高频电子线路课程设计论文2级高频小信号放大电路设计.doc

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）高频电子线路课程设计（论文）2级高频小信号放大电路设计高频电子线路课程设计（论文）摘 要高频小信号放大器是用于无失真的放大某一频率范围的信号。按其频带宽度可分为窄带与宽带放大器，而最常用的为窄带放大器，它是以各种选频网络组成的谐振回路作为负载，兼具电阻变换和选频滤波的功能。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。LC单调谐回路谐振放大器主要用于无线电接收系统中高频和中频信号的放大，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，实现放大器与前后级的阻抗匹配，另外通过两级单调谐回路的级联来提高电路的总电压增益，从而使电路工作稳定可靠。关键词：高频小信号；LC谐振回路；放大器目 录第1章 绪论11.1 高频小信号放大电路的设计意义11.2 设计参数及要求2第2章 电路基本原理32.1 电路原理32.2 主要质量指标32.3 谐振放大器的工作稳定性52.4 多级单调谐回路谐振放大器6第3章 整体电路设计83.1 整体电路图及工作原理83.2 电路参数计算83.3 整体电路仿真及分析10第4章 设计总结12参考文献13附录：14II第1章 绪论1.1 高频小信号放大电路的设计意义 20世纪末，电子通讯获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。在无线通信中，发射与接收的信号应当适合于空间传输。所以，被通信设备处理和传输的信号是经过调制处理过的高频信号，这种信号具有窄带特性。而且，通过长距离的通信传输，信号受到衰减和干扰，到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号，在做进一步处理之前，应当经过放大和限制干扰的处理。这就需要通过高频小信号放大器来完成。高频放大器与低频放大器的主要区别是二者的工作频率范围和所需通过的频带宽度有所不同，所以采用的负载也不相同。低频放大器的工作频率低，但整个工作频带宽度很宽。高频放大器的中心频率一般在几百千赫至几百兆赫，但所需通过的频率范围（频带）和中心频率相比往往是很小的，或者只工作于某一频率，因此一般都是采用选频网络组成谐振放大器或非谐振放大器。所谓谐振放大器，就是采用谐振回路（串、并联及耦合回路）做负载的放大器。根据谐振回路的特性，谐振放大器对应靠近谐振频率的信号，有较大的增益；对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降。所以，谐振放大器不仅有放大作用，而且也起着滤波或选频的作用。高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，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。高频小信号谐振放大电路除具有放大功能外，还具有选频功能，即从众多信号中选择出有用信号、滤除无用的干扰信号的能力。从这个意义上讲，高频小信号放大电路又可视为集放大、选频于一体，由有源放大元件和无源选频网络所组成的高频电子电路。主要作用是做接收机的高频放大器和中频放大器。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；按频带宽度分为：窄带放大器、宽带放大器；按电路结构分为：单级放大器、多级放大器；按负载特性分为：谐振放大器、非谐振放大器；高频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。同时另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。1.2 设计参数及要求设计内容：1用EWB仿真，设计一个2级小信号放大电路。 