高频小信号调谐放大器

通信电子线路课程说明书 高频小信号调谐放大器 系 、 部： 电气与信息 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子0802 完成时间： 2010.12.17 摘 要 高频小信号谐振放大器在通信、广播等设备中有广泛的应用，可以利用三极管放大信号、LC并联谐振回路谐振选频，从而放大特定频率的信号。三极管共发射极放大具有电压增益大、输出电压与输出电压反相、低频性能差的特点，适用于高频和多级放大电路的中间级，利用两级单调谐电路将原始微弱信号放大100倍，并利用LC并联谐振回路将特定信号选出。表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标由谐振频率f ,谐振电压放大倍数A ,放大器的通频带ＢＷ及选择性（矩形系数Ｋ ）的计算。 关键词　三极管；ＬＣ；谐振；品质因数；通频带；矩形系数 ABSTRACT High frequency signal resonance amplifier was widely used in telecommunications . Broadcasting equipment and so on. We can use, LC loop resonance frequency selective parallel resonant frequency amplifier , thus the particular signal. Transistor amplifier with voltage gain of emitter, output voltage and input voltage, frequency characteristics of the poor performance, suitable for low and middle level of multi-level amplifier circuit, using two levels of signal tuned circuit will original weak signal, and by using the LC 100 times parallel resonant circuit will be elected signal. The technical indexes of amplifier and test method, the impact of distribution parameters of the circumstances about circuit performance. Small signal resonance frequency amplifier, characterized by the main performance indexes, the harmonic resonance frequency and voltage magnification A amplifier pass band BW and selective rectangular K coefficient usually. Keywords triode ; LC ; resonant ; quality factor ; pass band ; rectangular coefficient 目 录 1 概述…………………………………………………………………………………3 2电路设计………………………………………………………………………4 2.1 设计任务 …………………………………………………………………4 2.2 高频小信号放大器的特点 ………………………………………………4 2.3 高频小信号调谐放大器简述 ……………………………………………4 2.4 电路原理图 ………………………………………………………………5 2.5 谐振频率的确定 …………………………………………………………5 3电路的工作原理……………………………………………………………………7 4 主要性能指标及测量方法 ………………………………………………………9 4.1 电压增益……………………………………………………………………9 4.2 谐振曲线……………………………………………………………………9 4.3 放大器的通频带 …………………………………………………………10 4.4 放大器的矩形系数 ………………………………………………………10 5 电路参数的设计 …………………………………………………………………12 5.1 设置静态工作点 …………………………………………………………12 5.2 计算谐振回路参数 ………………………………………………………12 6 调试与仿真 ………………………………………………………………………13 6.1仿真测试的与步骤 …………………………………………………13 6.2仿真测试结果与分析 ……………………………………………………13 参考文献 ……………………………………………………………………………15 致谢 …………………………………………………………………………………16 附录 …………………………………………………………………………………17 1 概述 20世纪末，电子通讯获得了飞速的发展，在其推动下，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。 