3945.高频电子线路设计.doc

课程设计任务书题 目:通信电子线路综合设计要求完成的主要任务: 1.每人要提交一份设计报告，格式按照课程设计的样式2.报告内容包括：（1）高频小信号调谐放大器的电路设计；（2）LC振荡器的设计；（3）高频谐振功率放大器电路设计。时间安排：1 理论讲解，老师布置课程设计题目，学生根据选题开始查找资料；2 课程设计时间为1周。 （1）确定技术方案、电路，并进行分析计算， 时间1天； （2）选择元器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间2天； （3）总结结果，写出课程设计报告，时间2天。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录目 录2摘 要3Abstrct41 高频小信号谐振放大器51.1 设计原理51.2 设计主要技术指标51.3给定条件51.4设计过程51.5 仿真82高频谐振功率放大器电路112.1确定功放的工作状态112.2 基极偏置电路计算122.3 计算谐振回路与耦合线圈的参数122.4 电源去耦滤波元件选择132.5仿真结果133 LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计173.1 电容三点式振荡器原理工作原理分析183.2 LC与晶体振荡器参数设置213.3 实物性能测试244 小结与体会25参考文献26 摘 要 本次电子线路设计对高频调谐小信号放大器，LC振荡器，高频功放电路设计原理作了简要分析，研究了各个电路的参数设置方法。并利用其它相关电路为辅助工具来调试放大电路，解决了放大电路中经常出现的自激振荡问题和难以准确的调谐问题。 同时也给出了具体的理论依据和调试方案，从而实现了快速、有效的分析和制作高频放大器，振荡器和功放电路。 高频小信号谐振放大电路是将高频小信号或接收机中经变频后的中频信号进行放大，已达到下级所需的激励电压幅度。LC振荡器的作用是产生标准的信号源。高频功放的作用是以高的效率输出最大的高频功率。三部分都是通信系统中无线电收发信机所用到的技术，所以在现实生活中具有着相当广泛的应用。 Abstrct The circuit design of the high frequency tuning small signal amplifiers, LC oscillators, high frequency amplifier circuit design principle is briefly analyzed in this paper, research on each circuit parameter Settings method. And by using other related circuit as the auxiliary tool to debug amplifier circuit, solve the amplifier circuit often appears in the self-excited oscillation problem and not be precisely tuning problem. Also gives some specific theoretical basis and debugging design so as to realize the rapid and effective analysis and manufacture high frequency amplifier, oscillator and amplifier circuit. Small signal resonant frequency amplifier circuit is small signal or receiver oxpatiation high frequency inverter frequency signal after amplification, reached the lower voltage amplitude required incentive. LC oscillators role is to produce standard source. The role of high frequency amplifier output by high efficiency of the biggest rf power. Three parts are communication system radio transceivers letter machine use of technology in, so in real life has a wide range of applications.1 高频小信号谐振放大器1.1 设计原理高频小信号调谐放大器简述：高频小信号放大器的功能就是无失真的放大某一频率范围的信号，暗器频带宽度可以分为窄带很宽带放大器，而最常用的是窄带放大器，它是以各种选频电路做负载，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。1.2 设计主要技术指标谐振频率：10.7MHz,谐振电压放大倍数：，通频带：，矩形系数：。要求：放大器电路工作稳定，采用自耦变压器谐振输出回路。1.3给定条件回路电感L=4H, ，晶体管用9018，=50。查手册可知，9018在、时，,，。负载电阻。电源供电1.4设计过程高频小信号放大器一般用于放大微弱的高频信号,此类放大器应具备如下基本特性:只允许所需的信号通过,即应具有较高的选择性。