高頻課程設(shè)計(jì)高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器

1、期有二挈虎通信電子線路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器學(xué) 院：電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：職稱副教授專 業(yè)：電子信息工程班 級(jí)：電子1302學(xué) 號(hào)： 13303402完成時(shí)間：2016年1月8日高頻小信號(hào)放大器廣泛用于廣播、電視、通信、測(cè)量?jī)x器等設(shè)備中。它能感 應(yīng)到的眾多微弱高頻小信號(hào)（輸入信號(hào)電壓一般在 uV至mV1級(jí)附近的信號(hào)）， 然后利用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，和三極管的放大作用，選出有用的頻率信號(hào) 加以放大，并且對(duì)于無(wú)用的頻率信號(hào)進(jìn)行抑制。 所以位于接收機(jī)接收端的高頻小 信號(hào)諧振放大器是構(gòu)成無(wú)線電通信設(shè)備的重要電路。該課題所設(shè)計(jì)的諧振放大器主要由放大器和調(diào)諧回路兩部分組成

2、，設(shè)計(jì)過(guò)程中，先在Multisim10電路仿真軟件上進(jìn)行了電路仿真，然后結(jié)合實(shí)際情況，繪 制原理圖，購(gòu)買元器件畫PCEfe路圖，最后進(jìn)行了實(shí)物制作和調(diào)試。實(shí)際電路里， 使用10MHz勺中周代替了不易調(diào)節(jié)的LC選頻回路，選用了 S9014三極管來(lái)實(shí)行 放大環(huán)節(jié)的放大，而射極電阻選了一個(gè)電位器，用于調(diào)整射極電阻從而改變放大 器的放大增益。仿真及實(shí)物調(diào)試結(jié)果：諧振頻率在 10MHz電路也有一定的增益， 說(shuō)明設(shè)計(jì)成功。關(guān)鍵詞：高頻小信號(hào)；LC諧振回路；S9014目錄緒論課題的研究意義 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 電路分

3、析及原理分析 iii HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 單元電路分析iii HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 整體電路分析iv HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 性能指標(biāo)viii HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 電壓增益viii HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 通頻帶ix HYPERLINK l bookmark47 o Current Doc

4、ument 矩形系數(shù)ix HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 4仿真與調(diào)試結(jié)果x HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 仿真結(jié)果分析 x HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 實(shí)物調(diào)試數(shù)據(jù)xi HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 性能指標(biāo)計(jì)算xi HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 誤差分析xi HYPERLINK l bookmark61 o Current

5、Document 心得體會(huì)xiii HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 參考文獻(xiàn)xiv致謝xv附錄xvi HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 附錄Axvi附錄B. xvii HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 附錄C xviii HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 附錄D xix1緒論1.1課題的研究意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線電技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、 軍事和人們?nèi)?常生活的各個(gè)領(lǐng)域，技術(shù)水平也越來(lái)

6、越高。在無(wú)線電通信系統(tǒng)中，電信號(hào)是通過(guò) 無(wú)線以電磁波的形式向空間輻射傳輸?shù)摹?所以在無(wú)線電技術(shù)中，經(jīng)常會(huì)面對(duì)這樣 的問題，所接受到的信號(hào)很弱，很容易受到其他信號(hào)和噪聲等的干擾， 而且在長(zhǎng) 距離的通信運(yùn)輸中信號(hào)也會(huì)衰減和，到達(dá)接收設(shè)備的信號(hào)變得非常弱，很難保證 信息的準(zhǔn)確性。故在傳輸過(guò)程中，要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行選頻和放大，保證傳遞 到接收設(shè)備上的信息的準(zhǔn)確性，減少失誤。這樣就要利用高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。小信號(hào)指輸入信號(hào)電壓一般在uV至mV1級(jí)附近的信號(hào)，中心頻率在幾百 KHz到幾百M(fèi)Hz頻譜在寬度在幾MH冽幾十MH/J范圍內(nèi)的微弱信號(hào)。調(diào)諧指放 大器的集電極負(fù)載為調(diào)諧回路（如LC諧振回路）

