高频小信号谐振放大器的设计.doc

19 设计任务书（1） 设计目的 1、学习高频小信号调谐放大器的设计方法 2、掌握高频单调谐放大器的等效电路、性能指标要求及分析设计3、掌握中心频率和电压增益的测试方法4、通过设计熟练各种仿真软件，增强学生理论联系实际的能力（2） 设计已知条件和要求技术指标 1、设计已知条件： 电源电压，负载电阻。 2、设计技术指标：中心频率，电压增益。 3、设计要求： 1、根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数； 2、 绘出pcb原理图，并用ewb仿真； 3、在万能板或面包板或PCB板上制作出电路； 4、分析设计中遇到的问题并撰写设计报告 （三）实验仪器设备： 实验仪器设备 数量 高频信号发生器 1台 数字存储示波器 1把 无感起子 1把 数字万用表 1台 12V直流稳压电源 1台（4） 设计总结： 1、总结高频小信号调谐放大器的设计方法和运用到的主要知识点。 2、总结中心频率和电压增益的测试目 录第1章 高频小信号放大器设计5 1.1高频小信号放大器简介5 1.2高频小信号的设计原理6 1.3主要性能指标及测量方法9 1.4电路设计方案12第2章 电路板制作及调试16 2.1元件的焊接16 2.2调试及结果分析16第3章 心得体会18 3.1心得体会18第4章 参考文献及附录19 4.1参考文献19 4.2附录19第1章 高频小信号放大器的设计1.1高频小信号放大器简介 高频小信号放大器是用于无失真的放大某一频率范围的信号。按其频带宽度可分为窄带与宽带放大器，而最常用的为窄带放大器，它是以各种选频电路作负载，兼具阻变换和选频滤波功能。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。调谐放大主要用于无线电接收系统中高频和中频信号的放大。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。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; 高频小信号放大器的特点： 频率较高中心频率一般在几百kHz到几百MHz频带宽度在几KHz到几十MHz，故必须用选频网络 小信号信号较小故工作在线性范围内(甲类 放大器)即工作在线形放大状态。采用谐振回路作负载，即对靠近谐振频率附近的信号有较大的增益，对远离谐振频率附近的信号其增益迅速下降，即具有选频放大作用。1.2 高频小信号放大器设计原理1、高频小信号放大器的基本要求：（1）增益要高，即放大倍数要大。（2）频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用Q值来表示，其频率特性曲线如图-1所示,带宽BW=f2-f1= 2f0.7，品质因数Q=fo/2f0.7. （3）工作稳定可靠，即要求放大器的性能尽可能地不受温度、电源电压等外界因素变化的影响，内部噪声要小，特别是不产生自激，加入负反馈可以改善放大器的性能。（4） 前后级之间的阻抗匹配，即把各级联接起来之后仍有较大的增益，同时，各级之间不能产生明显的相互干扰。 根据上面各个具体环节的考虑设计出下面总体的电路： 图3所示电路为共发射极接法的晶体管小信号调谐回路谐振放大器。其等效电路如下图图4。本电路不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数会影响放大器的输出信号的频率或相位。晶体管的静态工作点由电阻RB1和RB2以及RE决定，其计算方法与低频单管放大器相同。 图3 谐振放大器的电路 图4 谐振放大器电路的等效电路放大器在谐振时的等效电路如图4所示，晶体管的4个y参数分别如下：输入导纳： 输出导纳： 正向传输导纳： 反向传输导纳： 式中为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为： 为发射结电导，与晶体管的电流放大系数及有关，其关系为： 为基极体电阻，一般为几十欧姆；为集电极电容，一般为几皮法； 为发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。 晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作点的电流 ，电流放大系数有关外，还与工作角频率w有关。晶体管手册中给出了的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得的。