高频电子线路课程设计-调相信号放大.doc

目 录第一章 绪论31.设计目的 、意义31.1设计目的31.2 设计意义31.3设计内容31.3.1问题的提出31.3.2 主要技术指标31.4设计要求3第二章 基本原理42. 基本放大电路的组成及工作原理42.1放大电路的组成42.2放大电路的工作原理52.2.1无输入信号时放大器的工作情况52.2.2输入交流信号时的工作情况52.2.3输入、输出电阻72.3 放大电路分析方法112.3.1图解法11第三章 系统误差分析163 误差分析及改善措施16第四章 总结174 设计心得体会17参考文献18附录：19调相调制信号放大器专业：通信工程 姓名：马木洒 指导老师：王建华摘 要 通过组织试听、构建计算机音频测试系统并借助MAPLE软件，研究前置放大器在配接过程中的低频性能；提出响应系数l的概念。研究结果表明：由于脉冲状态的信号更接近实际音乐信号，更能反映人耳对音质的感受，用短纯音信号代替连续纯音信号对放大器系统进行客观测量和主观试听，能比较真实地反映其低频性能；前置放大器在与功率放大器配接时，l既可反映放大器系统对低频短纯音信号的瞬态反应能力，又可反映其对低频连续纯音信号的幅频特性和相频特性，因此，能较全面地表示放大器系统的低频性能；采用直接耦合的前置放大器与直接耦合式功率放大器搭配，l可趋近于理想值1，因而具有最佳的低频性能。关键字： 连续纯音信号；短纯音信号；放大器；低频性AbstractThrough organizing human evaluation on trial performances, measuring the audio frequency by a computer system specifically, and doing theoretic analysis with the aid of MAPLE software, the low frequency performance of the preamplifier during the matching course was researched. And concept of response ratio was proposed. The results show that the burst signals can be used for the objective and subjective performance evaluation on the amplifier system, it actually reflects the low frequency performance; because the burst signals sound more like actual performance, which can better meet the need of human ears for tune quality, so using tone burst signals can better reflect the actual low frequency performance of amplifier. And the ratio can reflect both the amplifier systems transient response to low frequency tone burst signals, and the amplitude-frequency and phase-frequency response characteristics of the continuous pure tone signals, and therefore it can comprehensively reflect the performance of the whole amplifier system. When a direct- coupled preamplifier is matched with a direct-coupled power amplifier, the ratio approaches 1, which means the best low frequency performance. Key words: Continuous Pure Tone Signals，Tone Burst Signals，Amplifier，Low Frequency Performance第一章 绪论1.