基于 Multisim 的高頻放大器的設(shè)計(jì)與分析

1、學(xué)校代碼： 11059 學(xué) 號(hào)：0905076032hefei university畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） bachelor dissertation論文題目： 基于multisim的高頻放大器的設(shè)計(jì)與分析 學(xué)位類別： 工 學(xué) 學(xué) 士 年級(jí)專業(yè)(班級(jí))： 09通信工程（2）班 作者姓名： 洪偉 導(dǎo)師姓名： 顧涓涓 完成時(shí)間： 2013年5月22日 基于multisim的高頻放大器的設(shè)計(jì)與分析中 文 摘 要我們知道，無線通信接收設(shè)備的接收天線接收從空間傳來的電磁波并感應(yīng)出的高頻信號(hào)的電壓幅度是（v）到幾毫伏（mv），而接收電路中的檢波器（或鑒頻器）的輸入電壓的幅值要求較高，最好在1v左右。這就需要在檢

2、波前進(jìn)行高頻放大和中頻放大。為此，我們就需要設(shè)計(jì)高頻小信號(hào)放大器，完成對(duì)天線所接受的微弱信號(hào)進(jìn)行選擇并放大，即從眾多的無線電波信號(hào)中，選出需要的頻率信號(hào)并加以放大，而對(duì)其它無用信號(hào)、干擾與噪聲進(jìn)行抑制，以提高信號(hào)的幅度與質(zhì)量。晶體管集電極負(fù)載通常是一個(gè)由 lc組成的并聯(lián)諧振電路。由于 lc 并聯(lián)諧振回路的阻抗是隨著頻率變化而變化，理論上可以分析，并聯(lián)諧振在諧振頻率處呈現(xiàn)純阻，并達(dá)到最大值。即放大器在回路諧振頻率上將具有最大的電壓增益。若偏離諧振頻率，輸出增益減小?？傊?，調(diào)諧放大器不僅具有對(duì)特定頻率信號(hào)的放大作用，同時(shí)也起著濾波和選頻的作用。本次設(shè)計(jì)以理論分析為依據(jù)，以實(shí)際制作為基礎(chǔ)，用lc振蕩

3、電路為輔助，來消除高頻放大器自激振蕩和實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的頻率選擇；另加其它電路，實(shí)現(xiàn)放大器與前后級(jí)的阻抗匹配。此次設(shè)計(jì)的指標(biāo)為：輸入中心頻率為4mhz的正弦波，通頻帶100khz，增益40db。關(guān)鍵詞：高頻小信號(hào)、諧振放大器、諧振頻率、通頻帶、矩形系數(shù)、電壓增益design and analysis of high frequency amplifier based on multisimabstractwe know that the radio communication receiving apparatus receiving antenna electromagnetic waves com

4、ing from space, and senses the voltage amplitude of the high frequency signal is (v) to several millivolts (mv), and the receiving circuit of the detector (or the frequency discriminator unit) of the input voltage amplitude higher, preferably about 1v. this requires high-frequency amplification and

5、detection prior to the if amplifier. to this end, we need to design high-frequency small-signal amplifier, the completion of the weak signal received by the antenna to select and amplify, from numerous radio wave signal, select the desired frequency signals to be amplified, and other unwanted signal

6、s, interference and noise suppression to improve the quality of the amplitude of the signal. the transistor collector load is typically composed of a parallel lc resonant circuit. since the impedance of the lc parallel resonant circuit with frequency changes, can be analyzed in theory, at the resona

7、nt frequency of the parallel resonant presented purely resistive, and the maximum. the amplifier circuit has a resonant frequency will be the maximum voltage gain. if you deviate from the resonant frequency, the output gain is reduced. in short, the tuning amplifier only has the specific frequency s

8、ignal amplification effect, but also plays the role of filtering and frequency selection.the design is based on a theoretical analysis, based on the actual production, with the lc oscillator circuit for the assistance, to eliminate high frequency amplifier to achieve self-oscillation and accurate fr

9、equency selection; plus other circuits to achieve impedance matching amplifier before and after class. the design of indicators: input 4mhz center frequency sine wave pass-band 100khz, gain 40db.key words: high-frequency small-signal; the resonant amplifier; the resonant frequency; pass-band; rectan

10、gular coefficient; voltage gain目錄第一章 緒論11.1 背景及意義11.2 multisim軟件的簡(jiǎn)單介紹11.3 設(shè)計(jì)過程及工藝要求21.3.1 基本參數(shù)21.3.2 主要組成部分3第二章 電路的基本原理和性能指標(biāo)42.1總體設(shè)計(jì)電路方框圖42.2高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的原理分析42.3小信號(hào)調(diào)諧放大器的主要質(zhì)量指標(biāo)52.3.1諧振頻率52.3.2諧振增益（）62.3.3通頻帶62.3.4選擇性82.4晶體管高頻小信號(hào)等效電路與分析方法8第三章 電路設(shè)計(jì)方案的選擇與參數(shù)計(jì)算123.1電路設(shè)計(jì)方案123.1.1方案一：?jiǎn)渭?jí)諧振放大電路的設(shè)計(jì)123.1.2方案二：多

11、級(jí)諧振放大電路的設(shè)計(jì)133.1.3方案選擇153.2多級(jí)諧振放大電路的設(shè)計(jì)和分析153.2.1電路設(shè)計(jì)分析153.3電路參數(shù)的計(jì)算163.3.1設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)173.3.2諧振回路參數(shù)計(jì)算173.3.3確定耦合電容與高頻濾波電容19第四章 高頻諧振放大器電路測(cè)試結(jié)果分析204.1仿真測(cè)試結(jié)果分析204.1.1測(cè)量并調(diào)整放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)204.1.2諧振頻率的調(diào)測(cè)與技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量214.2高頻小信號(hào)諧振放大器的硬件實(shí)現(xiàn)234.2.1多級(jí)放大器的pcb圖234.2.2電路元器件的安裝234.2.3放大器的焊接254.3實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析264.3.1放大器實(shí)際測(cè)試環(huán)境264.3.2放大器實(shí)際調(diào)試及

