高頻小信號諧振放大器設計

1、 2015 2016學年 第 1 學期高頻電子線路課 程 設 計 報 告題 目： 高頻小信號諧振放大器的設計 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 13電子信息 姓 名： 指導教師： 電氣工程學院 2015年 12月12日任務書課題名稱高頻小信號諧振放大器的設計指導教師（職稱） 執(zhí)行時間20152016學年第1學期 第14周學生姓名學號承擔任務方案設計、論文撰寫原理圖繪制及仿真驗證方案驗證與仿真軟件學習及資料查詢原理圖驗證軟件學習及仿真設計目的1. 了解LC串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路的選頻原理和回路參數(shù)對回路特性的影響；2. 掌握高頻單調(diào)諧放大器的構成和工作原理；3. 掌握高頻單調(diào)諧放大器的等效電

2、路、性能指標要求及分析設計；4.掌握高頻調(diào)諧放大器的設計方案和測試方法。設計要求1. 設計高頻小信號諧振放大電路 ；2. 根據(jù)設計要求和技術指標設計好電路，選好元器件參數(shù)，測試并計算諧振頻率、諧振增益、通頻帶、增益帶寬、噪聲系數(shù)等指標；3. 用LC振蕩電路為輔助，來消除高頻放大器自激振蕩和實現(xiàn)準確的頻率選擇；另加其它電路，實現(xiàn)放大器與前后級的阻抗匹配；4. 設置靜態(tài)工作點，確定耦合電容與高頻濾波電容。5.設計并制作高頻小信號諧振放大器。摘 要高頻小信號放大器是通信設備中常用的功能電路，它所放大的信號頻率在數(shù)百千赫至數(shù)百兆赫。高頻小信號放大器的功能是實現(xiàn)對微弱的高頻信號進行不失真的放大，從信號所

3、含頻譜來看，輸入信號頻譜與放大后輸出信號的頻譜是相同的。 高頻小信號放大器的分類： 按元器件分為：晶體管放大器、場效應管放大器、集成電路放大器; 按頻帶分為：窄帶放大器、寬帶放大器; 按電路形式分為：單級放大器、多級放大器; 按負載性質分為：諧振放大器、非諧振放大器; 所謂諧振放大器，就是采用諧振回路作負載的放大器。根據(jù)諧振回路的特性，諧振放大器對于靠近諧振頻率的信號，有較大的增益；對于遠離諧振頻率的信號，增益迅速下降。所以，諧振放大器不僅有放大作用，而且也起著濾波或選頻的作用。高頻小信號調(diào)諧放大器廣泛應用于通信系統(tǒng)和其它無線電系統(tǒng)中

4、，特別是在發(fā)射機的接收端，從天線上感應的信號是非常微弱的，這就需要用放大器將其放大。高頻信號放大器理論非常簡單，但實際制作卻非常困難。其中最容易出現(xiàn)的問題是自激振蕩，同時頻率選擇和各級間阻抗匹配也很難實現(xiàn)。本文以理論分析為依據(jù)，以實際制作為基礎，用LC振蕩電路為輔助，來消除高頻放大器自激振蕩和實現(xiàn)準確的頻率選擇；另加其它電路，實現(xiàn)放大器與前后級的阻抗匹配。關鍵詞：高頻小信號放大器；調(diào)諧放大器目 錄高頻電子線路1課 程 設 計 報 告1任務書2摘 要3 目錄4第一章 總體方案51.1 設計條件51.2 總體方案簡述5第二章 高頻小信號諧振放大器的原理分析62.1主要特點62.2主要性能指標62.

