高頻小信號(hào)放大器課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、高頻小信號(hào)放大器簡(jiǎn)介1</p><p>　　二、 高頻小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)原理2</p><p>　　三、 主要性能指標(biāo)及測(cè)量方法5</p><p>　　四、電路設(shè)計(jì)方案8</p><p>　　五、仿真結(jié)果分析11</

2、p><p>　　六、總結(jié)與體會(huì)12</p><p>　　七、參考文獻(xiàn)及附錄13</p><p>　　一、高頻小信號(hào)放大器簡(jiǎn)介</p><p>　　高頻小信號(hào)放大器是用于無失真的放大某一頻率范圍的信號(hào)。按其頻帶寬度可分為窄帶與寬帶放大器，而最常用的為窄帶放大器，它是以各種選頻電路作負(fù)載，兼具阻變換和選頻濾波功能。高頻小信號(hào)放大器是通信設(shè)備中常用

3、的功能電路，它所放大的信號(hào)頻率在數(shù)百千赫至數(shù)百兆赫。高頻小信號(hào)放大器的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱的高頻信號(hào)進(jìn)行不失真的放大，從信號(hào)所含頻譜來看，輸入信號(hào)頻譜與放大后輸出信號(hào)的頻譜是相同的。調(diào)諧放大主要用于無線電接收系統(tǒng)中高頻和中頻信號(hào)的放大。其中高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)和其它無線電系統(tǒng)中，特別是在發(fā)射機(jī)的接收端，從天線上感應(yīng)的信號(hào)是非常微弱的，這就需要用放大器將其放大。高頻信號(hào)放大器理論非常簡(jiǎn)單，但實(shí)際制作卻非常困難。其中最容易出現(xiàn)

4、的問題是自激振蕩，同時(shí)頻率選擇和各級(jí)間阻抗匹配也很難實(shí)現(xiàn)。本文以理論分析為依據(jù)，以實(shí)際制作為基礎(chǔ)，用LC振蕩電路為輔助，來消除高頻放大器自激振蕩和實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的頻率選擇；另加其它電路，實(shí)現(xiàn)放大器與前后級(jí)的阻抗匹配。</p><p>　　高頻小信號(hào)放大器的分類：</p><p>　　按元器件分為：晶體管放大器、場(chǎng)效應(yīng)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

5、：?jiǎn)渭?jí)放大器、多級(jí)放大器;按負(fù)載性質(zhì)分為：諧振放大器、非諧振放大器;</p><p>　　高頻小信號(hào)放大器的特點(diǎn)：</p><p>　　頻率較高中心頻率一般在幾百kHz到幾百M(fèi)Hz頻帶寬度在幾KHz到幾十MHz，故必須用選頻網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　小信號(hào)信號(hào)較小故工作在線性范圍內(nèi)(甲類 放大器)即工作在線形放大狀態(tài)。</p><p>　　

6、采用諧振回路作負(fù)載，即對(duì)靠近諧振頻率附近的信號(hào)有較大的增益，對(duì)遠(yuǎn)離諧振頻率附近的信號(hào)其增益迅速下降，即具有選頻放大作用。</p><p>　　二、 高頻小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)原理</p><p>　　1、高頻小信號(hào)放大器的基本要求：</p><p>　?。?）增益要高，即放大倍數(shù)要大。</p><p>　?。?）頻率選擇性要好，即選擇所需信號(hào)和抑制

7、無用信號(hào)的能力要強(qiáng)，通常用Q值來表示，其頻率特性曲線如圖-1所示,帶寬BW=f2-f1= 2Δf0.7，品質(zhì)因數(shù)Q=fo/2Δf0.7. </p><p>　?。?）工作穩(wěn)定可靠，即要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，加入負(fù)反饋可以改善放大器的性能。</p><p>　　前后級(jí)之間的阻抗匹配，即把各級(jí)聯(lián)接起來之后仍有較大的增益，同