12、結(jié)果分析27第五章 總結(jié)：32參考文獻(xiàn)34致 謝35附錄1：36附錄2：39 合肥學(xué)院（畢業(yè)論文）第一章 緒論1.1 背景及意義放大高頻小信號(hào)（中心頻率在幾百khz到幾百mhz，頻譜寬度在幾khz到幾十mhz的范圍內(nèi)）的放大器，稱為高頻小信號(hào)放大器。高頻小信號(hào)放大器是通信設(shè)備中常用的功能電路，它所放大的信號(hào)頻率在數(shù)百千赫至數(shù)百兆赫。所謂諧振放大器，就是采用諧振回路作負(fù)載的放大器。諧振放大器不僅有放大作用，而且也起著濾波或選頻的作用。高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)和其它無線電系統(tǒng)中，特別是在發(fā)射機(jī)的接收端，從天線上感應(yīng)的信號(hào)是非常微弱的，這就需要用放大器將其放大。高頻小信號(hào)放大器的功能是

13、實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱的高頻信號(hào)進(jìn)行不失真的放大，從信號(hào)所含頻譜來看，輸入信號(hào)頻譜與放大后輸出信號(hào)的頻譜是相同的1。高頻小信號(hào)放大器的分類：按元器件分為：晶體管放大器、場(chǎng)效應(yīng)管放大器、集成電路放大器;按頻帶分為：窄帶放大器、寬帶放大器；按電路形式分為：?jiǎn)渭?jí)放大器、多級(jí)放大器;按負(fù)載性質(zhì)分為：諧振放大器、非諧振放大器；1.2 multisim軟件的簡(jiǎn)單介紹multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（ni）有限公司推出的以windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力6。特點(diǎn)如下（1）可以根據(jù)自己的需求制造出真正屬于自

14、己的儀器；（2）所有的虛擬信號(hào)都可以通過計(jì)算機(jī)輸出到實(shí)際的硬件電路上；（3）所有硬件電路產(chǎn)生的結(jié)果都可以輸回到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和分析。仿真的內(nèi)容：（1）、器件建模及仿真；（2）、電路的構(gòu)建及仿真；（3）、系統(tǒng)的組成及仿真；（4）、儀表儀器原理及制造仿真。器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件：模擬器件（二極管，三極管，功率管等）；數(shù)字器件（74系列，coms系列，pld，cpld等）；fpga器件。電路的構(gòu)建及仿真：?jiǎn)卧娐贰⒐δ茈娐?、單片機(jī)硬件電路的構(gòu)建及相應(yīng)軟件調(diào)試的仿真。系統(tǒng)的組成及仿真：commsim是一個(gè)理想的通信系統(tǒng)的教學(xué)軟件。它很適用于如信號(hào)與系統(tǒng)、通信、網(wǎng)絡(luò)等課程，難度適合從一般

15、介紹到高級(jí)。使學(xué)生學(xué)的更快并且掌握的更多。commsi含有200多個(gè)通用通信和數(shù)學(xué)模塊，包含工業(yè)中的大部分編碼器，調(diào)制器，濾波器，信號(hào)源，信道等，commsim中的模塊和通常通信技術(shù)中的很一致，這可以確保你的學(xué)生學(xué)會(huì)當(dāng)今所有最重要的通信技術(shù)8。要觀察仿真的結(jié)果，你可以有多種選擇：時(shí)域，頻域，xy圖，對(duì)數(shù)坐標(biāo)，比特誤碼率，眼圖和功率譜。儀表儀器的原理及制造仿真：可以任意制造出屬于自己的虛擬儀器、儀表，并在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境和實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行使用。pcb的設(shè)計(jì)及制作：產(chǎn)品級(jí)版圖的設(shè)計(jì)及制作6。 1.3 設(shè)計(jì)過程及工藝要求1.3.1 基本參數(shù)l 諧振頻率4mhzl 電壓放大100倍以上l 增益40dbl

16、通頻帶100khzl 穩(wěn)定性好1.3.2 主要組成部分 l 高頻小功率晶體管：9018l 選頻網(wǎng)絡(luò)：lc并聯(lián)諧振回路l 放大方式：射級(jí)偏置電路l 緩沖電路：射級(jí)跟隨器l 耦合輸出第二章 電路的基本原理和性能指標(biāo)2.1總體設(shè)計(jì)電路方框圖選頻網(wǎng)絡(luò)耦合輸出小信號(hào)9 數(shù)據(jù)7放大電路圖2.1電路設(shè)計(jì)方框圖2.2高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的原理分析（1）高頻放大電路放大電路部分采用的是基極分壓式射級(jí)偏置電路。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，電源電壓的波動(dòng)、原件參數(shù)的分散性及元件的老化 、環(huán)境溫度變化等，都會(huì)引起靜態(tài)工作點(diǎn)的不穩(wěn)定，影響放大電路的正常工作。這當(dāng)中屬環(huán)境溫度變化的影響最大。采用基極分壓式設(shè)計(jì)偏置電路的好處在于當(dāng)溫

