《高頻電子線路》課程設(shè)計-晶體管中頻小信號選頻放大器設(shè)計

1、武漢理工大學(xué)高頻電子線路課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 電子0801班 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：晶體管中頻小信號選頻放大器設(shè)計初始條件：具較扎實的電子電路的理論知識及較強的實踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設(shè)計能力及基本調(diào)試能力；能夠正確使用實驗儀器進行電路的調(diào)試與檢測。要求完成的主要任務(wù)： 1.采用晶體管或集成電路完成一個調(diào)幅中頻小信號放大器的設(shè)計；2.放大器選頻頻率f0455KHz，最大增益200倍，矩形系數(shù)不大于5；3.負載電阻RL1K時，輸出電壓不小干0.5V，無明顯失真；4.完成課程設(shè)計報告（應(yīng)包含

2、電路圖，清單、調(diào)試及設(shè)計總結(jié)）。時間安排：12011年6月3日分班集中，布置課程設(shè)計任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實施計劃與課程設(shè)計報告格式的要求；課設(shè)答疑事項。22011年6月4日 至2011年6月9日完成資料查閱、設(shè)計、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計報告撰寫。3. 2011年6月10日提交課程設(shè)計報告，進行課程設(shè)計驗收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘要IAbstractII1 緒論12 中頻小信號放大器的工作原理23 中頻放大器的性能分析33.1 穩(wěn)定性分析33.2 提高放大器穩(wěn)定性的方法44 系統(tǒng)方案54.1 中頻選頻放大54.2 濾波器64.3 信號

3、負反饋75 電路仿真與分析75.1 multisim仿真軟件簡介75.2 中頻放大部分仿真75.3 濾波器電路仿真96 實物制作及調(diào)試107 個人體會11參考文獻12附錄I 元件清單13附錄II總電路圖14武漢理工大學(xué)高頻電子線路課程設(shè)計說明書摘要本文對中頻小信號選頻放大器的工作原理進行了詳細解析，通過對放大器的性能分析，確定最佳制作方案。通過multisim的仿真分析，按照設(shè)計要求，來確定最佳參數(shù)，并利用其他相關(guān)電路來調(diào)試放大電路，解決了放大電路中自激振蕩問題和調(diào)諧準確的問題。本次設(shè)計中，自己設(shè)計制作了中頻信號發(fā)生器，用來完成對選頻放大器的實物的測試。通過多次調(diào)整電路，掌握了準確調(diào)諧的方法。

4、 關(guān)鍵詞：中頻 選頻放大器 multisim 調(diào)諧AbstractThis paper of intermediate frequency small signal frequency selective amplifier of working principle for a detailed analysis, through the performance analysis of the amplifier to determine the optimal production plan,. Through the simulation analysis, multisim accord

5、ing to the design requirements, to determine the optimal parameters, and use of the other relevant circuit to debug amplifying circuit, solved amplifying circuit of self-excited oscillation problem and tuned accurate problem. This design, design made intermediate frequency signal generator, used to

6、finish on frequency selective amplifier physical test. Through multiple regulating circuit, grasped accurately tuned method.Keywords: intermediate frequency selective amplifier multisim tuningII1 緒論中頻小信號放大器廣泛用于通信系統(tǒng)和其他電子系統(tǒng)的接受設(shè)備中。天線接受到的高頻信號是很微弱的，一般在微伏級，需將傳輸?shù)男盘柣謴?fù)出來，需要將信號放大，這就需要用高頻小信號諧振放大器和中頻小信號選頻放大器來完成

7、。中頻小信號選頻放大器就與高頻小信號諧振放大器中功能一樣，只是工作在中頻，工作波段相對較低，一般為幾百千赫茲到幾兆赫茲。通信系統(tǒng)的信號接收原理框圖如下圖1所示。天線接收高頻放大混頻器功率放大解調(diào)器本地振蕩中頻放大與濾波圖1 通信系統(tǒng)信號接收原理框圖 混頻器是將高頻信號變?yōu)橹蓄l信號，這樣信號便于處理。中頻放大與濾波部分是決定信號雜波程度的關(guān)鍵。由混頻器出來的中頻信號，由于依然很微弱，需要進行放大，另外，前級的干擾如果經(jīng)過放大，則對后級影響更大，故在放大前需要將干擾濾除，得到需要的放大信號。為此，中頻小信號放大器的制作關(guān)鍵有兩個：增益系數(shù)足夠高和頻率選擇性足夠好。這樣，信號才能經(jīng)過解調(diào)更好的恢復(fù)出