2能够观察输入输出波形。3测量并计算放大倍数。4分析电路。设计参数：每一级放大倍数自定。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。第2章 电路基本原理2.1 电路原理图2.1为单调谐回路谐振放大器原理性电路图，为了突出本文所要讨论的中心问题，图中略去了在实际电路中所必加的附属电路（如偏置电路）等。由图可知，由LC单回路构成集电极的负载，它谐调于放大器的中心频率。LC回路与本级集电极电路的连接采用自耦变压器形式（抽头电路），与下级负载的连接采用变压器耦合。采用这种自耦变压器变压器耦合形式，可以减弱本级输出导纳与下级晶体管输入导纳对LC回路的影响，同时，适当选择初级线圈抽头位置与初次级线圈的匝数比，可以使负载导纳与晶体管的输出导纳相匹配，以获得最大的功率增益。图2.1 单调谐回路谐振放大器原理图 本文所讨论的是小信号放大器，因而都工作于甲类，晶体管的作用可用Y参数等效电路来表示。2.2 主要质量指标为了分析高频小信号放大器，首先应当了解实际运用时对它的要求如何，也就是应当先讨论它的主要质量指标。对高频小信号放大器提出的主要质量指标如下：1.电压增益与功率增益 放大器的输出电压（或功率）与输入电压（或功率）之比，称为放大器的增益或放大倍数，用（或）表示。放大器增益的大小，决定于所用晶体管、要求的通频带宽度、是否良好匹配和稳定的工作。2.通频带通频带的定义是放大器的电压增益下降到最大值的1/倍时所对应的频率范围，常用来表示。放大器的通频带决定于负载回路的形式和回路的等效品质因数。此外，放大器的总通频带随着放大级数的增加而变窄。并且，通频带越宽，放大器的增益越小，两者是相互矛盾的。在通频带较窄的放大器中，这两者之间的矛盾还不突出，而在频带较宽的放大器中，频带和增益的矛盾变得突出。这是必须在牺牲单级增益的情况下，来保证所需的频带宽度。至于总增益，则可用加多级数的办法来满足。3选择性放大器从含有各种不同频率的信号总和（有用的和有害的）中选出有用的信号，排除有害（干扰）信号的能力，称为放大器的选择性。选择性指标是针对抑制干扰而言的，矩形系数和抑制比是两个衡量选择性的基本指标。（1）.矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量，而选择性是表示选取有用信号、抑制无用信号的能力。理想的频带放大器应该对通频带内的各信号频谱分量予以同样的放大，而对通频带以外的邻近波道的干扰频率分量则应完全抑制，不予放大。因此，理想的频带放大器的频率响应曲线应是矩形。但是，实际的放大器的频率响应曲线与矩形有较大的差异，矩形系数用来表示实际曲线与理想矩形的接近程度，通常用来表示，其定义为： 式中为放大器的通频带；为放大器的电压增益下降至最大值的0.1倍时所对应的频带宽度。矩形系数越接近1，则实际曲线越接近矩形，滤除邻近波道干扰信号的能力越强。通常，频带放大器的矩形系数约在2到5范围内。（2）.抑制比或称抗拒比，通常说明某些特定频率，如中频、象频等选择性的好坏。当对信号频率调谐时，谐振点的放大倍数为。若有一干扰，其频率为，则电路对此干扰的放大倍数为，我们就将放大器对干扰的抑制能力定义为： 通常将上式称为对干扰的抑制比（或抗拒比），用分贝表示，则。4.工作稳定性工作稳定性是指放大器的工作状态（直流偏置）、晶体管参数、电流元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定程度。一般的不稳定现象是增益变化、中心频率偏移、通频带变窄、谐振曲线变形等。极端的不稳定状态是放大器自激，致使放大器完全不能正常工作。特别是在多级放大器中，如果级数多，增益高，则自激的可能性最大。为了使放大器稳定工作，需要采取相应的措施，如限制每级的增益、选择内部反馈小的晶体管、加中和电路或稳定电阻、使级间失匹配等。此外，在工艺结构方面，如元件排列、屏蔽、接地等方面均应良好，以使放大器不自激或远离自激。5.噪声系数噪声系数是用来表征放大器的噪声性能好还的一个参量。