通信电子电路课程设计小信号放大器.docx

1、通信电子电路课程设计小信号放大器通信电子线路课程设计 高频小信号谐振放大器学 校：姓 名:学 号:班 级:指导老师:一、 刖言 3二、 电路基本原理 .3三、 主要性能指标及测量方法 .51谐振频率 72、 电压增益 73、 通频带 84、 矩形系数 9四、 设计方案 101设置静态工作点 102、 计算谐振回路参数 103、 电路图、仿真图和PCB图 11五、 电路装调与测试 13六、 心得体会 14七、 参考文献 15一、前言 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

2、非常简单， 但实际制作却非 常困难。其中最容易出现问题是自激震荡， 同时频率选择和各级建阻 抗匹配也恶化你难实现。Protel DXP 软件能实现从电学概念设计到输出物理生产数据， 以 及这之间的所有分析、验证、和设计数据管理。今天的 Protel DXP 软件已不是单纯的 PCB 设计工具，而是一个系统 ，它覆盖了以 PCB 为核心的全部物理设计。使用 Protel、等计算机软件对产品进行辅助设计在很早以前就已经成为了一种趋势， 这类软件的问世也极大地提 高了设计人员在机械、电子等行业的产品设计质量与效率。通过通信电子线路 的学习，使用 Protel DXP 软件设计了一个 高频小信号放大器

3、。二、电路的基本原理 高频小信号放大器的功用就是五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。如图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等会影响放大器射出信号的频率或相位。晶体

4、管的静态工作点电阻 Rbi、Rb2及Re决定，其计 算方法与低频单管放大器相同。放大器在谐振时的等效电路如图所示，晶体管的 4个y参数分别为输入导纳ye ： gee J Cbc -rbb9m 9 .厂(1 rbbgbe) j Qberbbgbe + JCb，e输出导纳yie (1+hbgbe) + jCbU% b正向传输导纳g my fe(1 * rb b g b e ) + J C b erb b反向传输导纳gb c J Cb cyre -(1 + rb b gb e) * j *Cb erb*b式中gm为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为gm=I EmA*S/26+谐振放大器的高频等效电路

5、晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流 I E、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C=12pFCoe=4pF|yfe|=3503DG100C的y参数如果工作条件发生变化，则上述参数值仅作参考。因此，高频电路的 设计计算一般采用工程估算方法。如图所示等效电路中，p为晶体管的集电极接入系数，即Pl = Nl/N2式中，N2为电感L线圈的总匝数；P2为输出变压器Tro的副边与原边 的匝数比，即P2二N3/N2式中，N3为副边的 总匝数；gL为谐振放大器输出负载的电导，gL=1/Glc 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gL将是下3 C+1/j

6、 3 L+G0一级晶体管的输出电导gie2。可见并联谐振回路的总电导：g =piA2goe+p2A2gie2+j三、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 f。、谐振电压放大倍数Avo、放大器的通频带BW及选择性等，采用图所示的 测试电路可以粗略的测试各项指标， 若要求测量准确，必要是应采用 精度较高的高频测量仪器。图中输入信号Vs由高频信号发生器提供， 高频电压表Vi、V2分别用于测量放大器是 输入电压Vi与输出电压 Vo的值。直流毫安表mA用于测量放大器的集电极电流ic的值，示波 器监测负载RL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。高频谐

7、振放大器的测试电路1谐振频率放大器的谐振回路谐振是所对应的频率 fo称为谐振频率。对于图 所示电，f0的表达式为：f=1/2兀.LC 式中，L为谐振回路电感线圈的电感量； 6为谐振回路的总电容 Q的表达式为 C= 8-piA2Coe-p2A2Cie 式中，Coe为晶体管的输出电容；Cie为晶体管的输入电容。谐振频率fo的测量步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率 为fo,输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变 C或电感线圈L的磁芯位置使回路谐振。LC并联回路谐振时，直流毫安表 mA 的 指示值为最小，电压表V2的指示值达到最大，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

