高頻小信號調(diào)諧放大器的設計

1、武漢理工大學課 程 設 計課 程 學科基礎(chǔ)課群綜合訓練與設計 題 目 高頻小信號調(diào)諧放大器的設計 院 系 信息工程學院 專業(yè)班級 通信工程 學生姓名 學生學號 指導教師 2013年 1月 16日課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級: 指導教師： 工作單位：信息工程學院題目：高頻小信號調(diào)諧放大器的設計。課程設計目的：1. 較全面的了解常用的數(shù)據(jù)分析與處理原理及方法；2. 能夠運用相關(guān)軟件進行模擬分析；3. 掌握基本的文獻檢索和文獻閱讀的方法；4. 提高正確的撰寫論文的基本能力。課程設計內(nèi)容和要求1. 調(diào)諧放大器的調(diào)試及放大倍數(shù)的設計2. 諧振頻率，通頻帶的設計、制作初始條件1. Multisim軟

2、件2. 通信原理及高頻電子線路基礎(chǔ)知識時間安排第18周，安排任務第18周，程序設計與計算第21周，完成（答辯，提交報告，演示）指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名：年 月 日一實驗目的小信號調(diào)諧放大器是高頻電子線路中的基本單元電路，主要用于高頻小信號或微弱信號的線性放大。在本實驗中，通過對諧振回路的調(diào)試，對放大器處于諧振時各項技術(shù)指標的測試（電壓放大倍數(shù)，通頻帶，矩形系數(shù)），進一步掌握高頻小信號調(diào)諧放大器的工作原理。學會小信號調(diào)諧放大器的設計方法。二實驗內(nèi)容1、 調(diào)節(jié)諧振回路使諧振放大器諧振在10.7MHz。2、 測量諧振放大器的放大倍數(shù)。3、 測量諧振放大器的通頻帶。三實驗儀器

3、1、BT-3（G）型頻率特性測試儀（選項）一臺2、20MHz模擬示波器一臺3、數(shù)字萬用表一塊4、調(diào)試工具一套四電路原理小信號調(diào)諧放大器是各種電子設備、發(fā)射和接收機中廣泛應用的一種電壓放大器。其主要特點是晶體管的輸入輸出回路（即負載）不是純電阻，而是由L、C元件組成的并聯(lián)諧振回路。小信號調(diào)諧放大器的類型很多，按調(diào)諧回路區(qū)分：有單調(diào)諧回路，雙調(diào)諧回路和參差調(diào)諧回路放大器。按晶體管連接方法區(qū)分：有共基極、共發(fā)射極和共集電極放大器。高頻小信號諧振放大器的作用、電路組成、及工作原理，與低頻小信號放大電路是基本一致的。不同的是：一是在高頻小信號諧振放大器中，所放大信號的頻率遠比低頻放大電路信號頻率高；二是

4、高頻小信號諧振放大器的頻寬是窄帶（要求只放大某一中心頻率的載波信號）。因此，首先在電路組成上應將低頻放大電路中的低頻三極管換成具有更高截止頻率的高頻三極管，將集電極負載換成了LC選頻網(wǎng)絡；再是在電路分析與設計中，應重點考慮電路的高頻特性與選頻特性。高頻小信號諧振放大器的核心元件是高頻小功率晶體管和LC并聯(lián)諧振回路。圖1-1所示電路為共發(fā)射極接法的晶體管高頻小信號調(diào)諧放大器。它不僅要放大高頻信號，而且還要有一定的選頻作用，因此晶體管的集電極負載為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線的分布參數(shù)等會影響放大器輸出信號的頻率和相位。晶體管的靜態(tài)工作點由電阻RB1，RB2及RE

5、決定，其計算方法與低頻單管放大器相同。圖1-1 小信號調(diào)諧放大器放大器在高頻情況下的等效電路如圖1-2所示，晶體管的4個y參數(shù)yie，yoe，yfe及yre分別為輸入導納 （1-1）輸出導納 （1-2）正向傳輸導納 （1-3） 反向傳輸導納 （1-4） 圖1-2 放大器的高頻等效回路式中，gm晶體管的跨導，與發(fā)射極電流的關(guān)系為 （1-5） gbe發(fā)射結(jié)電導，與晶體管的電流放大系數(shù)及IE有關(guān)，其關(guān)系為 （1-6） rbb基極體電阻，一般為幾十歐姆；Cbc集電極電容，一般為幾皮法；Cbe發(fā)射結(jié)電容，一般為幾十皮法至幾百皮法。由此可見，晶體管在高頻情況下的分布參數(shù)除了與靜態(tài)工作電流IE，電流放大系數(shù)