在放大器中，噪声总是有害无益的，因而应力求使它的内部噪声愈小愈好，即要求噪声系数接近1。在多级放大器中，最前面的一、二级对整个放大器的噪声系数起决定性作用，因此要求它们的噪声系数尽量接近1.为了使放大器的内部噪声小，可采用低噪声管，正确选择工作点电流，选择合适的线路等。2.3 谐振放大器的工作稳定性在实际运用中，晶体管存在着反向传输导纳，放大器的输出电压可通过晶体管的反向作用到输入端，引起输入电流的变化，这种反馈作用将可能引起放大器产生自激振荡等不良后果。放大器存在着稳定系数和稳定增益。稳定系数用表示，越大，则放大器越稳定；为维持自激振荡的条件。对于一般放大器来说，就可以认为是稳定的。而所谓稳定增益，是指晶体管不加任何稳定措施，而满足稳定系数的要求时，放大器工作于谐振频率的最大的电压增益。理论上，只要放大器的电压增益不大于12.52，在没有任何稳定措施的条件下，放大器是稳定的，即满足的要求。提高谐振放大器的稳定性的措施：由于晶体管存在着的反馈，所以晶体管是一个“双向器件”。作为放大器工作时，的反馈作用是有害的，其有害作用是可能引起放大器工作的不稳定。使晶体管的反馈作用消除的过程称为单向化，单向化的目的就是提高放大器的稳定性。单向化的方法有两种：一种是消除的反馈作用，称为“中和法”；另一种是使负载电导或信号源电导的数值加大，因而使得输入或输出回路与晶体管失去匹配，称为“适配法”。所谓中和法，是在晶体管放大器的输出和输入之间引入一个附加的外部反馈电路，以抵消晶体管内部的反馈作用。由于中包含电导分量和电容分量，因此外部反馈电路也包括电阻分量和电容分量两部分，并要使通过电阻、电容分量的外部反馈电流正好与通过所产生的内部反馈电流相位差180°，从而互相抵消，变双向器件为单向器件。但是严格的中和很难达到，因为晶体管的反向传输导纳是随频率变化的，因而只能对一个频率点起到完全中和的作用。失配法的实质是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。可以选择合适的接入系数，或在谐振回路的两端并联阻尼电阻来实现降低电压增益。在实际运用中，较多的采用共射-共基级联放大器。由于共基电流的特点是输入阻抗很低（亦即输入导纳很大）和输出阻抗很高（亦即输出导纳很小），当它和共射电路连接时，相当于共射放大器的负载导纳很大。所以共射-共基级联放大器的稳定性比一般共射放大器的稳定性高的多。共射级在负载导纳很大的情况下，虽然电压增益很小，但电流增益仍较大，而共基级虽然电流增益接近1，但电压增益却较大，因此级联后功率增益较大。2.4 多级单调谐回路谐振放大器在实际应用中，若单级放大器的增益不能满足设计要求，那么就会采用多级放大器，即多个单级放大器级联。假如放大器有m级，各级的电压增益分别为, ,显然，总增益是各级增益的乘积，即如果多级放大器是由完全相同的单级放大器组成的，即那么，整个放大器的总增益是，因此m级和单级放大器的通频带具有如下关系： 由于式中的m是大于1的整数，所以带宽缩减因子必定小于1。因此，m级相同的放大器级联时，总的通频带比单级放大器的通频带缩小了。级数愈多，m愈大，总通频带愈小。如果要求m级的总通频带等于原单级的通频带，则每级的通频带要相应地加宽，即必须降低每级回路的。这时， 采取和在单级时求矩形系数的同样方法，可求得m级单调谐放大器的矩形系数为 第3章 整体电路设计3.1 整体电路图及工作原理根据设计任务要求以及单调谐回路谐振放大器的原理，2级高频小信号放大器的整体电路如图3.1所示：图3.1 2级高频小信号放大器电路图高频小信号放大器的工作原理是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大。若输入信号电压为，则输出电压，其中为放大器的电压增益，即放大倍数。输入信号为小信号电压，输出信号是通过谐振回路放大后的电压。3.2 电路参数计算2级高频小信号放大器是由两个单调谐放大器级联而组成，由于是两级放大，为了计算方便，令两部分放大电路的元件参数均相同，即电路的主要质量指标完全相同。