高频电子电路设计.doc

2 目录 摘要 3 1 谐振电路 4 1 1 串联谐振回路 4 1 2 并联谐振回路 5 2 谐振放大器及其主要技术指标 6 2 1 谐振放大器及组成 6 2 2 高频小信号放大器 7 2 3 高频小信号放大器的主要质量指标 8 3 影响谐振放大器的稳定因素 9 3 1 影响放大器稳定的主要因素 9 3 2 反馈对谐振放大器的影响 11 3 2 1 自激 11 3 2 2 电磁干扰 12 4 谐振放大器稳定性措施 13 4 1 中和法 13 4 2 失配法 15 总结与体会 17 主要参考文献 17 3 摘要 所谓谐振放大器 就是采用谐振回路 串 并联及耦合回路 作负 载的放大器 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 所以 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 工作稳定性是指放大器的工作状态 直流偏量 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程度 一般 的不稳定现象是增益变化 中心频率偏移 通频带变宽 谐振曲线变形 等 极端的不稳定状态时放大器自激 致使放大器完全不能正常工作 其内部原因与反馈有关 反馈的途径有两种 一是晶体管内部的反馈 自激 二是晶体管外部电磁干扰 因此 根据这些影响因素提出了 减少传输导纳 单向化 减少噪声与干扰等稳定电路的方法 4 1 谐振电路 在具有电阻 R 电感 L 和电容 C 元件的交流电路中 电路两端的 电压与其中电流相位一般是不同的 如果我们调节电路元件 L 或 C 的参数或电源频率 可以使它们相位相同 整个电路呈现为纯电 阻性 电路达到 的这种状态我们称之为谐振 在谐振状态下 电路的总阻抗达到极值或近似达到极值 研究谐振 的目的就是要认识这种客观现象 并在科学和应用技术上充分利用谐振 的特征 同时又要预防它所产生的危害 按电路联接的不同 有串联谐 振和并联谐振之分 1 1 串联谐振回路 如图 1 1 1 在电阻 R 电感 L 及电容 C 所组成的串联电路 中 当容抗 XC与感抗 XL相等时 即 XC XL 电路中的电压 U 与电流 I 的相位相同 电路呈纯电阻性 这种现象叫 串联谐振 图 1 1 1 串联谐振回路 5 当电路发生串联谐振时 电路的阻抗 Z R 电路中总阻抗最小 电 流将达到最大值 当 X L 1 C 0 时 即有 0 此时电路发生了谐 振 并且通过谐振可以使有用的电信号通过 即当电路的激励的频率等 于电路的固有频率时 电路的电磁振荡的振幅也将达到峰值 这也是它 的选择性 同时它还必须满足一定的频带宽度 1 2 并联谐振回路 如图 1 2 1 在电感线圈 L 电容器 C 与外加信号源相互 并联的 振荡电路中 当电容的大小恰恰使电路中的电压与电流同相位 即电 源电能全部为电阻消耗 成为电阻电路时 叫作并联谐振 并联谐振是一种完全的补偿 电源无需提供无功功率 只提供电 阻所需要的有功功率 谐振时 电路的总电流最小 因此 并联谐 振也称为电流谐振 图 1 2 1 并联谐振回路 6 2 谐振放大器及其主要技术指标 2 1 谐振放大器及组成 所谓谐振放大器 就是采用谐振回路 串 并联及耦合回路 作负 载的放大器 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 而对于远离谐振频率的信号 增益迅速下降 所以 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 谐振放大器有又可分为调谐放大器 通称高频放大器 和频带放大 器 通称中频放大器 前者的调谐回路需对外来不同的信号频率进行 调谐 后者的调谐回路的谐振频率固定不变 谐振放大器组成大致有 单调谐回路谐振放大器 原理电路图如图 2 1 1 多级单调谐回路谐振放大器 双调谐回路谐振放大器 参差调 谐放大器和集中选择性放大器等 Q 2N3904 C2 R4 R3 R1R2 T C1 C3 C GND 图 2 1 1 单调谐回路谐振放大器 7 2 2 高频小信号放大器 对高频小信号放大器来说 由于信号小 可以认为它工作在晶体管 或场效应管 的线性范围内 这就允许把晶体管看成线性元件 因此 可作为有源线性四端网络来分析 它主要用在各种无线电接收设备及高 频仪表中 其主要作用是放大微弱的高频有用信号 同时抑制无用干扰 信号 其电路如图 2 2 1 1K 1K 图 2 2 1 晶体管放大器 图 2 2 2 y 参数等效电路 