武汉理工现代通信电路综合设计

1、学号现代通信电路综合设计报告题目：通信电子线路综合设计专业班级：通信 080X学生姓名：指导教师：杨福宝武汉理工大学信息工程学院20011年1月1日目录摘要2Abstract 31基本条件与要求11.1高频小信号调谐放大器的电路设计 11.2LC三点式反馈振荡器设计 11.3高频谐振功率放大器电路设计与制作 22高频小信号放大器电路设计 22.1电路选择与参数计算 3选定电路形式3设置静态工作点 3谐振回路参数计算 4确定耦合电容与高频滤波电容： 5测量并调整放大器的静态工作点。 52.2Multisim 仿真63. LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计 73.1电容三点式振荡器原理工作原理分

2、析 73.2 LC与晶体振荡器参数设置 103.2.1. 静态工作电流的确定 103.2.2. 确定主振回路元器件 113.3Multisim 仿真124. 高频谐振功率放大器电路设计与制作 134.1高频谐振功放电路的工作原理 134.2高频谐振功放的工作状态确定及参数设置 145. 收获和体会17参考文献18摘要本文对高频调谐小信号放大器，LC振荡器，高频功放电路设计原理作了简 要分析，同时，研究了各个电路的参数设置方法。并利用其它相关电路为辅助工 具来调试放大电路，解决了放大电路中经常出现的自激振荡问题和难以准确的调 谐问题。同时也给出了具体的理论依据和调试方案，从而实现了快速、有效的

3、分析和制作高频放大器，振荡器和功放电路。高频小信号谐振放大电路是将高频 小信号或接收机中经变频后的中频信号进行放大，已达到下级所需的激励电压幅度。LC振荡器的作用是产生标准的信号源。高频功放的作用是以高的效率输出 最大的高频功率。三部分都是通信系统中无线电收发信机所用到的技术，所以在现实生活中具有着相当广泛的应用。关键词：高频放大器、振荡、LC振荡AbstractThis design makes a summary analysis of little signal amplifiers for high freque ncy,LC scillator and high freque ncy

4、 power amplificati on circuit. Cn temporary,lt esearchesdifferent kinds of preferences optimizationt also makes use of other in terrelated circuits as accessory applia nces to debug amplificati on circuit.So that the problem of self-excitation scillator is solved that usually appears in the amplific

5、ation circuits and some other debug error reports .It gives specific theoretical basis and the test method that results in fast and effectively to analysis ,make little signal amplifiers for high frequency,LC scillator and high frequency power amplification circuit. Little sig nal amplifiers for hig

6、h freque ncy is to amplify little sig nal and in termediate frequency signal. LC scillator is to engender the standard source. high frequency power amplification circuit is to output tha maximal high frequency power through the high efficiency.The three parts are all technique that is often used in

7、radio transceiver,so they are used widely in the life and study.Keywords: high frequency amplifier, scillator1.基本条件与要求根据每个电路给定的技术指标和条件，分别给出设计原理、设计过程、电路 原理图、各元件件型号或参数、实际测试结果。1.1高频小信号调谐放大器的电路设计谐振频率：fo = 10.7MH z,谐振电压放大倍数：Avo 20dB ,通频带：Bw°.7 1MHz ,矩形系数：Kr 0.110 o要求：放大器电路工作稳定，采用自耦变压器谐振输出回路。回路电感 L=4

8、 卩 H, Q0 100 , p 1 1, p20.3，晶体管用 9018,3 =50。查手册可知，9018 在 Vce 10V、|E 2mA 时，gie 2860us , goe 200us, coe 7pf , cie 19 pf , yfe 45ms, yre 0.31ms。负载电阻Rl 10K 。电源供电Vcc 12V o1.2LC三点式反馈振荡器设计振荡频率fo 6MHz 50KHz 频率稳定度f/f。 1 10 4输出幅度 U。0.3Vp p采用西勒振荡电路，为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，采用了射随 器作为隔离级。电源供电为12V ,振荡管 BG1为9018 （其主要参数I

