高频小信号谐振放大器设计

2015~2016学年第1学期《高频电子线路》课程设计报告题目：高频小信号谐振放大器的设计专业：电子信息工程班级：13电子信息姓名：指导教师：电气工程学院2015年12月12日任务书课题名称高频小信号谐振放大器的设计指导教师（职称）执行时间2015~2016学年第1学期第14周学生姓名学号承担任务方案设计、论文撰写原理图绘制及仿真验证方案验证与仿真软件学习及资料查询原理图验证软件学习及仿真设计目的了解LC串联谐振回路和并联谐振回路的选频原理和回路参数对回路特性的影响；掌握高频单调谐放大器的构成和工作原理；掌握高频单调谐放大器的等效电路、性能指标要求及分析设计；4.掌握高频调谐放大器的设计方案和测试方法。设计要求设计高频小信号谐振放大电路；根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元器件参数，测试并计算谐振频率、谐振增益、通频带、增益带宽、噪声系数等指标；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；设置静态工作点，确定耦合电容与高频滤波电容。5.设计并制作高频小信号谐振放大器。摘要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;

所谓谐振放大器，就是采用谐振回路作负载的放大器。根据谐振回路的特性，谐振放大器对于靠近谐振频率的信号，有较大的增益；对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降。所以，谐振放大器不仅有放大作用，而且也起着滤波或选频的作用。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。关键词：高频小信号放大器；调谐放大器目录TOC\o"1-3"\h\u17275《高频电子线路》 129397课程设计报告 132563任务书 213061摘要 39273目录 47243第一章总体方案 5131121.1设计条件 529341.2总体方案简述 57262第二章高频小信号谐振放大器的原理分析 627332.1主要特点 6212082.2主要性能指标 678062.2.1谐振频率 6304092.2.2电压增益和功率增益 613132.2.3通频带 7311382.2.4选择性 7199562.2.5工作稳定性 7189942.2.6噪声系数 8322022.3放大器等效电路与分析方法 8282172.4单调谐回路谐振放大器 9119622.5多级单调谐放大器 9239342.6调谐电路的稳定性 10203012.6.1中和法 11211812.6.2失配法 111088第三章高频小信号谐振放大器的设计 12104773.1主要参数 1223583.2设计过程 12203843.2.1回路的选择 1241023.2.2设置静态工作点 13306133.2.3谐振回路参数计算 13234473.2.4确定耦合电容与高频滤波电容 1424757第四章高频小信号谐振放大器电路仿真 15313244.1总原理图 15156314.2测量并调节静态工作点Q 15260974.3高频小信号谐振放大器主要性能的测量 1630858总结 1914445参考文献 2029552答辩记录及评分表 21总体方案1.1设计条件主要技术指标（要求：放大电路工作稳定）谐振频率：谐振电压放大倍数：通频带：选择性（矩形系数）：已知条件；负载电阻，电源电压1.2总体方案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：增益要高，即放大倍数要高。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。其中，带宽为,品质因数为电路工作要稳定可靠，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，特别是不产生自激振荡，加入负反馈可以改善放大器的性能。高频小信号谐振放大器的原理分析2.1主要特点：晶体管集电极负载通常是一个由LC组成的并联谐振电路。由于LC并联谐振回路的阻抗是随着频率变化而变化，理论上可以分析，并联谐振在谐振频率处呈现纯阻，并达到最大值。即放大器在回路谐振频率上将具有最大的电压增益。若偏离谐振频率，输出增益减小。总之，调谐放大器不仅具有对特定频率信号的放大作用，同时也起着滤波和选频的作用。2.2主要性能指标：高频小信号谐振放大器主要的性能指标将分成下面的几部分进行说明：2.2.1谐振频率放大器的谐振回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，理论上，对于LC组成的并联谐振回路来说，谐振频率为：式中，L为调谐回路电感线圈的电感值；C为调谐回路的总电容。2.2.2电压增益和功率增益电压放大倍数用表示，等于放大器输出电压与输入电压之比，功率增益用表示，等于放大器输出功率与输入功率之比，即放大器的谐振电压增益放大倍数（）指：放大器处在在谐振频率下，输出电压与输入电压之比。测量方法：当谐振回路处于谐振状态时，用高频毫伏表测量输入信号和输出信号大小。