通信基本电路课程设计报告.doc

摘要本次课程设计对高频小信号放大器进行设计与仿真研究，提出了高频小信号放大器的设计方法，采用Multisim13.0仿真软件对电路进行仿真，并对电路的同频带、选择性和功率增益性能进行了仿真分析。设计过程和方法都比较简单，仿真结果误差也很小，与传统的设计方法相比，解决了设计中运算量大，设计结果的硬件调试和测试都比较复杂且不易优化的问题。电路性能的仿真结果表明了设计的合理性和有效性。 关键词：高频小信号 multisim13.0 设计与仿真 增益 一、绪论1.1概述小信号调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。1.2设计背景随着电子通讯的飞速发展，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。1.3 设计要求设计一个谐振频率为10.7MHz、电压增益大于25的高频小信号放大器。要求如下：（1） 增益（放大倍数）要大；（2） 选择性要好，即选择有用的信号和抑制无用信号能力强，用品质因数Q来衡量，即Q值越大，选择性越好；（3） 稳定可靠，即要求放大器的性能尽可能的不受温度、电源电压等外界因素变化的影响，内部噪音要小，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，即把各级连接起来后仍有较大的增益，同时，各级之间不能产生明显的相互干扰。1.4主要性能指标高频小信号放大器除了具有对小信号幅度放大的作用，还具有功率放大的功能和选频特性，从而达到抑制噪声和对包含信息信号选择的效果。所以高频小信号放大器的质量指标有电压增益Av、选频特性、通频带2f0.7和选择性Kr0.1。电压增益Av=矩形系数Kr0.1=电压增益反映了电压放大特性，通频带表示了我们的放大器选择通过的频带宽度。选择性则表示了和理想滤波器的逼近程度，即选择通过性能的好坏。矩形系数Kr0.1=1时为理想滤波器，我们我们希望矩形系数Kr0.1能够接近1.二、高频小信号放大器等效电路与参数2.1静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流Icq一般在0.8到2mA之间选取为宜，设计电路中取Ic=1.5mA，Re=1K,因为Veq=IeqReq,而Icq=Ieq 所以Veq=1.5mA*1K=1.5V因为Vbq=Veq+Vbeq 所以Vbq=1.5V+0.7V=2.2V因为Vce=VccVeq 所以Vceq=12V-2.2V=9.8V因为Rb2=Vbq/(5-10)Ibq 而Ibq= Icq/=0.03 mA所以Rb2=6.2 K因为Rb1=(Vcc-Vbq)/ Vbq) Rb2=27.6k2.2原理图及等效电路实验原理图如图2-1所示图2-1根据实验原理图画出小信号放大器在谐振时的等效电路图，如图2-2所示，根据等效电路图可以计算晶体管的四个y参数图2-2 4个y参数分别如下：输入导纳：yie=输出导纳：yoe= 正向传输导纳：yfe= 反向传输导纳：yre= 其中gm为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为：gm=IE/26 ；为发射结电导，与晶体管的电流放大系数及IE有关，其关系为= IE/26；rbb为基极电阻，一般为几十欧姆，为基极体电阻，一般为几十欧姆;Coe 为集电极电容，一般为几皮法；Cbe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Ie、电流放大系数有关外，还与工作角频率w有关。三、仿真软件Multisim的使用3.1 Multisim简介Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。3.2 Multisim特点（1）操作界面方便，原理图的设计输入快捷；（2）元器件丰富，有数千个器件模型；（3）虚拟电子设备种类齐全，如同操作真实设备一样；（4）能对实验电路进行全面的仿真分析和设计；（5）安装方便快捷。3.2 Multisim使用方法Multisim的使用非常简单，在此以Multisim13.0为例来说具体使用方法。在电路实验中我们已经学习过Multisim的使用方法了，打开Multisim即可看到工作页面，根据需要添加适当的元器件，检查电路无误后即可运行。另外Multisim中提供了大量的仪器仪表供我们使用，在仪器仪表正确连接到线路中后，双击仪器仪表，即可对仪器仪表进行设置或者观察实验现象。本次仿真实验用到的仪器仪表有示波器和波特测试仪。