高频小信号.doc

高频电子线路课程设计题目：高频小信号放大器制作一、选题的意义和目的：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。本文以实际制作为基础，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。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。高频小信号调谐放大器在实际中的应用是很广泛的，它主要应用于通信系统和其它无线电系统中。实际应用中在发射机的接收端，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。高频小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。在这里将以理论分析为依据，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，通过这两种方法的结合来实现高频小信号放大器的制作。 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。二、总体的电路方案放大电路所需的通频带由输入信号的频带来确定，为了不失真地放大信号，要求放大电路的通频带应大于信号的频带。如果放大电路的通频带小于信号的频带，由于信号的低频段或高频段的放大倍数下降过多，放大后的信号不能重现原来的形状，也就是输出信号产生了失真。这种失真称为放大电路的频率失真，由于它是线性的电抗元件引起的，在输出信号中并不产生新的频率成分，仅是原有各频率分量的相对大小和相位发生了变化，故这种失真是一种线性失真。（一），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。（二），高频小信号调谐放大器简述： 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= 2f0.7，品质因数Q=fo/2f0.7. （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。图-2 反馈导纳对放大器谐振曲线的影（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。 根据上面各个具体环节的考虑设计出下面总体的电路：图-3 接收机天线端及高频小信号放大器 图-4 改进后的高频小信号调谐放大器三、各部分设计及原理分析(1)实验原理：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。 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。 如图-1所示，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（不含天线下断的选频网络）如图-3所示：图-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LR因此有：则并联回路两端电压为： 所以，当C=1/L时Vm有最大值，即回路谐振时输出电压最大。 实际制作中对基本电路的改进： 由于高频电路放大电路常常会自激振荡，也容易受各种因素的干扰，并且各级间很难实现阻抗匹配，所以要对基本电路进行适当的改进。 (2)放大器内部电路的改进及理论依据： （1）提高谐振放大器稳定性的措施 由于 y re 的反馈作用，晶体管是一个双向器件。使晶体管 y re 的反馈作用 消除的过程称为单向化，单向化目的是提高放大器的稳定性。单向化的方法有中和法和失配法。 1 中和法 所谓中和，是在晶体管放大器的输出与输入之间引入一个附加的外部反馈电路，以抵消晶体管内部 y re 的反馈作用。 图 2-14 具有中和电路的放大器通常， y re 的实部很小，可以忽略。为了简单方便，常采用一个电容 C N 来抵消 y re 虚部中的电容反馈，达到中和目的。由于虚部中的 C re 与 C bc 有关，常用 C bc 代替 C re 来对 C N 进行相应的计算。图 2-15 给出了中和电路的两种形式。其中，图 (a) 较常用，它能确保内外反馈的相位相反。中和电容 C N 的数值为 C N = 对于图 (b) 电路，在相位上由变压器耦合的同名端的选取来保证外电路反馈电压与内反馈电压的相位相反。中和电容 C N 的数值为 C N = 图 2-15 中和电路的联结应特别注意的是，严格的中和根难达到。因晶体管的 y re 是随频率变化的，而 C N 不随频率变化。所以，只能对一个频率点起到完全中和的作用。 2 失配法 所谓失配是指信号源内阻不与晶体管的输入阻抗匹配，晶体管输出端的负载不与本级晶体管的输出阻抗匹配。 失配法的实质是降低放大器的电压增益，以满足稳定的要求。可以选用合适的接入系 p 1 、 p 2 或在谐振回路两端并联阻尼电阻来降低电压增益。在实际运用中，较多采用共射 共基级联放大器，其等效电路如图 2-16 。 图 2-16 共射 共基级联放大器（2）放大电路内部噪声的来源和特点 放大电路的噪声主要来源于包括输入变换在内的电阻热噪声和放大器件的噪声。 1. 