高频小信号放大器

1、通信电路课程设计报告院 系 电气（机电）工程学院组 号二 指 导 教 师 李文鑫 人 员 名 单吴胜楠、郭凯、徐中秋、唐泮泮通信电路课程设计报告课 题 名 称 院 系 专 业 班 级 学 号 学 生 姓 名 联 系 方 式 年 月摘 要高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，其功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大。高频小信号放大器按照所用负载的性质可分为谐振和非谐振放大器。本文对高频小信号谐振放大器进行设计与仿真研究，采用Multisim仿真软件对各部分电路进行了辅助设计分析，并对电路的谐振频率，谐振电压增益，通频带宽，矩形系数等性能进行了仿真分析。结果表明，所设计的放大器满足预期设

2、计指标要求，设计过程和方法都比较简单，仿真结果误差也很小。关键词：高频小信号谐振放大器；Multisim目 录1绪论11.1课题研究的背景11.2课题研究的意义12高频电路的基础知识12.1滤波器（选频回路）的分类及功能12.2.1电感线圈和电容元件的高频特性2二、电容元件的高频特性22.2.2 LC串并联谐振回路22.3小信号谐振放大器的技术指标要求42.4小信号谐振放大器的稳定性43 高频小信号谐振放大器的仿真实现53.1Multisim的简介53.2 高频小信号谐振放大器的理论设计73.2.1 高频小信号谐振放大器的工作原理73.2.2 设计电路图73.2.3 放大器的技术指标73.3

3、高频小信号谐振放大器的仿真94 分析与总结10参考文献111绪论1.1课题研究的背景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

4、种小信号放大器是一种谐振放大器。1.2课题研究的意义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。其中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

5、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。2高频电路的基础知识2.1滤波器（选频回路）的分类及功能滤波器是根据某一特定的性能要求实现对信号的频谱进行处理的电路。滤波器的分类，可以按照它具有的频率特性分，也可以按构成滤波器所用器件分，或者按它所处理的信号形式分。按其频率特性可以分为低通、高通、带通和带阻滤波器。按所用器件的特点可分为无源和有源滤波器。无源滤波器是由无源器件构成，例如电感和电容组成的滤波器，电阻和电容组成的滤波器，利用石英晶体构成的滤波器，还有陶瓷滤波器和声表面滤波器等。有源滤波器指在所构成的滤波器中含有放大器等有源电路，例如滤波器、开关电容滤波器等。按处理的信号形式

6、可分为模拟滤波器、数字滤波器和抽样数据滤波器等。高频电路中目前应用较多的是无源滤波器中的滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面滤波器等，主要用于实现带通滤波和低通滤波。2.2.1电感线圈和电容元件的高频特性一、电感线圈的高频特性在高频电路中电感元件的损耗是不能忽略的，因而在等效电路中应该考虑到损耗电阻的影响。一个实际的的电感元件可以用一个理想无损耗的电感和一个串联的损耗电阻来等效，也可以用一个理想无损耗的电感和一个并联电导来等效。通常一个损耗电感线圈可在工作频率下通过表测得电感线圈的电感值和空载品质因数，而的大小就能反映损耗的大小。二、电容元件的高频特性对于电容元件，由于在高频电路所讨论的频率

7、范围内，损耗很小，因而就认为是理想元件，不考虑其损耗的影响。2.2.2 LC串并联谐振回路无论频率低还是高，LC串联电路均呈现高阻抗，LC串联电路两端的电压极高，只有处于低频和高频之间的某一个频率，LC串联电路会呈现比较低的阻抗，其两端的电压会较低，电路图如下：串联谐振电路图谐振时的阻抗最小： 时的角频率为：时，此时回路为纯电阻，且电路的阻值最小，回路的电流最大，电流电压同相，当大于或小于时，回路的电流随着它们的增加或减小而使电流减小。LC并联谐振电路如图所示。其中LC并联谐振电路的损耗电阻R来代表，主要是电感的电阻消耗。下面分析它的谐振频率：当频率低时容抗大，感抗小，并联电路的特性由电感支路

8、决定；当频率高时容抗小，感抗大，并联电路的特性由电容支路决定。所以无论频率低还是高，LC并联电路均呈现低阻抗，其端电压较低，只有处于低频和高频之间的某一个频率，LC并联电路呈现高的阻抗，其端电压会较高。 LC并联谐振电路图并联电路的导纳为：式中：当时，可得并联谐振回路的谐振频率为：谐振阻抗对于谐振频率，LC并联电路的阻抗为： 时回路谐振，回路等效为电阻，其阻值最大为R，随着偏离阻抗值越来越小，当大于时，回路呈容抗特性，当小于时回路呈感抗特性。利用LC串联或并联谐振回路的选频作用，对谐振点频率的电流信号呈现较大的阻抗，而且是纯电阻性的，将电流信号转换成电压信号输出，而对失谐点频率的电流信号呈现很