9、cm 50mA, Vceq 5V,Vces 0.1V, hFE 28-198 ,取 3 =100, fT>1100MHZ。隔离级射随器晶体管BG2也为9018, LC振荡器工作频率为6MHz，晶体为6 MHz。1.3高频谐振功率放大器电路设计与制作电路的主要技术指标：输出功率Po> 125mW，作中心频率fo=6MHz >65% 已知：电源供电为12V,负载电阻，Rl=51Q，晶体管用3DA1,其主要参数：Pcm=1W,lcm=750mA,VE=1.5V,f t=70MHz,hfe> 10,功率增益 Ap> 13dB （20 倍）。2高频小信号放大器电路设计高频小

10、信号放大器一般用于放大微弱的高频信号，此类放大器应具备如下基 本特性：只允许所需的信号通过，即应具有较高的选择性。放大器的增益要足够大。放 大器工作状态应稳定且产生的噪声要小。放大器应具有一定的通频带宽度。图2-1单调谐放大器电路典型的单调谐谐振放大器原理如图 2-1，图中，RB1,RB2,RE用以保证晶体 管工作于放大区域，从而放大器工作于甲类，CE是RE的旁路电容，C1,C2是输 入输出耦合电容，L,C是谐振电路，R是集电极（交流）电阻，他决定了回路的 Q值，带宽。为了减轻负载对回路的的影响，输出采用了部分接入的方式。2.1电路选择与参数计算选定电路形式依设计技术指标要求，考虑高频放大器应

11、具有的基本特性，可采用共射晶体 管单调谐回路谐振放大器，设计参考电路见图i-i所示。L500dT T T IKT31二bl图2-2单调谐高频小信号放大器电原理图图中放大管选用9018,该电路静态工作点Q主要由嘉和Rw1氐、Re与Vcc1 BQ :确定。利用Rbi和Rwi、Rb2的分压固定基极偏置电位Vbq，如满足条件li当温度变化I CQVbqVbe I BQ I CQ J,抑制了 Icq变化，从而获得稳定的工作点。由此可知，只有当IiIbq时，才能获得Vbq恒定，故硅管应用时,Il (5 10)Ibq。只有当负反馈越强时，电路稳定性越好，故要求VbqVbe，般硅管取：Vbq (3 5)Vbe

12、设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流lCQ 般在0.8 2mA之间选取为宜，设计电路中取Ic 1.5mA，设Re 1K 。因为：Veq IEQRe而 Icq I eq 所以：Veq 1.5mA IK 1.5V因为 :Vbq Veq VbeqVbeq所以：Vbq 1.5V 0.7V2.2V因为 :Vceq Vcc Veq所以：Vceq 12V 2.2V 9.8V因 为：Rb2 Vbq/(5 10) I bq 而 I bqI cq /1.5mA/ 50 0.03mA取10Ibq贝U： Rb2 Vbq/10Ibq 2.2V / 0.3 7.3K取标称电阻 8.2K?因为：R

13、b1 (Vcc VBQ)/VBQRb2贝U: Rb1 (12V2.2V)/2.2V 8.2K36.5K ，考虑调整静态电流 Icq 的方便，Rb1用22K?电位器与15K?电阻串联。谐振回路参数计算1) 回路中的总电容CE因为：f 0 1则：C1_255 .3 pf2 7LC(2 fo)2 L2) 回路电容C因有 C C(P12 Coe)所以 C 55.3pF(12 7pF) 48.3pF取C为标称值30pf,与5-20Pf微调电容并联。3) 求电感线圈N2与N1的匝数：根据理论推导，当线圈的尺寸及所选用的磁心确定后，则其相应的参数就 可以认为是一个确定值，可以把它看成是一个常数。此时线圈的电

