信息影响战争的性质，甚至决定国家民族的存 亡；经济信息影响交易的成功和公司的兴衰等。 通信的主要任务是传递信息，即将经过处理的信息从一个地方传递到另一 个地方。传递信息既可以通过有线信道，也可以通过无线通信，即进行有线通 信或无线通信。由于无线电波能方便快捷地在空间传播，所受限制减少，因此 广泛应用于广播、电视、通信、雷达和导航等领域。无线电波通过无线通信系 统进行信息的传输，这里主要介绍一下无线通信系统中接收设备的相关内容。 无线通信接收设备的工作过程与发射设备相反，它的任务是把空间传来的 电磁波接受下来，选出所需的已调波信号，并把它还原为原来的调制信号，以 推动输出变换器，获得所需的信息。从高频已调波中“取出”调制信号的过程称 为解调。由于已调波的调制方式有三种，因此解调也有三种方式，即检波（条 幅波的解调）、鉴频（调频波的解调）和鉴相（调相波的解调）。 目前，无论是无线电广播接收机（收音机），还是电视接收机（简称电视 机）、通信接收机、雷达接收机等都毫无例外地采用“超外差”接收机的形式， 这几类接收机的组成与工作原理大同小异。其中超外差收音机中频放大器用来 放大中频信号，把所接收的信号变成中频后，得到的放大倍数高且稳定。我国 调幅收音机中频 465Khz，调频收音机 10.7Mhz。 1.1 超外差接收机的结构 超外差接收机是利用本地产生的振荡波与输入信号混频，将输入信号频率 变换为某个预先确定的频率的方法。这种方法是为了适应远程通信对高频率、 弱信号接收的需要，在外差原理的基础上发展而来的。外差方法是将输入信号 频率变换为音频，1919 年利用超外差原理制成超外差接收机。这种接收方式的 课程设计说明书 第2页 性能优于高频（直接）放大式接收，所以至今仍广泛应用于远程信号的接收， 并且已推广应用到测量技术等方面。 超外差接收机方框图如图 1 所示。本地振荡器产生频率为 f0的等幅正弦信 号，输入信号是一中心频率为 fs 的已调制频带有限信号,通常 f0fs。这两个信 号在混频器中变频,输出为差频分量,称为中频信号 fi= f0-fs 为中频频率。输出的 中频信号除中心频率由 fs 变换到 fi 外，其频谱结构与输入信号相同。因此，中 频信号保留了输入信号的全部有用信息。 从天线接收的信号经高频放大器放大， 与本地振荡器产生的信号一起加入混频器变频，得到中频信号，再经中频放大、 检波和低频放大，然后送给扬声器。接收机的工作频率范围往往很宽，在接收 不同频率的输入信号时，可以用改变本地振荡频率 f0的方法使混频后的中频 fi 保持为固定的数值。 图 1 超外差接收机方框图 1.2 超外差接收机的分析 从天线接收到的微弱高频信号 V1（一般为几微伏至几百微伏）先经过一级 或几级高频小信号放大器放大为 V2。然后送至混频器与本地振荡器所产生的等 幅震荡电压 V3相混合，所得到的输出电压 V4包络线形状不变，仍与原来的信 号波形相似，但载波频率则转换为 V2与 V3两高频频率之差（或和）。这叫中 频。中频电压 V4再经中频放大器放大为 V5，送入检波器，得检波输出电压 V6。最后 V6再经低频放大器放大为 V7，送到扬声器（或耳机）中转变为声音 信号。 课程设计说明书 第3页 超外差接收机的核心是混频器部分。混频器的作用是将接收到的不同载波 频率转变为固定的中频。这种作用就是所谓的超外差作用，这也就是超外差接 收机名称的由来。由于中频固定，因此中频放大器的选择性与增益都与接收的 载波频率无关。这就克服了直接放大式的缺点。混频器和本地振荡器往往共用 一个电子器件，合并为一个电路，这时就加做变频器。对于调频等其他调制形 式信号的接收，同样也是采用超外差式的原理，只是解调的方法有所不同。 超外差接收机具有如下突出的优点： 容易得到足够大而且比较稳定的放大量。 具有较高的选择性和较好的频率特性。这是因为中频频率 fi 是固定的， 所以中频放大器的负载可以采用比较复杂、但性能较好的有源或无源网络，也 可以采用固体滤波器，如陶瓷滤波器、声表面波滤波器等。 