高频课程设计-高频小信号调谐放大器

通信电子线路课程设计说明书高频小信号调谐放大器 学 院： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称 副教授 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子1302 学 号： 13303402 完成时间： 2016年1月8日 ii摘 要高频小信号放大器广泛用于广播、电视、通信、测量仪器等设备中。它能感应到的众多微弱高频小信号（输入信号电压一般在uV至mV量级附近的信号），然后利用LC谐振回路作为选频网络，和三极管的放大作用,选出有用的频率信号加以放大，并且对于无用的频率信号进行抑制。所以位于接收机接收端的高频小信号谐振放大器是构成无线电通信设备的重要电路。该课题所设计的谐振放大器主要由放大器和调谐回路两部分组成，设计过程中，先在Multisim10电路仿真软件上进行了电路仿真，然后结合实际情况，绘制原理图，购买元器件画PCB电路图，最后进行了实物制作和调试。实际电路里，使用10MHz的中周代替了不易调节的LC选频回路，选用了s9014三极管来实行放大环节的放大，而射极电阻选了一个电位器，用于调整射极电阻从而改变放大器的放大增益。仿真及实物调试结果：谐振频率在10MHz,电路也有一定的增益，说明设计成功。关键词：高频小信号；LC谐振回路；s9014 目录1 绪论i 1.1 课题的研究意义i2 电路分析及原理分析iii 2.1 单元电路分析iii 2.2 整体电路分析iv3 性能指标viii 3.1 电压增益viii 3.3 通频带ix 3.4 矩形系数ix4 仿真与调试结果x4.1仿真结果分析x4.2 实物调试数据xi4.3 性能指标计算xi4.4 误差分析xi心得体会xiii参考文献xiv致 谢xv附 录xvi附录Axvi附录Bxvii附录Cxviii附录Dxix1 绪论1.1 课题的研究意义随着科学技术的不断发展，无线电技术广泛应用于国民经济、军事和人们日常生活的各个领域，技术水平也越来越高。在无线电通信系统中，电信号是通过无线以电磁波的形式向空间辐射传输的。所以在无线电技术中，经常会面对这样的问题，所接受到的信号很弱，很容易受到其他信号和噪声等的干扰，而且在长距离的通信运输中信号也会衰减和，到达接收设备的信号变得非常弱，很难保证信息的准确性。故在传输过程中，要对接收到的信号进行选频和放大，保证传递到接收设备上的信息的准确性，减少失误。这样就要利用高频小信号调谐放大器来实现。小信号指输入信号电压一般在uV至mV量级附近的信号，中心频率在几百KHz到几百MHz,频谱在宽度在几MHz到几十MHz的范围内的微弱信号。调谐指放大器的集电极负载为调谐回路（如LC谐振回路）。调谐放大器会将需要谐振频率内的小信号进行放大，远离的频率信号抑制，从而把接收到的小信号进行选频放大，确保把信号准确的传递到接收设备上。所以研究这个课题对于通信系统里小信号的接收与传输的研究起着至关重要的意义。2 电路分析及原理分析2.1 单元电路分析2.1.1 小信号放大电路图1 小信号放大模块小信号放大模块按晶体管连接方法可区分：共基极、共发射极和共集电极放大器。共射极放大电路：电压和电流增益都大于1，适用于低频情况；共集电极放大电路：只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用；共基极放大电路：只有电压放大没有电流放大。输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性好，常用于高频放大电路中：综上该课题设计采用共基极放大电路。从图1小信号放大模块可知，这部分的作用的是对所接受到的微弱信号通过晶体管进行信号放大。三极管选用了放大倍数在100-200倍之间的2N3904，在实物制作时用了差不多放大倍数的s9014。和及可调电阻串联的射极电阻决定了晶体管的静态工作点。而且改变的大小可以改变放大器的增益。实物制作时射极电阻用电位器代替，实现电阻可调，增益可调。2.1.2 选频网络谐振回路有电感和电容构成，它们的连接方式不一样，形成的谐振回路也不一样。串联为串联谐振回路，并联为并联谐振回路。它具有选择信号及阻抗变换，两个或更多个谐振回路串联可以构成带通滤波器。在LC并联谐振回路中，当时，回路产生谐振，其等效阻抗为纯电阻且最大。