高频小信号调谐放大器.doc

武汉理工大学学科基础课群综合训练与设计报告 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 武汉理工大学 题 目: 高频小信号调谐放大器，调谐放大器的调试及放大倍数、谐振频率，通频带的设计、制作。 初始条件：通过本课程设计，使学生加强对通信电子电路的理解，学会查寻资料方案比较，以及设计计算等环节，进一步提高分析解决实际问题的能力；锻炼分析解决电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强学生的实践能力。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、根据题目，确定有关的技术指标；设计整体方案，并进行相关的参数计算；2、根据实验条件进行全部或部分电路安装与调试，并完成基本功能；3、总结、编写课程设计报告书；4、课程设计报告书的各部分内容及其装订顺序如下：封面，任务书，目录，正文，参考文献，附录（可选），课设评分表；5、课程设计报告书的具体格式参考学校教务处的相关规定，总页数不得少于25页；6、参考文献不得少于5篇。时间安排：第 1 周 课程设计题目布置与安排；第217周 查找文献、确定设计方案；完成设计、仿真及硬件制作；第 18 周 撰写课设报告书、完成答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日25 目录摘要IAbstractII1高频小信号调谐放大器的原理分析11.1小信号调谐放大器的主要特点11.2小信号调谐放大器的主要质量指标11.2.1谐振频率11.2.2谐振增益（Av）21.2.3通频带21.3软件介绍42 高频小信号电路原理及分析52.1 等效电路分析52.2主要特性分析82.2.1 电压增益Au82.2.2 谐振曲线82.2.3 放大器的通频带82.3 选频回路93 电路仿真与调试113.1 电路的仿真113.2 电路相关参数确定123.3 调试与分析124 电路的焊接与测试175 小结与体会206 参考文献21附录一22元件清单22附录二23总电路原理图23 摘要 所谓谐振放大器，就是采用谐振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。利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，它是无线电发射机中的重要单元电路。根据放大器中晶体管工作状态的不同或晶体管集电极电流导通角的范围可分为甲类、甲乙类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。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。关键字：谐振放大器 选频网络 Abstract So-calledresonantamplifierisadoptedfortheloadresonantcircuitamplifier.Accordingtothecharacteristics,theharmonicoscillatorcircuithaslargegainforthesignalsneartheresonantfrequency,butthegainfallsrapidlyforthesignalsfarfromresonantfrequency.Therefore,oscillatoramplifiernotonlyhaveresonantamplifieramplificationeffect,butalsoplaysafilterorfrequencyselectiverole.usoffrequencyselectivenetworkiscalledastheloadresonantpoweramplifierpoweramplifiercircuit,whichisanimportantunitintheradiotransmittercircuit.AccordingtotheworkofthestateofthetransistoramplifierortransistorcollectorcurrentofdifferentconductionanglecanbedividedintoA,AB,B,CandD,suchasdifferenttypesofpoweramplifiers.Smallsignaltuningfrequencyamplifieriswidelyappliedincommunicationsystemandotherradiosystem,especiallyinthereceiverandtransmitter.Thesignalfromtheantennainductiveisveryweak.Itwillneedtousetheamplifieramplification.Highfrequencysignalamplifiertheoryisverysimple,buttheactualproductionisverydifficult.Oneofthemosteasilyproblemisofself-excitedoscillationfrequency,andchoosebetweenimpedancematchingisdifficulttoachieve.Basedontheoreticalanalysisandpracticalproduction,thisthesiseliminatesthehighfrequencyamplifierofself-excitedoscillationandrealizeaccuratefrequencyselectionwithLCoscillatingcircuit.Plusingothercircuits,itmatchestherealizationofamplifierandimpedance. Keyword: resonantamplifier frequencyselectivenetwork1高频小信号调谐放大器的原理分析1.1小信号调谐放大器的主要特点晶体管集电极负载通常是一个由LC组成的并联谐振电路。