晶体管中频小信号选频放大器设计(高频电子线路课程设计)

课程设计任务书学生姓名：专业班级：电子1001班指导教师：韩屏工作单位：信息工程学院题目：晶体管中频小信号选频放大器设计初始条件：具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的根本设计能力及根本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。要求完成的主要任务：1.采用晶体管或集成电路完成一个调幅中频小信号放大器的设计；2.放大器选频频率f0＝455KHz，最大增益200倍，矩形系数不大于5；3.负载电阻RL＝1KΩ时，输出电压不小干0.5V，无明显失真；4.完成课程设计报告〔应包含电路图，清单、调试及设计总结〕。时间安排：1．2013年2．2013年12月11日至203.2013年12指导教师签名：年月日系主任〔或责任教师〕签名：年月日目录摘要IAbstractII一、绪论1二、中频小信号放大器的工作原理2三、中频选频放大器的设计方案33.1稳定性分析33.2提高放大器稳定性的方法43.3中频选频放大53.4信号负反应6四、电路仿真与分析74.1multisim仿真软件简介74.2中频选频放大局部仿真7五、实物制作及调试9六、个人体会12参考文献13附录I元件清单14附录II总电路图15摘要本文对中频小信号选频放大器的工作原理进行了详细解析，通过对放大器的性能分析，确定最正确制作方案。通过multisim的仿真分析，按照设计要求，来确定最正确参数，并利用其他相关电路来调试放大电路，解决了放大电路中自激振荡问题和调谐准确的问题。本次设计中，自己设计制作了中频信号发生器，用来完成对选频放大器的实物的测试。通过屡次调整电路，掌握了准确调谐的方法。关键词：中频选频放大器multisim调谐AbstractThispaperofintermediatefrequencysmallsignalfrequencyselectiveamplifierofworkingprincipleforadetailedanalysis,throughtheperformanceanalysisoftheamplifiertodeterminetheoptimalproductionplan,.Throughthesimulationanalysis,multisimaccordingtothedesignrequirements,todeterminetheoptimalparameters,anduseoftheotherrelevantcircuittodebugamplifyingcircuit,solvedamplifyingcircuitofself-excitedoscillationproblemandtunedaccurateproblem.Thisdesign,designmadeintermediatefrequencysignalgenerator,usedtofinishonfrequencyselectiveamplifierphysicaltest.Throughmultipleregulatingcircuit,graspedaccuratelytunedmethod.Keywords:intermediatefrequencyselectiveamplifiermultisimtuning一、绪论中频小信号放大器广泛用于通信系统和其他电子系统的接受设备中。天线接受到的高频信号是很微弱的，一般在微伏级，需将传输的信号恢复出来，需要将信号放大，这就需要用高频小信号谐振放大器和中频小信号选频放大器来完成。中频小信号选频放大器就与高频小信号谐振放大器中功能一样，只是工作在中频，工作波段相对较低，一般为几百千赫兹到几兆赫兹。通信系统的信号接收原理框图如下列图1所示。天线接收天线接收高频放大混频器功率放大解调器本地振荡中频放大与滤波图1通信系统信号接收原理框图混频器是将高频信号变为中频信号，这样信号便于处理。中频放大与滤波局部是决定信号杂波程度的关键。