8、來。12 中頻小信號放大器的工作原理由于通信系統(tǒng)的接收設(shè)備所接收的無線電信號非常微弱，經(jīng)過混頻后，需要經(jīng)過放大才能將原始信號恢復(fù)。如圖1所示為一中頻放大器的典型電路。由圖2可知，直流偏置電路與低頻放大器電路完全相同，只是Cb、Ce對中頻起旁路作用。相對低頻來說，集電極采用LC網(wǎng)絡(luò)作為負載，起選頻作用，并且完成阻抗匹配的功能。由于輸入的是小信號，放大器工作于甲類放大狀態(tài)。圖3為其交流等效電路。 圖2 中頻小信號典型電路 圖3 交流等效電路為了便于分析，用Y型參數(shù)等效電路來等效晶體管，典型應(yīng)用電路進一步等效如圖4所示。2圖4 晶體管等效電路Y參數(shù)不僅與靜態(tài)工作點的電壓、電流值有關(guān)，而且與工作頻率有

9、關(guān)，是頻率的復(fù)函數(shù)。當放大器工作在窄帶時，Y參數(shù)變化不大，可以將Y參數(shù)看作常數(shù)。我們討論的高頻小信號諧振放大器沒有特別說明時，都是工作在窄帶，晶體管可以用Y參數(shù)等效。 放大器的指標參數(shù):(1) 電壓放大倍數(shù)K(2) 輸入導(dǎo)納(3) 輸出導(dǎo)納(4) 矩形系數(shù)3 中頻放大器的性能分析3.1 穩(wěn)定性分析存在晶體管集基間電容的反饋，或反向傳輸導(dǎo)納的反饋，當該反饋在某個頻率相位上滿足正反饋條件，且足夠大，則會在滿足條件的頻率上產(chǎn)生自激振蕩，致使放大器存在穩(wěn)定性的問題。3當正反饋嚴重時，即Yir中的負電導(dǎo)使放大器輸入端的總電導(dǎo)為0或負值時，即使沒有外加信號，放大器輸出端也會有輸出信號，產(chǎn)生自激,圖5所示為

10、反饋電路。圖5 反饋電路3.2 提高放大器穩(wěn)定性的方法從晶體管本身著手：減小反向傳輸導(dǎo)納Yre，而Yre取決于集電結(jié)電容，選擇集電結(jié)電容小的管子，減弱反饋作用。從電路結(jié)構(gòu)著手：設(shè)法消除晶體管的反向作用，使它單向化，具體方法有中和法和失配法。中和法：通過在晶體管的輸出端與輸入端之間引入一個附加的外部反饋電路（中和電路）來抵消晶體管內(nèi)部參數(shù)Yre的的反饋作用。失配法：通過增大負載導(dǎo)納，進而增大總回路導(dǎo)納，使輸出電路失配，圖6是利用中和電容Cn的中和電路。為了抵消Yre的反饋，從集電極回路取一反相的電壓，通過Cn反饋到輸入端。根據(jù)電橋平衡有則中和條件為 圖6 反饋電路中和電路中固定的中和電容Cn只能

11、在某一個頻率點起到完全中和的作用，對其它頻率只能有部分中和作用。另外，如果再考慮到分布參數(shù)的作用和溫度變化等因素的影響，則中和電路的效果是很有限的。44 系統(tǒng)方案由于中頻小信號放大器制作關(guān)鍵在于高增益和頻率選擇性。課設(shè)要求200倍放大，一級放大一般無法實現(xiàn)，因為三極管的值一般為100到200之間。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的放大，一級信號通過三極管的放大倍數(shù)不宜過高，否則就不穩(wěn)定了。另外為增強信號的頻率選擇性，在系統(tǒng)的前置預(yù)濾波，以及對電源進行濾波，最大限度減少干擾。另外，為了穩(wěn)定信號，采用閉環(huán)回路方案達到效果，通過負反饋使信號穩(wěn)定。整個系統(tǒng)原理框圖如下圖7所示。信號輸入低通濾波電源5V信號輸出選頻放大前置

12、濾波信號負反饋供電圖7 中頻小信號選頻放大器系統(tǒng)框圖4.1 中頻選頻放大圖8 中頻小信號選頻放大器中頻選頻放大器硬件電路如圖8所示，由兩級放大電路組成，每級之間采用變壓器耦合。三極管選用9018，變壓器采用調(diào)諧頻率為465KHz的中周加電容微調(diào)至455KHz。資料介紹如下：表1 三極管參數(shù)和中周參數(shù)三極管9018H中周TTF-11-0197-146圈數(shù)L12651.1GHz圈數(shù)L23451.3pF圈數(shù)L466-電容C13330pF-諧振fo465KHz此三極管的增益系數(shù)、截止頻率都符合參數(shù)要求，由上分析，越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性越高，故此三極管達到性能要求。由于臨時買不到455KHz的諧振點的中周，選

