高频小信号放大电路课程设计

通信基本电路课程设计报告设计题目：高频小信号放大电路专业班级学号学生姓名指导教师教师评分-1-目录一、设计任务与要求………………………………….………………………..2二、总体方案…………….………………………….…………………………..2三、设计内容…………………………….………….…………………………..23.1电路工作原理………………………………..………………….……….33.1.1电路原理图……………………………………………………….33.1.2高频小信号放大电路分析……………......….……….………….33.2主要技术指标…………………………………...………….……………63.3仿真结果与分析……………………………………………..…….……10四、总结及体会…………………………………………………………………12五、主要参考文献………………………………………………………………13-2-一、设计任务与要求1、主要内容根据高频电子线路课程所学内容，设计一个高频小信号谐振放大器。通过在电路设计中发现问题、解决问题，掌握小信号谐振放大器的基本设计方法，加深对该门课程的理论知识的理解，提高电子实践能力。2、基本要求设计一个小信号谐振放大器，主要技术指标为：(1)谐振频率04MHzf；(2)谐振电压放大倍数04060dBvdBA；(3)通频带300HzBWK。二、总体方案小信号调谐放大器是各种电子设备、发射和接收机中广泛应用的一种电压放大器。其主要特点是晶体管的输入输出回路（即负载）不是纯电阻，而是由L、C元件组成的并联谐振回路。小信号调谐放大器的类型很多，按调谐回路区分：有单调谐回路，双调谐回路和参差调谐回路放大器。按晶体管连接方法区分：有共基极、共发射极和共集电极放大器。高频小信号谐振放大器的作用、电路组成、及工作原理，与低频小信号放大电路是基本一致的。不同的是：一是在高频小信号谐振放大器中，所放大信号的频率远比低频放大电路信号频率高；二是高频小信号谐振放大器的频宽是窄带（要求只放大某一中心频率的载波信号）。因此，首先在电路组成上应将低频放大电路中的低频三极管换成具有更高功率晶体管和LC并联谐振回路。三、设计内容1.电路工作原理-3-电路原理图如图1：图1高频小信号谐振放大器multisim电路分析电路：（1）增益要高，即放大倍数要大。（2）频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用Q值来表示，其频率特性曲线如图2所示,带宽BW=f2-f1=2Δf0.7，品质因数Q=f0/2Δf0.7.-4-图2频率特性曲线（3）工作稳定可靠，即要求放大器的性能尽可能地不受温度、电源电压等外界因素变化的影响，内部噪声要小，特别是不产生自激，加入负反馈可以改善放大器的性能。前后级之间的阻抗匹配，即把各级联接起来之后仍有较大的增益，同时，各级之间不能产生明显的相互干扰。根据上面各个具体环节的考虑设计出下面总体的电路：图3所示电路为共发射极接法的晶体管小信号调谐回路谐振放大器。其等效电路如下图图4。本电路不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数会影响放大器的输出信号的频率或相位。晶体管的静态工作点由电阻RB1和RB2以及RE决定，其计算方法与低频单管放大器相同。图3谐振放大器的电路-5-图4谐振放大器电路的等效电路放大器在谐振时的等效电路如图4所示，晶体管的4个y参数分别如下：输入导纳：输出导纳：正向传输导纳：反向传输导纳：式中为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为：，为发射结电导，与晶体管的电流放大系数及有关，其关系为：。为基极体电阻，一般为几十欧姆；为集电极电容，一般为几皮法；为发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。-6-晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作点的电流，电流放大系数有关外，还与工作角频率w有关。晶体管手册中给出了的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得的。图4所示的等效电路中，p1为晶体管的集电极接入系数，即式中，N2为电感L线圈的总匝数；p2为输出变压器Tr0的副边与原边匝数比，即式中，N3为副边总匝数。为谐振放大器输出负载的电导，。通常小信号谐振放大器的下一级仍为晶体管谐振放大器，则将是下一级晶体管的输入电导。由图可见，并联谐振回路的总电导的表达式为22221221211ocieoocLogpgpgjCGpgpgjCGjLjL式中，为LC回路本身的损耗电导。我们知道，无线通信接收设备的接收天线接收从空间传来的电磁波并感应出的高频信号的电压幅度是（μV）到几毫伏（mV），而接收电路中的检波器（或鉴频器）的输入电压的幅值要求较高，最好在1V左右。这就需要在检波前进行高频放大和中频放大。为此，我们就需要设计高频小信号放大器，完成对天线所接受的微弱信号进行选择并放大，即从众多的无线电波信号中，选出需要的频率信号并加以放大，而对其它无用信号、干扰与噪声进行抑制，以提高信号的幅度与质量。2.主要技术指标-7-图5小信号放大器分析电路如上图图5所示，输入信号由高频小信号发生器提供，高频电压表，分别用于测量输入信号与输出信号的值。直流毫安表mA用于测量放大器的集电极电流ic的值，示波器监测负载RL两端输出波形。表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率f0，谐振电压放大系数Avo，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1），采用图5所示电路可以粗略测各项指标。谐振放大器的性能指标及测量方法如下。(1)谐振频率放大器的谐振回路谐振时所对应的频率f0称为谐振频率。