电阻的热噪声 一个电阻在没有外加电压时，电阻材料的自由电子要作无规运动，它的一次运动过程 , 就会在电阻两端产生很小的电压，电压的正负由电子的运动方向来确定 . 大量的热运动电子就会在电阻的两端产生起伏电压。就一段较长时间来看，出现正负电压的概率相同，因而两端的平均电压为零。但就某一瞬时来看，电阻两端电压的大小和方向是随机变化的。这种因热而产生的起伏电压称为电阻的热噪声。 噪声电压 u n （ t ） 是随机变化的，无法确切地写出它的数学表示式。大量的实践和理论分析已经找出它们的规律性，可以用概率特性和功率谱密度来描述。例如，电阻热噪声电压 u n （ t ） 具有很宽的频谱，它从零频率开始，连续不断，一直延伸到 (10 13 1014)Hz 以上的频率，而且它的各个频率分量的强度是相等的，如图 2 21 所示。这样的频谱和太阳光的光谱相似，通常就把这种具有均匀的连续频谱的噪声叫做白噪声图 2-21 电阻热噪声特性2 晶体三极管的噪声晶体三极管的噪声主要有四个来源。 （ 1 ）热噪声 晶体三极管的热噪声主要是基区电阻 r bb 产生的热噪声。用噪声功率谱密度表示为S(f)=4kT r bb (2 ) 散粒噪声 少数载流子由发射极通过 PN 结注入基区时，在单位时间内注入的载流子数不同，是随机起伏的。这种起伏会影响到集电极电流的起伏，由此引起的噪声叫散粒噪声。 (3 ) 分配噪声 晶体管发射区注入到基区的少数载流子中，一部分经过基极区到达集电极形成集电极电流，一部分在基极区复合。载流子复合时，其数量是随机起伏的。分配噪声就是集电极电流随基区载流子复合数量的变化而变化所引起的噪声。 (4 ) 闪烁噪声 闪烁噪声又称为 1/ f 噪声。主要在低频（几千赫以下）范围起主要作用。这种噪声产生的原因与半导体材料制作时表面清洁处理和外加电压有关，在高频工作时通常不考虑它的影响。从图中可以看出，输入回路与晶体管采用部分接入，而输出回路与晶体管直接接入，这是由于共基晶体管输出电阻很大。 如图-5所示，增加Re1形成交流负反馈，用以改变放大倍数和改善输出波形，由于电源内阻容易影响高频电路的工作，所以电源下端要接LC型网络作为电源去偶电路，以减少干扰，提高放大器的性能。另外还要特别注意的是，高频电路很容易产生自激振荡，所以需要想办法消除，最常用的办法是在LC谐振回路中串联一小电阻或并联一大电阻，从而减小回路的Q值，消除自激振荡。 图- 6外加射极跟随的高频放大器 实际制作过程及谐振频率的快速确定： 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C=1/L，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525pF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。 如图-7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Cx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Lx和Cx决定，但在实际电路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（520pF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Lx接入图-6所示的电路中，再用示波器测量此电路的震荡频率，调节Cx,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-7 共基组态的“考毕兹”振荡器四、电路参数选择图-8调谐放大器高频等效电路如图-8计算出放大器的技术指标1.电压增益 ： 根据定义，由上图得：从等效关系可知：则放大器谐振时，对应的谐振频率为： 则通常，在电路计算时，电压增益用其模表示，即 可表示为 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：对谐振放大器来讲，通常讨论的 f 与 f 0 相差不大，可认为 f 在 f 0 附近变化，则：式中， ， 称为一般失谐。令 ， 称为广义失谐。代入上式得取模得：下图是谐振特性的两中表示形式： 图2-7放大器的谐振特性3.放大器的通频带通频带的定义是时所对应的 为放大器的通频带。根据定义得 则 故： 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：七、结论课设的过程是艰辛的，但是收获是巨大的。首先，我们再一次的加深巩固了对已有的知识的理解及认识；其次，我们第一次将课本知识运用到了实际设计，使得所学知识在更深的层次上得到了加深。再次，因为这次课程设计的确在某些方面存有一定难度，我们无论是分工、分摊任务，还是集体团结合作方面，这对我们来讲都是一种锻炼，培养了我们集体合作的能力以及自学、查阅搜集资料的能力；再有，计算操作工程中，我们曾经面临过失败、品味过茫然，但是最终我们还是坚持下来了，这就是我们意志、耐力和新年上的胜利，在今后的日子里，它必将成为我们的宝贵财富。本文通过对实际电路的分析，结合实际实验，并利用其它电路作为辅助，提出了一种制作高频小信号调谐放大器的有效方法，解决了在制作高频放大器时经常出现的自