13、用465KHz的代替，另外在電路中配以可調(diào)電容，降低其頻率到455KHz。原電感可用以下公式計算得到： 其中，f0為465KHz，C為330pF，這樣求得電感值為355uH,所以為達到455KHz，所需電容值為344.7pF，故另外并聯(lián)一個14.7pF的電容即可。本次選用微調(diào)電容0-18pF，達到要求。由于兩個三極管都工作在甲類放大狀態(tài)，選取靜態(tài)工作點參數(shù)時，將Vce設(shè)定為VCC/2，為減小功耗，使Ic不要太大，選0.5mA,Rb11和Rb12上流過0.1mA的電流，通過參數(shù)調(diào)節(jié)，確定Rb11為20,Rb12為16.8，Re12取100，Re11為2。動態(tài)工作時，由于頻率為455KHz，需使得

14、Re11>>，取C為0.1uF適合。4.2 濾波器電源濾波采用簡單的RC低通濾波器，取兩個電容，一個電解電容10uF和一個瓷片電容0.1uF可以達到很好的濾波效果。前置低通濾波器采用LC濾波，如圖9所示。圖9 前置低通濾波器傳輸函數(shù)，這樣，其中，f=455KHz， 取L1=2.2uH，C1=0.1uF滿足要求。4.3 信號負反饋 信號負反饋是通過中和法中反饋電容來實現(xiàn)的，本次設(shè)計中采用可微調(diào)電容0-20pF來實現(xiàn)負反饋。由下公式 ，其中N1=6，N2=45。.5 電路仿真與分析5.1 multisim仿真軟件簡介鑒于仿真的方便，采用NI公司的multisim10.1，由于豐富的元件

15、庫，電路原理圖設(shè)計非常方便，另外，該軟件可采用AC Analysis來分析設(shè)計的合理性，也可采用內(nèi)部的各種虛擬儀器來分析，豐富的儀器使得分析也非常方便。55.2 中頻放大部分仿真電路原理圖由multisim設(shè)計如圖10，由于變壓器參數(shù)難以設(shè)置，采用單級調(diào)試。圖10 仿真電路用虛擬萬用表來測量靜態(tài)工作點，虛擬示波器查看輸出波形，觀察到的現(xiàn)象如圖11、圖12所示。圖11 靜態(tài)工作點仿真測試圖12 輸出仿真結(jié)果控制Vce在2V到3V之間可以達到很好的輸出效果。單級輸入給予2mV峰峰值，輸出30mV峰峰值，放大15倍左右，雙極將輸出225倍輸入電壓，滿足要求。5.3 濾波器電路仿真 運用multisi

16、m中的波特儀可以仿真出濾波器的幅頻響應(yīng)曲線，波特儀接線電路如圖13所示。圖13 濾波器仿真電路圖14 仿真結(jié)果幅頻響應(yīng)的3dB點對應(yīng)的頻率在700KHz左右，這樣，455KHz的輸入信號可以粗略選出，更高頻的會衰減很大。66 實物制作及調(diào)試經(jīng)過長時間的精心制作，完成了硬件電路的制作，熟悉使用中周等元件，并且在硬件制作過程中，注意到理論設(shè)計的不足，而加以完善，如電源部分加上顯示，兩級放大電路分開以便測試，中間加上排陣排帽來控制通斷。另外，為了便于靜態(tài)工作點的最佳調(diào)試，電阻采用可變式方便調(diào)試。調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)達不到理論設(shè)計，要求最大達到200，實際達到170，繼續(xù)調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點，輸出電壓加

17、大，但漸漸出現(xiàn)失真。為了使諧振點在455KHz，電路中緩慢調(diào)節(jié)中周和并聯(lián)可調(diào)電容，使在455KHz時輸出電壓達到最大。另外，調(diào)試時發(fā)現(xiàn)電源干擾很大，電源紋波一般有100mV,這樣，輸入信號將成干擾，出現(xiàn)“門限效應(yīng)”，電源部分設(shè)計加的濾波達不到穩(wěn)定要求，必須選擇穩(wěn)定的電源才行，這是對小信號處理所需注意的最重要一點。7 個人體會通過此次中頻小信號選頻放大器的設(shè)計，我收獲頗豐。首先，通過調(diào)試三極管，復(fù)習(xí)了以前模電所學(xué)的知識，在設(shè)計中的出現(xiàn)了各種各樣的錯誤，在不斷修正中掌握了以前模糊知識。另外，為了使選頻足夠精確，不斷調(diào)試中周，懂得實際調(diào)試來彌補理論的不足。感謝學(xué)校給我們這次機會，鍛煉了我們的動手能力。通過這次課設(shè)讓我明白了理論和實際操作之間差距，而且也讓我很明確得意識到自己在高頻上有很多的知識漏洞，以后應(yīng)該多鉆研一下。參考文獻1 曾興雯高頻電路原理與分析（第四版）西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.72 吳友宇模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京：清華大學(xué)出版社，2009.53 鈴木雅臣晶體管電路設(shè)計(上)北京：科學(xué)出版社，2004.94 J.卡爾約瑟夫射頻電路設(shè)計北京：科學(xué)出版社，2007.85 朱彩蓮Multisim電子電路仿真