14、感量仅和线圈2匝数的平方成正比，即：L KN式中：K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关；N-线圈的匝数一般K值的大小是由试验确定的。当要绕制的线圈电感量为某一值 Lm时, 可先在骨架上(也可以直接在磁心上)缠绕10匝，然后用电感测量仪测出其电感 量Lo，再用公式求出系数K值：K Lo/N：式中：No-为实验所绕匝数，由此根据Lm和K值便可求出线圈应绕的圈数,实验中，L采用带螺纹磁芯、金属屏蔽罩的10S型高频电感绕制。在原线圈骨架上用0.08mm漆包线缠绕10匝后得到的电感为2uH由此可确定2 6 2 8 . ,K LO/NO 2 10 /102 10 H /匝N4 10 62 10 8要得到

15、4uH的电感，所需匝数为14匝最后再按照接入系数要求的比例，来绕变压器的初级抽头与次级线圈的匝数。因有 2 p1 N2，而 N214 匝。贝U: N10.3 14 4.5 匝确定耦合电容与高频滤波电容：耦合电容C1、C2的值，可在1000 pf 0.01uf之间选择，一般用瓷片电容。旁路电容 Ce、C3 C4的取值一般为 0.01-1卩F,滤波电感的取值一般为220-330uH。测量并调整放大器的静态工作点。仿真条件：晶体管用理想库（defauit ）中的（ideal ）器件。电感线圈用固定电感L仁2.8uH、L2=1.2uH，中间抽头。其余元件参数参见图 1-1。IC=1.5mA可采用直接或

16、间接方法。自建表格记录实验数据。谐振频率的调测与电压放大倍数的测量。仿真条件：输入高频信号频率fo=10.7MHz,幅度（峰-峰值）50mV阻尼电阻R*、反馈电阻Re=1©、负载电阻RL=10©研究阻尼电阻变化对放大器增益、带宽、品质因数的影响用频率特性测试仪测试放大器的幅频特性，并计算出增益、带宽及品质因数。 测试条件：输入高频信号频率=fo=10.7MHz,幅度（峰-峰值）50mV反馈电阻 Re=1©、负载电阻RL=10©。阻尼电阻R=（开路）阻尼电阻R=10© 阻尼电阻R=3KQ 阻尼电阻R=470Q研究反馈电阻变化对放大器的影响测试条件

17、：输入高频信号频率=fo=10.7MHz，幅度（峰-峰值）50mV阻尼电阻R=10©、负载电阻 FL=10KQO反馈电阻R=1©负载电阻R=2©反馈电阻R=510Q2.2Multisim 仿真图2-3小信号放大电路原理仿真图图2-3仿真结果图3.LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有能 在没有激励信号的情况下产生周期信号的电子电路， 这种在无需外加激励信号的 情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的 电子电路称为振荡器。振荡器的种类很多，根据工作原理可以分为反馈型振荡器和负

18、阻型振荡器。根据选频网络采用的器件可分为 LC振荡器、晶体振荡器、变压器耦合振荡器等。振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。为此，振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路，也是从事电子技术工作人员必须要熟 练掌握的基本电路。3.1电容三点式振荡器原理工作原理分析图3-1三点式振荡器的基本电路反馈式正弦波振荡器有 RC、LC和晶体振荡器三种形式，电路主要由放大 网络、选频回路和反馈网络三个部分构成。本实验中，我们研究的主要是LC三点式振荡器。所谓三点式振荡器，是晶体管的三个电极（B、E、C），分别与三个电抗性元件相连接，形成三个接点，故称为三点式振荡器，其基本电路如图根据相位平

19、衡条件，图 2-1 （a）中构成振荡电路的三个电抗元件， Xi、X2 必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗，若 Xi和X2均为容抗，X3为感 抗，则为电容三点式振荡电路（如图 3）；若X2和Xi均为感抗，X3为容抗，则 为电感三点式振荡器（如图4）。由此可见，为射同余异。VCG图3-2共基电容三点式振荡器由图可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件 C1和C2;与 基极和集电极连接的为异性质的电抗元件 L，根据前面所述的判别准则，该电路 满足相位条件。其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产 生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波， 因振荡

20、器电路中有一 个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相 等时，电路产生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅 度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压， 使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即 AF=1，振荡幅度就不再增大了。 于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于是得到单一频率的振荡信号输出。该振荡器的振荡频率fo为：反馈系数F为：F G/ C2若要它产生正弦波，必须满足 F= 1/2-1/8，太小不容易起振，太大也不容易 起振。一个实际的振荡电路，在F确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管 的静态电

