教学用高频电子线路模块开发毕业设计论文

1、教学用高频电子线路模块开发摘 要本文利用高频电子线路课程上学到的基础知识，采用各类分立元件设计了五个高频常规模块，包括：正弦波振荡器，高频小信号放大器，高频功率放大器（甲乙类功率放大器和丙类功率放大器），调幅和三极管放大包络检波器等。这些模块在设计中大量采用了谐振回路，解决了诸如滤波选频，放大失真，功放效率，阻抗匹配等基本问题，这些模块在教学方面有很强的实际意义，能理论联系实际教学，同时在无线电系统和通信系统中也得到了广泛的应用。关 键 词：振荡；放大；滤波；调幅；阻抗匹配abstractin this thesis, it have designed five high-frequency

2、regular modules by using various types of discrete components basing on the high frequency electronic circuits course which we have learned in the class, such as: sine wave oscillator, high-frequency small-signal amplifier, high-frequency power amplifiers (class-ab power class c amplifier and power

3、amplifier), and transistor amplification envelope detector and so on. lots of resonant circuit are widely utilized in these modules to solve many problems, such as frequency-selective filtering, amplification distortion, power amplifier efficiency, impedance matching and other basic issues, these mo

4、dules have a profound practical significance in teaching, which can integrate theory with actual perfectly, while radio systems and communications systems have also widely used these modules.key words：oscillate，amplify，filtering，amplitude modulation，impedance matching目 录1 绪论12 各模块的原理32.1 正弦波振荡器32.1.

5、1 正弦波振荡器的介绍及构成32.1.2 正弦波振荡器的工作原理32.1.3 三点式振荡器42.2 高频小信号放大器52.2.1 高频小信号放大器的简述52.2.2 高频小信号放大器的主要性能指标52.2.3 高频小信号选频放大器的稳定性能62.3 高频功率放大器72.3.1 功率放大器与电压放大器的区别72.3.2 功率放大器的分类72.3.3 丙类谐振功率放大器的特点82.3.4 丙类谐振功率放大器的主要性能指标82.3.5 丙类谐振功率放大器的电路原理图82.4 振幅调制92.4.1 调制的概念92.4.2 振幅调制的定义和分类92.4.3 普通调幅波（）的性质92.4.4 普通调幅波的

6、特点102.5 普通调幅波解调102.5.1 检波的概念及分类102.5.2 包络检波102.5.3 三极管包络检波器中的主要性能指标112.5.4 三极管包络检波器中的几种失真113 各模块的设计133.1.1 正弦波振荡器实际设计133.1.2 高频小信号放大器的实际设计143.1.3 丙类功率放大器实际设计电路153.1.4 低电平调制电路-模拟乘法器调幅电路173.1.5 调幅波解调的实际设计电路194 总结21致谢23参考文献25附 录27 1 绪论通信是人类社会发展的重要组成部分，又是社会进步的重要因素，凡是在发信者和收信者之间，以任何方式进行消息的传递都可以称为通信，能够实现消息

7、传递所需的设备的总和叫做通信系统。它包括输入换能器，发送设备，信道，接收设备以及输出换能器五个部分，每一部分都有相应的任务。输入换能器主要负责将外界的非电信号转换成电信号，发送设备的任务是调制和放大，信道主要负责连接发送设备和接收设备，接收设备的任务是把接收的信号进行处理，输出换能器将接收设备的信号还原成原来的形式。通信系统每部分涉及到的基本电路包括1：小信号放大器，功率放大器，信号的调制和解调电路，混频电路，倍频电路等。本课题就是根据这些基本功能设计的5个模块，旨在理论教学和实践相结合，通过实践能够更加深入的理解理论知识。2 各模块的原理2.1 正弦波振荡器2.1.1 正弦波振荡器的介绍及构

8、成正弦波振荡器就是能量转换的装置但是它无需外加激励信号，它是直接将直流电源提供的能量转换成按特定频率变化的交流信号能量的电路。要保证正弦波振荡器正常工作，必须要包括以下四个部分：（1）、放大器：至少有一个有放大作用的有源器件。（2）、正反馈通路和负阻：必须选用一个能够补充元器件能量损耗的正反馈通路和负阻器件，以保证有稳定的振荡。（3）、频率决定元件或回路：振荡器必须有频率决定元件或回路，如电阻、电容、电感和晶体管，以及他们构成的选频回路、相移网络或者延时网络。（4）、电源：为振荡器提供能量。2.1.2 正弦波振荡器的工作原理正弦波振荡器要产生稳定的正弦波振荡，电路必须满足一下三个条件：（1）、