17、度升高時(shí)電路能自動(dòng)地適當(dāng)減小基極電流，就不會(huì)使得放大電路中的集電極靜態(tài)電流隨溫度升高而增加導(dǎo)致q點(diǎn)隨溫度變化。高頻小信號(hào)放大電路中采用的高頻小功率晶體管與低頻小功率晶體管不同，主要區(qū)別是工作截止頻率不同。低頻晶體管只能工作在3mhz以下的頻率上，而高頻晶體管可以工作在幾十到幾百兆赫茲，甚至更高的頻率上。 目前高頻小功率晶體管工的作頻率可達(dá)幾千兆赫，噪聲系數(shù)為幾個(gè)分貝。高頻小功率晶體管的作用與低頻小功率晶體管一樣，工作在甲類工作狀態(tài)，起電流放大作用2。在此我們選用9018高頻功率管，其工作頻率大于600mhz。（2）lc并聯(lián)諧振回路在接收機(jī)的各級(jí)高頻小信號(hào)放大器中，利用lc并聯(lián)諧振回路的選頻作用

18、，對(duì)諧振點(diǎn)頻率的電流信號(hào)呈現(xiàn)較大的阻抗，而且是純電阻性的，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，而對(duì)失諧點(diǎn)頻率的電流信號(hào)呈現(xiàn)很小的阻抗，抑制失諧點(diǎn)頻率電流信號(hào)的輸出，起到選擇出所需接收的信號(hào)，抑制無用的信號(hào)和干擾的目的4。本次設(shè)計(jì)的電路為共發(fā)射極接法的兩級(jí)晶體管小信號(hào)調(diào)諧回路諧振放大器。在兩級(jí)放大之間加上緩沖電路，這里我們用射級(jí)跟隨器作為緩沖電路。隔離前后級(jí)的相互干擾,保證電路的正常工作它不僅要放大高頻信號(hào)，而且還要有一定的選頻作用，因此，晶體管的集電極負(fù)載為lc并聯(lián)諧振回路。在高頻情況下，晶體管本身的極間電容及連接導(dǎo)線的分布參數(shù)會(huì)影響放大器的輸出信號(hào)的頻率或相位9。2.3小信號(hào)調(diào)諧放大器的主要質(zhì)量指

19、標(biāo)衡量小信號(hào)調(diào)諧放大器的主要質(zhì)量和測(cè)量方法主要包括以下幾個(gè)方面：2.3.1諧振頻率放大器的諧振回路諧振時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為諧振頻率。的表達(dá)式為： 式中，l為諧振放大器電路的電感線圈的電感量；為諧路的總電容，的表達(dá)式為： 式中，為晶體管的輸出電容；為晶體管的輸入電容。諧振頻率的測(cè)試方法：放大器的調(diào)諧回路諧振時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為放大器的諧振頻率，可以用掃頻儀測(cè)出電路的幅頻特性曲線，另外，也可以通過點(diǎn)頻法改變輸入信號(hào)頻率，得到輸出增益隨頻率變化的幅頻特性曲線，電壓諧振曲線的峰值即對(duì)應(yīng)諧振頻率點(diǎn) 。諧振頻率的測(cè)試步驟是，首先使高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率為，輸出電壓為幾毫伏；然后調(diào)諧集電極回路即改變電容c或電

20、感l(wèi)使回路諧振。lc并聯(lián)諧振時(shí)，直流毫安表ma的指示為最小（當(dāng)放大器工作在丙類狀態(tài)時(shí)），電壓表指示值達(dá)到最大，且輸出波形無明顯失真11。這時(shí)回路諧振頻率就等于信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率12。2.3.2諧振增益（）放大器的諧振電壓增益放大倍數(shù)指：放大器處在在諧振頻率下，輸出電壓與輸入電壓之比。的表達(dá)式為 式中，為諧振回路諧振時(shí)的總電導(dǎo)。要注意的是本身也是一個(gè)復(fù)數(shù)，所以諧振時(shí)輸出電壓與輸入電壓相位差不是180º 而是為180º+ 。的測(cè)量方法：當(dāng)諧振回路處于諧振狀態(tài)時(shí)，用高頻毫伏表測(cè)量輸入信號(hào)和輸出信號(hào)大小，利用下式計(jì)算： ，則電壓放大分貝數(shù)定義為另外，也可以利用功率增益系數(shù)進(jìn)行估算

21、： 2.3.3通頻帶由于諧振回路的選頻作用，當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時(shí)，放大器的電壓放大倍數(shù)下降，習(xí)慣上稱電壓放大倍數(shù)下降到諧振電壓放大倍數(shù)的 0.707 倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率偏移稱為放大器的通頻帶帶寬bw，通常用2f0.7 表示，有時(shí)也稱為 3db 帶寬10。通頻帶帶寬：式中，q為諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)。當(dāng)晶體管選定后，回路總電容為定值時(shí)，諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶bw的乘積為一常數(shù)。頻帶bw 的測(cè)量方法：根據(jù)概念，可以通過測(cè)量放大器的諧振曲線來求通頻帶。測(cè)量方法主要采用掃頻法，也可以是逐點(diǎn)法。掃頻法：即用掃頻儀直接測(cè)試。測(cè)試時(shí)，掃頻儀的輸出接放大器的輸入，放大器的輸出接掃頻儀檢波頭的輸入，檢波頭的