21、流值。但是如静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区， 输 出阻抗降低使振荡波形失真，严重时，甚至使振荡器停振。所以在实用中，静态 电流值一般 ICO=0.5mA-4mA共基电容三点式振荡器的优点是：1）振荡波形好。2）电路的频率稳定度较 高。工作频率可以做得较高，可达到几十 MHz到几百MHz的甚高频波段范围。电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调 C1或C2实现时，反馈系 数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，改进电路有两种： 串联型改进电容三端式振荡器（克拉泼电路）电路组成电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础 上，用一电容C3

22、,串联于电感L支路。功用主要是以增加回路总电容和减小管子与 回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频 率的稳定度得以提高。因为C3远远小于C1或C2,所以电容串联后的 等效电容约为C3o电路的振荡频率为：fo 1/2 LC3图3-3克拉泼振荡电路与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感L支路上串联一个电容。但它有以下特点：1、振荡频率改变可不影响反馈系数。2、振荡幅度比较稳定；但 C3不能太小， 否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4 ；为此，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器 。 并联型改进电容三端式振荡器（西勒电路）电路组成如图3-4示:图3-4西勒振荡电路及

23、其等效电路FT-半电路特点是在克拉泼振+丄C0r?荡器的基础上，用一电容 C4,并联于电感L两端。功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，12 L（C3 C4）特点：1.振荡幅度比较稳定；2.振荡频率可以比较高,高，调整范围大。电路的振荡频率为:振荡频率的稳定度如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8 ;所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。频率稳定度是振荡器的一项十分重要技术指标，它表示在一定的时间范围内或一定的温度、湿度、电压、电源等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡 频率的相对变化量越小，则表明振荡器的频率稳定度越高。改善振荡频率稳定度，从根本上来说就是力求减小

24、振荡频率受温度、负载、 电源等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。 因此改善振 荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率不变的 能力，这就是所谓的提高振荡回路的标准性。提高振荡回路标准性除了采用稳定性好和高 Q的回路电容和电感外，还可以 采用与正温度系数电感作相反变化的具有负温度系数的电容， 以实现温度补偿作 用。石英晶体具有十分稳定的物理和化学特性，在谐振频率附近，晶体的等效参 量Lq很大，Cq很小，Rq也不大，因此晶体Q值可达到百万数量级，所以晶体振 荡器的频率稳定度比LC振荡器高很多。3.2 LC与晶体振荡器参数设置321.静态工作电流的确定合理地

25、选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质 量的好坏有着密切的关系。-般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而 靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流Icq大约在0.8-4mA之间选取，故本实验电路中：选 lcQ=2mAVceq=6VB =100则有Re RcU CC U CEQ1263KIcq2为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1K Q则Rc= 2K Q因：Ueq=Icq Re贝U:Ueq =2mA X 1K=2V因：Ibq=Icq/ B贝U:Ibq =2mA/100=0.02mA般取流过Rb2的电流为5-10Ibq,若取10lBQ因：Rb2

26、Vbq严VbQVeQ0.7I BQ则：Rb22.7V0.213.5K取标称电阻12K?。VccV bq、12V2.7V因：Rb1Rb2:Rb112K41.3KVbq2.7V为调整振荡管静态集电极电流的方便，Rb1 由 27K?电阻与27K电位器串联构成322.确定主振回路兀器件回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一 种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观 点出发，以保证回路电容 Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp为宜。 若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大

27、一些，这有利于减小并联在回路上的 晶体管的极间电容等变化的影响。但 C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降 低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/C2,不能过大或过小，适宜1/81/2因振荡器的工作频率为：1f02 1LC当LC振荡时，fo=6MHzL = 10卩H本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C3、C4决定，即f =.12 LC 2 LG C4）有 C3 C4芜 176pf4 f L取C3=120pf，C4=51pf （用33Pf与5-20Pf的可调电容并联），因要遵循 6,C2»C3,C4，C1/C2=1/8 1/2 的条件，故取