容易调整。除了混频器之前的天线回路和高频放大器的调谐回路需要与 本地振荡器的谐振回路统一调谐之外，中频放大器的负载回路或滤波器是固定 的，在接收不同频率的输入信号时不需再调整。 超外差接收机的主要缺点是电路比较复杂，同时也存在着一些特殊的干扰， 如像频干扰、组合频率干扰和中频干扰等。例如，当接收频率为 fc 的信号时,如 果有一个频率为 fc= f1+fi 的信号也加到混频器的输入端，经混频后也可以产生| f1-fc|=fi 的中频信号,形成对原来的接收信号 fc 的干扰，这就是像频干扰。解决 这个问题的办法是提高高频放大器的选择性，尽量把由天线接收到的像频干扰 信号滤掉。另一种办法是采用二次变频方式。 二次变频超外差接收机的框图如图 2。第一中频频率选得较高，使像频干 扰信号的中心频率与有用输入信号 Uc 的中心频率差别较大，使像频信号在高 频放大器中受到显著的衰减。第二中频频率选得较低，使第二中频放大器有较 高的增益和较好的选择性。 高频 放大 器 第一 混频 器 第一 中频 放大 器 第二 混频 器 第二 中频 放大 器 低频 放大 器 检波 器 第一本地振荡器 第二本地振荡器 输出 课程设计说明书 第4页 图 2 二次变频超外差接收机的框图 1.3 超外差接收机的发展 随着集成电路技术的发展，超外差接收机已经可以单片集成。例如， 有一种单片式调幅-调频（AM/FM）接收机，它的 AMFM 高频放大器、 本 地振荡器、 混频器、AM/FM 中频放大器、AM/FM 检波器、音频功率放大器 以及自动增益控制(AGC)、自动频率控制(AFC)、调谐指示电路等(共 700 个元 件)均集成在一个面积为 2.43.1 毫米芯片上，它的工作电压范围为 1.89 伏， 工作于调幅与调频方式的静态电流分别为 3 毫安和 5 毫安。 1 简要介绍课题内容，意义之类。 2 设计原理（包括结构框图，和各个部分工作原理，每一模块完成的工作）设 计过程 3 硬件设计（各个模块的电路图，用 PROTEL 画原理图，然后结合电路图介绍 分析工作过程，信号流向原理，本大节最后，要有整体电路图，即总图） 4 软件设计（较简单的话，只有流程和程序即可。如果较复杂，则分模块画出 流程图，并分别简要附上主要程序即可。） 5 调试或性能分析（尽量有，本部分主要结合软硬件结合的情况，分析设计的 性能，并提出不足之处和改进意见之类的） 2.1 宽带中频放大电路整机设计 用来放大接收机中频信号的放大电路被称为中频放大器，其作用是将变频 级送来的中频信号进行放大，一般采用变压器耦合的多级放大器。中频放大器 课程设计说明书 第5页 是超外差式收音机的重要组成部分，直接影响着收音机的主要性能指标。质量 好的中频放大器应有较高的增益，足够的通频带和阻带（使通频带以外的频率 全部衰减），以保证整机良好的灵敏度、选择性和频率响应特性。 在接收机中，由于中频频率较低，且频率固定不变，可以很容易地得到较 高的增益，为下一级提供足够大的输入，所以中频放大电路的应用非常广泛。 但是，无线电信号强弱差异很大，中频放大器本身也有一定的动态范围，输入 信号增大时会出现失真，因此常采用 AGC 电路自动调节中频放大器的增益，使 中放输出信号电平基本保持不变。中频放大器有单调谐放大器、双调谐放大器， 参差调谐放大器， 宽带放大器和集中滤波等多种电路形式。本次课程设计用 的是宽带中频放大器的电路组成形式，来实现主要技术指标为：1.中心频率 10.7MHZ；2.通频带 150KHZ；3.总增益 40dB；4.输入电压 1mv 的中频放大电 路。 宽带中频放大电路整机设计的框图如下图 3 所示： 变频级输 出信号 中频 输入 级 一级 中放 二级 中放 频带 展宽 中频 输出 图 3 宽带中频放大电路整机框图 2.2 单元电路设计 2.2.1 输入级电路设计 1）阻抗变换电路 阻抗变换电路是在串、并联等效电路的基础上，对电路进行等效变换，从 而达到简化电路图、方便识图的目的。