8、時(shí)，各級(jí)之間不能產(chǎn)生明顯的相互干擾。</p><p>　　根據(jù)上面各個(gè)具體環(huán)節(jié)的考慮設(shè)計(jì)出下面總體的電路：</p><p>　　圖—3所示電路為共發(fā)射極接法的晶體管小信號(hào)調(diào)諧回路諧振放大器。其</p><p>　　等效電路如下圖圖—4。本電路不僅要放大高頻信號(hào)，而且還要有一定的選頻作用，因此，晶體管的集電極負(fù)載為L(zhǎng)C并聯(lián)諧振回路。在高頻情況下，晶體管本身的極間電容及

9、連接導(dǎo)線的分布參數(shù)會(huì)影響放大器的輸出信號(hào)的頻率或相位。晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)由電阻RB1和RB2以及RE決定，其計(jì)算方法與低頻單管放大器相同。</p><p>　　圖—3 諧振放大器的電路</p><p>　　圖—4 諧振放大器電路的等效電路</p><p>　　放大器在諧振時(shí)的等效電路如圖—4所示，晶體管的4個(gè)y參數(shù)分別如下：</p><p>

10、<b>　　輸入導(dǎo)納： </b></p><p><b>　　輸出導(dǎo)納： </b></p><p><b>　　正向傳輸導(dǎo)納： </b></p><p><b>　　反向傳輸導(dǎo)納： </b></p><p>　　式中為晶體管的跨導(dǎo)，與發(fā)射極

11、電流的關(guān)系為：</p><p>　　為發(fā)射結(jié)電導(dǎo)，與晶體管的電流放大系數(shù)及有關(guān)，其關(guān)系為：</p><p>　　為基極體電阻，一般為幾十歐姆；為集電極電容，一般為幾皮法； 為發(fā)射結(jié)電容，一般為幾十皮法至幾百皮法。 </p><p>　　晶體管在高頻情況下的分布參數(shù)除了與靜態(tài)工作點(diǎn)的電流 ，電流放大系數(shù)有關(guān)外，還與工作角頻率w有關(guān)。晶體管手

12、冊(cè)中給出了的分布參數(shù)一般是在測(cè)試條件一定的情況下測(cè)得的。</p><p>　　圖—4所示的等效電路中，p1為晶體管的集電極接入系數(shù)，即</p><p>　　式中，N2為電感L線圈的總匝數(shù)；p2為輸出變壓器Tr0的副邊與原邊匝數(shù)比，即</p><p>　　式中，N3為副邊總匝數(shù)。</p><p>　　為諧振放大器輸出負(fù)載的電導(dǎo)，。通常小信號(hào)諧振

13、放大器的下一級(jí)仍為晶體管諧振放大器，則將是下一級(jí)晶體管的輸入電導(dǎo)。</p><p>　　由圖3-1-2可見，并聯(lián)諧振回路的總電導(dǎo)的表達(dá)式為</p><p>　　式中，為L(zhǎng)C回路本身的損耗電導(dǎo)。</p><p>　　三、 主要性能指標(biāo)及測(cè)量方法</p><p>　　圖—5 小信號(hào)放大器分析電路</p><p>　　如上

14、圖圖—5所示，輸入信號(hào)由高頻小信號(hào)發(fā)生器提供，高頻電壓表，分別用于測(cè)量輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的值。直流毫安表mA用于測(cè)量放大器的集電極電流的值，示波器監(jiān)測(cè)負(fù)載兩端輸出波形。 表征高頻小信號(hào)諧振放大器的主要性能指標(biāo)有諧振頻率，諧振電壓放大系數(shù)Avo，放大器的通頻帶BW及選擇性（通常用矩形系數(shù)Kr0.1），采用圖—5所示電路可以粗略測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)。諧振放大器的性能指標(biāo)及測(cè)量方法如下。</p><p><b>　　諧

15、振頻率</b></p><p>　　放大器的諧振回路諧振時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為諧振頻率。的表達(dá)式為：</p><p>　　式中，L為諧振放大器電路的電感線圈的電感量；為諧路的總電容，的表達(dá)式為： </p><p>　　式中，為晶體管的輸出電容；為晶體管的輸入電容。</p><p>　　諧振頻率的測(cè)試步驟是，首先使高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出