22、輸出接掃頻儀的輸入。在掃頻儀上觀察并記錄放大器的頻率特性曲線，從曲線上讀取并記錄放大器的通頻帶。 逐點(diǎn)法：又叫逐點(diǎn)測(cè)量法，就是測(cè)試電路在不同頻率點(diǎn)下對(duì)應(yīng)的信號(hào)大小，利用得到的數(shù)據(jù)，做出信號(hào)大小隨頻率變化的曲線，根據(jù)繪出的諧振曲線，利用定義得到通頻帶。具體測(cè)量方法如下： a、用外置專用信號(hào)源做掃頻源，正弦輸入信號(hào)的幅度選擇適當(dāng)?shù)拇笮?，并保持不變?b、示波器同時(shí)監(jiān)測(cè)輸入、輸出波形，確保電路工作正常（電路無干擾、無自激、輸出波形無失真）； c、改變輸入信號(hào)的頻率，使用毫伏表測(cè)量不同頻率時(shí)輸出電壓的有效值； d、描繪出放大器的頻率特性曲線，在頻率特性曲線上讀取并記錄放大器的通頻帶。測(cè)試時(shí)，可以先調(diào)諧

23、放大器的諧振回路使其諧振，記下此時(shí)的諧振頻率及電壓放大倍數(shù)，然后改變高頻信號(hào)發(fā)生器的頻率（保持其輸出電壓不變），并測(cè)出對(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)5。由于回路失諧后電壓放大倍數(shù)下降，所以放大器的諧振曲線如圖 2.2所示。圖2.2 放大器的通頻帶和諧振曲線2.3.4選擇性調(diào)諧放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)kv0.1時(shí)來表示，矩形系數(shù)kv0.1為電壓放大倍數(shù)下降到0.1 av0時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率偏移與電壓放大倍數(shù)下降到0.707 av0時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率偏移之比，即 上式表明，矩形系數(shù)kv0.1越小，諧振曲線的形狀越接近矩形，選擇性越好，反之亦然。一般單級(jí)調(diào)諧放大器的選擇性較差（矩形系數(shù)遠(yuǎn)大于1），為提高放大器的

24、選擇性，通常采用多級(jí)單調(diào)諧回路的諧振放大器?？梢酝ㄟ^測(cè)量調(diào)諧放大器的諧振曲線來求矩形系數(shù)。2.4晶體管高頻小信號(hào)等效電路與分析方法因?yàn)榉糯笃饔尚盘?hào)源、晶體管、并聯(lián)諧振回路、和負(fù)載阻抗并聯(lián)組成，采用導(dǎo)納分析比較方便。高頻小信號(hào)放大器由于輸入信號(hào)幅值小，可以認(rèn)為晶體管工作在線性區(qū)，經(jīng)常采用有源線性四端網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。如圖2.3所示的y參數(shù)等效電路圖：圖2. 3 y參數(shù)等效電圖 稱為輸出短路時(shí)的輸入導(dǎo)納；稱為輸入短路時(shí)的反向傳輸導(dǎo)納；稱為輸出短路時(shí)的正向傳輸導(dǎo)納；稱為輸入短路時(shí)的輸出導(dǎo)納；計(jì)算得到如下結(jié)果：，,其中為晶體管的輸出導(dǎo)納；為負(fù)載導(dǎo)納。表示輸出電壓對(duì)輸入電流的控制作用（反向控制）；表示輸入電

25、壓對(duì)輸出電流的控制作用（正向控制）；越大，表示晶體管的放大能力越強(qiáng)，越大，表示晶體管的內(nèi)部反饋越強(qiáng)。的存在，對(duì)實(shí)際工作帶來很大危險(xiǎn)，是諧振放大器的根源，同時(shí)也使分析過程變得復(fù)雜，因此盡可能使其減小，或削弱它的影響。y參數(shù)的缺點(diǎn)：隨頻率變化，不涉及晶體管內(nèi)物理過程。y參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)：分析電路簡(jiǎn)單。相比y參數(shù)，混合等效電路中各個(gè)原件在很寬的頻率范圍內(nèi)都保持常數(shù)，但在電路分析上不夠方便3。如圖2.4所示：b圖2.4 混合等效電路圖圖中：是發(fā)射結(jié)電阻；集電結(jié)電阻；是發(fā)射結(jié)電容；集電結(jié)電容基極體電阻；代表晶體管的電流放大作用；集射極間電阻；集射級(jí)電容；高頻電路取長(zhǎng)補(bǔ)短合成這兩個(gè)等效電路，用混合參數(shù)表示的 y

26、 參數(shù)：;其中，。第三章 電路設(shè)計(jì)方案的選擇與參數(shù)計(jì)算3.1電路設(shè)計(jì)方案 高頻小信號(hào)放大器的功能就是無失真的放大某一頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。對(duì)高頻小信號(hào)放大器的基本要求是：（1）、增益要高，即放大倍數(shù)要大。（2）、頻率選擇性要好，即選擇所需信號(hào)和抑制無用信號(hào)的能力要強(qiáng)，通常用q值來表示，帶寬，品質(zhì)因數(shù)。 （3）、工作穩(wěn)定可靠，即要求放大器的性能盡可能地不受溫度、電源電壓等外界因素變化的影響，內(nèi)部噪聲要小，特別是不產(chǎn)生自激，加入負(fù)反饋可以改善放大器的性能。 （4）、阻抗匹配。 3.1.1方案一：?jiǎn)渭?jí)諧振放大電路的設(shè)計(jì)依設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，考慮高頻放大器應(yīng)具有的基本特性,可采用共射晶體管單調(diào)諧回路諧振放大