5、2.1諧振頻率62.2.2電壓增益和功率增益62.2.3通頻帶72.2.4選擇性72.2.5工作穩(wěn)定性72.2.6噪聲系數(shù)82.3放大器等效電路與分析方法82.4單調(diào)諧回路諧振放大器92.5多級單調(diào)諧放大器92.6調(diào)諧電路的穩(wěn)定性102.6.1中和法112.6.2失配法11第三章 高頻小信號諧振放大器的設計123.1主要參數(shù)123.2設計過程123.2.1回路的選擇123.2.2設置靜態(tài)工作點133.2.3諧振回路參數(shù)計算133.2.4確定耦合電容與高頻濾波電容14第四章 高頻小信號諧振放大器電路仿真154.1總原理圖154.2測量并調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點Q154.3高頻小信號諧振放大器主要性能的測量

6、16總 結19參考文獻20答辯記錄及評分表21第1章 總體方案1.1 設計條件主要技術指標（要求：放大電路工作穩(wěn)定）諧振頻率：諧振電壓放大倍數(shù)：通頻帶：選擇性（矩形系數(shù)）：已知條件；負載電阻，電源電壓1.2 總體方案簡述高頻小信號放大器的功用就是無失真的放大某一頻率范圍內(nèi)的信號。按其頻帶寬度可以分為窄帶和寬帶放大器，而最常用的是窄帶放大器，它是以各種選頻電路作負載，兼具阻抗變換和選頻濾波功能。對高頻小信號放大器的基本要求是：（1） 增益要高，即放大倍數(shù)要高。（2） 頻率選擇性要好，即選擇所需信號和抑制無用信號的能力要強，通常用Q值來表示。其中，帶寬為,品質因數(shù)為（3） 電路工作要穩(wěn)定可靠，即要

7、求放大器的性能盡可能地不受溫度、電源電壓等外界因素變化的影響，內(nèi)部噪聲要小，特別是不產(chǎn)生自激振蕩，加入負反饋可以改善放大器的性能。第2章 高頻小信號諧振放大器的原理分析2.1主要特點：晶體管集電極負載通常是一個由 LC組成的并聯(lián)諧振電路。由于 LC 并聯(lián)諧振回路的阻抗是隨著頻率變化而變化，理論上可以分析，并聯(lián)諧振在諧振頻率處呈現(xiàn)純阻，并達到最大值。即放大器在回路諧振頻率上將具有最大的電壓增益。若偏離諧振頻率，輸出增益減小?？傊{(diào)諧放大器不僅具有對特定頻率信號的放大作用，同時也起著濾波和選頻的作用。2.2主要性能指標：高頻小信號諧振放大器主要的性能指標將分成下面的幾部分進行說明： 2.2.1諧

8、振頻率放大器的諧振回路諧振時所對應的頻率稱為放大器的諧振頻率，理論上，對于LC組成的并聯(lián)諧振回路來說，諧振頻率為：式中，L為調(diào)諧回路電感線圈的電感值；C為調(diào)諧回路的總電容。 2.2.2電壓增益和功率增益電壓放大倍數(shù)用表示，等于放大器輸出電壓與輸入電壓之比，功率增益用表示，等于放大器輸出功率與輸入功率之比，即放大器的諧振電壓增益放大倍數(shù)（）指：放大器處在在諧振頻率下，輸出電壓與輸入電壓之比。測量方法：當諧振回路處于諧振狀態(tài)時，用高頻毫伏表測量輸入信號和輸出信號大小。圖2-2-2放大器歸一化幅頻特性曲線 2.2.3通頻帶通頻帶定義為放大器增益從最大值下降時所對應的頻率范圍，用表示。 2.2.4選擇

9、性選擇性表示放大器對通頻帶以外的各種干擾信號及其噪聲的濾除能力，或者說，從各種干擾中選出有用信號的能力。理想情況下，放大器應該對通頻帶以內(nèi)的各種信號頻譜分量具有相同的放大作用，而對通頻帶以外的信號則完全抑制。為了評價實際幅頻特性曲線接近理想矩形的程度，這里引入矩形系數(shù)：式子式中，是增益下降到最大值的0.1倍時的頻帶寬度。0.707倍和0.1倍之間的頻帶稱為過渡帶，越小，則過渡帶越陡峭，表明選擇性越好，越接近理想曲線。實際中總是大于1的，等于1則為理想情況。 2.2.5工作穩(wěn)定性工作穩(wěn)定性是指放大器中的直流偏置、交流參數(shù)和電路元件參數(shù)等發(fā)生變化時，放大器性能的穩(wěn)定程度。一般不穩(wěn)定現(xiàn)象表現(xiàn)在增益變

