高频课程设计说明书-高频小信号谐振放大器的设计.doc

课程名称：高频电子线路设计题目：高频小信号谐振放大器的设计院 系：电气与信息工程系学生姓名：学 号：专业班级：电子0803班小组成员：指导老师：日 期：2010年12月 摘 要高频谐振放大电路关键词： 1.谐振频率 2.电压增益 3.通频带 -4.矩形系数 学生应完成的工作：要求有课程设计说明书，并对总个所设计系统进行仿真调试，说明书中要有仿真结果和调试环节。工作计划： 1.确定电路形式。2.设置静态工作点。3.计算谐振回路的参数。4.确定输入耦合回路及高频滤波电容。5.电路的安装与调试。 课程设计（论文）课题任务书系： 电气与信息工程 专业： 电子信息工程 指导教师学生姓名课题名称高频小信号谐振放大器内容及任务已知条件：电源电压，负载电阻。主要技术指标：中心频率，电压增益。课程设计要求：要求有课程设计说明书，并制作出实际电路。实验仪器设备： 高频信号发生器 1台 数字存储示波器 1台 无感起子 1把 数字万用表 1台 12V直流稳压电源 1台拟达到的要求或技术指标进度安排起止日期工作内容备注主要参考资料设计任务说明一、设计目的1. 了解LC串联谐振回路和并联谐振回路的选频原理和回路参数对回路特性的影响；2. 掌握高频单调谐放大器的构成和工作原理；3. 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；4. 掌握高频单调放大器的设计方案和测试方法。二、主要技术指标及要求1. 技术指标 已知：电源电压，负载电阻条件下要求：1) 中心频率2) 电压增益：35dB；2. 设计要求1) 设计高频小信号谐振放大电路；2) 根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；3) 在万用板或面包板上制作一个单级（或双级）小信号调谐放大电路；4) 拟定测试方案和测试步骤；5) 写出设计报告。目 录第1章 简述11.1 论述1第2章 总体方案1 2.1 设计要求1 2.2总体方案简述2第3章电路的基本原理及电路的设计33.1电路的基本原理33.2 主要性能指标及测试方法53.3 电路的设计与参数的计算83.3.1 电路的确定83.3.2参数计算8第4章 电路的仿真与调试10 4.1 电路仿真10 4.2 电路的安装与调试11第五章 心得体会135.1 心得体会 13参考文献14致谢16附录 A元件清单 17附录B电路图18第一章 简述1.1 论述高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。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。高频小信号放大器的分类：按元器件分为：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器;按频带分为：窄带放大器、宽带放大器;按电路形式分为：单级放大器、多级放大器;按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器;其中高频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。 第2章 总体方案2.1 设计要求已知条件：电源电压，负载电阻，高频三极管3DG6。主要技术指标：中心频率，电压增益，通频带。课程设计要求：要求有课程设计说明书，并制作出实际电路。 实验仪器设备 数量 高频信号发生器 1台 数字存储示波器 1把 无感起子 1把 数字万用表 1台 12V直流稳压电源 1台2.2 总体方案简述 高频小信号放大器的功用就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 ，而最常用的是窄带放大器，它是以各种选频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波功能。对高频小信号放大器的基本要求是：（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-1所示,带宽BW=f2-f1= 2f0.7，品质因数Q=fo/2f0.7. （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。 （4）阻抗匹配。 第三章 电路的基本原理及电路的设计 3.1 电路基本原理 图3-1-1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。它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3-1-1 放大器在谐振时的等效电路如图3-1-2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。 图3-1-2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3-1-2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3-1-2可见，并联谐振回路的总电导的表达式为式中，为LC回路本身的损耗电导。3.2主要性能指标及测量方法 表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率，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3-2-1所示电路可以粗略测各项指标。 图3-2-1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的值，示波器监测负载两端输出波形。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称为谐振频率。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。 谐振频率的测试步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为，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： 的测量电路如图3-2-1所示，测量条件是放大器的谐振回路处于谐振状态。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，谐振电压放大倍数与通频带BW的乘积为一常数。