9、小的阻抗，抑制失谐点频率电流信号的输出，起到选择出所需接收的信号，抑制无用的信号和干扰的目的。2.3小信号谐振放大器的技术指标要求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

10、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）阻抗匹配。2.4小信号谐振放大器的稳定性谐振放大电路，通常是指负载具有谐振特性（或选频特性）的放大电路。该电路广泛应用于通信，广播、电视、雷达等接收系统中，主要起选频，放大作用。但是由于内反馈的存在，使得谐振放大器的定性受到影响。主要表现在放大器调试困难，甚至使放大器自激，因而必须想办法克服内反馈。克服内反馈的途径有两个：一个是从晶体管本身想办法，使反向传输导纳尽量减小。另一方面是在电路上想办法，把反馈导纳的作用抵消或减小，也就是说，从电路上设法取消晶体管的反向作用，使它变为单向化。具体的

11、方法有中和法和失配法。失配就是不匹配。在小信号谐振放大器中，失配专指信号源内阻与晶体管输入阻抗之间，放大器输出端的负载阻抗与晶体管输出阻抗匹配之间的失配。中和法是解决放大器的增益和稳定性之间的矛盾的一种有效措施。它是在晶体管的输入端和输出端之间引入一个外加的反馈电路（中和电路），使该反馈电路的作用与晶体管内部反馈的作用相互抵消。通常是在输出回路与晶体管基极之间接入一个电容来实现中和作用，该电容亦称中和电容。3 高频小信号谐振放大器的仿真实现3.1Multisim的简介Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench）公

12、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。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测

13、量。NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以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。NI Multisim软件是电子学教学的首选软件工具。直观的图形界面，整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件

14、仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的；丰富的元器件，提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件；，强大的仿真能力以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能；丰富的测试仪器，提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量。这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态互交显示。除

15、了Multisim提供的默认的仪器外，还可以创建LabEW的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序的仪器；完备的分析手段，Multisimt提供了许多分析功能；;独特的射频（RF）模块；强大的MCU模块；完善的后处理；详细的报告；;兼容性好的信息转换。3.2 高频小信号谐振放大器的理论设计3.2.1 高频小信号谐振放大器的工作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

16、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。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。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）如图所示：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：Z则并联回路两端的电压为：所以，当C=1/L时Vm有最大值，即回路谐振时输出电压最大。3.2.2 设计电路图3.2.3 放大器的技术指标一、谐振频率放大器的谐振

17、回路谐振时所对应的频率称为谐振频率。的表达式为：式中，L为谐振放大器电路的电感线圈的电感量；为谐路的总电容，的表达式为： 式中，为晶体管的输出电容；为晶体管的输入电容。谐振频率的测试步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变电容C或电感L使回路谐振。LC并联谐振时，直流毫安表mA的指示为最小（当放大器工作在丙类状态时），电压表指示值达到最大，且输出波形无明显失真。这时回路谐振频率就等于信号发生器的输出频率。二、电压增益 放大器的谐振回路所对应的电压放大倍数Avo称为谐振放大器的电压增益.Avo的表达式为： 的测量电路如图3-2-1所示，测量条件是放大器

18、的谐振回路处于谐振状态。计算公式如下：三、通频带 由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数Av下降到谐振电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率范围称为放大器的通频带BW，其表达式为：式中，为谐振放大器的有载品质因素。分析表明，放大器的谐振电压放大倍数与通频带BW的关系为：上式说明，当晶体管确定，且回路总电容为定值时，谐振电压放大倍数与通频带BW的乘积为一常数。可通过测量放大器的频率特性曲线来求通频带。采用逐点法的测量步骤是：先使调谐放大器的谐振回路产生谐振，记下此时的与，然后改变高频信号发生器的频率（保持Vs不变），并测出对应的电压放大

19、倍数Av，由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的频率特性曲线如图所示：由BW得表达式可知： 通频带越宽的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频带，同时又能提高放大器的电压增益，由式可知，除了选用较大的晶体管外，还应尽量减少调谐回路的总电容量。四、矩形系数 谐振放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kr0.1来表示，如图3-2-2所示，矩形系数Kr0.1为电压放大倍数下降到0.1Avo时对应的频率范围与电压放大倍数下降到0.707 时对应的频率偏移之比，即上式表明，矩形系数Kr0.1越接近1，临近波道的选择性越好，滤除干扰信号的能力越强。可以通过测量图3-2-2所示的谐振放大器的频率特性曲线来求得矩形波系数Kr0.1。3.3 高频小信号谐振放大器的仿真晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流、电流放大系数有关外，还与工作角频率有关。浸提管手册中给出的分布参数一般是在测量条件一定的情况下测得的。如在条件下测得的2SC945的y参数： 4 分析与总结本次课程设计的完成，收获颇多。首先，巩固和加深了对电子线路基本知识的理解，提高了