16、頻率為，輸出電壓為幾毫伏；然后調(diào)諧集電極回路即改變電容C或電感L使回路諧振。LC并聯(lián)諧振時(shí)，直流毫安表mA的指示為最?。ó?dāng)放大器工作在丙類狀態(tài)時(shí)），電壓表指示值達(dá)到最大，且輸出波形無明顯失真。這時(shí)回路諧振頻率就等于信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率。</p><p><b>　　電壓增益</b></p><p>　　放大器的諧振回路所對(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)Avo稱為諧振放大器的電壓增益

17、.Avo的表達(dá)式為：</p><p>　　的測(cè)量電路如圖3-2-1所示，測(cè)量條件是放大器的諧振回路處于諧振狀態(tài)。計(jì)算公式如下：</p><p><b>　　通頻帶</b></p><p>　　由于諧振回路的選頻作用，當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時(shí)，放大器的電壓放大倍數(shù)下降，習(xí)慣上稱電壓放大倍數(shù)Av下降到諧振電壓放大倍數(shù)的0.707倍</p>

18、;<p>　　時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱為放大器的通頻帶BW，其表達(dá)式為：</p><p>　　式中，為諧振放大器的有載品質(zhì)因素。</p><p>　　分析表明，放大器的諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶BW的關(guān)系為：</p><p>　　上式說明，當(dāng)晶體管確定，且回路總電容為定值時(shí)，諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶BW的乘積為一常數(shù)。</p><p>

19、;　　通頻帶的測(cè)量電路如圖3-2-1所示。可通過測(cè)量放大器的頻率特性曲線來求通頻帶。采用逐點(diǎn)法的測(cè)量步驟是：先使調(diào)諧放大器的諧振回路產(chǎn)生諧振，記下此時(shí)的與，然后改變高頻信號(hào)發(fā)生器的頻率（保持Vs不變），并測(cè)出對(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)Av，由于回路失諧后電壓放大倍數(shù)下降，所以放大器的頻率特性曲線如圖—6所示：</p><p><b>　　圖—6</b></p><p>　　由

20、BW得表達(dá)式可知：</p><p>　　通頻帶越寬的電壓放大倍數(shù)越小。要想得到一定寬度的通頻帶，同時(shí)又能提高放大器的電壓增益，由式可知，除了選用較大的晶體管外，還應(yīng)盡量減少調(diào)諧回路的總電容量。</p><p><b>　　矩形系數(shù)</b></p><p>　　諧振放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)Kr0.1來表示，如圖3-2-2所示，矩形系數(shù)

21、Kr0.1為電壓放大倍數(shù)下降到0.1Avo時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍與電壓放大倍數(shù)下降到0.707 時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率偏移之比，即</p><p>　　上式表明，矩形系數(shù)Kr0.1越接近1，臨近波道的選擇性越好，濾除干擾信號(hào)的能力越強(qiáng)?？梢酝ㄟ^測(cè)量圖3-2-2所示的諧振放大器的頻率特性曲線來求得矩形波系數(shù)Kr0.1。</p><p><b>　　四、電路設(shè)計(jì)方案</b></p&

22、gt;<p>　　圖—7高頻小信號(hào)諧振放大器ewb仿真電路</p><p><b>　　靜態(tài)工作點(diǎn)的確定</b></p><p>　　由于設(shè)計(jì)要求中心頻率，電壓增益，且電壓增益不是很大，根據(jù)高頻小信號(hào)諧振放大器應(yīng)工作于線性區(qū)，且在滿足電壓增益要求的前提下，應(yīng)盡量小些以減小靜態(tài)功率損耗。值得注意的是，變化會(huì)引起Y參數(shù)的變化。這里采用等于1mA進(jìn)行計(jì)算，看是

23、否能滿足增益的需要，否則將進(jìn)行調(diào)整。</p><p>　　已知晶體管為3DG100C，β=50，查手冊(cè)得rb,b=70Ω,Cb,c=3pF。當(dāng)IE=1mA時(shí)，Cb,e=25pF，L≈4uH，測(cè)得N2=20匝，p1=0.25，p2=0.25，RL=1kΩ。</p><p><b>　　，。據(jù)此可求得：</b></p><p>　　(1) 設(shè)置靜態(tài)