9、振荡器的起振条件：首先，是让正弦波振荡器自己起振又叫做自激振荡。正弦波起振条件是：图2-1正弦波振荡器基本电路 （2-1）式中，表示环路增益，振幅起振条件或，相位起振条件 0,1,2,3 （2-2）（2）、振荡器的平衡条件：其次，是保证振荡器回路中的能量的补充刚好抵消能量的消耗，达到回路平衡。振荡器起振后，振荡幅度不会无限增长下去，而是在某一点处于平衡状态。因此，反馈振荡器既要满足起振条件，又要满足平衡条件。在接通电源后，依据放大器大振幅的非线性抑制作用，回路增益必具有随振荡器电压振幅增大而下降的特性。振幅平衡条件或相位平衡条件0,1,2,3。（3）、振荡器的稳定条件：最后，还要保证振荡器是稳

10、定的，如果外加干扰使得振荡器偏离了环路平衡状态，振荡器系统应能自动恢复到原来的平衡状态。在平衡点附近回路增益应具有随增大而减小的特性，即振幅稳定条件为 （2-3）外界因素的变化同样会破坏相位平衡条件，使环路相移偏离相位稳定条件是指相位条件一旦被破坏时环路能自动恢复所应具有的条件即。2.1.3 三点式振荡器（1）三点式振荡器的基本组成三点式振荡器是指回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器2。如下图：图2-2三点式振荡器等效电路设回路谐振时有电流i在流动，则有 即： （2-4）根据 （2-5）得三点式的一般组成原则：与电抗性质相同，与（或）电抗性质相反。（2）三点式振荡器的分类

11、：a、串联改进型电容三点式振荡器克拉泼电路克拉泼电路的功能主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性，使振荡频率的稳定度得以提高。克拉泼电路的优点：振荡频率和反馈系数互不影响。缺点：调节改变频率时影响振幅5。a、并联改进型电容三点式振荡器西勒电路图2-4西勒振荡器西勒电路是在串联型电容三点式振荡电路的电感旁并接了一个电容而构成的。而为远小于的固定电容。如果使固定, 通过变化来改变振荡频率, 则在振荡频率变化时基本保持不变, 从而使输出振幅稳定。2.2 高频小信号放大器2.2.1 高频小信号放大器的简述高频小信号放大器的特点：放大高频小信号(中心频率在几百到几百，频谱宽

12、度在几到几十的范围内)的放大器。高频小信号放大器的基本组成是：由“放大部分+选频滤波部分”按“级联”方式构成。放大部分的核心元器件是增益元器件，如三极管、场效应管、集成运放或专用集成放大器等。选频部分的必要元器件是电感、电容等动态元件。高频小信号放大电路分为窄频带放大电路和宽频带放大电路两大类6。前者对中心频率在几百千赫到几百兆赫,频谱宽度在几千赫到几十兆赫内的微弱信号进行不失真的放大,故不但需要有一定的电压增益,而且需要有选频能力。后者对几兆赫至几百兆赫较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大,故要求放大电路的下限截止频率很低(有些要求到零频即直流),上限截止频率很高。2.2.2 高频小信号放大

13、器的主要性能指标a、增益增益定义为放大器的输出信号电量与输入信号电量的比值，用a加下标来表示。电压放大倍数： 或者： (2-9)（2）功率放大倍数： 或者： (2-10)b、通频带通频带定义为放大器的增益比最大增益下降时的上限截止频率与下限截止频率之差，用 表示。通频带决定于回路负载值，且随级数的增加带宽越来越窄。如下图：图2-5放大器的通频带c、选择性选择性表示放大器对通频带以外的各种干扰信号及其噪声的滤除能力，或者从各种干扰中选出有用信号的能力。放大电路的选择性主要由选频回路来决定。衡量选择性的指标是矩形系数。矩形系数：表示与理想滤波特性的接近程度。 (2-11)d、工作稳定性放大器的工作