设计目的 、意义1.1设计目的（1）掌握共射放大电路的信号放大的原理及设计方法。 （2）掌握晶体放大器的放大电路静态工作点和动态工作点的分析计算。 （3）了解晶体管共射放大电路集成信号放大器的工作原理及应用。 （4）能够使用电路仿真软件进行电路调试。 1.2 设计意义 晶体管低频放大器 晶体管低频放大器主要是用来放大低频小信号电压的放大器，频率从几十赫到一百千赫左右 一、晶体管的偏置电路 为了使放大器获得线性的放大作用，晶体管不仅须有一个合适的静态工作点，而且必须使工作点稳定。由于温度对管子参数、Icbo、Ube的影响，最终都集中反映在Ic的变化上，为了消除这种影响，我们通过晶体管偏置的直流或电压的负反馈作用使静态工作点稳定下来，二、放大器的三种地形式放大器是一种三端电路，其中必有一个端是输入和输出的共同“地”端，如果这个共“地”端接于发射极的，称为共射电路，接于集电极的，称为共集电路，接于基极的，称为共基电路，这三种有不同的性能，见下表三种接地形式电路及其性能比较电路电压放大倍数 电流放大倍数输入电阻输出电阻 共射电路 10-100大10-1000 大 100-50K 中 10K-500K中共集电路 0.9-0.999小10-1000大 因负载不同，可达50M左右大1-100小共基电路100-10000（实用）大0.9-0.999小10-500左右小500K-5M大三、图解法所谓图解法，就是利用晶体管输入和输出的特性曲线，通过作图来分析放大器性能的方法，图解法能直观和全面地表明三极管放大的工作过程，并能计算放大器的某些性能指标。1.3设计内容 1.3.1问题的提出设计一个信号放大器使得微弱的小信号能够变成较大的信号。1.3.2 主要技术指标 放大倍数： 输入电阻： 输出电阻： 失 真 ：1.4设计要求根据技术指标要求及实验室条件自选方案设计出原理电路图，分析工作原理。（1） 提出具体设计方案。（2） 给出所设计电路的原理图。（3） 进行电路Multisim的设计。第二章 基本原理2. 基本放大电路的组成及工作原理2.1放大电路的组成 在生产实践和科学研究中需要利用放大电路放大微弱的信号，以便观察、测量和利用。一个基本放大电路必须有如图2.1.1(a)所示各组成部分：输入信号源、晶体三极管、输出负载以及直流电源和相应的偏置电路。其中，直流电源和相应的偏置电路用来为晶体三极管提供静态工作点，以保证晶体三极管工作在放大区。就双极型晶体三极管而言，就是保证发射结正偏，集电结反偏。输入信号源一般是将非电量变为电量的换能器，如各种传感器，将声音变换为电信号的话筒，将图像变换为电信号的摄像管等。它所提供的电压信号或电流信号就是基本放大电路的输入信号。 图2.1.1（b）是最简单的共发射极组态放大器的电路原理图。我们先介绍各部件的作用。 1. 晶体管V 2. 直流电源Ucc 3. 基极偏流电阻Rb 4. 集电极电阻Rc 5. 耦合电容C1、 C2 2.2放大电路的工作原理 共射放大电路原理图 交流等效电路图在上两图所示基本放大电路中，我们只要适当选取Rb、Rc和Ucc的值，三极管就能够工作在放大区。下面我们以它为例，分析放大电路的工作原理。2.2.1无输入信号时放大器的工作情况在图2.1.1(b)所示的基本放大电路中，在接通直流电源Ucc后，当ui=0时, 由于基极偏流电阻Rb的作用，晶体管基极就有正向偏流IB流过，由于晶体管的电流放大作用，那么集电极电流IC=IB，集电极电流在集电极电阻Rc上形成的压降为Uc=IcRc。 显然, 晶体管集电极-发射极间的管压降为Uce=Ucc-IcRc。当ui=0时，放大电路处于静态或叫处于直流工作状态,这时的基极电流IB、集电极电流Ic和集电极发射极电压Uce用Ib、IcQ、UceQ表示。它们在三极管特性曲线上所确定的点就称为静态工作点，其习惯上用Q表示。这些电压和电流值都是在无信号输入时的数值，所以叫静态电压和静态电流。 