27、器9，設(shè)計(jì)參考電路見圖3.1所示。圖3.1 單級(jí)諧振放大器電原理圖3.1.2方案二：多級(jí)諧振放大電路的設(shè)計(jì)考慮到放大器的通頻帶和放大器的穩(wěn)定性等因素，單級(jí)調(diào)諧放大器的電壓增益不能做得很高，當(dāng)需要較大電壓增益時(shí)，就需要多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。多級(jí)放大器時(shí)，必須處理好各項(xiàng)指標(biāo)之間的矛盾，包括合理地選擇電路形式，半導(dǎo)體器件類型和諧振回路的參數(shù)。為了減少級(jí)數(shù)和簡(jiǎn)化電路，一般都采用增益較大的共發(fā)電路。電路形式鎖定以后，根據(jù)對(duì)增益的要求和每級(jí)放大器可能達(dá)到的穩(wěn)定增益，確定放大器的級(jí)數(shù)。然后根據(jù)通頻帶和選擇性的要求，確定選用諧振電路的形式和諧振回路的個(gè)數(shù)7。 多級(jí)放大器中的每級(jí)增益都受到最大穩(wěn)定增益的限制。&

28、#160;（1）、多級(jí)單調(diào)諧放大器的電壓增益    設(shè)有n級(jí)單調(diào)諧放大器級(jí)聯(lián)，且各級(jí)的電壓增益相同，即              則級(jí)聯(lián)后放大器的總電壓增益為           （2）、多級(jí)單調(diào)諧放大器的通頻帶    多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)后的幅頻特性曲線如圖3.2所示，級(jí)聯(lián)后總的通頻帶要比單級(jí)放大器的通

29、頻帶窄。級(jí)數(shù)越多，總通頻帶越窄。 圖3.2 多級(jí)單調(diào)諧放大器的幅頻特性曲線圖     多級(jí)放大器的總通頻帶為         稱為頻帶縮小因子，表3.1列出了幾種不同值對(duì)應(yīng)的縮小因子的值。表3.1 縮小因子與級(jí)數(shù)的關(guān)系1234510.640.510.430.39（3）、多級(jí)單調(diào)諧放大器的選擇性放大器的級(jí)數(shù)越多，曲線的形狀越接近于矩形，也就是說矩形系數(shù)越接近1，選擇性越好。級(jí)相同的單調(diào)諧放大器級(jí)聯(lián)后的矩形系數(shù)為表3.2列出了不同值時(shí)矩形系數(shù)的大小。表3.2 矩形系數(shù)與

30、級(jí)數(shù)的關(guān)系1234569.954.663.753.43.23.1如圖3.3所示的多級(jí)諧振放大電路： 圖3.3 多級(jí)諧振放大器電原理圖3.1.3方案選擇在此次設(shè)計(jì)中我們選用方案二作為研究對(duì)象。因?yàn)槎嗉?jí)放大器中，級(jí)聯(lián)后放大器的總電壓增益比單級(jí)放大器的電壓增益大、選擇性好，但總通頻帶比單級(jí)放大器通頻帶窄4。如果要保證總的通頻帶與單級(jí)時(shí)一樣，則必須通過減小每級(jí)回路有載品質(zhì)因素的值，以加寬各級(jí)放大器的通頻帶的方法來彌補(bǔ)。3.2多級(jí)諧振放大電路的設(shè)計(jì)和分析3.2.1電路設(shè)計(jì)分析由于此次設(shè)計(jì)是以方案二為主，所以在后續(xù)的電路分析中都是以方案二作為研究對(duì)象的。由圖3.3我們可知，方案二是兩極放大，在兩極放大之間

31、用射級(jí)跟隨電路作為兩極放大之間的連接。而級(jí)間耦合即放大器級(jí)與級(jí)之間的連接，其方式有三種：阻容耦合、變壓器耦合、直接耦合。我們?cè)谶@之所以使用射級(jí)跟隨電路作為級(jí)間耦合，是因?yàn)樯錁O跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗低，因而從信號(hào)源索取的電流小而且?guī)ж?fù)載能力強(qiáng)，減少電路間直接相連所帶來的影響，起緩沖作用。具體到電路圖中，處于射極跟隨狀態(tài),其將輸入級(jí)和輸出級(jí)相互隔開,減弱了和的相互影響,并且由于具有的電壓跟隨特性,使得的加入對(duì)電路的工作狀態(tài)沒有影響.因此,此時(shí)所起的作用是緩沖、隔離前后級(jí)的相互干擾,保證電路的正常工作。而第一級(jí)放大和第二級(jí)放大采用的是射級(jí)偏置電路。因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯?huì)導(dǎo)致三極管的性能發(fā)生變化，致使放

32、大器的工作點(diǎn)發(fā)生變化，影響放大器的正常工作。通過增加下偏置電阻和射極電阻可以改善直流工作點(diǎn)的穩(wěn)定性。在直流電源后面加上濾波電容c3可以濾除電源網(wǎng)絡(luò)的高頻信號(hào)，保證電路供電的平穩(wěn)。加上濾波電感l(wèi)1和電容c4串聯(lián)作為去偶電路，可以來短路掉電源濾波電路中的高頻成分及竄入電源的高頻雜波。圖中r1和r3為阻尼電阻，阻尼電阻式根據(jù)電阻在電路中的作用而命名的。是為了防止回來構(gòu)成等幅震蕩，在線路中串聯(lián)或者并聯(lián)電阻來消耗掉一部分能引起震蕩的能量，并減小回路的值。l2、l3、c10和l4、l5、c6分別為第一級(jí)和第二級(jí)的lc振蕩網(wǎng)絡(luò)，起選頻諧振和作用。電容c1、c2和c5都是耦合電容，其中c2、c5可以隔離兩級(jí)直