28、 C1=200pf，则 C2=510pf。对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电容进行微调即可。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻 抗端输出。例如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极；如为基级接地，则应 从发射极输出。3.3Multisim 仿真综合上述结果。得实际电路如图3-5所示图3-5实际电路原理图使用multisimll，仿真结果如图3-6所示图3-6 LC和晶体振荡器的仿真图示4高频谐振功率放大器电路设计与制作4.1高频谐振功放电路的工作原理放大器工作时，设输入信号电压：ub UbmCOS t则加到晶体管基极,发射级的有效电压为：Ube Ub Ubb U

29、bb UbmCOS t由晶体管的转移特性曲线可知，如图2-2所示：I图4-1谐振功率放大器晶体管的转移特性曲线当Ube Ubz时，管子截止，ic当Ube Ubz时，管子导通，ic式中：gc为折线的斜率：所以有： ic gc Ubb U bm COS尖顶余弦脉冲的数学表达式为：若对ic傅里叶级数分解，即：ic1 CO 1 CM 1 cOS t I cm 1 cOS 1 Cmn cOS t 由此可知，任何一个余弦脉冲，都是由许多不同频率的谐波分量所构成，利 用功放负载LC回路的选频功能，适当选择LC的参数使之谐振与基波频率，尽管 在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤

30、波作用，故功率放大器的输出仍为不失真的正弦波。0。g C (UBEt U BZU BZ)i c i c m axcos t cos C1 cos C此时，谐振回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即：Uc U Cm cos t I cmi Ro cos t式中，Ubm为uc的振幅；Ro为LC回路的谐振电阻,I cmi为集电极基波电流振幅在集电极电路中，LC谐振回路得到的高频功率为：P01 I 1u1 I 2 i RO 1 U cm0cmi cmcmi i、O亠222 RO集电极电源Ec供给的直流输入功率为:PeEclco I CO为集电极电流脉冲ic的直流分量。集电极效率n C为输出高频功率P

31、o与直流输入功率PE之比，即:PEci mUcm2 IC0EC4.2高频谐振功放的工作状态确定及参数设置谐振功率放大器的工作状态有三种，即欠压、临界和过压。当谐振功放的静 态工作点、输入信号、负载发生变化，谐振功率放大器的工作状态将发生变化。对高频功率放大器的基本要求是，尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者, 通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角c在600 900范围。现设c =700。查表得：集电极电流余弦脉冲直流Ico分解系数0(70°)0.25，集电极电流余弦脉冲基波Icm1分解系数，1(70°) 0.44。设功放的输出功率为0.5W。功率放大器集电极的等效电

32、阻为：110R (Vcc VCes)2(12 1.5)2®. 2Fo2(0.5)W集电极基波电流振幅为：Icmi ,2Fo/Rp 95mA集电极电流脉冲的最大振幅为:I cmaxIcmi / i( c)95mA/0.44 2i6mA集电极电流脉冲的直流分量为：Ico Icmax o（ c）216 0.2554mA电源提供的直流功率为：Pd Vcc I CO 12V 54mA 0.65w 集电极的耗散功率为：FC PD巳0.65 0.5 0.15w 集电极的效率为：Po/Pd 0.5/ 0.65 77% （满足设计要求）已知：Ap 13dB即 Ap 20则：输入功率：Pi Po/Ap 0.5/ 20 25mV基极余弦脉冲电流的最大值（设 3DA1的=10）iBm Icm 21.6mA基极基波电流的振幅为：IB1m IBm 1（70°） 9.5mA 得基极输入的电压振幅为：VBm 2R/lB1m 5.3V1）基极偏置电路计算因 cosVE Vz 则有 ：VE Vbm cos c VZ 5.3COS700 1.1Vc VBm因Ve IcoRe则有 ：Re Ve / Ico 1.1/（54 10 3） 20取高频旁路电容Ce2 0.01pf2）计算谐振回路与耦合线圈的参数1.076Rp(1 Ql2)RlQl02LsRlLsQlRl1.076 51