所谓等效，就是指电路工作在某一频率 时，不管其内部的电路形式如何，从端口看过去其阻抗或者导纳是相等的。 课程设计说明书 第6页 （a） （b） 图 4 串联串、并联阻抗的等效互换 当品质因数足够高时，小的串联电阻变为大的并联电阻，串联电抗变为同 性质的并联电抗。由电阻元件和电抗元件组成的阻抗电路的串联形式与并联形 式可以互相转换， 而保持其等效阻抗/导纳不变。 为了减小信号源或负载电阻对谐振回路的影响，信号源或负载电阻不是直 接接入回路，而是经过一些简单的变换电路，将它们部分接入回路。常用的电 路形式有变压器耦合连接、自耦变压器抽头电路和双电容抽头电路。阻抗变换 原理如下图 5： 图 5 阻抗变换原理图 2）自耦变压器阻抗变换电路 图 6 自耦变压器阻抗变换电路 3）变压器阻抗变换电路 课程设计说明书 第7页 图 7 变压器阻抗变换电路 2.2.2 谐振放大器 由晶体管、 场效应管或集成电路与 LC 并联谐振回路组成的高频小信号谐 振放大器广泛用于广播、电视、通信、雷达等接收设备中, 其作用是将微弱的 有用信号进行线性放大并滤除不需要的噪声和干扰信号。 谐振放大器的主要性能指标是电压增益、通频带、矩形系数和噪声系数。 由于谐振放大器的工作频段较窄， 故采用晶体管 Y 参数等效电路进行分析比 较合适。 图 8 晶体管共发射极电路 图 9 参数等效电路 称为输出短路时的输入导纳； 0 2 1 r 1 V V I y 0 1 2 f 2 V V I y 0 2 2 o 1 V V I y 称为输入短路时的反向传输导纳； 称为输出短路时的正向传输导纳； 称为输入短路时的输出导纳。 0 1 1 i 2 V V I y 2.2.3单管单调谐放大器 如下图10所示为单调谐回路谐振放大器的原理电路（a）与等效电路图（b）。 课程设计说明书 第8页 图 （a） 为了分析单管单调谐放大器的电压增益, 图（b）给出了其等效电路。其中 晶体管部分采用了 Y 参数等效电路, 忽略了反向传输导纳re的影响。输入信 号源用电流源 Is 并联导纳 Ys 表示, 负载假定为另一级相同的单调谐放大器, 所 以用晶体管输入导纳ie表示。 图 （b） 图 10 单调谐回路谐振放大器的原理电路（a）与等效电路图（b） 通常需要多级放大器来提供足够高的增益和足够好的选择性，从而为下一 级（例如混频和检波）提供性能良好的有用信号。 2.2.4 多级单调谐放大器 如果多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上, 则称为多级单调谐放大 器。设放大器有级, 各级电压增益振幅分别为u1,u2，,un, 则总电压 增益振幅是各级电压增益振幅的乘积, 即 课程设计说明书 第9页 nu1u2un 如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则总电压增益振幅： n e n fe n n un f fQ g ynn AA 2 0 21 1 2 1 |)( )( 1) 谐振频率处电压增益振幅为： n fe n n y g nn A| 21 0 2）单位谐振函数： 22 0 0 2 1 1 )( n e n n f fQ A A fN 3) n 级放大器通频带为: 4) 选择性（矩形系数）： 2.2.5 谐振放大器的稳定性 共射电路由于电压增益和电流增益都较大, 所以是谐振放大器的常用形式。 为了提高放大器的稳定性, 通常从两个方面着手。一是从晶体管本身想办法, 减小其反向传输导纳re值。re的大小主要取决于集电极与基极间的结电容 bc（由混合 型等效电路图可知,bc跨接在输入、 输出端之间）, 所以制作 晶体管时应尽量使其bc减小, 使反馈容抗增大, 反馈作用减弱。二是从电路上 设法消除晶体管的反向作用, 使它单向化。具体方法有中和法与失配法。 中和法是在晶体管的输出端与输入端之间引入一个附加的外部反馈电路 （中和电路）, 以抵消晶体管内部参数re的反馈作用。