33、流通路，以使兩級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立。3.3電路參數(shù)的計(jì)算圖中放大管選用9018，該電路靜態(tài)工作點(diǎn)q主要由和、與確定。利用和、的分壓固定基極偏置電位，如滿足條件：當(dāng)溫度變化，抑制了變化，從而獲得穩(wěn)定的工作點(diǎn)。由此可知，只有當(dāng)時(shí)，才能獲得恒定，故硅管應(yīng)用時(shí)，。只有當(dāng)負(fù)反饋越強(qiáng)時(shí)，電路穩(wěn)定性越好，故要求，一般硅管?。骸?.3.1設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)由于放大器是工作在小信號(hào)放大狀態(tài)，放大器工作電流一般在0.82ma之間選取為宜，設(shè)計(jì)電路中取 ，設(shè)。因?yàn)椋?而 所以：因?yàn)椋?(硅管的發(fā)射結(jié)電壓為0.7v) 所以： 因?yàn)椋?所以：因?yàn)椋?而 取則： 取標(biāo)稱電阻8.2k因?yàn)椋?則：，考慮調(diào)整靜態(tài)電流的方便，用50

34、k電位器與15k電阻串聯(lián)。3.3.2諧振回路參數(shù)計(jì)算回路電感l(wèi)=4h, ，晶體管用9018，。查手冊(cè)可知，9018在、時(shí)，,，。負(fù)載電阻。電源供電。 （1）、回路中的總電容因?yàn)椋?則:（2）、回路電容c因有所以取c為標(biāo)稱值。（3）、求電感線圈n2與n1的匝數(shù)： 根據(jù)理論推導(dǎo)，當(dāng)線圈的尺寸及所選用的磁心確定后，則其相應(yīng)的參數(shù)就可以認(rèn)為是一個(gè)確定值，可以把它看成是一個(gè)常數(shù)。此時(shí)線圈的電感量?jī)H和線圈匝數(shù)的平方成正比，即： 式中：k-系數(shù)，它與線圈的尺寸及磁性材料有關(guān)；    n-線圈的匝數(shù):一般k值的大小是由試驗(yàn)確定的。當(dāng)要繞制的線圈電感量為某一值時(shí)，可先在骨架上(也可

35、以直接在磁心上)纏繞10匝，然后用電感測(cè)量?jī)x測(cè)出其電感量，再用下面的公式求出系數(shù)k值： 式中：-為實(shí)驗(yàn)所繞匝數(shù)，由此根據(jù)和k值便可求出線圈應(yīng)繞的圈數(shù)，即：l采用帶螺紋磁芯、金屬屏蔽罩的10s型高頻電感繞制。在原線圈骨架上用0.08mm漆包線纏繞10匝后得到的電感為2uh。由此可確定要得到4uh的電感，所需匝數(shù)為 最后再按照接入系數(shù)要求的比例，來繞變壓器的初級(jí)抽頭與次級(jí)線圈的匝數(shù)。因有，而匝。則： 匝。3.3.3確定耦合電容與高頻濾波電容耦合電容c1、c2、c5的值，可在1000 pf0.01uf之間選擇 ，一般用瓷片電容。旁路電容、c8的取值一般為0.01-1f，濾波電感的取值一般為220-3

36、30uh。第四章 高頻諧振放大器電路測(cè)試結(jié)果分析4.1仿真測(cè)試結(jié)果分析4.1.1測(cè)量并調(diào)整放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)仿真條件：晶體管用理想庫(kù)（default）中的（ideal）器件。電感線圈用固定電感l(wèi)1=2.8uh、l2=1.2uh，中間抽頭。其余元件參數(shù)參見圖3.3。調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)的方法是：不加輸入信號(hào)，將c1的左端接地，將諧振回路的電容c2、c5開路，記下此時(shí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，。仿真結(jié)果表4.1：表 4.1 靜態(tài)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量三極管q11.941.30120.64q21.981.321.520.66q31.941.30120.64具體數(shù)據(jù)如圖4.1：圖4.1 直流工作點(diǎn)分析4.1.2諧振頻率的調(diào)

37、測(cè)與技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量仿真條件：輸入高頻信號(hào)頻率fo=4mhz,幅度（峰-峰值）20mv。示波器的調(diào)節(jié)如圖4.2所示：圖 4.2 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出阻尼電阻分別為470和1.5k、反饋電阻re=510、負(fù)載電阻rl=10k。示波器的ch1接的是輸入，ch3接的是一級(jí)放大的輸出，ch4接的是二級(jí)放大的輸出，結(jié)果如圖4.3所示：圖4.3 示波器輸出結(jié)果（1）、諧振頻率在交流工作下繪出輸出增益隨頻率變化的幅頻特性曲線，電壓諧振曲線的峰值即對(duì)應(yīng)諧振頻率點(diǎn)，得到結(jié)果如下圖：圖4.4 輸出增益隨頻率變化的幅頻特性曲線由圖 4.4可知：諧振頻率。（2）、電壓增益由圖可知，輸入ui=20mv，第一級(jí)放大輸出u1=

38、370mv，第二級(jí)放大輸出u2=9.39v由示波器可知三者的輸出波形反向。放大倍數(shù)為：第一級(jí)放大：av1=u1/ui=18.5，第二級(jí)放大：av2=u2/u1=25.3。由此可知總的放大：av=u2/ui= av1 *av2=469.5。（3）、通頻帶調(diào)整輸入信號(hào)頻率使輸出幅度為0.7uomax，得到如下結(jié)果：f0.7l=3.84mhz f0.7h=4.16mhz通頻帶bw0.7= f0.7h- f0.7l=0.32 mhz總結(jié)如下表：表4.2 一級(jí)放大與二級(jí)放大之間的比較電壓 mv/v增益db頻率 mhz中心頻率 mhz通頻帶寬 mhz信號(hào)輸入端20無4無無一級(jí)lc放大輸出端37025.3無