10、化、中心頻率偏移、通頻帶變化和諧振曲線畸變等方面。不穩(wěn)定狀態(tài)嚴重時可使放大器產(chǎn)生自激振蕩，不能正常工作。所以必須采取穩(wěn)定措施，如穩(wěn)定工作點、限制放大器的增益、選擇反向傳輸導納小的有源器件、中和法或失配法以及安排合理的電路工藝（元件布局、布線、接地）等來解決穩(wěn)定性問題。 2.2.6噪聲系數(shù)放大器的性能在很大程度上與干擾（常指外部）和噪聲（指內(nèi)部）有關，因此，要盡量減少這些干擾和噪聲對放大器的影響。噪聲系數(shù)定義為輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值，記為，即：顯然，噪聲系數(shù)越小越好，說明放大器抑制噪聲的能力越強。當放大器沒有內(nèi)部噪聲時，。噪聲的來源主要有兩個方面：電阻熱噪聲和半導體管噪聲。兩者有許多相

11、同的特性。2.3放大器等效電路與分析方法在小信號條件下，晶體管可用網(wǎng)絡參數(shù)等效電路中的y參數(shù)等效電路或混合型等效電路取代，分別如下圖所示： 圖2-3（a） 混合電路圖 圖2-3（b） y參數(shù)等效電路圖Y參數(shù)等效電路與混合等效電路參數(shù)的轉換，用混合參數(shù)表示的 Y 參數(shù)：其中，。2.4單調(diào)諧回路諧振放大器圖2-3 單調(diào)諧回路諧振放大器原理圖從理論上分析可得：在諧振點上的電壓增益為：矩形系數(shù)為：從這里也可以看出，矩形系數(shù)比1大得多，說明選擇性還是比較差的。2.5多級單調(diào)諧放大器在實際中，有時單級調(diào)諧放大器不能滿足總的增益要求，就要采用多級放大器。根據(jù)各級諧振情況分為多級單調(diào)諧放大器（每級諧振頻率均相

12、同）和參差調(diào)諧放大器（各級諧振頻率不同，但相差不大）。假如有m級放大器，其電壓增益分別為，則總增益為：為了方便討論，設每一級電壓增益均相等（都為），則（1）電壓增益為：（2）諧振曲線：當每級是由完全相同的單機放大器組成時，多級諧振曲線等于各單級諧振曲線的乘積，諧振曲線表達式為上式表明，級數(shù)越多（m越大），諧振曲線月尖銳，選擇性越好。（3） 通頻帶： 由于m是大于1的整數(shù)，所以一定小于1，即通頻帶變窄了，且m越大，通頻帶越窄。（4） 矩形系數(shù)： 令上面的諧振曲線為0.1，可以求出為 于是，矩形系數(shù)為由上式可知，m越大，矩形系數(shù)越小，但不可能小于2.56（當m取無窮大），也就是說矩形系數(shù)有所改善，

13、但是是有限度的，離理想矩形系數(shù)（矩形系數(shù)為1）還有很大差距。說明單調(diào)諧回路放大器選擇性較差，增益和通頻帶的矛盾比較突出。為了解決這些矛盾，通常采用雙調(diào)諧回路放大器和參差調(diào)諧放大器。2.6調(diào)諧電路的穩(wěn)定性在實驗時，經(jīng)常在測試電路中會出現(xiàn)自激的現(xiàn)象，特別是在多級放大的情況中。我們將這種沒有外部輸入信號，由于電路內(nèi)部正反饋作用而自動維持輸出交流信號的現(xiàn)象稱為自激。它經(jīng)常和進行高頻電路設計相違背，我們把這種具有自激現(xiàn)象的放大器稱為自激振蕩器，它實際上就是一個有足夠反饋量的正反饋放大器。 產(chǎn)生自激振蕩的條件和振蕩電路的原理一致。即滿足：（1）相位平衡條件 放大器的反饋信號與輸入信號必須同相位，即相位差是