6、有關(guān)外，還與工作頻率有關(guān)。晶體管手冊中給出的分布參數(shù)一般是在測試條件一定的情況下測得的。如果工作條件發(fā)生變化，上述參數(shù)則有所變動。因此，高頻電路的設計計算一般采用工程估算的方法。圖1-2中所示的等效電路中，p1為晶體管的集電極接入系數(shù)，即 （1-7）式中，N2為電感L線圈的總匝數(shù)。P2為輸出變壓器T的副邊與原邊的匝數(shù)比，即 （1-8）式中，N3為副邊（次級）的總匝數(shù)。gL為調(diào)諧放大器輸出負載的電導，gL=1/RL。通常小信號調(diào)諧放大器的下一級仍為晶體管調(diào)諧放大器，則gL將是下一級晶體管的輸入導納gie2。由圖1-2可見，并聯(lián)諧振回路的總電導的表達式為 （1-9）式中，G為LC回路本身的損耗電導

7、。諧振時L和C的并聯(lián)回路呈純阻，其阻值等于1/G，并聯(lián)諧振電抗為無限大，則jwC與1/（jwL）的影響可以忽略。調(diào)諧放大器的性能指標及測量方法：表征高頻小信號調(diào)諧放大器的主要性能指標有諧振頻率，諧振電壓放大倍數(shù)，放大器的通頻帶BW及選擇性（通常用矩形系數(shù)來表示）等。放大器各項性能指標及測量方法如下：（1）諧振頻率放大器的調(diào)諧回路諧振時所對應的頻率稱為放大器的諧振頻率，對于圖1-1所示電路（也是以下各項指標所對應電路），的表達式為 （1-10）式中，L為調(diào)諧回路電感線圈的電感量；為調(diào)諧回路的總電容，的表達式為 （1-11）式中， Coe為晶體管的輸出電容；Cie為晶體管的輸入電容。 諧振頻率的測

8、量方法是：用掃頻儀作為測量儀器，用掃頻儀測出電路的幅頻特性曲線，調(diào)變壓器T的磁芯，使電壓諧振曲線的峰值出現(xiàn)在規(guī)定的諧振頻率點。（2）電壓放大倍數(shù)放大器的諧振回路諧振時，所對應的電壓放大倍數(shù)稱為調(diào)諧放大器的電壓放大倍數(shù)。的表達式為 （1-12） 式中，為諧振回路諧振時的總電導。因為LC并聯(lián)回路在諧振點時的L和C的并聯(lián)電抗為無限大，因此可以忽略其電導。但要注意的是本身也是一個復數(shù)，所以諧振時輸出電壓u0與輸入電壓ui相位差為（180o+ fe）。AV0的測量方法是：在諧振回路已處于諧振狀態(tài)時，用高頻電壓表測量圖1-1中RL兩端的電壓u0及輸入信號ui的大小，則電壓放大倍數(shù)AV0由下式計算： 或 d

9、B (1-13)（3）通頻帶由于諧振回路的選頻作用，當工作頻率偏離諧振頻率時，放大器的電壓放大倍數(shù)下降，習慣上稱電壓放大倍數(shù)AV下降到諧振電壓放大倍數(shù)AV0的0.707倍時所對應的頻率偏移稱為放大器的通頻帶BW，其表達式為 (1-14)式中，QL為諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)。分析表明，放大器的諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶BW的關(guān)系為 (1-15)上式說明，當晶體管選定即yfe確定，且回路總電容C為定值時，諧振電壓放大倍數(shù)AV0與通頻帶BW的乘積為一常數(shù)。這與低頻放大器中的增益帶寬積為一常數(shù)的概念是相同的。通頻帶BW的測量方法：是通過測量放大器的諧振曲線來求通頻帶。測量方法可以是掃頻法，也可以是逐點法。

10、逐點法的測量步驟是：先調(diào)諧放大器的諧振回路使其諧振，記下此時的諧振頻率及電壓放大倍數(shù)然后改變高頻信號發(fā)生器的頻率（保持其輸出電壓uS不變），并測出對應的電壓放大倍數(shù)。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1-3所示。由式（1-14）可得 (1-16)圖1-3 諧振曲線 通頻帶越寬放大器的電壓放大倍數(shù)越小。要想得到一定寬度的通頻寬，同時又能提高放大器的電壓增益，由式（1-15）可知，除了選用yfe較大的晶體管外，還應盡量減小調(diào)諧回路的總電容量C。如果放大器只用來放大來自接收天線的某一固定頻率的微弱信號，則可減小通頻帶，盡量提高放大器的增益。五、實驗內(nèi)容1.主要技術(shù)指標：諧振頻率

11、：10.7MHz,諧振電壓放大倍數(shù)：，通頻帶：，矩形系數(shù)：。要求：放大器電路工作穩(wěn)定，采用自耦變壓器諧振輸出回路。2.給定條件回路電感L=4H, ，晶體管用9018，=50。查手冊可知，9018在、時，,，。負載電阻。電源供電。3.選定電路形式根據(jù)設計技術(shù)指標要求，考慮高頻放大器應具有的基本特性,可采用共射晶體管單調(diào)諧回路諧振放大器，設計電路見圖1-1所示。 圖1-1 單調(diào)諧高頻小信號放大器電原理圖圖中放大管選用9018，該電路靜態(tài)工作點Q主要由和、Rb2、Re與Vcc確定。利用和、的分壓固定基極偏置電位，如滿足條件：當溫度變化，抑制了變化，從而獲得穩(wěn)定的工作點。由此可知，只有當時，才能獲得恒