39、41.25二級(jí)lc放大輸出端9.3953.4無40.324.2高頻小信號(hào)諧振放大器的硬件實(shí)現(xiàn)4.2.1多級(jí)放大器的pcb圖在基于multisim仿真結(jié)果正確的情況下，用繪制電路板軟件altium designer畫出電路板，具體如下圖所示：圖4.5 多級(jí)諧振放大器的pcb圖然而由于打樣出的pcb電路板在最后功能實(shí)現(xiàn)上與設(shè)計(jì)要求有差別，pcb板最后測(cè)試的增益只有20db，而設(shè)計(jì)要求為40db，在加上波形的不穩(wěn)定，所以又重新手工繪制了一快電路板，在后面的演示中均已手工繪制電路板為主。4.2.2電路元器件的安裝（1）、操作前檢查：i.焊接前3-5分鐘把電烙鐵插頭插入規(guī)定的插座上,檢查烙鐵是否發(fā)熱，如

40、不發(fā)熱，應(yīng)及時(shí)更換烙鐵。ii.如發(fā)現(xiàn)已經(jīng)氧化凹凸不平的或帶鉤的烙鐵頭，應(yīng)及時(shí)更新。iii.檢查吸錫海綿是否有水和清潔,若沒水,請(qǐng)加入適量的水,海綿要清洗干凈,不干凈的海綿中含有金屬顆粒,或含硫的海綿都會(huì)損壞烙鐵頭。iv.人體與烙鐵是否可靠接地,人體是否佩帶靜電環(huán)。（2）、焊接步驟高質(zhì)量的焊接需要高水平的焊接技術(shù)，并在焊接時(shí)對(duì)工件仔細(xì)觀察，觀察焊錫的熔化速度并且辨別工件在加熱時(shí)顏色和亮度的變化。以下是焊接的步驟：i.將烙鐵靠近工件將干凈的銅頭置于被焊金屬之間。被焊金屬的熱度必須達(dá)到足夠熔化焊錫的溫度。焊錫必須是被工件熔化而非烙鐵。ii.形成熱橋?qū)⑸倭亢稿a置于銅頭與工件接觸處（但不要將焊錫放在銅頭

41、尖上）。這少量焊錫形成的液態(tài)稱之為熱橋。熱橋?yàn)闊崃坑行鲗?dǎo)到工件提供了路徑。iii.加焊錫用烙鐵盡快將工件加熱到焊接溫度，然后往焊點(diǎn)（非銅頭上）上加錫，即在元件腳末端實(shí)際需要焊接處擦拭焊錫。當(dāng)工件達(dá)到焊接溫度時(shí)，焊錫自行熔化。不要移動(dòng)烙鐵，僅僅是將焊錫絲沿焊點(diǎn)繞行。iv.停止加錫在移開烙鐵前先移開焊錫絲。先移開焊錫絲，再移開烙鐵，則停留工件上的烙鐵可保證助焊劑失去活性。但不要將烙鐵停留過久，否則，助焊劑會(huì)被燒焦。v.保存熱量移開焊錫絲后，烙鐵再在工件上停留約半秒鐘，這樣可保證所有的焊錫達(dá)到焊接溫度，同時(shí)也可保證用此熱量使助焊劑失去活性。但烙鐵停留時(shí)間不能太長(zhǎng)，否則，它可能損壞元件或電路板，同時(shí)

42、還可能導(dǎo)致助焊劑殘?jiān)鼰龤Щ驘埂^的助焊劑必須清除。vi.移開烙鐵沿被焊導(dǎo)線方向移開烙鐵，可減少形成焊錫穗（或“冰柱”）的可能性。vii.冷卻焊點(diǎn)讓焊點(diǎn)自然冷卻，不要吹它。viii.保持焊點(diǎn)平穩(wěn)當(dāng)完成數(shù)個(gè)點(diǎn)的焊接后，烙鐵銅頭上會(huì)形成一圈黑環(huán)，這是燒焦的助焊劑，在濕海綿上均勻擦拭即可將其清除12。4.2.3放大器的焊接按照上述的焊接知識(shí)，嚴(yán)格按照其步驟執(zhí)行，得到焊接實(shí)物如圖4.6和4.7所示，其分別為放大器的正面元件圖和背面焊接圖。圖4.6 放大器的正面焊接圖圖4.7 放大器的背面焊接圖焊接注意事項(xiàng)：由于所制作的為高頻小信號(hào)諧振放大器，其工作頻率較高，如果元器件間距太大或其連線太細(xì)都會(huì)使高頻信

43、號(hào)在經(jīng)過的過程中產(chǎn)生較大的衰減，故焊接時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)。（1）、元器件間距盡量減小。（2）、在原件間的線路要用焊錫焊實(shí)，使線路附在底板上，并且要加粗，以減小信號(hào)的衰減。（3）、線路中不能有尖銳的管腳或焊錫暴露在外，以防止其作為天線將信號(hào)輻射出去。（4）、地線不能焊成一個(gè)回路，以防止不希望的振蕩出現(xiàn)。4.3實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析4.3.1放大器實(shí)際測(cè)試環(huán)境由于此次設(shè)計(jì)為高頻小信號(hào)諧振放大器，需要直流信號(hào)還需要交流信號(hào)及測(cè)試靜態(tài)工作點(diǎn)所需要的器件。這樣需要的工作環(huán)境為：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)、直流電源（12v）、示波器一臺(tái)、萬用表。具體的測(cè)試情況如下圖所示：圖4.8 放大器的測(cè)試環(huán)境圖4.3.2放大器實(shí)際