由于LC并联谐振回路的阻抗是随着频率变化而变化，理论上可以分析，并联谐振在谐振频率处呈现纯阻，并达到最大值。即放大器在回路谐振频率上将具有最大的电压增益。若偏离谐振频率，输出增益减小。总之，调谐放大器不仅具有对特定频率信号的放大作用，同时也起着滤波和选频的作用。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。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。1.2小信号调谐放大器的主要质量指标衡量小信号调谐放大器的主要质量主要包括以下几个方面：1.2.1谐振频率 放大器调谐回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，理论上，对于LC组成的并联谐振电路，谐振频率的表达式为 f0= 12LC （1-1）式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；C为调谐回路的总电容。谐振频率的测试方法：放大器的调谐回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，可以用扫频仪测出电路的幅频特性曲线，另外，也可以通过点频法改变输入信号频率，得到输出增益随频率变化的幅频特性曲线，电压谐振曲线的峰值即对应谐振频率点。1.2.2谐振增益（Av）放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数称为谐振放大器的电压放大倍数，用表示。的数学表达式为 ： （1-2）的测量方法是：在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量放大器输出端（或放大器负载电阻RL两端）的电压及输入信号的大小，则电压放大倍数由下式计算 （1-3） 或 （1-4）1.2.3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AV0的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW，其表达式为 BW = 2f0.7 = f0/QL （1-5） 式中，QL为谐振回路的有载品质因数。分析表明，放大器的谐振电压放大倍数AV0与通频带BW的关系为 （1-6） 上式说明，当晶体管选定即yfe确定，且回路总电容为定值时，谐振电压放大倍数AV0与通频带BW的乘积为一常数。这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。通频带BW的测量方法：是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。测量方法可以是扫频法，也可以是逐点法。逐点法的测量步骤是：先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率f0及电压放大倍数AV0然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压VS不变），并测出对应的电压放大倍数AV0。由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的谐振曲线如图3.2所示。图1.1可得： （1-7） 通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频宽，同时又能提高放大器的电压增益，除了选用yfe较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量C。如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号，则可减小通频带，尽量提高放大器的增益。1.3软件介绍 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。2 高频小信号电路原理及分析2.1 等效电路分析当放大电路的输入信号很小时，在静态工作点附近，可以设想把三极管小范围内的特性曲线附近用直线来代替，从而可以三级管这个非线性元件组成的电路转化为线性电路来处理。高频小信号放大器由于输入信号幅值小，可以认为晶体管工作在线性区，经常采用有源线性四端网络进行分析。如图（a）和（b）所示，基本三极管电路和Y参数等效电路，Y参数等效电路是描述晶体管高频小信号下工作状况的重要模型。 图2.1 基本三极管电路 图2.1 Y参数等效电路静态工作状况分析计算 用估算法，求静态工作点（IB，IC，VCE）。射极偏置共射极电路IB不便于直接求出。假定IlIB条件满足，则该电路的特点VB固定入手，再求IB。 