晶體管中頻小信號選頻放大器設計(高頻電子線路課程設計)

課程設計任務書學生姓名：專業(yè)班級：電子1001班指導教師：韓屏工作單位：信息工程學院題目：晶體管中頻小信號選頻放大器設計初始條件：具較扎實的電子電路的理論知識及較強的實踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的根本設計能力及根本調試能力；能夠正確使用實驗儀器進行電路的調試與檢測。要求完成的主要任務：1.采用晶體管或集成電路完成一個調幅中頻小信號放大器的設計；2.放大器選頻頻率f0＝455KHz，最大增益200倍，矩形系數(shù)不大于5；3.負載電阻RL＝1KΩ時，輸出電壓不小干0.5V，無明顯失真；4.完成課程設計報告〔應包含電路圖，清單、調試及設計總結〕。時間安排：1．2013年2．2013年12月11日至203.2013年12指導教師簽名：年月日系主任〔或責任教師〕簽名：年月日目錄摘要IAbstractII一、緒論1二、中頻小信號放大器的工作原理2三、中頻選頻放大器的設計方案33.1穩(wěn)定性分析33.2提高放大器穩(wěn)定性的方法43.3中頻選頻放大53.4信號負反應6四、電路仿真與分析74.1multisim仿真軟件簡介74.2中頻選頻放大局部仿真7五、實物制作及調試9六、個人體會12參考文獻13附錄I元件清單14附錄II總電路圖15摘要本文對中頻小信號選頻放大器的工作原理進行了詳細解析，通過對放大器的性能分析，確定最正確制作方案。通過multisim的仿真分析，按照設計要求，來確定最正確參數(shù)，并利用其他相關電路來調試放大電路，解決了放大電路中自激振蕩問題和調諧準確的問題。本次設計中，自己設計制作了中頻信號發(fā)生器，用來完成對選頻放大器的實物的測試。通過屢次調整電路，掌握了準確調諧的方法。關鍵詞：中頻選頻放大器multisim調諧AbstractThispaperofintermediatefrequencysmallsignalfrequencyselectiveamplifierofworkingprincipleforadetailedanalysis,throughtheperformanceanalysisoftheamplifiertodeterminetheoptimalproductionplan,.Throughthesimulationanalysis,multisimaccordingtothedesignrequirements,todeterminetheoptimalparameters,anduseoftheotherrelevantcircuittodebugamplifyingcircuit,solvedamplifyingcircuitofself-excitedoscillationproblemandtunedaccurateproblem.Thisdesign,designmadeintermediatefrequencysignalgenerator,usedtofinishonfrequencyselectiveamplifierphysicaltest.Throughmultipleregulatingcircuit,graspedaccuratelytunedmethod.Keywords:intermediatefrequencyselectiveamplifiermultisimtuning一、緒論中頻小信號放大器廣泛用于通信系統(tǒng)和其他電子系統(tǒng)的接受設備中。天線接受到的高頻信號是很微弱的，一般在微伏級，需將傳輸?shù)男盘柣謴统鰜?，需要將信號放大，這就需要用高頻小信號諧振放大器和中頻小信號選頻放大器來完成。中頻小信號選頻放大器就與高頻小信號諧振放大器中功能一樣，只是工作在中頻，工作波段相對較低，一般為幾百千赫茲到幾兆赫茲。通信系統(tǒng)的信號接收原理框圖如下列圖1所示。天線接收天線接收高頻放大混頻器功率放大解調器本地振蕩中頻放大與濾波圖1通信系統(tǒng)信號接收原理框圖混頻器是將高頻信號變?yōu)橹蓄l信號，這樣信號便于處理。中頻放大與濾波局部是決定信號雜波程度的關鍵。由混頻器出來的中頻信號，由于依然很微弱，需要進行放大，另外，前級的干擾如果經過放大，那么對后級影響更大，故在放大前需要將干擾濾除，得到需要的放大信號。