2.2.2输入交流信号时的工作情况当在放大器的输入端加入正弦交流信号电压ui时，信号电压ui将和静态正偏压Uce相串连作用于晶体管发射结上，加在发射结上的电压瞬时值为rube=Ube+ui如果选择适当的静态电压值和静态电流值，输入信号电压的幅值又限制在一定范围之内，则在信号的整个周期内，发射结上的电压均能处于输入特性曲线的直线部分，如图2.1.2(a)，此时基极电流的瞬时值将随uBE变化，如图2.1.2(b)。基极电流iB由两部分组成,一个是固定不变的静态基极电流IB；一个是作正弦变化的交流基极电流ib。 iB=Ib+ib由于晶体管的电流放大作用，集电极电流iC将随基极电流iB变化，如图2.1.2（c）所示。 同样，iC也由两部分组成：一个是固定不变的静态集电极电流Ic；一个是作正弦变化的交流集电极电流ic。其瞬时值为 iC=Ic+ic （2.1.2 ）现在讨论集电极电阻Rc上的电压降uRc。因为uRc=iCRc,所以它要随iC变化，如图2.1.2（d）所示。由于UCC=iCRc+uCE，所以在图2.1.2(d)上，管压降的瞬时值uCE相当于UCC虚线下面的空白部分。把它单独画出，如图2.1.2(e)所示。显然，uCE也由两部分组成：一个是固定不变的静态管压降UCE， 另一个是作正弦变化的交流集电极-发射极电压uce。 如果负载电阻RL通过耦合电容C2接到晶体管的集电极-发射极之间，则由于电容C2的隔直作用，负载电阻RL上就不会出现直流电压。但对交流信号uce，很容易通过隔直电容C2加到负载电阻RL上，形成输出电压uo。如果电容C2的容量足够大，则对交流信号的容抗很小，忽略其上的压降，则管压降的交流成分就是负载上的输出电压，因此有 uo=uce （2.1.3）把输出电压uo和输入信号电压ui进行对比，我们可以得到如下结论： (1) 输出电压的波形和输入信号电压的波形相同，只是输出电压幅度比输入电压大。 (2) 输出电压与输入信号电压相位差为180°。 通过以上分析可知, 放大电路工作原理实质是用微弱的信号电压ui通过三极管的控制作用去控制三极管集电极电流iC，iC在RL上形成压降作为输出电压。iC是直流电源UCC提供的。因此三极管的输出功率实际上是利用三极管的控制作用，直流电能转化成交流电能的功率。2.2.3输入、输出电阻对于输入信号源，可把放大器当作它的负载，用ri表示，称为放大器的输入电阻。其定义的放大器输入端信号电压对电流的比值，即 （2.1.4） 对于输出负载RL，可把放大器当作它的信号源，用相应的电压源或电流源等效电路表示，如图2.1.4（a）和（b）所示。图中Ui是将RL移去，Us或者Is在放大器输出端产生的开路电压。In是将RL短接，Us或者Is在放大器输出端产生的短路电流。ro是等效电流源或电压源的内阻，也就是放大器的输出电阻。 它是在放大器中的独立电压源短路或独立电流源开路、保留受控源的情况下，从RL两端向放大器看进去所呈现的电阻。因此假如在放大器输出端外加信号电压U，计算出由U产生的电流I，则ro=U/I, 如图2.1.4（c）。 ro，ri只是等效意义上的电阻。如在放大器内部有电抗元件，ro，ri应为复值。2.2.4增益增益，又称为放大倍数，用来衡量放大器放大信号的能力。有电压增益、电流增益、功率增益等。 1） 电流、电压增益电压增益用Au表示，定义为放大器输出信号电压与输入信号电压的比值。 即 又所以同样，电流增益Ai和源电流增益Ais分别定义为 又所以 2） 功率增益 功率增益表示放大器放大信号功率的能力，定义为 一个信号源能够提供的最大功率，就是信号源加到匹配负载上的功率，我们定义为信号源额定功率, 它是度量信号源功率容量大小的参数。负载能否得到这么大的功率，取决于负载是否与信号源内阻匹配。额定功率与负载大小无关，而实际得到的功率则与负载大小有关。 放大器的额定功率增益是指放大器输出额定功率PAo与输入信号源额定功率PAs的比值。在图2.1.4中，令ri=rs，那么输入信号源的额定功率为放大器的输出额定功率为则放大器的额定功率增益为 式中，Auso=Ut/Us是负载RL断开时放大器的源电压增益。 由上可知，GPA与放大器输出端所接负载大小无关，但和输入端是否与信号源内阻匹配有关。输入端匹配时，放大器输入端得到的功率最大。相应的输出额定功率PAo最大，这时，GPA最大。 