12、定，故硅管應用時， 。只有當負反饋越強時，電路穩(wěn)定性越好，故要求，一般硅管?。?。1） 設置靜態(tài)工作點由于放大器是工作在小信號放大狀態(tài)，放大器工作電流一般在0.82mA之間選取為宜，設計電路中取 ，設。因為： 而 所以：因為： (硅管的發(fā)射結(jié)電壓為0.7V) 所以： 因為： 所以：因為： 而 取則： 取標稱電阻8.2K因為： 則：，考慮調(diào)整靜態(tài)電流的方便，用22K電位器與15K電阻串聯(lián)。2）諧振回路參數(shù)計算（1）回路中的總電容C因為： 則:（2）回路電容C因有 所以取C為標稱值30pf,與5-20Pf微調(diào)電容并聯(lián)。（3）求電感線圈N2與N1的匝數(shù)： 根據(jù)理論推導，當線圈的尺寸及所選用的磁心確定后

13、，則其相應的參數(shù)就可以認為是一個確定值，可以把它看成是一個常數(shù)。此時線圈的電感量僅和線圈匝數(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值的大小是由試驗確定的。當要繞制的線圈電感量為某一值時，可先在骨架上(也可以直接在磁心上)纏繞10匝，然后用電感測量儀測出其電感量，再用下面的公式求出系數(shù)K值： 式中： -為實驗所繞匝數(shù)，由此根據(jù)和K值便可求出線圈應繞的圈數(shù)，即：實驗中，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4 uH的電感，所需匝數(shù)為匝 最后再按照接入系數(shù)要

14、求的比例，來繞變壓器的初級抽頭與次級線圈的匝數(shù)。因有，而匝。則： 匝3） 確定耦合電容與高頻濾波電容：耦合電容C1、C2的值，可在1000 pf0.01uf之間選擇 ，一般用瓷片電容。旁路電容Ce 、C3、C4的取值一般為0.01-1F，濾波電感的取值一般為220-330uH。4）測量電壓增益 在有BT-3頻率特性測試儀的情況下用頻率特性測試儀測測量方法如下：在測量前，先要對測試儀的y軸放大器進行校正，即零分貝校正，調(diào)節(jié)“輸出衰減”和“y軸增益“旋鈕，使屏幕上顯示的方框占有一定的高度，記下此時的高度和此時“輸出衰減”的讀數(shù)N1dB，然后接入被測放大器，在保持y軸增益不變的前提下，改變掃頻信號的

15、“輸出衰減”旋鈕，使諧振曲線清晰可見。記下此時的“輸出衰減”的值N2dB，則電壓增益為dB若用示波器測，則為輸出信號的大小比輸入信號的大小之比。如果AV01較小，可以通過調(diào)靜態(tài)工作點來解決（即增大）。在無BT-3頻率特性測試儀的情況下，可以由示波器直接測量。方法如下：用示波器測輸入信號的峰峰值，記為Ui。測輸出信號的峰峰值記為Uo。則小信號放大的電壓放大倍數(shù)為Uo/Ui。5）測量通頻帶BW用掃頻儀測量BW：先調(diào)節(jié)“頻率偏移”（掃 頻寬度）旋鈕，使相鄰兩個頻標在橫軸上占有適當?shù)母駭?shù)，然后接入被測放大器，調(diào)節(jié)“輸出衰減”和y軸增益，使諧振特性曲線在縱軸占有一定高度，測出其曲線下降3dB處兩對稱點在

16、橫軸上占有的寬度，根據(jù)內(nèi)頻標就可以近似算出放大器的通頻帶4.單調(diào)諧高頻小信號放大器電路仿真1.輸入和輸出波形2.ic和ib3.輸出波形頻譜圖4.輸出波形波特圖5.阻尼電阻對放大器的影響 阻尼電阻增大，放大倍數(shù)增大，通頻帶變小。六、總結(jié)及體會本次課程設計時間雖然時間不長，但是讓我又一次重新溫習了大三之前所學過的各專業(yè)課程的主要內(nèi)容，整個的知識體系。在課程設計過程中，我特別的學習和研究了高頻小信號調(diào)諧放大器的設計方法，掌握高頻單調(diào)諧放大器的等效電路、性能指標要求及分析設計，掌握中心頻率和電壓增益的測試方法。在實施課程設計的過程中我加深了對Multisim軟件的使用，電路圖的繪制以及仿真測試。在設計過程中也會遇到很多問題，但是通過自己的努力最終成功的完成本次課程設計讓我收獲了不少經(jīng)驗。參考文獻1 于 波. 高頻電子線路實驗指導書. 大慶：東北石油大學，2010.2 陽昌漢.