放大器的增益要足够大。放大器工作状态应稳定且产生的噪声要小。放大器应具有一定的通频带宽度。 除此之外,虽然还有许多其它必须考虑的特性,但在初级设计时,大致以此特性作考虑即可. 基本步骤是: 选定电路形式依设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器，设计参考电路见图1所示。 图1 高频小信号谐振放大器 该电路静态工作点Q主要由R1和R2、R3与Vcc确定。利用R1和R2的分压固定基极偏置电位，如满足条件：当温度变化，抑制了变化，从而获得稳定的工作点。由此可知，只有当时，才能获得恒定，故硅管应用时， 。只有当负反馈越强时，电路稳定性越好，故要求，一般硅管取：。 设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.82mA之间选取为宜，设计电路中取 ，设。因为： 而 所以：因为：(硅管的发射结电压为0.7V) 所以： 因为： 所以：因为： 而 取则： 取标称电阻8.2K因为： 则：，考虑调整静态电流的方便，用22K电位器与15K电阻串联。注意：1.5V为保证电路工作的最小电压，并不是最佳静态电压，本次设计选用4.5V. 谐振回路参数计算1）回路中的总电容C因为： 则:2）回路电容C因有 所以取C为标称值30pf,与5-20Pf微调电容并联。 本次选择元件为50pf与微调电容并联，可能导致谐振频率的微变。3）求电感线圈N2与N1的匝数： 根据理论推导，当线圈的尺寸及所选用的磁心确定后，则其相应的参数就可以认为是一个确定值，可以把它看成是一个常数。此时线圈的电感量仅和线圈匝数的平方成正比，即： 式中：K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关；    N-线圈的匝数一般K值的大小是由试验确定的。当要绕制的线圈电感量为某一值时，可先在骨架上(也可以直接在磁心上)缠绕10匝，然后用电感测量仪测出其电感量，再用下面的公式求出系数K值： 式中： -为实验所绕匝数，由此根据和K值便可求出线圈应绕的圈数，即：实验中，L采用带螺纹磁芯、金属屏蔽罩的10S型高频电感绕制。在原线圈骨架上用0.08mm漆包线缠绕10匝后得到的电感为2uH。由此可确定要得到4 uH的电感，所需匝数为 匝 最后再按照接入系数要求的比例，来绕变压器的初级抽头与次级线圈的匝数。因有，而匝。则： 匝 确定耦合电容与高频滤波电容：耦合电容C1、C2的值，可在1000 pf0.01uf之间选择 ，一般用瓷片电容。旁路电容Ce 、C3、C4的取值一般为0.01-1F，滤波电感的取值一般为220-330uH。1.5 仿真 测量并调整放大器的静态工作点。仿真条件：晶体管用理想库（defauit）中的（ideal）器件。电感线圈用固定电感L1=2.8uH、L2=1.2uH，中间抽头。其余元件参数参见图1。IC=4.5mA。可采用直接或间接方法。图2 静态工作点确定 谐振频率的调测与电压放大倍数的测量。仿真条件：输入高频信号频率fo=10.7MHz,幅度（峰-峰值）50mV。阻尼电阻R=、反馈电阻Re=1K、负载电阻RL=10K图3 输入高频信号 测量并计算放大器增益、带宽用示波器测量输出，调微调电容至谐振，并计算出增益、带宽。图4 高频小信号谐振输出通过测量与计算：谐振频率10.7MHz，通频带1.2MHz，放大倍数124。 调试结果谐振频率 15.3MHz,通频带5MHz，放大倍数158。原因：实际电路的电感小了，绕的圈数不够。 2高频谐振功率放大器电路2.1确定功放的工作状态 因为高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角在600900范围。现设=700。查表3-1得：集电极电流余弦脉冲直流ICO分解系数，集电极电流余弦脉冲基波ICM1分解系数，。本次设计的功放的输出功率为1W。功率放大器集电极的等效电阻为：集电极基波电流振幅为：集电极电流脉冲的最大振幅为： 集电极电流脉冲的直流分量为：电源提供的直流功率为：集电极的耗散功率为：集电极的效率为： (满足设计要求)已知： 即则：输入功率：=基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的=10） 基极基波电流的振幅为：得基极输入的电压振幅为：2.2 基极偏置电路计算因 则有 ：因 则有 ：取高频旁路电容2.3 计算谐振回路与耦合线圈的参数 图5 电阻串并联转换输出采用L型匹配网路， 则匹配网路的电感L为，电容C为。2.4 电源去耦滤波元件选择高频电路的电源去耦滤波网络通常采用型LC低通滤波器，滤波电感0可按经验取50100H，滤波电感一般取0.01F。综上所述，可得其原理图如下所示：图6 高频功率放大器原理图2.5仿真结果在Mutlsim中根据前面分析所得的结论以及电路参数对原理图进行了仿真，经过调试和改进的到以下仿真结果。