高频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。 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。 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; 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。 2电路设计方案 2.1 设计任务 设计一个高频小信号调谐放大器。要求中心频率为10MHz,电压增益 ，通频带为4MHz，负载电阻100 ，电源电压+12V。 2.2 高频小信号放大器的特点 （1） 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。 （2）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。 （3）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。 2.3 高频小信号调谐放大器简述 高频小信号调谐放大器简述： 高频小信号放大器的功用就是无失真的放大某一频率范围内的信号。按其频带宽度可以分为窄带和宽带放大器 ，而最常用的是窄带放大器，它是以各种选频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波功能。对高频小信号放大器的基本要求是： （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= 2Δf0.7，品质因数Q=fo/2Δf0.7. 图2.1 频率特性曲线 （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。 图2.2 反馈导纳对放大器谐振曲线的影响 （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。 2.4 电路原理图 根据上面各个具体环节的考虑设计出下面总体的电路： 图2.3 高频小信号放大器 2.5 谐振频率的确定 ​  ​  高频放大器制作中最关键也是最难的就是选取恰当的电感和电容值，使电路谐振。谐振时有ωC=1/ωL，通过计算可以确定LC的值，但实际电路与理论计算往往相差很大，甚至能相差十几倍到几十倍，这就需要一定的操作技巧。以33MHz放大器为例，经计算得电感为4.7uH时选用5—25pF的可调电容完全可以达到谐振频率，但接好电路后很少能够调到30MHz。多次实验表明，实际振荡频率一般小于计算的频率，这就要用其它办法来确定放大器的谐振频率。一个比较好的办法就是借助LC振荡电路来实现谐振。 ​  如图2.4所示，此电路为共基组态的“考毕兹”振荡器，原理不再赘述，下面说明如何利用本电路:可调电容Cx选用和放大器电路中同一规格的，电感Lx是放大器中变压器接入谐振回路的电感值，由于本电路仅由Lx和Cx决定，但在实际电路中电容对电路的振荡频率的影响远远 没有电感明显，因而先选定电容（5—20pF可调），则频率为33MHz时，电感需要4uH左右。用一外径较大的磁芯（其中磁芯的Q值一定要高，否则高频损耗太大，放大器就不能放大），然后用漆包线手工绕制电感（若要大批量生产，可把绕好的做样品），绕适当的圈数后再用高频Q表测量其电感值大小，不断改变其圈数，使Lx基本达到要求（4uH左右），然后把绕制好的电感作为Lx接入图2.4所示的电路中，再用示波器测量此电路的震荡频率，调节Cx,看振荡频率是否为33MHz,若不是，则相应的减少或增加变压器（即接入的电感）的圈数，直到其频率为所要求的为止，最后再按照要求的比例（常用3：1）来绕变压器的次级线圈。 ​  图2.4 共基组态的“考毕兹”振荡器 3电路的工作原理 小信号调谐放大器是各种电子设备、发射和接收机中广泛应用的一种电压放大器。其主要特点是晶体管的输入输出回路（即负载）不是纯电阻，而是由L、C元件组成的并联谐振回路。 小信号调谐放大器的类型很多，按调谐回路区分：有单调谐回路，双调谐回路和参差调谐回路放大器。按晶体管连接方法区分：有共基极、共发射极和共集电极放大器。 高频小信号调谐放大器与低频放大器的电路基本相同（如图3.1所示）。其中变压器T2的初级线圈为接收机前端选频网络的一部分，经次级线圈耦合后作为放大器的输入信号，输出端也采用变压器耦合方式来实现选频和输出阻抗匹配。 图3.1接受天线端及高频小信号放大器 Cb与Ce为高频旁路电容，使交流为通路。本放大器的高频等效电路（不含天线下断的选频网络）如图3.2所示： 图3.2 调谐放大器的高频等效电路 电路中并联振荡回路两端间的阻抗为： …………3.1 其中R是和电感串联的电阻，由于ωL>>R因此有： ………………………3.2 则并联回路两端电压为： …………………3.3 所以，当ωC=1/ωL时Vm有最大值，即回路谐振时输出电压最大。 4 主要性能指标及测量方法 4.1 电压增益 放大器输出电压V O（或功率P O）与输入电压V i（或功率P i ）之比，称为放大器的增益或放大倍数，用A v ( 或 A p ) 表示（有时以dB数计算）。 