由混频器出来的中频信号，由于依然很微弱，需要进行放大，另外，前级的干扰如果经过放大，那么对后级影响更大，故在放大前需要将干扰滤除，得到需要的放大信号。为此，中频小信号放大器的制作关键有两个：增益系数足够高和频率选择性足够好。这样，信号才能经过解调更好的恢复出来。二、中频小信号放大器的工作原理由于通信系统的接收设备所接收的无线电信号非常微弱，经过混频后，需要经过放大才能将原始信号恢复。如图1所示为一中频放大器的典型电路。由图2可知，直流偏置电路与低频放大器电路完全相同，只是、对中频起旁路作用。相对低频来说，集电极采用LC网络作为负载，起选频作用，并且完成阻抗匹配的功能。由于输入的是小信号，放大器工作于甲类放大状态。图3为其交流等效电路。图2中频小信号典型电路图3交流等效电路为了便于分析，用Y型参数等效电路来等效晶体管，典型应用电路进一步等效如图4所示。[2]图4晶体管等效电路Y参数不仅与静态工作点的电压、电流值有关，而且与工作频率有关，是频率的复函数。当放大器工作在窄带时，Y参数变化不大，可以将Y参数看作常数。我们讨论的高频小信号谐振放大器没有特别说明时，都是工作在窄带，晶体管可以用Y参数等效。放大器的指标参数:(1)电压放大倍数K(2)输入导纳(3)输出导纳(4)矩形系数三、中频选频放大器的设计方案3.1稳定性分析存在晶体管集基间电容的反应，或反向传输导纳的反应，当该反应在某个频率相位上满足正反应条件，且足够大，那么会在满足条件的频率上产生自激振荡，致使放大器存在稳定性的问题。[3]当正反应严重时，即Yir中的负电导使放大器输入端的总电导为0或负值时，即使没有外加信号，放大器输出端也会有输出信号，产生自激,图5所示为反应电路。图5反应电路3.2提高放大器稳定性的方法从晶体管本身着手：减小反向传输导纳Yre，而Yre取决于集电结电容，选择集电结电容小的管子，减弱反应作用。从电路结构着手：设法消除晶体管的反向作用，使它单向化，具体方法有中和法和失配法。中和法：通过在晶体管的输出端与输入端之间引入一个附加的外部反应电路〔中和电路〕来抵消晶体管内部参数Yre的的反应作用。失配法：通过增大负载导纳，进而增大总回路导纳，使输出电路失配，图6是利用中和电容Cn的中和电路。为了抵消Yre的反应，从集电极回路取一反相的电压，通过Cn反应到输入端。根据电桥平衡有那么中和条件为图6反应电路中和电路中固定的中和电容Cn只能在某一个频率点起到完全中和的作用，对其它频率只能有局部中和作用。另外，如果再考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响，那么中和电路的效果是很有限的。[4]3.3中频选频放大由于中频小信号放大器制作关键在于高增益和频率选择性。课设要求200倍放大，一级放大一般无法实现，因为三极管的值一般为100到200之间。为了实现稳定的放大，一级信号通过三极管的放大倍数不宜过高，否那么就不稳定了。另外为增强信号的频率选择性，在系统的前置预滤波，以及对电源进行滤波，最大限度减少干扰。另外，为了稳定信号，采用闭环回路方案到达效果，通过负反应使信号稳定。整个系统原理框图如下列图7所示，电路原理图如下列图8所示。信号信号输入低通滤波电源5V信号输出选频放大前置滤波信号负反应供电图7中频小信号选频放大器系统框图图8中频小信号选频放大器中频选频放大器硬件电路如图8所示，由两级放大电路组成，每级之间采用变压器耦合。三极管由于在仿真软件的元件库中无法找到9018，所以用了功能和9018相近的D42C11代替，变压器采用调谐频率为465KHz的中周加电容微调至455KHz。资料介绍如下：表1三极管参数和中周参数三极管9018H中周TTF-11-0197--146圈数L12651.1GHz圈数L23451.3pF圈数L466电容C13330pF谐振fo465KHz此三极管的增益系数、截止频率都符合参数要求，由上分析，越小，系统稳定性越高，故此三极管到达性能要求。由于临时买不到455KHz的谐振点的中周，选用465KHz的代替，另外在电路中配以可调电容，降低其频率到455KHz。