其中输入信号频率为14.5MHz，峰峰值为150mv(1) 输入信号与前级甲类放大器输出信号波形如图7所示：图7 输入信号与甲类功放输出波形图(2)输入信号与负载为51时丙类集电极的输出信号的波形如图8所示：图8 输入信号与丙类功放集电极(RL=51)输出波形图(3)输入信号与负载为150时集电极的输出信号的波形如图9所示：图9 输入信号与丙类功放集电极(RL=150)输出波形图(4) 输入信号与负载为680时集电极的输出信号的波形如图10所示：图10 输入信号与丙类功放集电极(RL=680)输出波形图(5) 输入信号与负载为51时输出信号的波形如图11所示：图11 输入信号与输出波形图(RL=51)(6) 输入信号与负载为150 时输出信号的波形如图12所示:图12 输入信号与输出波形图(RL=150)(7) 输入信号与负载为680 时输出信号的波形如图13所示:图13 输入信号与输出波形图(RL=680)3 LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期信号的电子电路，这种在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为振荡器。振荡器的种类很多，根据工作原理可以分为反馈型振荡器和负阻型振荡器。根据选频网络采用的器件可分为LC振荡器、晶体振荡器、变压器耦合振荡器等。振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。为此,振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路,也是从事电子技术工作人员必须要熟练掌握的基本电路。3.1 电容三点式振荡器原理工作原理分析 （a） （b） （c）图14 三点式振荡器的基本电路反馈式正弦波振荡器有RC、LC和晶体振荡器三种形式，电路主要由放大网络、选频回路和反馈网络三个部分构成。本实验中，我们研究的主要是LC三点式振荡器。所谓三点式振荡器，是晶体管的三个电极（B、E、C），分别与三个电抗性元件相连接，形成三个接点，故称为三点式振荡器，其基本电路如图根据相位平衡条件，图14 (a)中构成振荡电路的三个电抗元件，X1、X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗，若X1和X2均为容抗，X3为感抗，则为电容三点式振荡电路（如图b）；若X2和X1均为感抗，X3为容抗，则为电感三点式振荡器（如图c）。由此可见，为射同余异。图15 共基电容三点式振荡器由图可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。 其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件， 于是得到单一频率的振荡信号输出。该振荡器的振荡频率为：反馈系数F为： 若要它产生正弦波，必须满足F= 1/2-1/8，太小不容易起振，太大也不容易起振。一个实际的振荡电路，在F确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。但是如静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真，严重时，甚至使振荡器停振。所以在实用中，静态电流值一般ICO=0.5mA-4mA。共基电容三点式振荡器的优点是：1）振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高。工作频率可以做得较高，可达到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。 电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，改进电路有两种： 串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路)电路组成如下：图16 克拉泼振荡电路电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C3，串联于电感L支路。 功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频率的稳定度得以提高。 因为C3远远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C3。电路的振荡频率为：与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感L支路上串联一个电容。但它有以下特点：1、振荡频率改变可不影响反馈系数。2、振荡幅度比较稳定；但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4； 为此，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器 。 并联型改进电容三端式振荡器(西勒电路)图17 西勒振荡电路电路特点是在克拉泼振荡器的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。电路的振荡频率为： 特点：1.振荡幅度比较稳定； 2.振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8；所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。 频率稳定度是振荡器的一项十分重要技术指标，它表示在一定的时间范围内或一定的温度、湿度、电压、电源等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡器的频率稳定度越高。改善振荡频率稳定度，从根本上来说就是力求减小振荡频率受温度、负载、电源等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此改善振荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率不变的能力，这就是所谓的提高振荡回路的标准性。