8 电路图 2 2 2 为晶体管的 y 参数等效电路 此等效电路不仅与晶 体管有关 而且与外电路有关 1 2 0 3 通过 1 3 可得 4 5 Yy yy Y s ie refe o yoe 由上式说明 输入导纳 YI与负载导纳 YL有关 这反映了晶体管有 内部反馈 而这个内部反馈是由反向传输导纳 YRE所引起的 输出导纳 YO与信号源导纳 YS有关 这也反映了晶体管存在内部反馈 而这个内 部反馈也是由 YRE引起 晶体管的正向传输导纳越大 则放大器的增益 也越大 2 3 高频小信号放大器的主要质量指标 对于高频小信号放大器 它有以下主要质量指标 1 增益 放大器输出电压 或功率 与输入电压 或功率 之比 称为放大器的增益或放大倍数 用 AV 或 AP 我们希望每级放大器的 增益尽量大 使满足总增益时级数尽量少 放大器增益的大小 取决于 9 所用的晶体管 要求的通频带宽度 是否良好的匹配和稳定的工作 2 通频带 由于放大器所放大的一般都是已调制的信号 而已调制 的信号都包含一定的频谱宽度 所以放大器必须有一定的通频带 以便 让必要的信号中的频谱分量通过放大器 放大器的通频带决定于负载回 路的形式和回路的等效品质因数 QL 此外 放大器的总通频带随着放大 级数的增加而变窄 并且 通频带越宽 放大器的增益就越小 两者是 互相矛盾的 3 选择性 放大器从含有各种不同频率的信号总和 有用的和有害 的 中选出有用信号 排除有害 干扰 信号的能力 称为放大器的选 择性 选择性有两个基本指标 矩形系数和抑制比 4 工作稳定性 工作稳定性是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 定程度 一般的不稳定现象是增益变化 中心频率偏移 通频带变窄 谐振曲线变形等 5 噪声系数 在放大器中 噪声总是有害无益的 因而应力求使它 的内部噪声愈小愈好 即要求噪声系数接近 1 3 影响谐振放大器的稳定因素 3 1 影响放大器稳定的主要因素 放大器的工作稳定性是重要的质量指标之一 放大器的输入导纳 在前面讨论 Avo 时忽略了内部反馈 Yre 由于晶体管不是理想的单 10 向化元器件 存在着反向传输导纳Yre 输出电压反馈到输入端引起了输 入电流和输入阻抗变化 在某些特定的频率上 可能使放大器呈现负阻 甚至使放大器失去性能 处于自激振荡状态 这是绝对不允许的 晶体 管内部负反馈对频率特性的影响如图 图 3 1 1 反馈导纳对放大器谐振曲线的影响 放大器的工作稳定性是指放大器的工作状态 晶体管的参数 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程度 谐振放大器的稳定性不仅与内部反馈有关 实际上在实际的电路制 作中 还要考虑反馈引起的不稳定性 应用电路中 放大器外部的寄生反馈 都是以电磁耦合的方式出现 的 引起电磁干扰必然存在发射电磁干扰的源 能接收干扰的感应装置 以及两者之间的耦合途径 由于频率高的缘故 干扰和接收装置几乎是 不可能避免的 关键是弄清楚耦合途径以及如何去截断它 在其放大器组成的放大电路中 随着放大器的级联 总的频带明显 11 减小 为保证一定的通频带 单级通频需加宽 单级增益就下降 而组 成的单调谐和双调谐回路不能很好的解决总增益和总带宽的问题 参差 调谐电路就是其中最好的办法 必须采用各种方法是电路保持稳定 3 2 反馈对谐振放大器的影响 在放大器的反馈中 反馈的途径有两种 一是晶体管内部的反馈 二是晶体管外部干扰 3 2 1 自激 在内部反馈中 自激是最重要的因素 放大器的输入阻抗等效电路 如图 3 2 1 所示 L C YsYi 图 3 2 1 放大器等效输入端回路 反馈导纳 YF 其中 YF 改变了回路的 QL值 YF引起回路失谐 YF 是频率的函数 在某些频率上可能为负值 即呈负电导性 它使回路的 总电导减小 QL值增加 放大器的通频带减小 增益也因损耗的减少而 12 增加 即负电导 YF供给回路能量 出现正反馈 当 YF gS yie 时 则回路总电导等于 0 放大器失去放大性能 处于自激振荡工作状态 从上面的分析中 当 YS Yi 0 时放大器产生自激 由式中可见 放大器的反馈能量抵消了回路损耗能量 且电纳部分也恰好抵消 因此 放大器产生自激的条件是 即 晶体管反向传输导纳 yre 愈大 则反馈愈强 上式左边值就愈小 该 值愈接近于 1 放大器愈不稳定 因此我们引入稳定系数 S 来表示放 大器的稳定性 根据上式可以推导稳定系数 分别为yfe yre的相角 S 表示放大器能稳定工作的条件 当 满足 Ys Yi 0 时 