通频带的测量电路如图3-2-1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，记下此时的与，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3-3-2所示： 图3-2-2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，如图3-2-2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0.707 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。可以通过测量图3-2-2所示的谐振放大器的频率特性曲线来求得矩形波系数Kr0.1。 3.3 电路的设计与参数计算3.3.1 电路的确定电路形式如图3-3-1所示。 图 3-3-1 3.3.2参数计算已知参数要求与晶体管3DJ6参数。(1) 设置静态工作点 取 =1mA, =1.5V, =7.5V, 则 , 取标称值18K 可用30k电阻和100k电位器串联,以便调整静态工作点。 (2) 计算谐振回路参数 下面计算4个y参数， 因为, 所以 ， 因为，所以 ， 故模 回路总电容为 再计算回路电容 ，取标称值51pF输出耦合变压器Tr0的原边抽头匝数N1及副边匝数N3,即 匝，匝(3) 确定输入耦合回路及高频滤波电容 高频小信号谐振放大器的输入耦合回路通常是 指变压器耦合的谐振回路。由于输入变压器Tri原边谐振回路与放大器谐振回路的谐振频率相等，也可以直接采用电容耦合，高频耦合电容一般选择瓷片电容。 第4章 电路的仿真与调试4.1电路的仿真(1)利用MULTISIM绘制出如图4-1-1所示的仿真实验电路 图4-1 -1 仿真电路(2) 按图设置各元件的参数，打开仿真开关，从示波器上两个通道观察输出波形以及与输入信号的关系。如4-1-2图所示。 图4-2-2 输出波形在无信号输入，仅有直流激励的情况下用电流表测量三极管发射极极电流，测得约为1mA。接入信号发生器，观察示波器输入输出波形，按照设计要求调节中周。利用仪器测得各指标如下：f0=10MHzvo34dB仿真数据分析：在误差允许范围里，仿真测量所得数据与理论值相等。4.2电路的安装与测试 将上述设计的元器件参数值按照图2-1所示电路进行安装。先调整放大器的静态工作点，然后再调谐振回路使其谐振。 调整静态工作点的方法是，不加输入信号（Vi=0），将C1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Re两端的电压，调整电阻Rb1使Veq=1.5V(Ie=1mA)。记下此时电路的Rb1值及静态工作点Vbq、Vceq、Veq、及Ieq。 调谐振回路使其谐振的方法是，按照图5-1所示的测试电路接入高频电压表V1、V2，直流毫安表mA及示波器。再将信号发生器的输出频率置于fi=10MHZ，输出电压Vi=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+Vcc降低，如使+Vcc=+6V。调输出耦合变压器的磁芯使回路谐振，即电压表V2的指示值达到最大，毫安表mA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+12V。 实验数据： f0=9.7MHzvo28dB 数据分析： 在误差允许范围内，中心频率的理论值与实际值一致，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，导致误差的原因有如下几点：（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不一致， 并且电阻电容的标称值也有一定的误差。（2）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。（4）实验仪器设备的老化等也会导致电路调试过程中出现一定的误差。（5）由于工作频率较高，高频小信号放大器容易受到外界各种信号的干扰，特别是射频干扰。通常采取的措施是把放大器装入金属屏蔽盒内（屏蔽盒与地线应接触良好）。但电路调试环境条件有限。第五章 心得与体会5.1 心得与体会本次课程设计的完成，收获颇多，首先，巩固和加深了对电子线路基本知识的理解，提高了综合运用所学知识的能力。其次，通过与实际电路方案的分析比较，设计计算，元件选取，安装调试等环节，让我们学会初步掌握了简单实用电路的分析方法和工程设计方法。最重要的是增强了动手能力和根据自己所学需要查阅资料的能力，以及自己分析和解决问题的能力。从电路的设计到文档的处理以及电路板的制作，我们小组成员们紧密合作让我感受到了团结的力量。在这次课程设计过程中最深刻的感触是光有理论知识是远远不够的，还必须懂一些实践中的知识，比如，元器件的参数在设置时尽量选择与标称值相等或相近的（如电阻和电容值的选择）；元器件的等效替换（实际电路板上，我们使用中周代替变压器调谐）；电路板的调试。实践中，我们应将课堂所学与实验课结合起来，锻炼自己的理论联系实际的能力和实际动手能力。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。总而言之，课程设计在我们努力下基本达到了预期目的，所制的产品在功能上基本达到了设计要求，而且在工艺上也已经尽可能的做到了经济，美观。在制作中遇到的一些问题，虽然尽大家的能力解决了一些，但还是存在一些缺陷，望老师及读者谅解。参考文献1谢自美. 电子线路设计·实验·测试（第三版）. 华中科技大学 2006.2 曹才开，姚屏，曾屹，周细凤. 高频电子线路原理与实践. 中南大学 2010致谢本次课程设计，能够顺利的完成，多亏老师和同学的指导和帮助。放大器的设计及制作在所有课题里是相对简单的，但实际做起来并没有我们想的那么容易。从原理图与参数的设计到面包板的制作。我们遇到了很大的困难，特别是在参数设置时，相对低频放大，高频放大的参数设置要复杂的多，在使用MULTISIM进行仿真时，我们遇到了许多的问题，经过我们组的成员共同努力，和同学们的交流和耐心的指导，我们才顺利完成任务，在此我我们向他表示我们衷心的感谢。课程设计的完成，还要感谢实验室老师的耐心指导以及老师给我们提供的各种参考文献，在老师的严格要求下，这次的实际操作让我学到了很多从书本上学不到却终身受益的知识，良好的学习习惯，端正的学习态度。这为我以后的学习和工作打下了良好的基础，更好的去面对社会，适应社会，在此，再次向老师献上我们最真诚的谢意，“老师您辛苦了”！在此特别感谢张松华老师一学年来对我们的的耐心教学及环环引导让我们对高频电子线路设计的学习变得生动有趣！附录A 元件清单元件名称 元件大小 元件数量 电阻 30K 一个 电阻 18K 一个 电阻 1.5k 一个 电阻 1k 一个 电位器 100K 一个 电容 1000pF 一个 电容 0.01uF 一个 电容 0.033uF 一个瓷片电容 51pF 一个 中周 一个 三级管3DJ6 一个附录B 电路图23