14、 180°(或)的偶數(shù)倍。 （2）振幅平衡條件 指放大器的反饋信號必須有一定的幅度。在振蕩建立的初期，必須使反饋信號大于原輸入端的信號。 交流負反饋能夠改善放大電路的許多性能，改善的程度由負反饋的深度決定。但是，如果電路組成不合理，反饋過深，且電路附加相移(高頻區(qū)或低頻區(qū))改變了反饋信號的極性時，電路中的負反饋就會變成正反饋。反而會使放大電路產(chǎn)生自激振蕩。這種自激振蕩是一定要消除的?？朔约さ姆椒ㄔ谶@里介紹以下兩種： 2.6.1中和法中和法是在晶體管的輸入端和輸出端之間引入一個外部反饋電路（或反饋元件），又稱為中和電路，以消除晶體管內(nèi)部反向傳輸導納的反饋作用。 2.6.2失配法失配法

15、是指信號源內(nèi)阻不與晶體管輸入阻抗或負載阻抗不與晶體管輸出阻抗匹配，具體地說，就是通過減小負載阻抗，從而減少回路總阻抗，使輸出電壓相應減少，對輸入端的影響也就減少。顯然，這是用犧牲增益來獲得放大器的穩(wěn)定。為了滿足增益和穩(wěn)定性兩方面的性能指標要求，常采用共射-共基級聯(lián)成一個復合管組成的放大電路。第3章 高頻小信號諧振放大器的設計3.1主要參數(shù)：要求：諧振頻率：諧振電壓放大倍數(shù)：通頻帶：選擇性（矩形系數(shù)）：給定條件：,晶體管用9018，查手冊可知，9018在時，有：負載電阻，電源電壓3.2設計過程 3.2.1回路的選擇依據(jù)上一章關于高頻小信號諧振放大器的原理分析以及給定的條件及參數(shù)要求，可采用共射晶

16、體管單調(diào)諧回路諧振放大器，設計參考電路見圖3-2 單調(diào)諧高頻小信號放大器電原理圖圖中放大管選用9018，該電路靜態(tài)工作點Q主要由確定。利用的分壓固定基極偏置電位,如滿足條件：當溫度變化時,抑制了的變化，從而獲得穩(wěn)定的工作點。由此可知，只有當時，才能獲得恒定，所以，在選用硅管的時候，。只有當負反饋越強時，電路穩(wěn)定性越好，故要求。 3.2.2設置靜態(tài)工作點由于放大器是工作在小信號放大狀態(tài)，放大器工作電流一般在0.8mA2mA之間選取，在設計的電路中，我們?nèi)?，設。由于，又，則;由于，所以;由于,所以;由于,所以，則,取標稱電阻為8.2；由于，所以,考慮到調(diào)整靜態(tài)電流的方便，。 3.2.3諧振回路參數(shù)

17、計算（1） 回路總電容 由于則（2）回路電容C由于所以取C為標稱值30與微調(diào)電容并聯(lián)。（3） 電感線圈與的匝數(shù)根據(jù)理論推導，當線圈的尺寸及所選用的磁心確定后，則其相應的參數(shù)就可以認為是一個確定值，可以把它看成是一個常數(shù)。此時線圈的電感量僅和線圈匝數(shù)的平方成正比，即：式中,K-系數(shù)，它與線圈的尺寸及磁性材料有關；N-線圈匝數(shù)一般K值的大小是由試驗確定的。當要繞制的線圈電感量為某一值時，可先在鐵芯上纏繞10匝，然后用電感測量儀測出其電感值，再用下面的公式求出系數(shù)K的值：式中，-實驗時所繞匝數(shù)，由此根據(jù)值便可求出線圈應繞的圈數(shù)，即：實驗中，L采用帶螺紋磁芯、金屬屏蔽罩的10S型高頻電感繞制。在原線圈

18、鐵芯上用0.08mm漆包線纏繞10匝后得到的電感為2H。由此可確定要得到4H的電感，所需匝數(shù)為：最后再按照接入系數(shù)要求的比例，來繞制變壓器的初級抽頭與次級線圈的匝數(shù)。由于。 3.2.4確定耦合電容與高頻濾波電容耦合電容的值，可在1000pF-0.01F之間選擇，一般用陶瓷電容。旁路電容的取值一般為0.01-0.1F，濾波電感的取值一般為220-330H。第4章 高頻小信號諧振放大器電路仿真4.1總原理圖用Multisim13.0畫出仿真電路圖如下；圖4-1高頻小信號諧振放大器電路仿真4.2測量并調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點Q：仿真條件：電感線圈用固定電感L1=2.8H、L2=1.2H，中間抽頭。其余元件參數(shù)

