高频小信号谐振放大器课程设计实验报告概要

湖南工程学院课程设计课程名称通信电子线路课程设计课题名称高频小信号谐振放大器设计专业电子科学与技术班级学号姓名指导教师刘正青2014年3月4日1湖南工程学院课程设计任务书课程名称通信电子线路课程设计题目高频小信号谐振放大器设计专业班级学生姓名学号指导老师刘正青审批任务书下达日期：2014年2月24日星期一设计完成日期：2014年3月7日星期五2设计内容与设计要求一、设计内容：设计高频小信号谐振放大器：+Vcc=+9V，晶体管为3DG100C，β=50，查手册得rb,b=70Ω,Cb,c=3pF。当IE=1mA时，Cb,e=25pF，L≈4uH，测得N2=20匝，p1=0.25，p2=0.25，RL=1kΩ。技术指标：谐振频率fo=10.7MHz，谐振电压放大倍数AVO≥20dB，通频带BW=1MHz二、设计要求：1、通过具体计算，选择器件给出设计电路；2、给出最终实现电路；3、进行仿真效验4、写出设计报告；3主要设计条件提供计算机和必要的实验仪器说明书格式1．课程设计报告书封面；2．任务书；3．说明书目录；4．电路具体设计计算；5．仿真结果及结论；6．最终电路的确定；7．设计体会；8．参考文献。4进度安排第一周：星期一：安排任务、讲课；星期二～星期五：查资料、设计；第二周：星期一～星期二：实验系统调试；星期三～星期四：写总结报告星期五：答辩。参考文献根据各自查阅情况填写5目录第一章设计总体思路及其计算.........................................11.1电路的功能..................................................11.2电路的基本原理..............................................11.3设计思路及测量方法..........................................3(1)谐振频率..................................................3(2)电压增益.................................................4(3)通频带....................................................4(4)矩形系数..................................................5第二章仿真结果及其说明.............................................52.1设置静态工作点..............................................52.2计算谐振回路参数.............................................52.3利用Multisim对电路的仿真图.................................62.4设计结果与分析..............................................7第三章设计体会.....................................................9第四章参考文献.....................................................91高频小信号谐振放大器设计第一章设计总体思路及其计算1.1电路的功能高频小信号放大器的作用是无失真的放大某一频率范围内的信号。按其频带宽度可以分为窄带和宽带放大器。高频小信号放大器是通信电子设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫。高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。1.2电路的基本原理图1晶体管高频小信号单极单调谐回路谐振放大器图1所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号单极单调谐回路谐振放大器。它不仅放可以大高频信号，而且还有一定的选频作用，因此，晶体管的集电2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等会影响放大器射出信号的频率或相位。放大器在谐振时的等效电路如图2所示，晶体管的4个y参数分别为：输入导纳：bbebebbbebcbmbbcbceoerCjgrCjggrCjgy)1(输出导纳：bbebebbbebebierCjgrCjgy)1(正向传输导纳：bbebebbbmferCjgrgy)1(反向传输导纳：bbebebbbcbcbrerCjgrCjgy)1(式中mg为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为：6*SmigAem图2谐振放大器的高频等效电路晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流ei、电流放大系数有关外，还与工作角频率有关。晶体管手册中给出的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得的。如在条件下测的2SC945的y参数：msriegie21msroegoe250140feypFcie12pFcoe4350fey3如图所示等效电路中，1p为晶体管的集电极接入系数，即：211NNp式中，2n为电感L线圈的总匝数；2p为输出变压器roT的副边与原边的匝数比，即：232NNp式中，3n为副边的总匝数；Lg为谐振放大器输出负载的电导，11GgL。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Lg将是下一级晶体管的输出电导2ieg。