3）频率失真 因放大电路一般含有电抗元件，所以对于不同频率的输入信号, 放大器具有不同的放大能力。相应的增益是频率的复函数。即 上式中，A()是增益的幅值,A()是增益的相角，都是频率的函数。我们将幅值随变化的特性称为放大器的幅频特性，其相应的曲线称为幅频特性曲线; 相角随变化的特性称为放大器的相频特性，其相应的曲线称为相频特性曲线。它们分别如图2.1.5（a）和（b）所示。 在工程上，一个实际输入信号包含许多频率分量，放大器不能对所有频率分量进行等增益放大，那么合成的输出信号波形就与输入信号不同。这种波形失真称为放大器的频率失真。要把这种失真限制在允许值范围内，则放大器频率响应曲线中平坦部分的带宽应大于输入信号的频率宽度。 4）非线性失真 非线性失真主要由晶体三极管伏安特性曲线的非线性产生。假如输入信号为正弦信号电压Ug=Ugmsint时，由于非线性失真，输出集电极电流波形就将是非正弦的，该波形可分解为众多频率分量。基波分量为不失真分量，假设它的振幅为Ic1m；二次及其以上各次谐波分量为失真分量，假设他们的振幅分别为Ickm（k=2， 3， 4，），则衡量放大器非线性失真大小的非线性失真系数定义为THD，即 2.3 放大电路分析方法前面我们对放大电路进行了定性分析，本节将介绍对放大电路进行定量分析计算的方法。对一个放大电路进行定量分析，不外乎做两方面工作：第一，确定静态工作点；第二，计算放大电路在有信号输入时的放大倍数、输入阻抗、输出阻抗等。常用的分析方法有两种：图解法和微变等效电路法。 在分析放大电路时，为了简便起见，往往把直流分量和交流分量分开处理， 这就需要分别画出它们的直流通路和交流通路。分析静态时用直流通路，分析动态时用交流通路。在画直流通路和交流通路时，应遵循下列原则：(1)对直流通路，电感可视为短路，电容可视为开路；(2) 对交流通路，若直流电源内阻很小,则其上交流压降很小，可把它看成短路；若电容在交流通过时，交流压降很小，可把它看成短路。2.3.1图解法 在三极管特性曲线上，用作图的方法来分析放大电路的工作情况，称为图解法。其优点是直观，物理意义清楚。 1. 作直流负载线确定静态工作点 1) 直流负载线作法 我们把图 2.2.1 的基本放大电路输出回路的直流通路，画成如图 2.2.2(a)所示,用AB把它分为两部分。右边是线性电路，端电压uCE和电流iC必然遵从电源的输出特性，满足： uCE=UCC-iCRc若在uCE和iC的平面中，显然上式代表的是一条直线方程， 在UCC选定后，这条直线就完全由直流负载电阻Rc确定，所以把这条线叫做直流负载线。它代表了外电路的电流和电压之间的关系。 直流负载线的作法，一般是先找两个特殊点：当iC=0时，uCE=UCC(M点)；当uCE=0时，iC=UCC/Rc(N点)，我们将MN连起来，就得到如图 2.2.2(c)中直线MN，也就是放大电路直流负载线。直流负载线的斜率2) 确定静态工作点 图 2.2.2(a)左边是三极管的非线性电路,电压uCE和电流iC遵从三极管的输出特性曲线。在静态时，iB为不变的值，所以它们只能在图 2.2.2(b)中的曲线族的某一条曲线上变化。 iC是两边同一支路的电流，uCE是两边共同两点的电压，它们既遵从直流负载线又遵从一条输出特性曲线，所以我们可以把直流负载线MN移到三极管输出特性曲线上去，这样得到了图 2.2.2(d)，剩下的工作就是确定一条输出特性曲线，该曲线与直流负载线的交点，就是静态工作点。我们知道当已知静态电压Ube时，可以从输入特性曲线图 2.2.2(e)中找到静态电流iB,依iB便确定了输出特性曲线为图 2.2.2(d)中的某一条，该曲线与MN的交点Q就是静态工作点，Q所对应的静态值IcQ、IbQ和UceQ也就求出来了。 但uBE一般不容易得到确定的值，因此求IbQ一般不用图解法，而用近似公式2. 放大器的非线性失真和静态工作点的选择 三极管的非线性表现在输入特性的弯曲部分和输出特性间距的不均匀部分。如果输入信号的幅值比较大，将使iB、iC和uCE正、负半周不对称，产生非线性失真，如图2.2.7所示。 静态工作点的位置不合适，也会产生严重的失真，大信号输入尤其如此。如果静态工作点选得太低，在输入特性上，信号电压的负半周有一部分在阈电压以下，管子进入截止区，使iB的负半周被“削”去一部分。