S 1 时放大器自激 S1 时 放大器存在潜在不稳定 只有当 S 1 时内部反馈最小 放大器才工作 稳定 3 2 2 电磁干扰 电磁干扰的耦合途径主要有以下几种 1 传导耦合 导线经过有干扰的环境 即拾取干扰信号并经导线传 13 导到电路而造成对电路的干扰 称为传导耦合 或者叫直接耦合 2 共阻抗耦合 当两个电路的电流经过一个公共阻抗时 一个电 路的电流在该公共阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路 3 感应耦合 a 电感应耦合 容性 干扰电路的端口电压会导致干扰回路中的 电荷分布 这些电荷产生的电场 得以部分会被敏感电路拾取 当电场 随时间变化 敏感回路中的时变感应电荷就会在回路中形成感应电流 这种叫做电感应容性耦合 b 磁感应耦合 干扰回路中的电流产生的磁通密度的一部分会被 其他回路拾取 当磁通密度随时间变化是就会在敏感回路中出现感应电 压 这种回路之间的耦合叫做磁感应耦合 4 辐射耦合 辐射源向自由空间传播电磁波 感应电路的两根导线 就像天线一样 接受电磁波 形成干扰耦合 干扰源距离敏感电路比较 近的时候 如果辐射源有低电压大电流 则磁场起主要作用 如果干扰 源有高电压小电流 则电场起主要作用 4 谐振放大器稳定性措施 4 1 中和法 此种方法起着消除 Yre 的反馈作用 它是在晶体管的输入端和输出 端之间引入一个外加的反馈电路即中和电路 由于Yre中包含电导分量 和电容分量 因此外部反馈电路也包括电阻分量 RN和电容分量 CN两部 分 并要使通过 RN CN的外部反馈电流正好与通过Yre所产生的内部反 馈电流相位差为 180 从而互相抵消 变双向器件为单向器件 通常 是在输出回路与晶体管基极之间接入一个电容来实现中和作用 该电容 14 亦称中和电容 线路如图 4 1 1 CN为外接电容 Cn L1 Cbc L1 L2 b d c a Ir In L2 Cbc Cn I ISIN a c d b 图 4 1 1 中和法的原理图 当电桥平衡时 cd 两端的回路电压 不会反映到 ab 两端 即输 出不影响输入 变双向器件为单向器件 电桥平衡时 两对边阻抗之比 相等 因此外接电容 由于 yre 与 w 有关 故中和法只能在一个频率上完全中和 接收 机中常用的中和电路如图 4 1 2 15 CN C 1 2 3 图 4 1 2 接收机中常用的中和电路 图中的 CN就是中和电容 通过相应的反馈可以互相抵消 4 2 失配法 此方法是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配 晶体管输出端负 载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗相匹配 由于阻抗不匹配 输出电压 减小 反馈到输入电路的影响也随之减小 因此失配法是用牺牲增益换 来提高放大器的稳定性 根据前面分析可知放大器等效输入导纳为 要使放大器输入导纳 Yi 等于晶体管短路输入导纳 Yie 即使后 项为零 则必须加大 Y L 晶体管实现单向化 只与管子本身参数有关 因此失配法一般采用 16 共发 共基级联放大器实现 如图 4 1 3 因为共发电路中输入 输出 阻抗较高 共基电路中输入阻抗低 输出阻抗高 而共基的输入阻抗是 共发的负载 所以YL 大 BG1 BG2 合合 合合合 图 4 1 3 共发一共基级联放大器 Yo y yy y ib rbfb ob 又因为共发的 Yoe 较小 对 BG2 来说 BG1 的输出导纳就是它 的信号源内导纳 Ys 而Ys Yoe 小则 BG2 输出导纳 Y0 就只和共基 极晶体管 BG2 本身有关 而不受它的输入电路的影响 所以复合管的 输入和输出导纳基本上不再互相依赖 可把它看成单向器件 但是这两种方法各有优缺点 中和法的优点是电路简单 增益不 受影响 其缺点是只能在一个频率上完全中和 不适合宽带 失配法的 优点是性能稳定 能改善各种参数变化的影响以及频带宽 适合宽带放 大 适于波段工作 其缺点是增益较低 17 总结与体会 通过这次高频课程设计谐振放大器的稳定性分析 使我更加熟悉和 了解了谐振放大器稳定性的工作原理 掌握了谐振放大器的主要性能指 标 以及影响谐振放大器稳定性的因素和解决不稳定性的措施 从而提 高了自己的分析解决问题的能力 以及设计能力和创新的精神 同时也 使我对待课程设计有了一些深刻感知 我认为 首先 我们要认真对待课程设计 提前做好准备工作 例 如 在图书馆查找一些相关的资料和上网搜索一些相关的知识 其次 在设计过程中 我们要充分利用