14、稳定性是指放大器的工作状态，晶体管参数，电路元件参数等发生可能变化时，其主要质量指标的稳定程度，放大器的不稳定现象表现为增益的变化，中心频率的偏移，通频带变窄，谐振曲线变形等，其极限状态是放大器产生自激。e、噪声系数噪声系数是用来反映电路本身噪声大小的技术指标。其定义为输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值。噪声系数越接近于1，说明放大器的抗噪能力越强，输出信号的质量越好7。.2.2.3 高频小信号选频放大器的稳定性能a、放大器不稳定的原因：在放大器回路中，由于电路中存在正向传输导纳，且不为零，即输出电压可以反馈到输入端，引起输入电流的变化，从而可能使放大器工作不稳定。如果这个反馈足够大，且

15、在相位上满足正反馈条件，则会出现自激振荡现象。b、提高放大器稳定性的方法：（1）选择高频性能好的三极管。通常 (即)越小越好。（2）中和法。在晶体管外部接一个中和电容来抵消内部反馈有害的影响。（3）失配法。是一种通过适当降低放大器的增益，提高放大器的稳定性的方法。失配法通过增大负载电导进而增大总回路电导，使输出电路严重失配，失配法以牺牲增益来换取电路的稳定。实际电路的设计中，运用了失配法，采用共射共基级联电路就是一种典型的失配法的应用电路，如图：图2-6共射-共基电路共射-共基级联放大器的稳定性比一般共射放大器的稳定性高的多，共射极在负载导纳很多的情况下，虽然电压增益很小，但是电流增益却很大，

16、而共基极虽然电流增益接近1，但电压增益却较大，因此级联后功率增益较大，而且噪声系数小，由于共发射极的输入阻抗高，可以保证输入端有较大的电压传输系数，这对于提高信噪比有利，而且共射-共基极电路稳定，可以允许有较高的功率增益，有利于抑制后面的噪声。也为后面展宽放大器的通频带做 好了准备。2.3 高频功率放大器2.3.1 功率放大器与电压放大器的区别电压放大器的主要要求是使其输出端得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，输出功率不一定大。功率放大器主要要求获得一定的不失真的输出功率。2.3.2 功率放大器的分类8功率放大器通常是根据功放管工作点选择的不同来进行分类的。（1）

17、、凡是功率管在一个周期内导通的称为甲类；（2）、仅在半个周期内导通的称为乙类；（3）、介于甲类和乙类之间，即大于半个周期小于一个周期内导通的称为甲乙类；（4）、小于半个周期内导通的称为丙类。如果保持输出功率相同，四种功放电路的效率关系如下：甲类（最高50%）乙类（最高50%78%）甲乙类（最高78%）丙类（最高85%90%）2.3.3 丙类谐振功率放大器的特点（1）放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流10。（2）输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。（3）基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压（ ），使电路工作在丙类状态。（4）输入余弦波时，经

18、过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。2.3.4 丙类谐振功率放大器的主要性能指标（1）、输出功率（2）、效率: （3）、功率增益: （4）、非线性失真2.3.5 丙类谐振功率放大器的电路原理图 （1）、电路图如下：图2-7功率放大器lc谐振回路：为放大器的负载。谐振回路的谐振频率为信号的中心频率。lc谐振回路的作用是滤波和阻抗匹配。:基极直流偏置电压，作用是保证三极管工作在丙类状态。的值应小于放大管的导通电压；通常取。：集电极直流电压，作用是给放大管合理的静态偏置，提供直流能量。（2）、丙类谐振功率放大器的三种工作状态11欠压状态：当谐振负载较小，输出电压的最大值也较小时，在高频一个周期内各

19、动态工作点都处在晶体管特性曲线的放大区，此时集电极电流波形为尖顶余弦脉冲，且脉冲幅度较高。临界状态：当谐振负载较大，输出电压的最大值也较大时，在高频一个周期内各动态工作点都处在晶体管特性曲线的临界饱和线，此时集电极电流波形为尖顶余弦脉冲，但脉冲幅度比欠压时略低。过压状态：当谐振负载很大，输出电压的最大值也很大时，在高频一个周期内各动态工作点都处在晶体管特性曲线的饱和区，此时集电极电流波形为凹顶脉冲，且脉冲幅度较低。（3）、丙类谐振功率放大器的滤波匹配网络12为满足结它的输出功率和效率的要求，并有较高的功率增益，需要设计输入和输出匹配网络。输出滤波匹配网络：把放大器的输入阻抗变换成前级信号源所需