7、。調(diào)諧放大器會(huì)將需要諧振頻率 內(nèi)的小信號(hào)進(jìn)行放大，遠(yuǎn)離的頻率信號(hào)抑制，從而把接收到的小信號(hào)進(jìn)行選頻放 大，確保把信號(hào)準(zhǔn)確的傳遞到接收設(shè)備上。 所以研究這個(gè)課題對(duì)于通信系統(tǒng)里小 信號(hào)的接收與傳輸?shù)难芯科鹬陵P(guān)重要的意義。2電路分析及原理分析單元電路分析小信號(hào)放大電路圖1小信號(hào)放大模塊小信號(hào)放大模塊按晶體管連接方法可區(qū)分：共基極、共發(fā)射極和共集電極放 大器。共射極放大電路：電壓和電流增益都大于1,適用于低頻情況；共集電極放大電路：只有電流放大作用，沒有電壓放大，有電壓跟隨作用；共基極放大電 路：只有電壓放大沒有電流放大。輸入電阻小，輸出電阻與集電極電阻有關(guān)。高 頻特性好，常用于高頻放大電路中：綜上

8、該課題設(shè)計(jì)采用共基極放大電路。從圖1小信號(hào)放大模塊可知，這部分的作用的是對(duì)所接受到的微弱信號(hào)通過(guò) 晶體管進(jìn)行信號(hào)放大。三極管選用了放大倍數(shù)在100-200倍之間的2N3904,在實(shí)物制作時(shí)用了差不多放大倍數(shù)的 s9014oR上和R3及可調(diào)電阻R,串聯(lián)的射極電阻決定了晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)。而且改變 R*的大小可以改變放大器的增益。 實(shí)物制作時(shí)射極電阻用電位器代替，實(shí)現(xiàn)電阻可調(diào)，增益可調(diào)。選頻網(wǎng)絡(luò)諧振回路有電感和電容構(gòu)成，它們的連接方式不一樣，形成的諧振回路也不一樣。串聯(lián)為串聯(lián)諧振回路，并聯(lián)為并聯(lián)諧振回路。它具有選擇信號(hào)及阻抗變換, 兩個(gè)或更多個(gè)諧振回路串聯(lián)可以構(gòu)成帶通濾波器。在LC并聯(lián)諧振回路中，

9、當(dāng)3L = 1/3C時(shí)，回路產(chǎn)生諧振，其等效阻抗為純電阻且最大。故并聯(lián)諧振回路 的諧振頻率為：fo/bgLC。該課題仿真設(shè)計(jì)選用LC并聯(lián)諧振回路，但在考慮 到LC回路在現(xiàn)實(shí)中不方便調(diào)諧，故而實(shí)物制作時(shí)我們選用了 10MHz勺中周代替圖2選頻網(wǎng)絡(luò)整體電路分析圖3高頻小信號(hào)放大器如圖3可看出整體的電路設(shè)計(jì)，信號(hào)由信號(hào)源產(chǎn)生，從三極管基極輸入，然 后通過(guò)了晶體管的放大，從集電極輸出放大信號(hào)，到達(dá)LC諧振回路，進(jìn)行了選頻，如此輸出放大的有用信號(hào)。單調(diào)諧放大器通頻帶窄，選擇性一般，但是因其電 路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便，故選用單調(diào)諧回路為設(shè)計(jì)電路。靜態(tài)分析圖4直流偏置電路圖4是調(diào)諧放大器的直流偏置通路，從此可以看

10、出，Rbi、Rb2為基極分壓式 偏置電阻，Re為發(fā)射極負(fù)反饋偏置電阻，改變 Rc可以調(diào)整增益的大小。其靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算：U BQ = VccRb2/(Rbi + Rb2 )( 1)|CQ &|EQ =(Ubq -Ube y Re(2)對(duì)于硅管而言，UBE 一般取值0.7V；而對(duì)于錯(cuò)管而言，Ube 一般取值0.2V。U CEQ = VCC |cQRe二 I EQ Re: vCc - Icq(Rc Re)工程上一般取Ubq= (3-5) V,而VCCE知是12V,所以由公式(1)可得Rb2/(Rb1 + Rb2 =1/3,故而 2Rb2 = Rb1,令 Rb1 = 66KC ,貝U Rb2 = 33