由于re是随频率而变 化的, 所以固定的中和电容N只能在某一个频率点起到完全中和的作用, 对其 课程设计说明书 第10页 它频率只能有部分中和作用, 又因为re是一个复数, 中和电路应该是一个由电 阻和电容组成的电路, 但这给调试增加了困难。另外, 如果再考虑到分布参数的 作用和温度变化等因素的影响, 中和电路的效果很有限。 失配法通过增大负载导纳 YL, 使输出电路严重失配, 回路总电导 g增大， 输出电压相应减小, 从而反馈到输入端的电流减小, 这样对输入端的影响也就减 小了。可见, 失配法是用牺牲增益来换取电路稳定的。 2.3 宽带中频放大器 在通信系统中，处于前端的前置低噪声放大器 LNA 和混频器之后的中频放 大器需要采用宽带放大器进行小信号放大，采用集中选频滤波器进行选频。 宽频带放大器中的晶体管特性宜采用混合 型等效电路。图 11 是晶体管 高频共发射机混合 型等效电路。输出电容 Cce很小，可以忽略。 图中各元件名称及典型值范围如下： bb：基区体电阻, 约 1550。 be：发射结电阻 re 折合到基极回路的等效电阻, 约几十欧姆到几千 欧姆。 bc：集电结电阻, 约 10k10M。 ce：集电极发射极电阻, 几十千欧姆以上。 Cbe：发射结电容, 约十皮法到几百皮法。 Cbc：集电结电容, 约几皮法。 m：晶体管跨导, 几十毫西门子以下。 图 11 晶体管高频共发射机混合 型等效电路 课程设计说明书 第11页 2.4 展宽放大器频带的方法 在宽带放大电路中，要展宽通频带，也就是要提高上限截止频率，主要有 组合电路法、负反馈法和电感串并联补偿法等几种方法。 （1） 组合电路法：在集成宽频带放大器中广泛采用共射共基组合电路。 在集成电路中, 可以采用共射共基差分对电路。 （2）负反馈法 调节负反馈电路中的某些元件参数，可以改变反馈深度，从而调节负反馈 放大器的增益和频带宽度。如果以牺牲增益为代价，可以扩展放大器的频带， 其类型可以是单级负反馈，也可以是多级负反馈。 （3）电感串并联补偿法 在晶体管集电极上接入电感，和放大器输出端等效电容组成 LC 并联回路， 可以提高放大器的上限截止频率。现以图 12（a）所示电路为例说明其工作原 理，（b）图是（a）图的高频等效电路。 图中 Co 是包括晶体管输出电容、负载电容等在内的总等效电容，Lc 是外 加补偿电感。未接入 Lc 前，放大器输入端等效电容和输出端等效电容的容抗值 随信号频率的增高而逐渐下降， 从而使放大器的电压增益也逐渐减小，上限截 止频率受到限制。接入 Lc 后， Lc 和 Co 组成并联谐振回路。如果使回路谐振 频率位于放大器原幅频特性曲线高频段的下降处， 且谐振曲线不很尖锐（可以 通过适当增大电阻 Rc 使回路 Q 值减小而做到） ，可以使放大器的幅频特性在高 频端得到提升，上限截止频率增高。 也可以采用多个电感串联或并联接入方式 进行补偿， 展宽频带。电视接收机中的视频放大电路常常采用这种方法。目前， 由于在 CMOS 集成工艺上已经可以制作低 Q 值电感，因此这种方法可用于设计 带宽高达几吉赫兹的集成宽带放大器。 课程设计说明书 第12页 （a）（b） 图 12 集电极电感并联补偿电路 3 宽带中频放大电路原理图 图 13 宽带中频放大电路原理图 课程设计说明书 第13页 本次课程设计的宽带中频放大电路由阻抗变换输入信号、一级中放、二级 中放、频带展宽和射极跟随器输出信号等单元电路组成，这样设计的优点是在 稳定展宽频带的同时，较好的实现了中频信号的两级放大，起到了一定程度上 抑制干扰信号的作用。同时，还有良好的限幅性能。 主要性能参数： 1）工作频率：f0=10.7MHz； 2）回路中放增益：AU=40DB； 3）晶体管 3DG39：IEQ=2mA，f0=10.7MHz，gie=200us,Coe=7Pf，|yfe|=45Ms， |yre|0。 4）输入电压 Ui=1