高频小信号谐振放大器

高频电子线路设计报告题目：高频小信号调谐放大器院系：电气信息工程系专业：通信工程组长：学号：组员1：学号：组员2：学号：组员3：学号：组员4：学号：指导教师：201*年12月25日1高频小信号调谐放大器设计报告一、选题目的和意义：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。学生姓名任务分工学生姓名任务分工学生姓名任务分工仿真整理报告收集资料整理报告收集资料2二、主要研究内容：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dB30，通频带为4MHz，负载电阻100，电源电压+12V。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。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，选择共发射级电路。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1.4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。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LC1，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。3三、设计的方法及步骤：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.（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。（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。图1.1频率特性曲线图1.2反馈导纳对放大器谐振曲线的影响如图1.3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XC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XL和XC决定，但在实际电路4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XL接入图1.3所示的电路中，再用示波器测量此电路的震荡频率，调节XC,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1.3共基组态的“考毕兹”振荡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1.4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1.4为接收天线端及高频小信号放大器，图1.5为调谐放大器的高频等效电路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（不含天线下端的选频网络）如图1.5所示：以下计算电路中并联振荡回路两端间的阻抗和并联回路两端电压。5图1.4接收天线端及高频小信号放大器图1.5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：其中R是和电感串联的电阻，由于ωLR因此有：则并联回路两端电压为：所以，当LC1c时mV有最大值，即回路谐振时输出电压最大。CLRCLRZj1jj1jCLRCRCL1jjCRRLLRCRL1j1j1CLRCL1jLCLCR1j1z2L1C2LCRIBBGGIYIVomomgmm6四、实验设计（相关原理框图）：电路原理图如图1.6所示：图1.6电路原理图1、电压增益放大器输出电压oV（或功率oP）与输入电压iV（或功率iP）之比，称为放大器的增益或放大倍数，用vA(或pA)表示（有时以dB数计算）。电压增益：ioVVVA功率增益：iopPPA分贝表示：iopPPAlog10ioVVVAlog20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。由上式可得：ooefeuojQGnnYA11217ffffjQAAooLuou11对谐振放大器来讲，通常讨论的f与of相差不大，可认为f在of附近变化，则：oLuouffjQAA211式中，offf，称为一般失谐。令offQ2，称为广义失谐。代入上式得：jAAuou11取模得：11uouAA右图是并联谐振回路的单位谐振曲线：图1.7放大器的谐振曲线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=2Δf0.7表示，如图1.8所示。2Δf0.7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QL。011/2Q1＞Q2Q1Q20|zp|/R0011/2Q1＞Q2Q1Q20|zp|/R007.BW8CfL)2(102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1.8高频小信号放大器的通频带4、放大器的矩形系数矩形系数的定义：其中，是时所对应的频带宽度，即故根据矩形系数的定义得：5、设置静态工作点取Ieq=1.38mA,Veq=2.8V,Vceq=2.7V,则R4=Veq/Ieq=2KΩR3=Vbq/(6Ibq)=3KΩ(Vcc-Vbq)R3/Vbq=10KΩ6、计算谐振回路参数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由公式得L=5.066uH,根据实物取L=4.7uH7、进行仿真：1)当信号频率为10MHz时仿真图a.函数发生器参数如图1.9所示设置频率为10MHz7.01.01022ffKr9910rKLQff/99201.01.02f1.00uuAA1.011AA1100201.0ffQL9图1.9函数发生器b.波特图如图1.10所示图1.10波特图c.示波器输出如图1.11所示图1.11示波器输出102)当信号频率为1MHz时各仿真图：函数发生器参数如图1.12所示图1.12函数发生器b.示波器输出如图1.13所示图1.13示波器输出3)当信号频率大于10MHz时，各仿真图：a.函数发生器参数如图1.14所示图1.14函数发生器11b.示波器输出如图1.15所示图1.15示波器输出4)当信号频率为1000MHz时，各仿真图：a.函数发生器参数如图1.16所示图1.16函数发生器b.示波器输出如图1.17所示图1.17示波器输出12五、结果及讨论：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，观察扫描仪的波形。2、通过分析各仿真图可得：通过观察波特图（图1.10），可以得到：通频带宽带约为6MHz。对靠近谐振频率10MHz附近的信号有较大的增益（图1.11），电压增益约为60ioVVVA对远离谐振频率附近的信号其增益迅速下降且信号严重失真（示波器输出如图1.13、1.15、1.17所示）当信号频率在100M时，电压增益约为3.1ioVVVA即具有选频放大作用。感悟：通过本次课程设计使我们了解到团结集体的重要性，集体的知识面总要比个人的知识面广，每个人都可以贡献自己的一份力量。这次设计使我们对小信号谐振放大器有了更深一步的了解，对通频带的记忆更加深刻，并且掌握了Multisim仿真软件的使用，对以后的学习有很大帮助。六、指导教师的意见：签名：年月日成绩评定：学生姓名成绩学生姓名成绩学生姓名成绩13