11、KC 。2.2.2 動(dòng)態(tài)分析圖5交流通路圖5是調(diào)諧放大器的交流通路。在圖中可看出放大器由輸入電路、晶體管和 輸出回路組成。調(diào)諧放大器的輸出回路是由LC并聯(lián)諧振回路、輸出變壓器及負(fù)載Rl構(gòu)成。電容C與變壓器的初級(jí)繞組電感L構(gòu)成了并聯(lián)諧振回路，實(shí)現(xiàn)了選 頻和阻抗變換。因?yàn)榫w管要實(shí)現(xiàn)晶體管輸出阻抗與負(fù)載間的阻抗匹配，減少品體管輸出阻抗對(duì)調(diào)諧回路的影響，所以在晶體管的輸出端以線圈抽頭以電感分壓 式接入電路，使得輸出導(dǎo)納和調(diào)諧回路的 1、2端并聯(lián)。參數(shù)等效電路(a)晶體管雙口網(wǎng)絡(luò)(b) Y(c)變換后的Y參數(shù)等效電路( d)參數(shù)合并后的等效電路圖6單調(diào)諧放大器的等效電路在設(shè)計(jì)中信號(hào)的放大由晶體管完成。

12、 在小信號(hào)運(yùn)用的情況下，晶體管可忽略 其非線性特點(diǎn)而近似為線性元件。設(shè)計(jì)時(shí)利用把晶體管視為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng) 絡(luò)模型。根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)的理論，以及考慮到晶體管是電流受控元件特性， 采用 Y參數(shù)等效電路來(lái)計(jì)算晶體管的等效。對(duì)于一個(gè)晶體管，如圖6(a)所示，取電壓口引、仃作為自變量，電流和作 為因變量，則可寫出晶體管的 Y參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)方程。1.(5)- J ： - -1 - -(6)由公式(5),令0= =。，則晶體管輸出交流短路，輸入導(dǎo)納Y Ib/Ube 正向傳輸導(dǎo)納Yfe=Ie/Ub#o由公式(6)令仃*=0 ,則晶體管輸入交流短路，反相傳輸導(dǎo)納丫相=, 輸出導(dǎo)納Yg=ij。-。將晶體管用Y參數(shù)等

13、效電路代替則得到圖6 (b)Y參數(shù)等效電路，假定Y- =0 設(shè)一次電感線圈1-2之間的匝數(shù)為凡2,1-3之間的匝數(shù)為13,二次線圈匝數(shù)為N45。由圖可知自耦變壓器的匝比 由和變壓器一、二次間的匝比分別等于：電流源*國(guó)1折算到諧振回路1、3兩端為:(8)(10)二三 ，一已nl將Yl=1/Rl折算到諧振回路兩端為：=+=-+02 口2 n2Gj*, 3將Yg折算到諧振回路1、3端為：=&+= - , + .Aoe解 r1。已% nl -1叫/N氣L(C+等嘴(16)變換后的Y參數(shù)等效電路如圖6 (c)0圖c中的為諧振回路的空載電導(dǎo),Gp=l/Rp。又將電路簡(jiǎn)化，同性質(zhì)的器件參數(shù)進(jìn)行合并。合并后如