19、參見圖3-2。調(diào)整靜態(tài)工作點的方法是：不加輸入信號，將C1的左端接地，將諧振回路的電容開路，記下此時電路的靜態(tài)工作點。圖4-2 靜態(tài)工作點仿真電路圖靜態(tài)工作點(V)(V)(mV)(V)（mA）121.626995.39711.00555.3114.3高頻小信號諧振放大器主要性能的測量仿真條件：輸入高頻信號頻率,幅度（峰-峰值）10mV。示波器的調(diào)節(jié)如圖4-3所示：圖4-3設置諧振頻率阻尼電阻、反饋電阻、負載電阻。示波器的A通道為輸入，B通道為輸出，仿真結果如下：（1） 電壓增益圖4-3-1(a)電壓增益仿真圖由圖可知，輸入為，輸出為，顯然輸出波形發(fā)生了反向。諧振放大倍數(shù)為實際諧振頻率圖4-3-

20、1（b） 諧振頻率測量由圖可知，諧振頻率約為10.044MHz左右。（2）通頻帶將輸入信號頻率調(diào)整，使得輸出的幅度為0.707仿真測得，仿真結果如下：圖4-3-2（a）波特圖圖4-3-2（b）波特圖（3） 矩形系數(shù)仿真得到 矩形系數(shù)以上實驗結果都滿足實驗要求。該方案成立?？?結通過這一課程設計，我掌握了獨立搜集資料、思考分析問題的能力和獨立學習的能力，使自己無論在今后的學習中還是工作中遇到困難的時候都能自己將其解決。同時，對書理論知識有了更深刻的了解。完成這一課設后，我對高頻小信號放大器也有了更深刻地理解。高頻小信號放大器廣泛用于廣播,電視,通信,測量儀器等設備中.高頻小信號放大器可分為兩類:

21、一類是以諧振回路為負載的諧振放大器;另一類是以濾波器為負載的集中選頻放大器.它們的主要功能都是從接收的眾多電信號中,選出有用信號并加以放大,同時對無用信號,干擾信號,噪聲信號進行抑制,以提高接收信號的質量和抗干擾能力.高頻小信號調(diào)諧放大器是高頻電子線路中的基本單元電路,主要用于高頻小信號或微弱信號的線性放大。在本次課設中，我了解了高頻小信號放大器的特點：1、 放大小信號,晶體管工作在線性范圍內(nèi)(甲類放大器)2、 信號的中心頻率一般在幾百kHz到幾百MHz,頻帶寬度在幾khz到幾十MHz,為頻帶放大器,故必須用選頻網(wǎng)絡。在測試過程中，我不斷利用課堂所學理論知識調(diào)整電路，并最終實現(xiàn)設計目的過程使自

22、己從另一個層面更形象地理解了理論，對于理論與實踐的關系也有了新的認識。曾經(jīng)的學習只停留在書本上，但課程設計使我更充分的接觸到了實際。參考文獻1 曾興文、劉乃安、陳健高頻電子線路北京：高等教育出版社，20072 張肅文等高頻電子線路（第四版）北京：高等教育出版社，20043 聶典等Multisim 10計算機仿真北京：電子工業(yè)出版社，20104謝自美.電子線路設計·實驗·測試 第三版. 華中科技大學出版社5楊翠娥.高頻電子線路實驗與課程設計. 哈爾濱工程大學出版社6何中庸高頻電路設計與制作. 科學出版社7謝沅清.模擬電子線路. 成都電子科大出版社8張肅文.高頻電子線路第三版. 高教出版社9曾興雯 陳健 劉乃安.高頻電子線路輔導. 西安電子科大出版10夏術泉、艾青、南光群.通信電子線路.北京：北京理工大學出版社，2012.12答辯記錄及評分表課題名稱高頻小信號諧振放大器的設計答辯教師（職稱） 答辯時間 2015-201