故并联谐振回路的谐振频率为：。该课题仿真设计选用LC并联谐振回路，但在考虑到LC回路在现实中不方便调谐，故而实物制作时我们选用了10MHz的中周代替。图2 选频网络2.2 整体电路分析图3 高频小信号放大器如图3可看出整体的电路设计，信号由信号源产生，从三极管基极输入，然后通过了晶体管的放大，从集电极输出放大信号，到达LC谐振回路，进行了选频，如此输出放大的有用信号。单调谐放大器通频带窄,选择性一般,但是因其电路简单、调整方便，故选用单调谐回路为设计电路。2.2.1 静态分析图4 直流偏置电路 图4是调谐放大器的直流偏置通路，从此可以看出，、为基极分压式偏置电阻，为发射极负反馈偏置电阻，改变可以调整增益的大小。 其静态工作点计算： （1） （2） 对于硅管而言，一般取值0.7V;而对于锗管而言，一般取值0.2V。 （3） （4） 工程上一般取=（3-5）V，而VCC已知是12V,所以由公式（1）可得=1/3,故而,令,则。2.2.2 动态分析图5 交流通路 图5是调谐放大器的交流通路。在图中可看出放大器由输入电路、晶体管和输出回路组成。调谐放大器的输出回路是由LC并联谐振回路、输出变压器及负载构成。电容C与变压器的初级绕组电感L构成了并联谐振回路，实现了选频和阻抗变换。因为晶体管要实现晶体管输出阻抗与负载间的阻抗匹配，减少晶体管输出阻抗对调谐回路的影响，所以在晶体管的输出端以线圈抽头以电感分压式接入电路，使得输出导纳和调谐回路的1、2端并联。 （a）晶体管双口网络 (b) Y参数等效电路 （c）变换后的Y参数等效电路 (d) 参数合并后的等效电路图6 单调谐放大器的等效电路在设计中信号的放大由晶体管完成。在小信号运用的情况下，晶体管可忽略其非线性特点而近似为线性元件。设计时利用把晶体管视为一个二端口网络的网络模型。根据二端口网络的理论，以及考虑到晶体管是电流受控元件特性，采用Y参数等效电路来计算晶体管的等效。对于一个晶体管，如图6(a）所示，取电压作为自变量，电流和作为因变量，则可写出晶体管的Y参数的网络方程。 (5) (6) 由公式（5），令，则晶体管输出交流短路，输入导纳，正向传输导纳=。 由公式（6）令，则晶体管输入交流短路，反相传输导纳，输出导纳=。 将晶体管用Y参数等效电路代替则得到图6（b）Y参数等效电路，假定=0 设一次电感线圈1-2之间的匝数为,1-3之间的匝数为，二次线圈匝数为。由图可知自耦变压器的匝比和变压器一、二次间的匝比分别等于：，（7）电流源折算到谐振回路1、3两端为： =（8）将折算到谐振回路1、3端为：=+=+ （10） =,= （11）将=折算到谐振回路两端为： =+=+ （12）=，=（13） 变换后的Y参数等效电路如图6（c）。图c中的为谐振回路的空载电导，=。又将电路简化，同性质的器件参数进行合并。合并后如图6（d）： =+=+-+（14） =C+= C+（15）由此可知，放大器等效回路的谐振频率为： =（16）由上可知，晶体管的输出电容、负载电容的变化，将会使谐振回路的谐振频率发生变化。回路的有载品质因数=。因为，。故可通过选用、效的晶体管或者选用较大的匝比减小晶体管及负载对谐振回路的影响和。3 性能指标高频小信号谐振放大器主要性能指标有电压增益、通频带、选择性、矩形系数等。3.1 电压增益由图6和可求得放大器的电压增益为： = （17）当电路谐振时即输入，放大器的谐振电压增益：（18）3.2 幅频特性由电压增益可求得，谐振放大器的增益频率特性表达式为： （19）其幅频特性为： 可作出谐振曲线如图7图7 单调谐放大器的谐振曲线3.3 通频带令，可得单调谐放大器的通频带为：通频带越宽，放大器增益越小。实际中，为了不失真的放大有用信号，要求放大器通频带应大于有用信号频谱宽度。 令,得：3.4 矩形系数由此可知，单调谐放大器的矩形系数为：=10选择性表示放大器对有用信号通频带以外的各种干扰信号及噪声的滤除能力。放大器应该对通频带以内的各种信号频谱分量具有放大作用，而对于通频带以外的信号完全抑制。矩形系数越小，过渡带越陡峭，选择性越好。当矩形系数等于1是为理想状态，而单调谐放大器的矩形系数为10，所以表现出它主要的缺点是选择性较差。4 仿真与调试结果4.1仿真结果分析(a) 输入输出波形图(b) 输出频率测量图8 仿真输入输出波形和输出频率测量图8仿真结果将示波器的A端连在输入端，B端连在输出端。开始仿真，可得到输入输出波形。