為此，中頻小信號放大器的制作關鍵有兩個：增益系數(shù)足夠高和頻率選擇性足夠好。這樣，信號才能經過解調更好的恢復出來。二、中頻小信號放大器的工作原理由于通信系統(tǒng)的接收設備所接收的無線電信號非常微弱，經過混頻后，需要經過放大才能將原始信號恢復。如圖1所示為一中頻放大器的典型電路。由圖2可知，直流偏置電路與低頻放大器電路完全相同，只是、對中頻起旁路作用。相對低頻來說，集電極采用LC網絡作為負載，起選頻作用，并且完成阻抗匹配的功能。由于輸入的是小信號，放大器工作于甲類放大狀態(tài)。圖3為其交流等效電路。圖2中頻小信號典型電路圖3交流等效電路為了便于分析，用Y型參數(shù)等效電路來等效晶體管，典型應用電路進一步等效如圖4所示。[2]圖4晶體管等效電路Y參數(shù)不僅與靜態(tài)工作點的電壓、電流值有關，而且與工作頻率有關，是頻率的復函數(shù)。當放大器工作在窄帶時，Y參數(shù)變化不大，可以將Y參數(shù)看作常數(shù)。我們討論的高頻小信號諧振放大器沒有特別說明時，都是工作在窄帶，晶體管可以用Y參數(shù)等效。放大器的指標參數(shù):(1)電壓放大倍數(shù)K(2)輸入導納(3)輸出導納(4)矩形系數(shù)三、中頻選頻放大器的設計方案3.1穩(wěn)定性分析存在晶體管集基間電容的反應，或反向傳輸導納的反應，當該反應在某個頻率相位上滿足正反應條件，且足夠大，那么會在滿足條件的頻率上產生自激振蕩，致使放大器存在穩(wěn)定性的問題。[3]當正反應嚴重時，即Yir中的負電導使放大器輸入端的總電導為0或負值時，即使沒有外加信號，放大器輸出端也會有輸出信號，產生自激,圖5所示為反應電路。圖5反應電路3.2提高放大器穩(wěn)定性的方法從晶體管本身著手：減小反向傳輸導納Yre，而Yre取決于集電結電容，選擇集電結電容小的管子，減弱反應作用。從電路結構著手：設法消除晶體管的反向作用，使它單向化，具體方法有中和法和失配法。中和法：通過在晶體管的輸出端與輸入端之間引入一個附加的外部反應電路〔中和電路〕來抵消晶體管內部參數(shù)Yre的的反應作用。失配法：通過增大負載導納，進而增大總回路導納，使輸出電路失配，圖6是利用中和電容Cn的中和電路。為了抵消Yre的反應，從集電極回路取一反相的電壓，通過Cn反應到輸入端。根據(jù)電橋平衡有那么中和條件為圖6反應電路中和電路中固定的中和電容Cn只能在某一個頻率點起到完全中和的作用，對其它頻率只能有局部中和作用。另外，如果再考慮到分布參數(shù)的作用和溫度變化等因素的影響，那么中和電路的效果是很有限的。[4]3.3中頻選頻放大由于中頻小信號放大器制作關鍵在于高增益和頻率選擇性。課設要求200倍放大，一級放大一般無法實現(xiàn)，因為三極管的值一般為100到200之間。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的放大，一級信號通過三極管的放大倍數(shù)不宜過高，否那么就不穩(wěn)定了。另外為增強信號的頻率選擇性，在系統(tǒng)的前置預濾波，以及對電源進行濾波，最大限度減少干擾。另外，為了穩(wěn)定信號，采用閉環(huán)回路方案到達效果，通過負反應使信號穩(wěn)定。整個系統(tǒng)原理框圖如下列圖7所示，電路原理圖如下列圖8所示。信號信號輸入低通濾波電源5V信號輸出選頻放大前置濾波信號負反應供電圖7中頻小信號選頻放大器系統(tǒng)框圖圖8中頻小信號選頻放大器中頻選頻放大器硬件電路如圖8所示，由兩級放大電路組成，每級之間采用變壓器耦合。三極管由于在仿真軟件的元件庫中無法找到9018，所以用了功能和9018相近的D42C11代替，變壓器采用調諧頻率為465KHz的中周加電容微調至455KHz。資料介紹如下：表1三極管參數(shù)和中周參數(shù)三極管9018H中周TTF-11-0197--146圈數(shù)L12651.1GHz圈數(shù)L23451.3pF圈數(shù)L466電容C13330pF諧振fo465KHz此三極管的增益系數(shù)、截止頻率都符合參數(shù)要求，由上分析，越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性越高，故此三極管到達性能要求。由于臨時買不到455KHz的諧振點的中周，選用465KHz的代替，另外在電路中配以可調電容，降低其頻率到455KHz。