20、的负载阻抗，以使电路能从前级信号源中获得最大的激励功率。将外接负载变换为谐振功放所要求的负载电压，以保证放大器输出所需的功率。输入滤波匹配网络：具有滤波和阻抗变换能力，可以滤除各次谐波，使负载上只有基波电压。2.4 振幅调制2.4.1 调制的概念调制:携带信息的电信号去控制高频振荡信号的某一参数,该信号按照电信号的规律而变化的一种处理方式。2.4.2 振幅调制的定义和分类振幅调制：凡是能实现将调制信号频谱搬移到载波一侧或两侧的过程，称为振幅调制。振幅调制分为低电平调制和高电平调制，其中低电平调制电路是先在低功率电平级进行振幅调制，然后再经过高频功率放大器放大到所需要的发射功率。方法有平方率调幅

21、和斩波调幅。高电平调幅是直接产生满足发射机输出功率要求的已调波。它的优点是整机效率高。方法有集电极调幅和基极调幅。2.4.3 普通调幅波（）的性质载波信号：，调制信号：普通调幅波的数学表示式为: （2-14）其中调制度 （2-15）当时，已调波振幅的包络形状与调制信号一样不失真调幅，当时，包络形状会产生严重失真，必须尽力避免14。2.4.4 普通调幅波的特点（1）、普通调幅波中载波分量占有的功率较大，而含有信息的上、下边频分量占有的功率较小。（2）、从能量观点看，普通调幅波进行传送，不含信息的载波功率过大，是一种很大的浪费。这是普通调幅波本身固有的。2.5 普通调幅波解调2.5.1 检波的概念

22、及分类检波(解调)：即从已调幅波中还原出原调制信号的过程。是振幅调制的逆过程。从信号的频谱来看，检波电路的功能是将已调波的边频或边带信号频谱般移到原调制信号的频谱处16。包络检波：是指检波器的输出电压直接反映输入高频调幅波包络变化规律的一种检波方式。根据调幅波的波形特点，显然只适合于普通调幅波的解调。同步检波：主要应用于双边带调幅波和单边带调幅波的检波。因为双边带调幅波和单边带调幅波的频谱中缺少一个载波频率分量，不能用包络检波器解调，必须用在检波器输入端加一个本地载波信号的同步检波器实现解调。2.5.2 包络检波包络检波器主要有非线性元件和低通滤波器构成。在实际的电路设计中采用了三极管包络检波

23、器，如下图：图2-8三极管包络检波器三极管包络检波器利用发射结产生与二极管包络检波器相似的工作过程，检波的过程实际上就是信号源通过三极管给电容充电与电容对电阻放电的交替重复过程，由于时间常数远大于输入电压载波周期,放电慢,使得三极管负极永远处于正的较高的电位(因为输出电压接近于高频正弦波的峰值,即)。三极管电流包含平均分量(此种情况为直流分量) 及高频分量。二极管上的电压变化基本上与输入信号峰值包络的变化一致。2.5.3 三极管包络检波器中的主要性能指标（1）、检波效率： （2-20）其中（2）、等效输入电阻 （2-21）2.5.4 三极管包络检波器中的几种失真（1）惰性失真（对角线切割失真）

24、产生原因：它是在调幅波包络下降时，由于时间常数太大电容的放电速度跟不上输入电压包络的下降速度。这种非线性失真是由于的惰性太大引起的。解决办法：减少数值，提高放电速度。（2）底部切割失真（负峰切割失真）产生原因：检波器的直流负载阻抗与交流负载阻抗不相等而且调制度ma过大引起的。解决办法：检波与低放之间插入高输入阻抗的射频跟随器，提高交流负载。3 各模块的设计3.1.1 正弦波振荡器实际设计（1）、实际电路图如下：图3-1正弦波振荡器电路中一定要保证晶体三极管处于放大状态，让信号不失真的放大。放大电路采用基极分压式射极偏置电路，这个电路有稳定静态工作点（发射极电阻）和保证增益不会下降（跟发射极电阻

25、并联电容）的特点18。（2）、电路参数确定：a1、三极管放大部分：要使三极管处于放大状态，必须保证，射极偏置电阻取，可调，a2、lc振荡部分：为了使反馈系数，可调，电感，电源供电电压为。此振荡电路频率稳定度高，输出波形好，频率可调。a3、实际测试波形如图：图3-2 振荡器振荡波形图3.1.2 高频小信号放大器的实际设计a、展宽放大器通频带的方法：单级调谐型放大器的通频带不够宽，为了展宽放大器的通频带，获得较好的效果，由于实际电路设计中，使用了组合电路法来展宽通频带，典型电路即共射-共基组合电路，在这个电路中，上限截止频率由共射级电路的上限截止频率决定，运用共基极电路输入阻抗小的特点，把它作为共