结果如图8（a）。根据图8可得到当输入电压为69.768mV，输出电压为3.510V.则可得出增益有50倍。虽然和要求的放大倍数有所误差，但在单调谐放大器回路下，结果较为理想。图（b）中可看到输出端的频率有9.999MHz,输入端有10MHz,可以看出误差不大。说明设计成功。4.2 实物调试数据表1 输入信号幅度与增益的关系输入信号 50mV 80mV 100mV 120mV 150mV 输出信号 1.60V 2.16V 2.50V 2.84V 3.36V增益 3227252422将信号源设定为电压50mV,频率10MHz的请况下，并把信号源接入板子的输入端。接着利用直流稳压电源，将12V的电压接入到板子上，在输出端接上示波器，用以查看波形。然后在输入不变的情况下，调节中周，使其开始振荡，在谐振点调节电位器R4，得到最大输出，从而得出最大增益。如表1可知，增益随着输入信号的变大有些减小的趋势，可得出放大器在谐振点的时候增益最大。表2 输入信号频率与增益的关系输入频率(MHz) 8.5 9 9.5 9.9 10 10.1 10.5 11 11.5 输出信号 (V) 0.34 0.48 0.88 1.56 1.60 1.58 0.96 0.48 0.34增益6.8 9.6 17.6 31.2 32 31.6 19.2 9.6 6.8将信号源调在电压50Mv,频率10MHz的请况下，这次改变输入信号的频率。如表可以看到，在10MHz时，增益最大。然后往两侧较小，离的越远，输出信号衰减的就越快。这样可以实现选频的效果。并且中心频率在10MHz。4.3 性能指标计算 由实际测得的数据可以计算出： （1）=32，故这个课设能实现32倍的放大。 （2）由表2可知，在时，输出信号最大，证明正好处在谐振点，故这个课设的谐振频率为10MHz。 （3）通过表2，可以画出幅频特性曲线，得出通频带，并且关于基本对称。4.4 误差分析设计要求中已知电源电压，负载电阻。要设计一个中心频率，电压增益的高频小信号调谐放大器。与实物的电压增益有误差。分析导致误差的原因如下：(1)、实物的实际值与理论值有一定的差距。比如实际买来的电阻、电容与仿真要求的值有差异。(2)、性能指标参数的测量方法存在一定的误差。在调谐过程中，我们通过直接观察波形的输出值的大小来确定电路是否调谐。这样调谐频率的测量值存在误差的同时，放大倍数也会出现误差。(3)、实验仪器设备的老化等也会导致电路调试过程出现误差。心得体会此次课程设计，我与张莹莹、伍峰二人一组，选的课题是高频小信号调谐放大器。刚开始的时候，觉得小信号放大器，我们在课堂上学习过，而且还做过实验，应该会很轻松的完成。但是动手后才发现，课堂上学习的东西虽然很多，但是我并没有真正的理解它，所以在制作的过程中遇到了很多问题，比如元器件的选择，参数的设计。但是在慢慢的摸索，和队友的讨论中，最后把仿真电路图设计出来。因为在LC谐振回路难以调试，故买了10MHz的中周进行实物制作。后来又发现中周出现了问题，张老师知道后帮助了我们，给了我们好的中周。后面的实物的调试时，我们没有发现波形输出，然后对板子仔细检查。发现是交流地和直流地没有连接在一起的原因，改正后，波形出现，设计成功。通过这次的设计，让我对此课题的认识更加深刻。也明白了：书上的知识只是理论性，我们要先把理论性的知识学会，将其掌握，然后实践出来，这样才能真正的掌握。在实践中，我们需要不断的尝试，不断的发现和解决问题，才能找到正确的结果。学习最怕急躁，必须要细心点，慢慢来，问题总会解决的。参考文献1、胡宴如. 高频电子线路M. 北京：高等教育出版社，20122、谢自美. 电子线路设计实验测试（第三版）M.武汉： 华中科技大学出版社， 2006.3、康华光. 电子技术基础（模拟部分）M.北京：高等教育出版社,20064、张肃文，陆兆熊. 高频电子线路M. 北京：高等教育出版社，19925、路勇.电子电路实验及仿真M. 北京：清华大学出版社，20046、陈松，金鸿.电子设计自动化技术Multisim2001&Protel 99seM. 南京：东南大学出版社，20017、夏术泉，艾青.通信电子线路M.北京：北京理工大学出版社，2010致 谢对于这次设计的成功，我觉得首先要感谢我们张松华老师在这一个学期期间对我们的理论教学，张老师的教学连贯性强，教学效率高。正是因为有了理论课堂上张老师教的理论知识，我才获得了一定的