原電感可用以下公式計算得到：其中，f0為465KHz，C為330pF，這樣求得電感值為355uH,所以為到達455KHz，所需電容值為344.7pF，故另外并聯(lián)一個14.7pF的電容即可。本次選用微調電容0-18pF，到達要求。由于兩個三極管都工作在甲類放大狀態(tài)，選取靜態(tài)工作點參數(shù)時，將Vce設定為VCC/2，為減小功耗，使Ic不要太大，選0.5mA,Rb11和Rb12上流過0.1mA的電流，通過參數(shù)調節(jié)，確定Rb11為20,Rb12為16.8，Re12取100，Re11為2。動態(tài)工作時，由于頻率為455KHz，需使得Re11>>，取C為0.1uF適合。3.4信號負反應信號負反應是通過中和法中反應電容來實現(xiàn)的，本次設計中采用可微調電容0-20pF來實現(xiàn)負反應。由下公式，其中N1=6，N2=45。.四電路仿真與分析4.1multisim仿真軟件簡介鑒于仿真的方便，采用NI公司的multisim11.0，由于豐富的元件庫，電路原理圖設計非常方便，另外，該軟件可采用ACAnalysis來分析設計的合理性，也可采用內部的各種虛擬儀器來分析，豐富的儀器使得分析也非常方便。4.2中頻選頻放大局部仿真電路原理圖由multisim設計如圖9，由于變壓器參數(shù)難以設置，因此在仿真時采用單級調試。圖9仿真電路用虛擬電壓表來測量靜態(tài)工作點，虛擬示波器查看輸出波形，觀察到的現(xiàn)象如圖10、圖11所示。圖10靜態(tài)工作點仿真測試圖11輸出仿真結果由圖10的靜態(tài)工作點測試結果可以看到，三極管滿足發(fā)射結正偏集電結反偏的工作要求，三極管工作在正常放大狀態(tài)。由圖11的輸入輸出波形仿真結果可以看到，當輸入波形在50mV/Div檔而輸出波形在1V/Div檔時，輸入輸出波形根本重合，說明整個電路確實放大了200倍。電路仿真到達了預期的要求。五、實物制作及調試經過長時間的精心準備和電路板的焊接，完成了硬件電路的制作，最后做好的硬件電路如圖12所示。圖12制作完成的硬件電路由于在購置元件時未能買到中周這一重要元件，所以在電路制作時使用了330uH的定值電感和330pF的定值電容來代替中周的作用，并使用0~18pF的可調電容來與電感耦合使電路的諧振頻率到達455KHz。同時取消了二級放大電路，使用的是單級放大電路，預測最后實物的放大倍數(shù)可能會達不到預期的要求。最后測試時當輸入信號峰峰值為50mV，輸入頻率分別為455KHz、300KHz和700KHz時的輸出結果分別如圖13、圖14和圖15所示。圖13輸入頻率為455KHz時的輸出波形圖14輸入頻率為300KHz時的輸出波形圖15輸入頻率為700KHz時的輸出波形比照圖13、圖14和圖15的輸出波形可以看出，只有當輸入信號的頻率在455KHz左右時輸出波形的峰峰值才最大，即此時電路的放大倍數(shù)為最大，當輸入信號的頻率遠離455KHz時輸出波形的峰峰值都會顯著變小。由此可以得出該電路到達了選頻頻率為455KHz的功能。同時可以看到當輸入信號頻率為455KHz時輸出信號的峰峰值也只有560mv，此時電路的放大倍數(shù)也只到達了11倍左右，沒有到達要求的200倍放大倍數(shù)，這是因為硬件電路使用的是一級放大，并沒有采用設計時的二級放大電路，所以才導致放大倍數(shù)沒有到達要求。六、個人體會通過此次中頻小信號選頻放大器的設計，我收獲頗豐。首先，通過調試三極管，復習了以前模電所學的知識，在設計中出現(xiàn)了各種各樣的錯誤，在不斷修正中掌握了以前理解比擬模糊的知識。另外，為了使選頻足夠精確，不斷調試電感和電容的參數(shù)，懂得實際調試來彌補理論的缺乏。感謝學校給我們這次時機，鍛煉了我們的動手能力。通過這次課設讓我明白了理論和實際操作之間的差距，而且也讓我很明確得意識到自己在高頻上有很多的知識漏洞，以后應該多鉆研一下。參考文獻[1]曾興雯．高頻電路原理與分析〔第四版〕．西安：西安電子科技大學出版社，2007.7[2]吳友宇．模擬電子技術根底．北京：清華大學出版社，2009.5[3]鈴木雅臣．晶體管電路設計(上)．北京：科學出版社，2004.9[4]J.卡爾?約瑟夫．射頻電路設計．北京：科學出版社，2007.8[5]朱彩蓮．Multisim電子電路仿真教程．西安：西安電子科技大學出版社，