24、工作點(diǎn)</p><p>　　取 =1mA, =1.5V, =7.5V, 則</p><p><b>　　=18.3k</b></p><p>　　在11kΩ到22kΩ之間，故取標(biāo)稱值18KΩ</p><p><b>　　取標(biāo)稱值62KΩ。</b></p><p>　　(2)

25、 計(jì)算諧振回路參數(shù)</p><p>　　下面計(jì)算4個(gè)y參數(shù)，</p><p><b>　　因?yàn)? 所以</b></p><p><b>　　，，</b></p><p><b>　　因?yàn)?，所?lt;/b></p><p><b>　　，</b

26、></p><p><b>　　故模 </b></p><p><b>　　回路總電容為</b></p><p><b>　　再計(jì)算回路電容</b></p><p><b>　　，取標(biāo)稱值51pF</b></p><p&

27、gt;　　輸出耦合變壓器Tr0的原邊抽頭匝數(shù)N1及副邊匝數(shù)N3,即</p><p><b>　　匝，匝</b></p><p>　　(3) 確定輸入耦合回路及高頻濾波電容</p><p>　　高頻小信號(hào)諧振放大器的輸入耦合回路通常是 指變壓器耦合的諧振回路。由于輸入變壓器Tri原邊諧振回路與放大器諧振回路的諧振頻率相等，也可以直接采用電容耦合，

28、高頻耦合電容一般選擇瓷片電容。</p><p><b>　　五、仿真結(jié)果分析</b></p><p>　　按要求所做 EWB仿真圖如圖—7，開始仿真從示波器上兩個(gè)通道觀察輸出波形以及與輸入信號(hào)的關(guān)系，得下圖</p><p>　　接入信號(hào)發(fā)生器，觀察示波器輸入輸出波形，按照設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)中周。利用儀器測(cè)得各指標(biāo)如下：</p><

29、p>　　f0=11.1MHz</p><p><b>　?。羦o＝10.7倍</b></p><p>　　在誤差允許范圍里，仿真測(cè)量所得數(shù)據(jù)符合要求。</p><p><b>　　六、總結(jié)與體會(huì)</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)剛開始，拿著選定的題目不知如何入手。畢竟課程設(shè)計(jì)不同于實(shí)驗(yàn)課，

30、電路圖都要自己設(shè)計(jì)。靜下心來，仔細(xì)分析題目。根據(jù)已知條件，參考相關(guān)書籍，計(jì)算出需要的系數(shù)，然后在草稿紙上畫出草圖。粗步判斷能不能實(shí)現(xiàn)功能。最后在電腦上運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行仿真。一開始仿真出來的效果并不是很理想，因?yàn)橛行┬枰脑]有在軟件中找到。然后再進(jìn)行修改、仿真，直到結(jié)果符合要求。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)，使我受益頗多。既鞏固了課堂上學(xué)到的理論知識(shí)，又增強(qiáng)了動(dòng)手能力。在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)了高頻電子線路設(shè)

31、計(jì)的基本思想和方法，學(xué)會(huì)了科學(xué)地分析實(shí)際問題，通過查資料、分析資料及請(qǐng)教老師和同學(xué)等多種途徑，獨(dú)立解決問題。同時(shí)，也培養(yǎng)了我認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。更使我明白了實(shí)踐是檢驗(yàn)理論的唯一標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　　七、參考文獻(xiàn)及附錄</b></p><p>　　1、康華光主編《電子技術(shù)基礎(chǔ)》模擬部分 高等教育出版社</p><p>　　2、高吉祥

32、主編 《高頻電子線路》 電子工業(yè)出版社.</p><p><b>　　附錄一元件清單</b></p><p>　　元件名稱 元件大小 元件數(shù)量</p><p>　　電位器RB1 62KΩ 一個(gè)</p><p>　　電阻RB2

33、 18KΩ 一個(gè)</p><p>　　電阻RE 1.5kΩ 一個(gè)</p><p>　　電阻RL 1kΩ 一個(gè) </p><p>　　電容C1 1000pF 一個(gè)</p><p&

34、gt;　　電容C2 0.01uF 一個(gè)</p><p>　　電容CF 0.033uF(2A332) 一個(gè)</p><p>　　瓷片電容C 51pF 一個(gè)</p><p>　　中周