要计算整体电路的电压增益，则需要先计算单调谐回路谐振放大器的相关性能指标，由此推出设计电路的相关指标。单调谐回路谐振放大器性能指标假设谐振频率，通频带带宽，电压增益大于20dB，选用晶体管3DG6C在性能上可以满足要求。晶体管确定后，根据高频小信号谐振放大器的信号幅值较小，晶体管应工作于线性状态，在满足放大倍数的前提下，静态工作点处的电流应尽可能的小一些，以减小静态功率损耗。静态工作点电流的变化会引起Y参数的变化，在正常的取值范围内，随着的增加，会变大，和会增加。已知晶体管的参数为，。由此可计算出如下参数： 由以上参数可得：，因为，且，由以上四个参数根据计算公式得出相应的参数：由此可得：，由此可得：，由此可得：，由此可得：，由因为谐振回路总电容，选取，将以上参数代入中，得到，为了计算方便，可通过调节可变电容使，由此可计算出。根据公式，可得。由中心频率，有载品质因数，由可计算出。由以上参数可得出以下电路性能指标：电压增益：通频带：矩形系数：2.2级高频小信号放大器性能指标 电压增益：通频带：矩形系数：3.3 整体电路仿真及分析用EWB仿真软件，实现该电路的模拟和仿真，整体电路仿如图3.2所示：图3.2 整体电路仿真原理图由整体电路仿真可以通过示波器的两个通道得到输入输出波形，如图3.3所示，观察图中的波形可知，上面的曲线是2级高频小信号放大电路的输入波形，而下面的曲线是输出波形。图3.3 输入输出波形图用电压表测量的输入输出电压如图3.4所示：图3.4 输入输出电压测量图本次设计根据任务要求，得到谐振频率，通频带，谐振电压放大倍数，矩形系数的2级高频小信号放大电路。设计中运用了LC谐振回路，不但可以对高频小信号进行放大，而且还可以起到选频滤波的作用。电路的连接方式采用两级电路级联，对高频小信号进行放大，提高了电路的总电压增益，使电路工作稳定可靠。第4章 设计总结通过两个星期的课程设计，我获得了各方面能力的锻炼，包括调查和研究、查阅文献和检索资料的能力，数据处理、综合分析、理论联系实际的能力及计算机绘图和文字处理的能力。从一开始的无从下手到学会查阅资料、查阅文献，到独立分析和解决问题，到最后的整体设计和论文整理，每一个环节我都受益颇多。课程设计不仅是对我所学的高频电子线路知识理论的检验与总结，而且也是对自己能力的一种提高。通过本次设计，我深刻的体会到理论联系实际的重要性，并且意识到在工作中要不断地用理论来指导实践，用实践来深化理论，做好这些的前提就是要深入掌握理论知识，并且综合运用所学的基础知识理论和基础技能来分析解决实际问题，此过程不仅巩固了所学的知识，而且还扩大了专业知识面，为以后的工作打下基础。在高频课程设计的过程中，我遇到了诸多的问题，例如：查阅资料的方法错误、设计思路的不正确、电路图连接错误、调试软件不熟练等等。通过仔细分析、独立思考、同学讨论以及老师的点拨，很多问题都迎刃而解。通过这些问题的出现，问题的解决，更加锻炼了我的细心、耐心和毅力，为以后的生活奠定了基础。参考文献1 张肃文主著 高频电子线路 高等教育出版社 2012.122 市川裕一编著高频电路设计与制作 科学出版社 2012.1 3 黑田 彻编著 晶体管电路设计与制作 科学出版社 2011.34 铃木雅臣编著 高低频电路设计与制作 科学出版社 2012.35 稻叶 保编著 模拟技术应用技巧101例 科学出版社 2013.16 阎石 主编 数字电子技术基础 高等教育出版社 2012.3 7 康华光主编 电子技术基础 高等教育出版社 2011.118 高吉祥编著 电子技术基础实验与课程设计 电子工业出版社 2002.69 张玉璞编著 电子技术课程设计 北京理工大学出版社 2010.210 鲁宝春主编 数字电子技术基础学习指导 北京东北大学出版社 2012.2附录： 元件明细表序号元件名称元件型号元件数量（个）1电感1.3H42电阻1.5K63电阻1K24电容470pF25电容10pF26电容0.1pF47电容0.01pF28电容0.001pF29晶体管3DG6C210交流电压源10mV/6.5MHz111直流电压源15V214