图2.3 射极偏置共射极电路 图2.4 Y参数等效电路静态工作点 VB=RB2RB1+RB2VCC （2-1） IC=IE=VB-VBERE （2-2） IB=1IC （2-3） VCE=VCC-ICRC+RE （2-4） rbe=200+1+26mVIE （2-5） 图2.5 调谐放大器的高频等效电路电路中并联震荡贿赂的两端的阻抗为 Z=R+jL1jCR+jL+1jC=R+jL1jCR+jL-1jC （2-6）其中R是和电感串联的电阻，由于LR因此有： ZLCR+jL-1jC=1CRL+jC-1jL （2-7）则并联回路的两端电压为 Vm=IgmY=-IgmG2+B2=IgmCRL2+C-1L2 （2-8） 所以，当C=1/L时Vm有最大值，即回路谐振时输出电压最大。 由于高频电路放大电路常常会自激振荡，也容易受各种因素的干扰，并且各级间很难实现阻抗匹配，所以要对基本电路进行适当的改进。放大器在谐振时的等效电路如图所示，晶体管的4个y参数分别如下： 输入导纳： yiegbe+jCbe1+rbbgbe+jCbe （2-9） 输出导纳： yoe=jCbe rbb gm1+rbbgbe+jCbe （2-10） 正向传输导纳： yfegm1+rbbgbe+jCbe （2-11） 反向传输导纳： yre-jCbe1+rbbgbe+jCbe （2-12） 式中gm为晶体管的跨导，与发射电流的关系为 gm=IE26mVgbe 为发射结电导，与晶体管的电流系数及IE有关，其关系为： gbe=1rbb=IE26 （2-13） rbb为基极体电阻，一般为几十欧姆；Cbc为集电极电容，一般为几皮法；Cbc为发射结电容给，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2.6 放大器在谐振时的等效电路2.2主要特性分析2.2.1 电压增益Au 根据定义 Au=VoVi （2-14 )由上图得 Y =g +jC +1jL （2-15）从等效关系可知，通常，在电路计算时，电压增益用其模表示，及Au可表示为 Auo=P1P2g yfeg （2-16）2.2.2 谐振曲线放大器的谐振曲线是表示放大器的相对电压与输入信号频率的关系 Au=-P1P2g yfeg 1+1g jC +1jL=Auo1+j10Lg (C -0g ) =Auo1+jQL0-0 （2-17）由上式可得 AuAuo = 11+jQL0-0 = 11+jQLff0-f0f （2-18）对与谐振放大器来讲，通常讨论的f与f0相差不大，可认为f在f0附近变化，则 AuAuo = 11+jQL2ff0 （2-19）式中f= f-f0，称为一般失谐。2.2.3 放大器的通频带通频带的定义是 ： AuAuo=12 时所对应的2f 为放大器的通频带，根据定义 得 AuAuo=11+2=12 （2-20） 则 =QL2f0.7f0 （2-21） 故可知有 2f0.7=f0/QL （2-22） 2.3 选频回路 电感三点式振荡电路是指原边线圈的3个段分别接在晶体管的3个极。又称为电感反馈式振荡电路或哈特莱振荡电路。其典型电路图与交流等效电路图如下图所示： 图2.7 电感三点式（哈特莱）振荡电路 图2.8 电感三点式振荡器交流等效电路电感三点式振荡器的原理电路如图2.7所示，图2.8是其交流等效电路。图2.7中，Rb1、Rb2和Re为分压式偏置电阻；Cb和Ce分别为隔直流电容和旁路电容；L1、L2和C组成并联谐振回路，作为集电极交流负载。谐振回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，符合三点式振荡器的组成原则。由于反馈信号Uf由电感线圈L2取得，故称为电感反馈三点式振荡器。采用与电容三点式振荡电路相似的方法可求得起振条件的公式为 yf0=1Fg0e+gp+Fgie （2-23） 式中，各符号的含义仍与考毕兹振荡器相同，只是反馈系数F的表达式有所不同，此处F定义如下： F=L2+ML1+M （2-24）其中M为L1、L2的互感系数当线圈绕在封闭瓷芯的瓷环上时，线圈两部分的耦合系数接近于1，反馈系数F近似等于两线圈的匝数比，即F=N2/N1。振荡频率的近似为 f0=12LC=12L1+L2+2M （2-25） 若考虑 gie , gie的影响时，满足相位平衡条件的振荡频率值为 f0=12LCg0e+gpgieL1L2-M2 （2-27） 式中，L=L1+L2+2M。由式(4)可见，电感三点式振荡器的振荡频率要比式(3)所示的频率值稍低一些，goe、gie越大，耦合越松，偏低得越明显。优点：由于L1与L2之间有互感存在，所以比较容易起振。其次是改变回路电容来调整频率时，基本上不影响电路的反馈系数，比较方便。主要缺点：与电容反馈振荡电路相比，其振荡波形不够好。这是因为反馈支路为感性支路，对高次谐波成高阻抗，故对于LC回路中高次谐波反馈较强，波形失真较大。其次是当工作频率较高时，由于L1和L2上的分布电容和晶体管的极间电容均并联于L1与L2两端，这样反馈系数F随频率变化而改变。工作频率越高，分布参数的影响越严重，甚至可能使F减小到满足不了起振条件。3 电路仿真与调试3.1 电路的仿真(1)利用MULTISIM绘制出如图3.1 所示的仿真实验电路 图3.1 总电路图 电容C1是输入耦合电容，C7是输出耦合电容，滑动变阻器R5和电阻R6、R2是晶体管直流偏置电阻，可通过调节R5的阻值，使得晶体放大条件。电阻R4是射极交流负反馈电阻，电阻R3是射极直流负反馈电阻，它决定了晶体管射极的直流电流Ie，在本电路中应Ie控制在1-10mA左右。 电容C5是射极旁路电路，在高频的情况下其相当于短路。集电极回路由电容C4和电感L2，L3组成，是一个并联的LC谐振回路，起到选频的作用。在实际的电路中，电容有一个可变电容可以改变回路总的电容值，电感由初级回路和次级回路组成，中间有铁芯耦合，实验箱上电感的初级回路和次级回路封装在中周中，调节中周里的铁芯位置可以改变电感值和耦合强度，从而改变LC谐振回路的谐振频率。