图3-1图3-1所示为二通道示波器，用示波器可以观察输入信号和输出信号的波形，分析被测周期信号的幅值和频率，时间基准可在秒至纳秒范围内调节。图3-2图3-2所示为波特测试仪的界面。波特测试仪可以方便的测量和显示电路的频率响应，适合于分析电路的频率特性，特别易于观察截止频率。需要连接两路信号，一路是输入信号，一路是电路输出信号，需要在电路的输入端接交流信号。 四、系统仿真与分析4.1 仿真图与仿真结果在画仿真图时，我首先将所需要的元器件放置到工作页面上，然后调节元器件的位置，按照原理图2-1将线路连接起来，最后再放置示波器和波特测试仪，示波器可以观察输入信号和输出信号的波形，通过观察波形可以观察出信号是否被放大，波特测试仪可以显示出幅频特性曲线和相频特性曲线，通过观察幅频特性曲线可以看出小信号功率放大器的谐振频率和通频带大小，也可以计算出其矩形系数，从而判断小信号放大器的选择性，矩形系数越接近1，小信号放大器的选择性就越好。连接完成后线路图如图4-1所示。图4-1线路连接完毕后双击示波器观察示波器的波形，双击之后需要调节时基标度、通道一和通道二的刻度和Y轴位移，出现的波形如图4-2所示，其中A通道出现完整正弦波，显示的是输入信号的波形，通道B出现了不完整的正弦波，显示的是输出信号的波形。仔细观察发现输出信号的电压也并没有像预期的那样放大，而是缩小了，这一度让我认为是线路连接错误。之后我又照着实验原理图重新检查了一遍线路，并观察线路中的电容和电阻值有没有错误，检查完毕还是一头雾水，重新连接了示波器后双击打开示波器依旧还是这个波形。之后我找了我的同学过来帮我检查，她一眼便看到我把输入信号的10.7MHz设置成了10.7Hz这个错误。图4-2输入信号的频率更正后调节示波器出现了正确的波形，如下图4-3所示。图4-3通过波特测试仪我们可以清晰的观察到幅频特性曲线和相频特性曲线。幅频特性曲线如图4-4所示，相频特性曲线如图4-5所示。图4-4图4-54.2 结果分析（1） 电压增益：由图4-3可得电压增益Av=Vo/Vi=1.688v/59.103mv=28.56（2） 选频特性：高频小信号放大器的幅频特性曲线是先增大至峰值再减小的，这也验证了高频小信号放大器的选频特性。高频小信号放大器其实际的中心频率为10. 276MHZ不等于输入频率，说明理论计算并不能反映实际情况。（3） 通频带：通过波特测试仪可以得到高频小信号放大器的增益特性和输入频率之间的关系，中心频率周围其增益还是有一定变化的，当偏离中心频率时，增益会有所下降，通频带为放大倍数的数值等于0.707倍的频率的上下截止频率的差值，经测试观察得通频带2W0.7=12.858-8.266=4.592 。（4） 矩形系数Kr0.1=2f0.1/2f0.7=11,这与理论值Kr0.1=9.95有一定的差距，由此可知，它的谐振曲线和矩形相差甚远，所以选择其邻道选择性差，这也是单协调回路放大器的缺点。解决单协调回路小信号放大器选择性不好的方法就是选择双协调回路小信号放大器，这时矩形系数会由 Kr0.1=9.95减小为Kr0.1=3.15。大大提高了谐振回路的选择性。五、总结和心得这次做课程设计的过程中我也遇到了很多问题，从刚开始的一无所知一直到现在，我都是自己一步一步慢慢摸索的。在确定课题的时候我也很纠结，知道后来决定要做高频小信号放大器，不知道原理翻阅课本上网查资料，不知道Multisim具体如何使用我就询问身边的同学。也想过放弃，但是我不能放弃，到最后我还是坚持下来了，很高兴当初并没有选择放弃。 在做课程设计之前，我就十分烦恼，我自知对高频电子线路的理论知识也掌握的不够牢固，觉得课程设计是不可能完成的任务，到真正要做的时候也的却遇到了很多问题，一开始连仿真软件都没有，经过一些波折终于安装上软件了却是英文版的，有很多单词我都不认识，导致很多器件都找不到，最后还是把软件汉化之后才做的仿真图，还遇到一些小波折就是因为我的不细心造成的，由于我的不细心导致走了很多弯路，浪费了大量时间，波形一开始波形调试出来了信号却没有放大，后来发现了问题成功的调试出波形。调出波形后发现仅仅有波形还不行，又用波特测试仪测出了幅频特性曲线和相频特性曲线，之后又通过幅频特性曲线算出通频带和矩形系数的值。通过这次课程设计，我对原本不太理解的小信号放大器有了比较清晰的认识，可能在某些方面还会有一些盲点，但与做课程设计之前相比已经进步了很多了，其实做课程设计也相当于是对高频小信号放大器这部分的内容做了一个复习，使我们在接下来的考试中更能明确要复习的方向参考文献张肃文高频电子线路第5版北京：高等教育出版社，2009：57-60任青莲. 高频小信号放大器的设计与仿真J. 计算机仿真, 2009, 26(12):315-319谭琦耀. 高频小信号放大器的设计J.