44、調(diào)試及結(jié)果分析（一）放大器的調(diào)試（1）、靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試首先將萬用表打到通斷檔位，測(cè)試電路的連通情況，經(jīng)測(cè)試線路中連接良好。在將12v的直流電源接入電路中，調(diào)解可調(diào)電位器，測(cè)試靜態(tài)工作點(diǎn)，使三極管工作在放大狀態(tài)。三個(gè)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)如下：表4.3 晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)三極管3.9111.873.190.722.061.331.300.763.9011.873.180.72（2）、交流工作狀態(tài)下的調(diào)試通過測(cè)試靜態(tài)工作點(diǎn)，使晶體管處在放大狀態(tài)。調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，使輸入的中心頻率為4mhz的正弦波，幅度（峰-峰值）為20mv，將產(chǎn)生的交流信號(hào)接入電路中。最后用示波器來記錄放大器中一

45、級(jí)放大和二級(jí)放大的工作結(jié)果。（二）放大器的結(jié)果分析以下是在測(cè)試過程中記錄的一組數(shù)據(jù)（輸入vip-p=20mv）：（1）、測(cè)試點(diǎn)1（一級(jí)放大輸出端）：表4.4f/mhz3.03.13.23.33.43.53.63.73.83.9v0/mv（v）120132146158172186198212226238av66.67.37.98.69.39.910.611.311.9增益/db15.616.417.318.018.719.419.920.521.121.5av/avo0.400.440.490.530.580.620.660.710.760.80 表4.5f/mhz4.04.14.24.34.4

46、4.54.64.74.84.9v0/mv（v）248254262274286298294288282272av12.412.713.113.714.314.914.714.414.113.6增益/db21.922.122.322.723.123.523.323.223.122.7av/avo0.830.850.880.920.9610.990.970.950.91表4.6f/mhz5.05.25.45.65.86.06.26.5v0/mv（v）264240220198180168156138av13.212119.998.47.86.9增益/db22.421.620.819.919.118.5

47、17.816.8av/avo0.890.810.740.660.600.560.520.46實(shí)際測(cè)試圖如下：圖4.9 放大器一級(jí)放大實(shí)際測(cè)試圖技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果：電壓增益輸入ui=20mv，第一級(jí)放大輸出u1=260mv，由示波器可知輸出波形與輸入波形反向。放大倍數(shù)為：av1=u1/ui=13 ，增益為：20lg（av1）=22db通頻帶調(diào)整輸入信號(hào)頻率使輸出幅度為0.7uomax f0.7l=3.568mhz f0.7h=5.303mhz通頻帶bw0.7= f0.7h- f0.7l=1.735 mhz根據(jù)上述表格中提供的數(shù)據(jù)，繪制出諧振曲線如下圖所示：圖4.10 一級(jí)放大的諧振曲線圖（2）、測(cè)

48、試點(diǎn)2（二級(jí)放大輸出端）：表4.7f/mhz3.03.13.23.33.43.53.63.73.83.9v0/mv（v）7128329651.131.351.551.862.182.562.86av35.641.648.356.567.577.593109128143增益/db31.032.433.735.036.637.839.440.742.143.1av/avo0.230.270.320.370.440.510.610.720.840.94 表4.8f/mhz4.04.14.24.34.44.54.64.74.84.9v0/mv（v）3.042.982.802.562.322.041.8

49、21.641.461.34av15214914012811610291827367增益/db43.643.542.942.141.340.239.238.337.336.5av/avo10.980.920.840.760.670.600.540.480.44表4.9f/mhz5.05.25.45.86.0v0/mv（v）1.241.04920720680av6252463634增益/db35.834.333.331.130.6av/avo0.410.340.300.240.22實(shí)際測(cè)試圖如下：圖4.11 放大器二級(jí)放大實(shí)際測(cè)試圖技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果：電壓增益輸入ui=20mv，第二級(jí)放大輸出u1=

50、2.98v，由示波器可知輸出波形與輸入波形反向。放大倍數(shù)為：av1=u1/ui=149 ，增益為：20lg（av1）=43db通頻帶調(diào)整輸入信號(hào)頻率使輸出幅度為0.7uomax f0.7l=3.682mhz f0.7h=4.481mhz通頻帶bw0.7= f0.7h- f0.7l=0.799 mhz根據(jù)上述表格中提供的數(shù)據(jù)，繪制出諧振曲線如下圖所示：圖4.12 二級(jí)放大的諧振曲線圖比較分析：對(duì)比一級(jí)放大和二級(jí)放大的諧振曲線圖，可知二級(jí)放大的通頻帶比單級(jí)放大器通頻帶窄，從而可以說明級(jí)數(shù)越多，總通頻帶越窄。而且中心頻率與輸入頻率也比較接近。通過不同測(cè)試點(diǎn)測(cè)試的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)級(jí)聯(lián)后放大器的總電壓增益比單級(jí)放大器的電壓增益大、選擇性好。單級(jí)調(diào)諧放大器的電壓增益不能做得很高，當(dāng)需要較大電壓增益時(shí)，就需要多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。第五章 總結(jié)：本次畢業(yè)設(shè)計(jì)包括對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)的歸納和整理、利用已學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)高頻小信號(hào)諧振放大器。在此次設(shè)計(jì)中，遇到了很多問題，比如射極跟隨器應(yīng)用錯(cuò)誤，令初第一級(jí)與第二級(jí)間級(jí)聯(lián)不上，經(jīng)過反復(fù)查找才發(fā)現(xiàn)原來是第二級(jí)級(jí)輸入端阻抗太低，不足以驅(qū)動(dòng)，因而導(dǎo)致次級(jí)輸出信號(hào)失真，幅度下降；相比于兩極放大之間的其他三種極間耦合方式，此次設(shè)計(jì)選擇的，利用設(shè)計(jì)跟隨器作為緩沖電路在multisim仿真中相比前