14、圖6 (d):=(/=&. +_=-：i +7f-+=C+ , +一 =C+ +由此可知，放大器等效回路的諧振頻率為:由上可知，晶體管的輸出電容 J”負(fù)載電容的變化Cl,將會(huì)使諧振回路的 諧振頻率發(fā)生變化。回路的有載品質(zhì)因數(shù)Qe=l/(GecJ0L) = CJ0CT/Geo因?yàn)?G&Gp, Qw V Q(Q為回路的空載品質(zhì)因數(shù))。故可通過(guò)選用Y迎、Y*效的晶體管 或者選用較大的匝比減小晶體管及負(fù)載對(duì)諧振回路的影響 叫和叫 o3性能指標(biāo)高頻小信號(hào)諧振放大器主要性能指標(biāo)有電壓增益、通頻帶、選擇性、矩形系數(shù)等。3.1電壓增益由圖6和可求得放大器的電壓增益為:.=Oo-YfetJj/tkn2-Yfe=

15、nin2Ge(1+iQe-1tJi(17)當(dāng)電路諧振時(shí)即輸入f = f 0 ,放大器的諧振電壓增益:-YfeA uo 二nn2Ge(18)3.2 幅頻特性由電壓增益可求得，諧振放大器的增益頻率特性表達(dá)式為:AuAuo2f1 jQe f 0(19)其幅頻特性為:AuAuo可作出諧振曲線如圖7圖7單調(diào)諧放大器的諧振曲線3.3 通頻帶AuA”。V2,可得單調(diào)諧放大器的通頻帶為:f。BW0J = Uq史通頻帶越寬，放大器增益越小。實(shí)際中，為了不失真的放大有用信號(hào)，要求 放大器通頻帶應(yīng)大于有用信號(hào)頻譜寬度。II = 0.1令.一 得:BWolIO1q史3.4 矩形系數(shù)由此可知，單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)為:

16、=10選擇性表示放大器對(duì)有用信號(hào)通頻帶以外的各種干擾信號(hào)及噪聲的濾除能力。放大器應(yīng)該對(duì)通頻帶以內(nèi)的各種信號(hào)頻譜分量具有放大作用，而對(duì)于通頻帶以外的信號(hào)完全抑制。矩形系數(shù)越小，過(guò)渡帶越陡峭，選擇性越好。當(dāng)矩形 系數(shù)等于1是為理想狀態(tài)，而單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)為 10,所以表現(xiàn)出它主 要的缺點(diǎn)是選擇性較差。4仿真與調(diào)試結(jié)果仿真結(jié)果分析(a)輸入輸出波形圖短車計(jì)-XFC1S3(b)輸出頻率測(cè)量圖8仿真輸入輸出波形和輸出頻率測(cè)量圖8仿真結(jié)果將示波器的A端連在輸入端，B端連在輸出端。開始仿真，可 得到輸入輸出波形。結(jié)果如圖8 (a)。根據(jù)圖8可得到當(dāng)輸入電壓為69.768mM 輸出電壓為3.510V.則

17、可得出增益有50倍。雖然和要求的放大倍數(shù)有所誤差, 但在單調(diào)諧放大器回路下，結(jié)果較為理想。圖(b)中可看到輸出端的頻率有 9.999MHz,輸入端有10MHz可以看出誤差不大。說(shuō)明設(shè)計(jì)成功。實(shí)物調(diào)試數(shù)據(jù)表1輸入信號(hào)幅度與增益的關(guān)系50mV80mV100mV120mV150mV輸出信號(hào)1.60V2.16V2.50 V2.84 V3.36 V增益3227252422將信號(hào)源設(shè)定為電壓50mV頻率10MHz勺請(qǐng)況下，并把信號(hào)源接入板子的輸 入端。接著利用直流穩(wěn)壓電源，將12V的電壓接入到板子上，在輸出端接上示波 器，用以查看波形。然后在輸入不變的情況下，調(diào)節(jié)中周，使其開始振蕩，在諧 振點(diǎn)調(diào)節(jié)電位器R