原电感可用以下公式计算得到：其中，f0为465KHz，C为330pF，这样求得电感值为355uH,所以为到达455KHz，所需电容值为344.7pF，故另外并联一个14.7pF的电容即可。本次选用微调电容0-18pF，到达要求。由于两个三极管都工作在甲类放大状态，选取静态工作点参数时，将Vce设定为VCC/2，为减小功耗，使Ic不要太大，选0.5mA,Rb11和Rb12上流过0.1mA的电流，通过参数调节，确定Rb11为20,Rb12为16.8，Re12取100，Re11为2。动态工作时，由于频率为455KHz，需使得Re11>>，取C为0.1uF适合。3.4信号负反应信号负反应是通过中和法中反应电容来实现的，本次设计中采用可微调电容0-20pF来实现负反应。由下公式，其中N1=6，N2=45。.四电路仿真与分析4.1multisim仿真软件简介鉴于仿真的方便，采用NI公司的multisim11.0，由于丰富的元件库，电路原理图设计非常方便，另外，该软件可采用ACAnalysis来分析设计的合理性，也可采用内部的各种虚拟仪器来分析，丰富的仪器使得分析也非常方便。4.2中频选频放大局部仿真电路原理图由multisim设计如图9，由于变压器参数难以设置，因此在仿真时采用单级调试。图9仿真电路用虚拟电压表来测量静态工作点，虚拟示波器查看输出波形，观察到的现象如图10、图11所示。图10静态工作点仿真测试图11输出仿真结果由图10的静态工作点测试结果可以看到，三极管满足发射结正偏集电结反偏的工作要求，三极管工作在正常放大状态。由图11的输入输出波形仿真结果可以看到，当输入波形在50mV/Div档而输出波形在1V/Div档时，输入输出波形根本重合，说明整个电路确实放大了200倍。电路仿真到达了预期的要求。五、实物制作及调试经过长时间的精心准备和电路板的焊接，完成了硬件电路的制作，最后做好的硬件电路如图12所示。图12制作完成的硬件电路由于在购置元件时未能买到中周这一重要元件，所以在电路制作时使用了330uH的定值电感和330pF的定值电容来代替中周的作用，并使用0~18pF的可调电容来与电感耦合使电路的谐振频率到达455KHz。同时取消了二级放大电路，使用的是单级放大电路，预测最后实物的放大倍数可能会达不到预期的要求。最后测试时当输入信号峰峰值为50mV，输入频率分别为455KHz、300KHz和700KHz时的输出结果分别如图13、图14和图15所示。图13输入频率为455KHz时的输出波形图14输入频率为300KHz时的输出波形图15输入频率为700KHz时的输出波形比照图13、图14和图15的输出波形可以看出，只有当输入信号的频率在455KHz左右时输出波形的峰峰值才最大，即此时电路的放大倍数为最大，当输入信号的频率远离455KHz时输出波形的峰峰值都会显著变小。由此可以得出该电路到达了选频频率为455KHz的功能。同时可以看到当输入信号频率为455KHz时输出信号的峰峰值也只有560mv，此时电路的放大倍数也只到达了11倍左右，没有到达要求的200倍放大倍数，这是因为硬件电路使用的是一级放大，并没有采用设计时的二级放大电路，所以才导致放大倍数没有到达要求。六、个人体会通过此次中频小信号选频放大器的设计，我收获颇丰。首先，通过调试三极管，复习了以前模电所学的知识，在设计中出现了各种各样的错误，在不断修正中掌握了以前理解比拟模糊的知识。另外，为了使选频足够精确，不断调试电感和电容的参数，懂得实际调试来弥补理论的缺乏。感谢学校给我们这次时机，锻炼了我们的动手能力。通过这次课设让我明白了理论和实际操作之间的差距，而且也让我很明确得意识到自己在高频上有很多的知识漏洞，以后应该多钻研一下。参考文献[1]曾兴雯．高频电路原理与分析〔第四版〕．西安：西安电子科技大学出版社，2007.7[2]吴友宇．模拟电子技术根底．北京：清华大学出版社，2009.5[3]铃木雅臣．晶体管电路设计(上)．北京：科学出版社，2004.9[4]J.卡尔•约瑟夫．射频电路设计．北京：科学出版社，2007.8[5]朱彩莲．Multisim电子电路仿真教程．西安：西安电子科技大学出版社，