图2-2-2放大器归一化幅频特性曲线2.2.3通频带通频带定义为放大器增益从最大值下降时所对应的频率范围，用表示。2.2.4选择性选择性表示放大器对通频带以外的各种干扰信号及其噪声的滤除能力，或者说，从各种干扰中选出有用信号的能力。理想情况下，放大器应该对通频带以内的各种信号频谱分量具有相同的放大作用，而对通频带以外的信号则完全抑制。为了评价实际幅频特性曲线接近理想矩形的程度，这里引入矩形系数：式子式中，是增益下降到最大值的0.1倍时的频带宽度。0.707倍和0.1倍之间的频带称为过渡带，越小，则过渡带越陡峭，表明选择性越好，越接近理想曲线。实际中总是大于1的，等于1则为理想情况。2.2.5工作稳定性工作稳定性是指放大器中的直流偏置、交流参数和电路元件参数等发生变化时，放大器性能的稳定程度。一般不稳定现象表现在增益变化、中心频率偏移、通频带变化和谐振曲线畸变等方面。不稳定状态严重时可使放大器产生自激振荡，不能正常工作。所以必须采取稳定措施，如稳定工作点、限制放大器的增益、选择反向传输导纳小的有源器件、中和法或失配法以及安排合理的电路工艺（元件布局、布线、接地）等来解决稳定性问题。2.2.6噪声系数放大器的性能在很大程度上与干扰（常指外部）和噪声（指内部）有关，因此，要尽量减少这些干扰和噪声对放大器的影响。噪声系数定义为输入端信噪比与输出端信噪比的比值，记为，即：显然，噪声系数越小越好，说明放大器抑制噪声的能力越强。当放大器没有内部噪声时，。噪声的来源主要有两个方面：电阻热噪声和半导体管噪声。两者有许多相同的特性。2.3放大器等效电路与分析方法在小信号条件下，晶体管可用网络参数等效电路中的y参数等效电路或混合π型等效电路取代，分别如下图所示：图2-3（a）混合π电路图图2-3（b）y参数等效电路图Y参数等效电路与混合π等效电路参数的转换，用混合π参数表示的Y参数：其中，。2.4单调谐回路谐振放大器图2-3单调谐回路谐振放大器原理图从理论上分析可得：在谐振点上的电压增益为：矩形系数为：从这里也可以看出，矩形系数比1大得多，说明选择性还是比较差的。2.5多级单调谐放大器在实际中，有时单级调谐放大器不能满足总的增益要求，就要采用多级放大器。根据各级谐振情况分为多级单调谐放大器（每级谐振频率均相同）和参差调谐放大器（各级谐振频率不同，但相差不大）。假如有m级放大器，其电压增益分别为，则总增益为：为了方便讨论，设每一级电压增益均相等（都为），则（1）电压增益为：（2）谐振曲线：当每级是由完全相同的单机放大器组成时，多级谐振曲线等于各单级谐振曲线的乘积，谐振曲线表达式为上式表明，级数越多（m越大），谐振曲线月尖锐，选择性越好。通频带：由于m是大于1的整数，所以一定小于1，即通频带变窄了，且m越大，通频带越窄。矩形系数：令上面的谐振曲线为0.1，可以求出为于是，矩形系数为由上式可知，m越大，矩形系数越小，但不可能小于2.56（当m取无穷大），也就是说矩形系数有所改善，但是是有限度的，离理想矩形系数（矩形系数为1）还有很大差距。说明单调谐回路放大器选择性较差，增益和通频带的矛盾比较突出。为了解决这些矛盾，通常采用双调谐回路放大器和参差调谐放大器。2.6调谐电路的稳定性在实验时，经常在测试电路中会出现自激的现象，特别是在多级放大的情况中。我们将这种没有外部输入信号，由于电路内部正反馈作用而自动维持输出交流信号的现象称为自激。它经常和进行高频电路设计相违背，我们把这种具有自激现象的放大器称为自激振荡器，它实际上就是一个有足够反馈量的正反馈放大器。产生自激振荡的条件和振荡电路的原理一致。即满足：（1）相位平衡条件放大器的反馈信号与输入信号必须同相位，即相位差是180°(或π)的偶数倍。（2）振幅平衡条件指放大器的反馈信号必须有一定的幅度。在振荡建立的初期，必须使反馈信号大于原输入端的信号。交流负反馈能够改善放大电路的许多性能，改善的程度由负反馈的深度决定。但是，如果电路组成不合理，反馈过深，且电路附加相移(高频区或低频区)改变了反馈信号的极性时，电路中的负反馈就会变成正反馈。反而会使放大电路产生自激振荡。这种自激振荡是一定要消除的。克服自激的方法在这里介绍以下两种：2.6.1中和法中和法是在晶体管的输入端和输出端之间引入一个外部反馈电路（或反馈元件），又称为中和电路，以消除晶体管内部反向传输导纳的反馈作用。2.6.2失配法失配法是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗或负载阻抗不与晶体管输出阻抗匹配，具体地说，就是通过减小负载阻抗，从而减少回路总阻抗，使输出电压相应减少，对输入端的影响也就减少。显然，这是用牺牲增益来获得放大器的稳定。为了满足增益和稳定性两方面的性能指标要求，常采用共射-共基级联成一个复合管组成的放大电路。高频小信号谐振放大器的设计3.1主要参数：要求：谐振频率：谐振电压放大倍数：通频带：选择性（矩形系数）：给定条件：,晶体管用9018，查手册可知，9018在时，有：负载电阻，电源电压3.2设计过程3.2.1回路的选择依据上一章关于高频小信号谐振放大器的原理分析以及给定的条件及参数要求，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3-2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主要由确定。