18、4,得到最大輸出，從而彳#出最大增益。如表 1可知，增益隨 著輸入信號(hào)的變大有些減小的趨勢(shì)，可得出放大器在諧振點(diǎn)的時(shí)候增益最大。表2輸入信號(hào)頻率與增益的關(guān)系輸入頻率(MHz) 8.599.59.91010.1 10.5 11 11.5輸出信號(hào)(V) 0.34 0.48 0.88 1.56 1.60 1.58 0.96 0.48 0.34增益6.89.6 17.6 31.2 32 31.6 19.2 9.6 6.850Mv, 10MHz如表可以看到，在10MHz寸，增益最大。然后往兩側(cè)較小，離的越遠(yuǎn)，輸出信號(hào) 衰減的就越快。這樣可以實(shí)現(xiàn)選頻的效果。并且中心頻率在10MHz性能指標(biāo)計(jì)算由實(shí)際測(cè)得的

19、數(shù)據(jù)可以計(jì)算出：Au =Uo/Ui=32,故這個(gè)課設(shè)能實(shí)現(xiàn)32倍的放大。(2)由表2可知，在f0=10MHz時(shí)，輸出信號(hào)最大，證明正好處在諧振點(diǎn)， 故這個(gè)課設(shè)的諧振頻率為10MHz(3)通過(guò)表2,可以畫出幅頻特性曲線，得出通頻帶BW0.7 = 0.8MHz ,并且 關(guān)于f0基本對(duì)稱。誤差分析設(shè)計(jì)要求中已知電源電壓 Vcc =+1 2V ,負(fù)載電阻RL =1KOo要設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率 f。=10MHz，電壓增益人工=35dB(56倍)的高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器。與實(shí)物的電壓增益有誤差。分析導(dǎo)致誤差的原因如下：(1)、實(shí)物的實(shí)際值與理論值有一定的差距。比如實(shí)際買來(lái)的電阻、電容與仿真要求的值有差異(2)、

20、性能指標(biāo)參數(shù)的測(cè)量方法存在一定的誤差。在調(diào)諧過(guò)程中，我們通過(guò) 直接觀察波形的輸出值的大小來(lái)確定電路是否調(diào)諧。這樣調(diào)諧頻率的測(cè)量值存在 誤差的同時(shí)，放大倍數(shù)也會(huì)出現(xiàn)誤差。(3)、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的老化等也會(huì)導(dǎo)致電路調(diào)試過(guò)程出現(xiàn)誤差。心得體會(huì)此次課程設(shè)計(jì)，我與張瑩瑩、伍峰二人一組，選的課題是高頻小信號(hào)調(diào)諧放 大器。剛開始的時(shí)候，覺得小信號(hào)放大器，我們?cè)谡n堂上學(xué)習(xí)過(guò)，而且還做過(guò)實(shí) 驗(yàn)，應(yīng)該會(huì)很輕松的完成。但是動(dòng)手后才發(fā)現(xiàn)，課堂上學(xué)習(xí)的東西雖然很多，但 是我并沒有真正的理解它，所以在制作的過(guò)程中遇到了很多問題， 比如元器件的 選擇，參數(shù)的設(shè)計(jì)。但是在慢慢的摸索，和隊(duì)友的討論中，最后把仿真電路圖設(shè) 計(jì)出來(lái)。因?yàn)樵贚C諧振回路難以調(diào)試，故買了 10MHzI勺中周進(jìn)行實(shí)物制作。后 來(lái)又發(fā)現(xiàn)中周出現(xiàn)了問題，張老師知道后幫助了我們，給了我們好的中周。后面 的實(shí)物的調(diào)試時(shí)，我們沒有發(fā)現(xiàn)波形輸出，然后對(duì)板子仔細(xì)檢查。發(fā)現(xiàn)是交流地 和直流地沒有連接在一起的原因，改正后，波形出現(xiàn)，設(shè)計(jì)成功。通過(guò)這次的設(shè)計(jì)，讓我對(duì)此課題的認(rèn)識(shí)更加深刻。 也明白了：書上的知識(shí)只 是理論性，我們要先把理論性的知識(shí)學(xué)會(huì)，將其掌握，然后實(shí)踐出來(lái)，這樣才能 真正的掌握。在實(shí)踐中，我們需要不斷的嘗試，不