26、射电路的负载，使共射电路输出总电阻大大减小，使回路的密勒电容大大 减小，高频性能有所改善，从而有效的扩展了共射电路亦即整个组合电路的上限截止频率，由于共射电路负载小，所以电压增益减小，但是这可以对电压增益较大的共基级电路进行补偿。b、实际电路图：图3-3高频小信号放大器该电路负载采用部分接入的并联谐振回路，此回路有两个作用：一是选频滤波，二是实现阻抗匹配或变换。c、测试数据：中心频率5.81，实际测试得到的中心频率为4.9（1）、当输入20，78039.0 上限截止频率6.7，下限截止频率3.9通频带6.7-3.9=2.8（2）、当输入50，1.8436.8上限截止频率5.5，下限截止频率4.

27、4通频带5.5-4.4=1.1实际测试波形如图：图3-4放大器测试波形图（3）、当输入100，3.5635.6 上限截止频率5.6，下限截止频率4.5通频带6.7-3.9=1.1共射共基谐振放大器静态工作点可调。根据实际情况，调整静态工作点使输出电压达到最大不失真，电路稳定，波形较好，失真小。3.1.3 丙类功率放大器实际设计电路（1）、设计电路图如下：图3-3丙类功率放大器该电路采用2种功率放大电路相结合的方式，前级是甲类功率放大电路，负载采用的是部分接入式并联谐振回路，后级丙类谐振功率放大电路的集电极馈电线路采用的是并馈接法，保证了集电极电流中的直流分量只流过集电极直流电源，以便直流电源提

28、供的直流功率全部交给晶体管，而且还保证谐振回路两端仅有基波分量压降，以便把变换后的交流功率传送给回路负载。基极馈电线路采用的是串馈接法，保证了基极电流中的直流分量只流过基极偏置电源，而且还保证了基极电流中的基波分量只流过输入端的激励信号源，以便使输入信号控制晶体管的工作，实现放大。（2）、实际测试数据a、当50，5.72中心频率8.8，上限截止频率9.4，下限截止频率8.5，带宽0.9。b、当100，6.56中心频率8.8，上限截止频率10，下限截止频率8.4，带宽1.6。直流电源提供的功率1.42输出功率1.19效率83.8%，0.23实际测试波形如图：图3-4功率放大器测试波形图该电路输出

29、功率大，效率较高，波形失真较小，因此高频丙类功率放大器通常用于各种无线发送设备中。3.1.4 低电平调制电路-模拟乘法器调幅电路（1）、模拟乘法器是完成两个模拟信号（电压或电流）相乘作用的电子器件。在实际的电路设计中采用了集成调幅芯片进行振幅调制。（2）、实际设计电路如下：a、低频信号源：图3-5低频信号源该电路采用了文氏电桥正弦波发生器，该电路能够产生1.5的正弦信号，该信号用作调制信号，输出电压可调。波形如图：图3-6信号源波形图b、调制电路：图3-7管脚图图3-8调制电路图的调试非常困难，芯片的1，4脚接可调电位器，故三个可调电位器一起调，当载波频率为1时，幅度为2时，调制信号为1.5时

30、，改变调制信号的幅度，在某个时刻可以观察到明显的调幅波输出（6脚）。c、实际测试电路图如图：图3-9调幅波波形图该电路输出经过耦合变压器，波形输出稳定，包络明显。3.1.5 调幅波解调的实际设计电路（1）、电路图：图3-10检波电路图在该电路中，由于是低电平调制，输出调幅波幅度小，未达到三极管包络检波检波的条件，于是将调幅波进行放大，调幅波经过一个耦合变压器，波形上下对称，经过放大器放大，在经过三极管包络检波器，能够成功的解调出调制信号。波形稳定。效果良好。（2）实际测试波形如图：图3-11检波波形图4 总结在设计教学用高频电子线路模块的过程中，我深刻的体会到了理论联系实际的重要性，在这些模块的设计中，主要运用到了三极管，二极管，电容电感等线性或非线性