滑动变阻器R1是阻尼电阻，可以改变回路的品质因素和电压增益。 3.2 电路相关参数确定 根据晶体管工作在甲类放大时的电压的要求，我们再确定分压电阻R2、R3、R4的阻值（如仿真图）,选择Ie=1.5mA,又可进一步算出R5的阻值。取 =1.5mA, =1.5V, =7.5V, 则 , 取标称值6.8K 采用固定电感调电容的方法来达到10.9MHZ的谐振频率由图可知回路的总电感L L=4uH回路的电容计算 因为： f0=12LC 则 C=12f02L=53.3pf 可采用100pf的可调电容。3.3 调试与分析 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（R1=10k，R4=0）：f0=10.776MHzvo103通频带为2f0.7=2.108Hz 图3.2 输入输出波形 图3.3 中心频率 图3.4 通频带改变相关的参数，测量在相应情况下的增益变化或通频带变化1 改变谐振回路的中心频率，观察小信号放大器电压增益的变化情况注：对于改变谐振频率，只要改变C的值就可以了，所以我们此处用C值的改变来表示谐振频率的改变（R4=0，R1=10k） 表1 谐振频率与电压增益的关系 C4pf40434750525458 V0(V)1.8692.7685.2257.2184.7393.5911.716Au26.739.574.6107.167.750.224.5通过观察我们发现，谐振频率偏离中心频率越远，其电压增益越小. 2 改变交流负反馈电阻R4, 观察小信号放大器电压增益的变化情况 (R1=10k,C4=50pf) 表2 交流负反馈电阻与增益变化R4/k0O.51.557.5K10k Vo7.223V588.057mV209.156mV82.975mV70.313mV63.447mVAu103.1 8.42.981.191.010.91 由此可见，随着交流负反馈电阻阻值的增大，小信号放大器的电压增益在逐渐减小，相反通频带则是随之逐渐变大。 3 改变滑动变阻器R1阻尼电阻，可以改变回路的品质因素和电压增益。（C4=50pF,R4=0） 表3 集电极回路中阻尼电阻与增益 R1/k01.24101620 Vo2.647mV1.273V3.799V7.024V7.493V7.652 VAu0.0418.1954.27100107.1109.3通频带/MHZ -8.6763.982.11.2121.088 由此可知，当集电极回路中阻尼电阻的阻值逐渐增大，也即回路的品质因数逐渐变大时，小信号放大器的电压增益也在增大，而通频带则变小. 4 负载阻抗Ro的变化后电压增益与通频带变化 表4 负载阻抗与增益和通频带R0/ k13461020V0/V2.0444.5315.2786.2587.2147.334通频带/Hz5.8443.3683.2222.3342.2961.896 负载阻抗Ro的变化后电压增益增大与通频带逐渐减小。 5 在仿真中，利用波特图仪可以方便地测量和显示电路的频率响应，波特图仪适合于分析滤波电路或电路的频率特性，特别易于观察截止频率。需要连接两路信号，一路是电路输入信号，另一路是电路输出信号，需要在电路的输入端接交流信号。波特图仪控制面板分为Magnitude（幅值）或Phase（相位）的选择、Horizontal（横轴）设置、Vertical（纵轴）设置、显示方式的其他控制信号，面板中的F指的是终值，I指的是初值。在波特图仪的面板上，可以直接设置横轴和纵轴的坐标及其参数。下图是用波特图示仪和用交流小信号分析测量电路图的幅频特性和相频特性 图3.3 波特图示仪显示幅频特性曲线 图3.4 交流小信号分析测量的幅频特性和相频特性4 电路的焊接与测试将上述设计的元器件参数值按照图3.1所示电路进行焊接，由于在实际买器件时有的元件没有买到，故焊接起来的原理图有一点差别。由于所制作的为高频小信号谐振放大器，其工作频率较高，如果元器件间距太大或其连线太细都会使高频信号在经过的过程中产生较大的衰减，故焊接时需要注意以下几点。1. 元器件间距尽量减小。2. 在原件间的线路要用焊锡焊实，使线路附在底板上，并且要加粗，以减小信号的衰减。3. 线路中不能有尖锐的管脚或焊锡暴露在外，以防止其作为天线将信号辐射出去。4. 地线不能焊成一个回路，以防止不希望的振荡出现。其分别为放大器的正面元件图和背面焊接图： 图4.1 焊接的元理图 其分别为放大器的正面元件图和背面焊接图： 图4.2 放大器的正面元件图 图4.3 背面焊接图5 小结与体会 在这次课程设计过程中最深刻的感触是光有理论知识是远远不够的，还必须懂一些实践中的知识，比如，元器件的参数在设置时尽量选择与标称值相等或相近的（如电阻和电容值的选择）；元器件的等效替换（实际电路板上，我们使用中周代替变压器调谐）；电路板的调试。实践中，我们应将课堂所学与实验课结合起来，锻炼自己的理论联系实际的能力和实际动手能力。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准本次课程设计的完成，收获颇多，首先，巩固和加深了对电子线路基本知识的理解，提高了综合运用所学知识的能力。其次，通过与实际电路方案的分析比较，设计计算，元件选取，安装调试等环节，让我们学会初步掌握了简单实用电路的分析方法和工程设计方法。最重要的是增强了动手能力和根据自己所学需要查阅资料的能力，以及自己分析和解决问题的能力。不但锻炼了我么最基本的高频电子线路的设计能力，更重要的是让我们更深刻的认识了高频电子线路这门课程在实际中的应用。还是有书到用时方恨少的感觉呀。这个过程是一个积累的过程，当你做的多了以后你就会积累相当多的经验，会注意在