图4所示的等效电路中，p1为晶体管的集电极接入系数，即 式中，N2为电感L线圈的总匝数；p2为输出变压器Tr0的副边与原边匝数比，即式中，N3为副边总匝数。 为谐振放大器输出负载的电导，。通常小信号谐振放大器的下一级仍为晶体管谐振放大器，则将是下一级晶体管的输入电导。由图3-1-2可见，并联谐振回路的总电导的表达式为式中，为LC回路本身的损耗电导。1.3 主要性能指标及测量方法 图5 小信号放大器分析电路如上图图5所示，输入信号由高频小信号发生器提供，高频电压表，分别用于测量输入信号与输出信号的值。直流毫安表mA用于测量放大器的集电极电流的值，示波器监测负载两端输出波形。 表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率，谐振电压放大系数Avo，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1），采用图5所示电路可以粗略测各项指标。谐振放大器的性能指标及测量方法如下。谐振频率放大器的谐振回路谐振时所对应的频率称为谐振频率。的表达式为：式中，L为谐振放大器电路的电感线圈的电感量；为谐路的总电容，的表达式为： 式中，为晶体管的输出电容；为晶体管的输入电容。 谐振频率的测试步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变电容C或电感L使回路谐振。LC并联谐振时，直流毫安表mA的指示为最小（当放大器工作在丙类状态时），电压表指示值达到最大，且输出波形无明显失真。这时回路谐振频率就等于信号发生器的输出频率。电压增益 放大器的谐振回路所对应的电压放大倍数Avo称为谐振放大器的电压增益.Avo的表达式为： 的测量电路如图3-2-1所示，测量条件是放大器的谐振回路处于谐振状态。计算公式如下：通频带由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数Av下降到谐振电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率范围称为放大器的通频带BW，其表达式为： 式中，为谐振放大器的有载品质因素。分析表明，放大器的谐振电压放大倍数与通频带BW的关系为：上式说明，当晶体管确定，且回路总电容为定值时，谐振电压放大倍数与通频带BW的乘积为一常数。通频带的测量电路如图3-2-1所示。可通过测量放大器的频率特性曲线来求通频带。采用逐点法的测量步骤是：先使调谐放大器的谐振回路产生谐振，记下此时的与，然后改变高频信号发生器的频率（保持Vs不变），并测出对应的电压放大倍数Av，由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的频率特性曲线如图6所示： 图6由BW得表达式可知： 通频带越宽的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频带，同时又能提高放大器的电压增益，由式可知，除了选用较大的晶体管外，还应尽量减少调谐回路的总电容量。 矩形系数 谐振放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kr0.1来表示，如图3-2-2所示，矩形系数Kr0.1为电压放大倍数下降到0.1Avo时对应的频率范围与电压放大倍数下降到0.707 时对应的频率偏移之比，即上式表明，矩形系数Kr0.1越接近1，临近波道的选择性越好，滤除干扰信号的能力越强。可以通过测量图3-2-2所示的谐振放大器的频率特性曲线来求得矩形波系数Kr0.1。1.4电路设计方案 图7高频小信号谐振放大器ewb仿真电路静态工作点的确定 由于设计要求中心频率，电压增益，且电压增益不是很大，选用晶体管3DG6C在性能上可以满足需要。晶体管选定后，根据高频小信号谐振放大器应工作于线性区，且在满足电压增益要求的前提下，应尽量小些以减小静态功率损耗。值得注意的是，变化会引起Y参数的变化。这里采用等于1mA进行计算，看是否能满足增益的需要，否则将进行调整。已知晶体管3DG6C的参数为，。据此可求得：(1) 设置静态工作点 取 =1mA, =1.5V, =10.5V, 则 在11k到22k之间，故取标称值20K 可用38k电阻和100k电位器串联,以便调整静态工作点。 (2) 计算谐振回路参数 下面计算4个y参数， 因为, 所以 ， 因为，所以 ， 故模 回路总电容为 再计算回路电容 ，取标称值68pF输出耦合变压器Tr0的原边抽头匝数N1及副边匝数N3,即 匝，匝(3) 确定输入耦合回路及高频滤波电容高频小信号谐振放大器的输入耦合回路通常是 指变压器耦合的谐振回路。由于输入变压器Tri原边谐振回路与放大器谐振回路的谐振频率相等，也可以直接采用电容耦合，高频耦合电容一般选择瓷片电容。 元件清单（见附录一） 仿真结果分析 按要求所做 EWB仿真图如图7，开始仿真从示波器上两个通道观察输出波形以及与输入信号的关系，得下图在无信号输入，仅有直流激励的情况下用电流表测量三极管基极电流，调节RP1使Ic=2mA,此时RP152k。 接入信号发生器，观察示波器输入输出波形，按照设计要求调节中周。利用仪器测得各指标如下：f0=10.8MHzvo31dB 在误差允许范围里，仿真测量所得数据符合要求。 第二章 电路板制作及调试2.1元件的焊接 经过仿真后，根据原理图将元件一一通过检测之后焊接在面包板上，然后真确连上导线。 焊接之前一定要确定每个元件都要能正常工作，元件更不能接反，如中周的引脚，电位器三个脚中有效地两个脚都必须事先了解后才接入电路，焊接好连号导线后，还必须要用万用表确定线路是否连接好。2.2 调试及结果分析 调试所用到的工具实验仪器设备： 高频信号发生器 1台 数字存储示波器 1台 无感起子 1把 数字万用表 1台 12V直流稳压电源 1台高频小信号谐调放大器电路的调试 先调整放大器的静态工作点，然后再调谐振回路使其谐振。 调静态工作点：先不加输入信号（Vi=0），将C1的左端接地，将谐振回路的电容C开路，这时用万用表测量电阻Re两端的电压，调整电阻Rb1使Veq=1.5V(Ie=1mA)。记下此时电路的Rb1值及静态工作点Vbq、Vceq、Veq、及Ieq。 调谐振回路使其谐振：按照图7所示的测试电路接入高频电压表V1、V2，直流毫安表mA及示波器。再将信号发生器的输出频率置于fi=10MHZ，输出电压Vi=5mV。为避免谐振回路失谐引起的高反向电压损坏晶体管，可先将电源电压+Vcc降低，如使+Vcc=+6V。调输出耦合变压器的磁芯使回路谐振，即电压表V2的指示值达到最大，毫安表mA为最小且输出波形无明显失真。回路处于谐振状态后，再将电源电压恢复至+12V。 实验数据： f0=11.3MHz vo27dB 误差分析 实验值得 f0=11.3MHz vo27dB 仿真值得 f0=10.8MHz vo31dB 设计指标 f0=10MHz vo35dB 数据分析：在误差允许范围内，中心频率的理论值与实际值一致，在放大器处于谐振状态下，电压放大倍数Avo放大倍数与理论值有一定的差距。 分析设计总结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。如电阻电容的理论值与标称值存在一些差异，并且电阻电容的标称值也有一定的误差。如：通过计算RB2要买18k的电阻，市场里没有就只好算个范围买个20k的，而买回来测只有19k多点。 （2）晶体管数据为查表所得，而由于分布参数的影响，晶体管手册中给出的分布参数一般都是在测试条件一定的情况下测得的。且分布参数还与静态工作电流及电流放大系数有关。放大器的各项技术指标满足设计要求后的元器件参数值与设计计算值有一定的偏离。 （3）性能指标参数的测量方法存在一定的误差。如在调谐过程中，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，放大倍数的测量值也会产生误差。这属于系统误差，也许可以通过使用别的电路可以减小误差。 （4）实验仪器设备的老化等也会导致电路调试过程中出现一定的误差。第3章 心得及体会3.1 心得与体会此次课程设计从开始到结束历时不到一周，时间仓促，设计电路简单且多有借鉴，在最终调试方面仍有欠缺。但是我在做课程设计的这一周里全身心的投入了，从电路的设计、元件的选择、电路板的制作到电路板的调试我都尽心尽力。在尽力的同时却发现了许多短板问题，比如对元件市场的熟悉程度，长期对网络上得来的知识的深信，却忽视了自己周围的条件环境因素，一些元件网上有的看但是在自己身边的原件市场不一定有的买；总以为什么都能在网上找出个所以然，却忽视了身边的高手，有时多交流确实大有裨益啊！只有在不断地错不断的改，不断的交流不断地广见识，不断的进步不断的完善自身，我们才能在以后的大设计中更加轻松更加应付自如！在本次课程设计中虽然坎坷多时间短，但是我们都学到了许多在课本上难得到的东西，同时也解决了一些平时在课本上不是很了解甚至忽略了的问题。让我受益颇多，在此我由衷感谢张松华老师及其他帮我的人！ 第四章 参考文献及