高频小信号放大器Multisim仿真及分析报告

1高频电子线路讨论课报告高频小信号放大器小组编号:组长:小组成员:教务处2015年9月2目录第一章高频小信号放大器简介...................................................................31.1高频小信号放大器.............................................................................31.2高频小信号放大器质量指标.............................................................3第二章Multisim简介...................................................................................4第三章Multisim仿真电路...........................................................................5第四章Multisim仿真分析...........................................................................64.1放大器输出.........................................................................................64.2选频特性分析.....................................................................................84.3增益特性分析...................................................................................103第一章高频小信号放大器简介1.1高频小信号放大器高频小信号放大器指的是将频率高、幅度小的包含我们需要信息的信号进行幅度放大，以便以后的信号处理。高频小信号放大器应用广泛，在无线通信接受时进行前端放大，在信号处理过程中进行信号的放大等等。图1-1高频小信号放大器应用1.2高频小信号放大器质量指标高频小信号放大器除了具有对小信号幅度放大的作用，还具有功率放大的功能和选频特性，从而达到抑制噪声和对包含信息信号选择的效果。所以，高频小信号放大器的质量指标就有幅度增益Av、功率增益Ap、通频带2f0.7和选择性Kr0.1。幅度增益Av=vo/vi功率增益Ap=Po/Pi矩形系数Kr0.1。=2f0.7/2f0.14图1-2理想滤波器其中幅度增益反映了幅度放大特性，功率增益反映了功率放大特性，通频带表示了我们的放大器选择通过的频带带宽。选择性则表示了和理想滤波器的逼近程度，即选择通过性能的好坏。矩形系数Kr=1时为理想滤波器，所以我们希望Kr~1。第二章Multisim简介Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计，和测试这样一个完整的综合设计流程。学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。我们通过这次用Multisim对高频小信号放大器的仿真，更加深刻理解了课上所学的内容，也提起了我们对课程的兴趣，让我们认识到了实际和理论的差距，收获了很多。5第三章Multisim仿真电路图3-1单调谐回路放大器电路图3-2仿真电路6第四章Multisim仿真分析开始的时候，我们的选频回路选择的30pF和34uH构成的谐振回路，此时理论上中心频率为5MHz左右，参数如图3-1所示，这时通过波特图计算矩形系数达到35以上，此时选择性太差，于是我们通过查询，选择了最终的100pF和3uH的谐振回路，这时矩形系数为13，中心频率在9.2MHz左右，满足我们仿真要求。4.1放大器输出图4-1放大器输出波形如图4-1所示，当我们输入频率为9.2MHz、峰峰值为28mv的高频小信号（图中红色波形）时，输出为一个同频同相的正弦信号（图中绿色波形），通过计算其幅度增益约为81.5，即38.2dB。通过交流信号分析工具，我们得到了其幅度增益和相位随输入信号频率而变化的曲线，如图4-2所示。7图4-2交流小信号分析从图中可以看出我们高频小信号放大器的幅度放大曲线是先增高至峰值再降低的，这也印证了我们高频小信号放大器的选频特性。图4-3瞬态分析另外我们利用瞬态分析工具获得了电路起始时候的波形输出特性，它是由小信号开始逐渐幅度增大并且迅速稳定的一个过程。84.2选频特性分析利用波特计我们可以轻松得到高频小信号放大器的波特图，如图4-3所示。图4-4波特图从波特图中我们可以测得，我们所设计的高频小信号放大器其实际的中心频率（即增益最大时的频率）为8.919MHz，但是由于其精度不高，我们又用结点测试的方法找到了增益更大的中心频率为9.07MHz，这与我们的计算有着一定的差距，说明我们的理论计算并不能完全反应实际情况，但却给了我们一个重要的参考。从结点测量中中我们也读出了f0.1和f0.7所对应的频率值，得到了同频带为0.2MHz左右，矩形系数为13.7，这也说明了和我们理想计算时的9.95有一定差距。接着，我们利用频谱分析工具结合示波器看到了选频特性的具体体现。图4-5含有4MHz和8.9MHz的输入信号放大结果9从图4-5中可以看出，当我们在输入端混入了离通频带较远的小信号时，我们的高频小信号放大器同样能够很好地将我们需要的信号进行放大而抑制其他混入的信号，输出波形仍未标准的正弦波。但当混入信号的频率接近通带频率时，单调谐放大器的选择性不足就凸显了出来，产生了较大的失真，从频域中看，我们也看到了虽然放大幅度不大但足以影响我们信号的频谱成分，如图4-6所示。（a）混入8MHz信号的输入输出波形（b）频谱图图4-6混入接近通频带信号时的图形解决单调谐回路放大器的选择性不强的方法就是选择双调谐回路谐振放大器，这时矩形系数会由减小至，大大提高了谐振回路的选择性。104.3增益特性分析通过波特图我们就可以得到高频小信号放大器的增益特性和输入频率之间的关系。但我们并不能直观察觉到增益的差别，这让我们对其通频带产生了怀疑，于是我们利用结点测量的方法得到了的幅度增益表和功率增益表，我们看到频率的变化对幅度增益和功率增益的影响非常大。（a）幅度增益表（b）功率增益表表4-1通带增益表由这两个表我们画出了两种情况下的增益曲线，如下图所示。（a）幅度增益图（b）功率增益图图4-7增益图从图中可以看出，相对于通频带来说，其他频率成分的增益变化是比较快的，在中心频率11周围其增益还是有一定变化的，当偏离中心频率时，增益会有一定下降，当在通频带范围外时，其下降也并非我们想象的那么快，这让我们怀疑了放大器的性能。但通过讨论，我们认为，在实际应用中，实际的信号都是具有某一带宽的信号，尤其在加入了各种噪声和干扰后，其频带对于我们的通频带而言几乎无限长，毕竟我们的高频小信号放大器作用是放大而并非滤波，在前置滤波器之后我们对信号的放大是我们所关心的那一部分具有较大增益即可，对于宽频带噪声产生一定抑制作用而并非放大，这样相对于我们放大后的信号来说，它们即可忽略，这样就达到了我们的目的。对于通频带外下降不够迅速则是因为单调谐回路的矩形系数太大造成的。所以，这时候通频带内的增益变化并非主要矛盾，而减小矩形系数则是我们高频小信号放大器的关键。图4-8寄生调幅的产生此时我们想到了另一个问题，当我们的调频波接收以后进入放大器放大后，各频率成分放大倍数是有一定差距的，起码在通频带内有0.7倍的差距，所以在通过高频小信号放大器后，各个频率信号叠加后肯定会产生幅度不一致的情况，影响了后续的解调，我们认为这也是寄生调幅的来源之一，所以其后面限幅器的加入是非常有必要的。