可见并联谐振回路的总电导：oieoegljcjgpgpg1222211.3设计思路及测量方法图中输入信号SV由高频信号发生器提供，高频电压表1V、2V分别用于测量放大器是输入电压iV与输出电压OV的值。直流毫安表mA用于测量放大器的集电极电流ci的值，示波器监测负载LR两端的输出波形。谐振放大器的各项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是所对应的频率0f称为谐振频率。对于图所示电，0f的表达式为：LCf210式中，L为谐振回路电感线圈的电感量；C为谐振回路的总电容,C的表达式为ieoeCPCPCC2221式中，oeC为晶体管的输出电容；ieC为晶体管的输入电容。LC并联回路谐振时，直流毫安表mA的指示值为最小，电压表2V的指示4值达到最大，且输出波形无明显失真。这是回路的谐振频率就等于信号发生器的输出频率。由于分布参数的影响，有时谐振回路的输出电流的最小值与输出电压的最大值不一定同时出现，这时视电压表的指示值达到最大时的状态为谐振回路处于谐振状态。(2)电压增益谐振回路谐振时所对应的电压放大倍数VOA称为谐振放大器的电压增益。VOA的测量电路如图所示，测量条件是放大器的谐振回路处于谐振状态，当回路谐振时分别记下输出端电压表2V的读数OV及输入端电压表1V的读数1V，则电压放大倍数VOA由下式计算：ioVOVVA(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VA下降到谐振电压放大倍数VOA的0.707倍时所对应的频率范围称为放大通频带BW，其表达式为：LOQfBW。式中，LQ为谐振回路的有载品质因数。通频带BW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。测量方法有扫频法和逐点法。21ffBW图3频率特性曲线5(4)矩形系数谐振放大器的选择性可用谐曲线的矩形系数1.0rK来表示，如图所示，矩形系数1.0rK为电压放大倍数下降到VOA1.0时对应的频率范围与电压放大倍数下降到VOA707.0时对应的频率偏移之比，即7.01.01.022ffKr可以通过测量谐振放大器的频率特性曲线来求得矩形系数1.0rK。第二章仿真结果及其说明2.1设置静态工作点1bR可用30K电阻和100K电位器串联，以便调整静态工作点。2.2计算谐振回路参数msjmsCjgrCgymsSmAIgmsSmAIgebebbbebebieEmEeb5.196.0)(1382677.026''''''因为ieieieCjgy，所以msjmsCjCjgrgrCjypFmsCKgrmsgebebebbbmbbcboeieieieie5.006.0)(1235.11196.0''''''因为oeoeoeCjgy，所以msjmsCjgrgypFmsCmsyebebbbmfeoeoe1.437)(175.006.0'''6故模msyfe37)4137(5.022总电容为：pFLfCo2.55)2(12C∑=1/（2πf0）^2L=55.2pF回路电容pFCPCPCCieoe3.532221取标称值51pF求出耦合变压器的的一原边抽头匝数1N及副边匝数3N，即5211NPN匝5322NPN匝2.3利用Multisim对电路的仿真图将元件参数值进行安装。先调整放大器的静态工作点，然后再调谐振回路使其谐振。图4是高频谐振放大器的测试电路设计图。图4高频谐振放大器电路图调整静态工作点，不加输入信号，将1C的左端接地，将谐振回路的电容C开路，这时用万用表测量电阻ER两端的电压，调整电阻1BR使VVBQ5.1。记下此时电路的1BR值及静态工作点BQV、CBQV、EQV及BQI。谐振回路使其谐振的，按图4所示的电路接入高频电压表1V、2V，直流毫7安表mA及示波器。再将信号发生器的输入频率置于if=10.7MHz，输出电压iV=5mV。为避免谐振回路失谐引起的高反向电压损坏晶体管，可先将电源电压+CCV降低，如使+CCV=+6V。调输出耦合变压器的磁芯使回路谐振，即电压表2V的指示值达到最大，毫安表mA的指示值为最小且输出波形无明显失真。回路处于谐振状态后，再将电源电压恢复至+9V。由于分布参数的影响，放大器的各项技术指标满足设计要求后的元件参数值与设计计算值有一定偏离。需要反复调整输出耦合变压器的磁芯位置才能使谐振回路处于谐振状态。2.4设计结果与分析以下是利用Multisim软件仿真高频谐振放大器电路的效果图。图5和图6分别是利用示波器对电源、负载电阻所测的效果图，通过两个图的比较可以看出电路的确达到了放大的作用。Auo=20lg(vo/vi)=20*lg(1.955/0.09)=26.77=20db8波特图测试如下Bw=8.565—8.059=0.57MHz通过上图的比较可以看出放大电路的确起到放大作用。电流源配置图9第三章设计体会为期两周的课程设计接近尾声，虽然结果还有诸多不足之处，但在这过程中我收获到很多。本次设计通过对高频电子电路的学习使用Multisim软件设计了一个高频小信号谐振放大器，从起初的茫然到不断查资料，不断充实自己，不断改进，最终有了一定成效这确实是一件令人愉悦的事情。在设计过程中遇到问题，我有先尝试自己思考解决，也有与同学老师交流，对于自己也是一个很大的提升。也十分感谢刘老师对我们的帮助，并不是单纯的指出问题所在，告诉答案，而是引导我们如何自行解决问题，如何进行思考将理论和实践联系起来。理论结合实际，充分利用手边资源自我完善，我想这对我们以后的学习有很大的促进作用。在下阶段的学习中我一定会更加努力。第四章参考文献[1]高吉祥高频电子电路(第3版)[M].电子工业出版社[2]刘正青通信电子线路实验指导书湖南工程学院电气信息学院电气与信息工程系课程设计评分表项目评价优良中及格差设计方案的合理性与创造性(10%)硬件设计或软件编程完成情况(10%)硬件测试或软件调试结果*(10%)设计说明书质量(10%)设计图纸质量(10%)答辩汇报的条理性和独特见解(10%)答辩中对所提问题的回答情况