iB已为失真波形，结果使iC负半周和uCE的正半周(对NPN型管而言)被“削”去相应的部分输出电压uO(uCE)的波形出现顶部失真，如图 2.2.8(a)所示。因为这种失真是三极管在信号的某一段时间内截止而产生的，所以称为截止失真。如果静态工作点选得太高，尽管iB波形完好，但在输出特性上，信号的摆动范围有一部分进入饱和区，结果使iC的正半周和uCE的负半周(对NPN管)被“削”去一部分，输出电压uO(uCE)的波形出现底部失真，如图 2.2.8(b)所示。 因为这种失真是三极管在信号的某一段内饱和而产生的，所以称为饱和失真。PNP型三极管的输出电压uO的波形失真现象与NPN型三极管的相反。 对一个放大电路，希望它的输出信号能正确地反映输入信号的变化，也就是要求波形失真小，否则就失去了放大的意义。由于输出信号波形与静态工作点有密切的关系，所以静态工作点的设置要合理。所谓合理，即Q点的位置应使三极管各极电流、电压的变化量处于特性曲线的线性范围内。具体地说，如果输入信号幅值比较大，Q点应选在交流负载线的中央；如果输入信号幅值比较小，从减小电源的消耗考虑，Q点应尽量低一些第三章 系统误差分析3 误差分析及改善措施 放大器在实际上时，电源电压的波动、元件的老化及温度变化等，都会造成静态工作点的不稳定，从而影响正常工作。在这些因素中，温度变化是最主要的，当温度上升时共射极放大电路的Q点将发生变化：1）发射结电压Ube下降，在外加电压和电阻不变的情况下，使基极电流Ib上升。2）三极管的电流放大倍数增大，在输出特性曲线图上，曲线间的距离随温度升高而增大。在固定偏流的电路中，温度对Ube、Icbo、的影响，均将使IC随温度上升而增加，这将会影响三极管的工作状态，当更换值不同的三极管时，由于Ibe 固定，则ICQ会随的变化而变化，导致放大电路工作不稳定。分压式偏置电路使工作点稳定，在电路中引入自动调节机制，用Ib的相反变化去自制Ic的变化，从而使IcQ稳定。为保证工作点稳定，在本电路设计RB1、RB2取值较小，即流过RB1的电流I1比IbQ大得多。由于Ub不变，而Ue随温度升高而加大，则发射结电压Ube=Ub-Ue将随温度升高而减小。Ube 减小，导致Ib减小，Ib减小又使Ic回落，即IcQ的值就不会有太大的变化了,为了使B点电位UB稳定，设计电路时，可使流过RB1的电流I1比IbQ大许多倍。第四章 总结4 设计心得体会 本文是在导师王老师的悉心指导下完成的。承王老师的亲切关怀和精心指导，虽然有繁忙的工作，但仍抽出时间给予我学术上的知道和帮助，特别是给我提供了良好的学习环境，使我从中获益不浅，王老师对学生认真负责的态度、敏锐的学术洞察力、勤勉的工作作风以及勇于创新、勇于开拓的精神是我永远学习的榜样。在此，谨向王老师致以深深的敬意和由衷的感谢。最后，感谢所有关心我、支持我和帮助过我的同学、朋友、老师。在这里，我仅用一句话来表明我无法言语的心情：感谢你们！经过半个月的忙碌和工作，本次课程设计已经接近尾声，作为一个大学生的课程设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 其次要感谢和我一起作设计的吴唯毅同学，他在本次设计中勤奋工作，克服了许多困难来完成此次课程设计，并承担了不少的工作量。如果没有他们的努力工作，此次设计的完成将变得非常困难。通过这次课程设计，我对调相调制低频信号放大器有了更高的认识有了更高的认识和知识扩展，这次设计知识自己的遇见定有许多的不足之处，希望老师给与指出并加以修改，争取尽最大力做好，同时感谢在设计过程中，老师和同学给与莫大的帮助，是我能顺利完成这次课程设计。参考文献【1】严国萍通信电子线路北京：科学出版社2009年8月 。【2】华成英 童诗白模拟电子技术基础北京：高等教育出版社（第四版）2006.1。【3】吴学芬 王其红 余辉晴模拟电子技术教程北京：电子工业出版社 2006.6。【4】高如云 陆曼茹 张企民 孙万蓉通信电子线路西安电子科技大学出版社（第二版）。【5】潭博学、苗江静集成电路原理及应用北京：电子工业出版社2003.9。 【6】孙肖子 张企民模拟电子技术基础西安电子科技大学出版社。附录：调相 调 制 全 图19