f0的表达式为：式中，L为谐振放大器电路的电感线圈的电感量；为谐路的总电容，的表达式为：式中，为晶体管的输出电容；为晶体管的输入电容。谐振频率f0的测试步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为f0，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变电容C或电感L使回路谐振。LC并联谐振时，直流毫安表mA的指示为最小（当放大器工作在丙类状态时），电压表-8-V2指示值达到最大，且输出波形无明显失真。这时回路谐振频率就等于信号发生器的输出频率。(2)电压增益放大器的谐振回路所对应的电压放大倍数Avo称为谐振放大器的电压增益.Avo的表达式为：Avo的测量电路如上图所示，测量条件是放大器的谐振回路处于谐振状态。Avo计算公式如下：(3)通频带由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数Av下降到谐振电压放大倍数Avo的0.707倍时所对应的频率范围称为放大器的通频带BW，其表达式为：式中，为谐振放大器的有载品质因素。分析表明，放大器的谐振电压放大倍数Avo与通频带BW的关系为：上式说明，当晶体管确定，且回路总电容为定值时，谐振电压放大倍数Avo与通频带BW的乘积为一常数。通频带的测量电路如图所示。可通过测量放大器的频率特性曲线来求通频带。采用逐点法的测量步骤是：先使调谐放大器的谐振回路产生谐振，记下此时的f0与Avo，然后改变高频信号发生器的频率（保持Vs不变），并测出对应的电压放大倍数Av，由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的频率特性曲线如图4所示：-9-图6放大器的频率选择性曲线由BW得表达式可知：通频带越宽的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频带，同时又能提高放大器的电压增益，由式可知，除了选用yfe较大的晶体管外，还应尽量减少调谐回路的总电容量。(4)矩形系数谐振放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kr0.1来表示，如上图所示，矩形系数Kr0.1为电压放大倍数下降到0.1Avo时对应的频率范围与电压放大倍数下降到0.707Avo时对应的频率偏移之比，即上式表明，矩形系数Kr0.1越接近1，临近波道的选择性越好，滤除干扰信号的能力越强。可以通过测量谐振放大器的频率特性曲线来求得矩形波系数Kr0.1。(5)噪声系数信噪比：用来表示噪声对信号的影响程度，电路中某处信号功率与噪声功率之比称为信噪比。信噪比大，表示信号功率大，噪声功率小，信号受噪声影响小，信号质量好。噪声系数：用来衡量放大器噪声对信号质量的影响程度，输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值称为噪声系数。在多级放大器中，最前面一、二级对-10-整个放大器的噪声起决定性作用，因此要求它们的噪声系数尽量接近1。3.电路仿真按要求所做multisim仿真图如图5。打开multisim软件，连接电路。无信号接入时测量，静态工作点电压如下图：R3有效比例25%接入信号发生器，观察示波器输入输出波形，通过调节C4大小来使谐振频率在4MHz左右，C4=160pF。利用仪器测得各指标如下：Vo=13.96v；Vi=5.485mv。Avo=68dB。示波器波形如下：-11-.有扫频仪（波特图示仪）得出放大器的频率选择性曲线图如下：由图可知通频带BW=得-12-BW=5.099-3.193=1.960MHz。根据图可以知道fh与fl取对应值时，Ao分别取39.344和38.292（由于分辨率问题），误差定在允许范围里，仿真测量所得数据符合要求。在误差允许范围内，中心频率的理论值与实际值基本一致，在放大器处于谐振状态下电压放大倍数Avo放大倍数与理论值有一定的差距。分析设计总结导致误差的原因如下：（1）实物的实际值与理论值有一定的差距。如电阻电容的理论值与标称值存在一些差异，并且电阻电容的标称值也有一定的误差。如：通过计算RB2要买18k的电阻，市场里没有就只好算个范围买个20k的，而买回来测只有19k多点。（2）晶体管数据为查表所得，而由于分布参数的影响，晶体管手册中给出的分布参数一般都是在测试条件一定的情况下测得的。且分布参数还与静态工作电流及电流放大系数有关。放大器的各项技术指标满足设计要求后的元器件参数值与设计计算值有一定的偏离。（3）性能指标参数的测量方法存在一定的误差。如在调谐过程中，我们通过直接观察波形的输出值的大小来确定电路是否调谐。这样调谐频率的测量值存在误差的同时，放大倍数的测量值也会产生误差。这属于系统误差，也许可以通过使用别的电路可以减小误差。四、总结及体会这次高频电子线路课程设计时间虽然很短暂，但是让我又一次重新温习了大三所学过的高频课程的主要内容，整个的知识体系。在课程设计过程中，我特别的学习和研究了高频小信号调谐放大器的设计方法，掌握高频单调谐放大器的等效电路、性能指标要求及分析设计，掌握中心频率0f和电压增益uA的测试方法。在实施课程设计的过程中我加深了对Multisim软件的使用，电路图的绘制以及仿真测试。在设计过程中也会遇到很多问题，通过自己查阅资料和同组同学相互探讨，克服困难。最终，顺利的完成了课程设计。-13-五、主要参考文献[1]张肃文.高频电子线路（第四版）[M].北京：高等教育出版社,2004[2]张肃文.高频电子线路（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2009[3]曾兴雯，刘乃安，陈健.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,2006-14--15--16--17--18-截止频率的高频三极管，将集电极负载换成了LC并联回路；并通过耦合，把电压再次增大，增强放大效果。再是在电路分析与设计中，应重点考虑电路的高频特性与选频特性。高频小信号谐振放大器的核心元件是高频小