提高振荡回路标准性除了采用稳定性好和高Q的回路电容和电感外，还可以采用与正温度系数电感作相反变化的具有负温度系数的电容，以实现温度补偿作用。石英晶体具有十分稳定的物理和化学特性，在谐振频率附近，晶体的等效参量Lq很大，Cq很小，Rq也不大，因此晶体Q值可达到百万数量级，所以晶体振荡器的频率稳定度比LC振荡器高很多。3.2 LC与晶体振荡器参数设置1）静态工作电流的确定合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间选取，故本实验电路中：选ICQ=2mA VCEQ=6V =100则有为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1K则Rc2K因：UEQ=ICQ·RE 则： UEQ =2mA×1K=2V因： IBQ=ICQ/ 则： IBQ =2mA/100=0.02mA一般取流过Rb2的电流为5-10IBQ , 若取10IBQ因： 则： 取标称电阻12K。因： ： 为调整振荡管静态集电极电流的方便，Rb1由27K电阻与27K电位器串联构成。2）确定主振回路元器件回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp为宜。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/81/2。因振荡器的工作频率为： 当LC振荡时，f0=6MHz L12H本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C3、C4决定，即有 。取C3 =120pf，C4=51pf（用33Pf与5-20Pf的可调电容并联），因要遵循C1，C2>>C3,C4，C1/C2=1/81/2的条件，故取C1=200pf，则C2=510pf。对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电容进行微调即可。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。例如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极；如为基级接地，则应从发射极输出。 综合上述计算结果以及实际的元器件参数，得实际LC振荡电路原理图如图18所示。 图18 实际的LC振荡电路原理图 在EWB仿真软件里连接好电路图按运行按钮，启动仿真运行，点击实验原理图中的示波器，得到波形如图8所示。 从图中分析可以得出，此LC振荡电路设计是满足要求的。示波器显示屏上出现了标准的正弦波。并且可以看出正弦波的周期为160.8ns，所以振荡频率也是基本满足要求的。 图19 LC振荡电路的仿真波形3.3 实物性能测试电路板焊好了之后就需要进行性能调试了，首先要确定振荡管的静态工作点，调整Rw1，使。这里我们只需控制振荡管的Vce电压为2V即可。 调整好了静态工作点后，就可以在示波器上看到有LC振荡电路产生的正弦振荡波形了，当还需要调节可变电容器，使得振荡频率达到设计要求的指标。经过调试，测得数据如下表所示： foVop-pVceIc计算值 6.003HZ0.3V2.0V 2mA 由表中的数据可以看出，制作出的LC与晶体振荡器是满足设计要求的。 4 小结与体会本次综合设计我虽然用了一个星期的时间就全部做完，但整个过程我都认真的完成了，而且从中收获很多，可以总结为以下的几点：（1） 对高频电路知识的巩固与提高这次课程设计主要是运用高频电路设计的一些相关知识，在整个设计过程中，都离不开对高频电路课程知识的再学习。（2） 学会了理论联系实际课程设计，通过选择的题目，根据要求，运用所学知识将其付诸实践来完成。这并不是在课堂上的单纯听懂，或者课后看书过程中的深入理解，这需要的是一种理论联系实际的能力。比如在动笔做题时我们是不用考虑导线的电阻的，但是在实际中，导线电阻有时是会带来时延造成信号发射的错乱，所以我们应尽量在连接电路时选择最短路径。（3） 学会了如何运用电路板、芯片、导线等组装各种功能的电路虽然这不是第一次用电路板，因为之前的课内试验也用过，但当时的运用也只是插些导线和电阻电容之类的，用了电路板的很小部分，这次的设计中用了整块板子，设计后对电路板的组成完全了解了，并能熟练运用。设计中通过对电路的连接也懂得了如何通过设计的分析对所连电路的整体布局，如何更好的把元器件放置在最合适的位置。通过课程设计，是学生加强对高频电子技术电路的理解，学会查找资料、方案比较、以及设计计算等环节。进一步提高分析解决实际问题的能力，创造一个动脑动手，独立开展电路实验的机会，锻炼分析、解决高频电子问题的实际本领，真正实现由课本知识想实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强学生的时间能力。 本次动手过程中，因不熟练而出现很多细节性的错误，幸好及时纠正，并最终调试出了结果。通过此次实验，我更加了解了高频小信号谐振电路的原理。参考文献1.电子线路设计·实验·测试第三版.谢自美 主编.华中科技大学出版社2.高频电子线路实验与课程设计.杨翠娥.哈尔滨工程大学出版社3.模拟电子线路.谢沅清.成都电子科大出版社4.高频电子线路.张肃文 .高教出版社出版社5.高频电子线路辅导.曾兴雯 陈健 刘乃安.西安电子科大出版社6.高频电路设计与制作，何中庸译，科学出版社