利用的分压固定基极偏置电位,如满足条件：当温度变化时,抑制了的变化，从而获得稳定的工作点。由此可知，只有当时，才能获得恒定，所以，在选用硅管的时候，。只有当负反馈越强时，电路稳定性越好，故要求。3.2.2设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.8mA—2mA之间选取，在设计的电路中，我们取，设。由于，又，则;由于，所以;由于,所以;由于,所以，则,取标称电阻为8.2；由于，所以,考虑到调整静态电流的方便，。3.2.3谐振回路参数计算回路总电容由于则（2）回路电容C由于所以取C为标称值30与微调电容并联。电感线圈与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。此时线圈的电感量仅和线圈匝数的平方成正比，即：式中,K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关；N-线圈匝数一般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时，可先在铁芯上缠绕10匝，然后用电感测量仪测出其电感值，再用下面的公式求出系数K的值：式中，-实验时所绕匝数，由此根据值便可求出线圈应绕的圈数，即：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。在原线圈铁芯上用0.08mm漆包线缠绕10匝后得到的电感为2μH。由此可确定要得到4μH的电感，所需匝数为：最后再按照接入系数要求的比例，来绕制变压器的初级抽头与次级线圈的匝数。由于。3.2.4确定耦合电容与高频滤波电容耦合电容的值，可在1000pF-0.01μF之间选择，一般用陶瓷电容。旁路电容的取值一般为0.01-0.1μF，滤波电感的取值一般为220-330μH。高频小信号谐振放大器电路仿真4.1总原理图用Multisim13.0画出仿真电路图如下；图4-1高频小信号谐振放大器电路仿真4.2测量并调节静态工作点Q：仿真条件：电感线圈用固定电感L1=2.8μH、L2=1.2μH，中间抽头。其余元件参数参见图3-2。调整静态工作点的方法是：不加输入信号，将C1的左端接地，将谐振回路的电容开路，记下此时电路的静态工作点。图4-2静态工作点仿真电路图静态工作点(V)(V)(mV)(V)（mA）121.626995.39711.00555.3114.3高频小信号谐振放大器主要性能的测量仿真条件：输入高频信号频率,幅度（峰-峰值）10mV。示波器的调节如图4-3所示：图4-3设置谐振频率阻尼电阻、反馈电阻、负载电阻。示波器的A通道为输入，B通道为输出，仿真结果如下：电压增益图4-3-1(a)电压增益仿真图由图可知，输入为，输出为，显然输出波形发生了反向。谐振放大倍数为实际谐振频率图4-3-1（b）谐振频率测量由图可知，谐振频率约为10.044MHz左右。（2）通频带将输入信号频率调整，使得输出的幅度为0.707仿真测得，仿真结果如下：图4-3-2（a）波特图图4-3-2（b）波特图矩形系数仿真得到矩形系数以上实验结果都满足实验要求。该方案成立。总结通过这一课程设计，我掌握了独立搜集资料、思考分析问题的能力和独立学习的能力，使自己无论在今后的学习中还是工作中遇到困难的时候都能自己将其解决。同时，对书理论知识有了更深刻的了解。完成这一课设后，我对高频小信号放大器也有了更深刻地理解。高频小信号放大器广泛用于广播,电视,通信,测量仪器等设备中.高频小信号放大器可分为两类:一类是以谐振回路为负载的谐振放大器;另一类是以滤波器为负载的集中选频放大器.它们的主要功能都是从接收的众多电信号中,选出有用信号并加以放大,同时对无用信号,干扰信号,噪声信号进行抑制,以提高接收信号的质量和抗干扰能力.高频小信号调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路,主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。在本次课设中，我了解了高频小信号放大器的特点：

1、放大小信号,晶体管工作在线性范围内(甲类放大器)

2、信号的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,为频带放大器,故必须用选频网络。在测试过程中，我不断利用课堂所学理论知识调整电路，并最终实现设计目的过程使自己从另一个层面更形象地理解了理论，对于理论与实践的关系也有了新的认识。曾经的学习只停留在书本上，但课程设计使我更充分的接触到了实际。参考文献[1]曾兴文、刘乃安、陈健．高频电子线路．北京：高等教育出版社，2007[2]张肃文等．高频电子线路（第四版）．北京：高等教育出版社，2004[3]聂典等．Multisim10计算机仿真．北京：电子工业出版社，2010[4]谢自美.《电子线路设计·实验·测试》第三版.华中科技大学出版社[5]杨翠娥.《高频电子线路实验与课程设计》.哈尔滨工程大学出版社[6]何中庸《高频电路