电压增益 ： …………………………………………………4.1. 功率增益 ： ………………………………………………………4.2 分贝表示 ： …………………………………………………4.3 ………………………………………………4.4 4.2 谐振曲线 放大器的谐振曲线是表示放大器的相对电压增益与输入信号频率的关系。 ……………………………4.5 由上式可得： …………………………………4.6 对谐振放大器来讲，通常讨论的 f 与 f 0 相差不大，可认为 f 在 f 0 附近变化，则： ………………………………………4.7 式中， ，称为一般失谐。 令 ，称为广义失谐。代入上式得： …………………………………………4.8 取模得： ………………………………………4.9 下图是并联谐振回路的单位谐振曲线： 图4.2 放大器的谐振曲线 4.3 放大器的通频带 放大器的电压增益下降到最大值的 0.7（即 1/ ）倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用BW=2Δf 0.7表示，如图2-1 。2Δf 0.7 也称为 3 分贝带宽。 由于放大器所放大的一般都是已调制的信号，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。 与谐振回路相同，放大器的通频带决定于回路的形式和回路的等效品质因数Q L 。此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变窄。并且，通频带愈宽，放大器的增益愈小。 图4.3 高频小信号放大器的通频带 4.4 放大器的矩形系数 矩形系数的定义： ……………………………………4.10 其中， 是 时所对应的频带宽度，即 …………………………………4.11 …………………………4.12 故 ……………………………4.13 根据矩形系数的定义得： ……………………………4.14 5 电路参数的设计 5.1 设置静态工作点 取 Ieq =1.38mA, Veq =2.8V, Vceq=2.7V, 则 R4=Veq/Ieq=2KΩ…………………………………………………5.1 R3=Vbq/(6Ibq)= 3KΩ …………………………………………5.2 (Vcc-Vbq)R3/Vbq=10KΩ ……………………………………5.3 5.2 计算谐振回路参数 （一）根据要求应由谐振频率选取电感L，中心频率f0=10MHz取电容为50pF 由公式 ……………………………………5.4 得L=5.066uH,根据实物取L=4.7uH 6 电路仿真与性能分析 6．1仿真测试的内容与步骤 用Multisim软件连接电路图，修改参数。观察示波器的输入、输出波形，求电压增益。观察扫描仪的波形，求频带宽度。 6．2仿真测试结果与分析 6.2.1 仿真原理图 6.2.3 仿真结果 a.函数发生器参数 b.波特图示 c.示波器输出 参考文献 [1]曹才开，姚屏，曾屹，周细凤.高频电子线路原理与实践[M].湖南：中南大学出版社，2010.28~62 [2]康华光.电子技术基础模拟部分[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.102~181 [3]宋树祥，周冬梅.高频电子线路. 北京:北京大学出版社，2007 [4]胡宴如.模拟电子技术基础. 北京:高等教育出版社，2002 [5]陆秀令.模拟电子技术.北京: 北京大学出版社，2006 [6]谢自美.电子线路设计·实验·测试(第三版).武汉：华中科技大学出版社，2006 致谢 通过这次高频课程设计小信号谐振放大电路,更加熟悉了解了小信号谐振的工作原理, 掌握了谐振电路主要性能指标的测量方法和主要参数的调整方法等。更进一步的掌握用PROTEL绘制原理图和PCB图，在绘图过程中，注意元器件的摆放，尽量做到布线美观，节约，在制作实物时，掌握了腐蚀和焊接的技巧，锻炼了自己的工程意识,动手能力,分析解决实际问题的能力,以及设计能力和创新的精神,提高了自己的综合素质.同时,熟练掌握了常用电工工具,常用电工电子测试仪器,仪表的使用方法. 本次课程设计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。在此次设计时我们也遇到了不少的困难和问题，但在同伴们的帮助下，辛苦的去专研去学习，最终都克服了这些困难，使问题得到了解决。其中遇到的问题很多都是在书上不能找到的，所以我们必须自己查找相关资料，利用图书馆和网络，这是一个比较辛苦和漫长的过程，你必须从无数的信息中分离出对你有用的，然后加以整理，最后才学习到变为自己的并用到设计中的问题去。 在此再次感谢贾雅琼老师精心的指导和同学们的无私的帮助，让我感觉团队的力量和温馨，在以后的日子里我会更加地利用好这股力量，创造出属于自已的空间。 附录 1.​ 仿真原理图 2.​ PCB图 3.​ 原件清单 元件 参数 数量 电容 0.1UF 3只 电容 50pF 1只 电容 1uF 1只 电感 4.7uH 1只 放大器 2N2222 1只 电阻 10K 1只 电阻 5K 1只 电阻 3K 1只 电阻 2K 2只