8、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。如用扫频仪测量谐振放大器是否 谐振，应使电压谐振曲线的峰值出现周期规定的谐振频率点fo。2、电压增益放大器是谐振回路谐振时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：Avo = -V o/V i = -pi p2yfe/g要注意 的是，yfe本身也是一个复数，所以谐振时输出电压 V。与输入 电压Vi的相位差为(180+ fe)。只有当工作频率较低时， fe=0 , Vo与Vi的相位差才等于180.Aov 的

9、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 V2的读数V。及输入端电压表Vi的读数Vi,则电压放大倍数Avo由下式计算：Avo=Vo/Vi3、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Avo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：BW=fo/QL。式中，Ql为谐振回路的有载品质因数。分析表明，放大器的谐振电压放大倍数 Avo与通频带BW的关系 为：Avo*BW=|yfe|/2n 6上式说明，当晶体管选定即 yfe确定，且回

10、路 总电容C刀为定值时，谐振电压放大倍数 Avo与通频带BW的 乘积 为一常数的概念是相同的。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, 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， 记下此时的谐振频率fo及电压 放大倍数 Avo ,然后改变高频信号发生器的频率,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 率特性曲线如图所示 1图-1频率特性曲线IBW二仆-fL通频带越宽放大器的电压放大倍数就越小。要想得到一定宽度 的通频带，同时有能提高放大器的电压增益，由式可知，除了选用 yfe

11、较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路是 总电容量如果放大器只用来放大来自接受天线的某一固定频率的微弱信号，则可减小4、矩形系数谐振放大器的 选择性可用谐曲线的矩形系数 Kr0.1来表示，女口图 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0.707Avo时对应的频率偏移之比，即Kr0.i=2 A f/2A f7上式表明，矩形系数 K-越接近1,邻近波道的选择性越好，滤除干 扰信号的能力越强。 一般单极谐振放大器的选择性较差， 因其矩形系 数 Kr0.1 远大于，为提高放大器的选择性，通常采用多级放大器，可以 通过测量谐振放大器的频率特性曲线来求

12、得矩形系数 Kr0.1。四、设计方案 设计一个高频小信号谐振放大器。设计参数：Vcc=9V，晶体管为 3DG100C, B =50查手册得 卩=70 00=3pF。当 21mA 时，Cb=25pF。L=4 卩 H , 2=20 匝，pi =25p=0.25,RL=1k Q。 主要技术指标：谐振频率f0=10.7MHZ,谐振电压放大倍数Avo=20dB, 通频带 BW=1MHZ ，矩形系数 Kr0.11 0。1、设置静态工作点取 Ieo=1MA，Veq=1.5V，Vceo=7.5V,则RE=vEO/IEO=1.5KQRB2=vBQ/6IBQ=v BQ*B /6ICQ=18.3kQ ,取 18kQ

13、RB1=(vCC-vBQ)*R B2/vBQ=55.6kQRb1可用30kQ电阻和100k Q电位器串联，以便调整静态工作点。2、计算谐振回路参数gbe=I EmA*S/26 B =0.77mSgm=I EmA*S/26 =38mSyie=(gb+ 3 Cb)/1+r b(gbe+j 3 Cb)=0.96mS+j1.5mS因为y二gie+j w 6，所以g ie =0.96mSrie=1/g ie=1k QCie=1.5mS/w =23pFyoe=j 3 Cbrbgm/i+r b+j w 0)+ j 3 O =0.06mS+j0.5mS因为 ye二ge+j 3 Coe，所以goe=0.06mS

14、Coe=0.5mS/3 =7pFyfe=gm/1+r bb (gbe+j 3 Cbe)=37mS-j4.1mS故模 |yfe|=(37A2+4.1A2)A0.5=37mS总电容为： Ce=1/ (2n f0) A2L=55.2pF回路电容 C= Ce-piA2Coe-p2A2Cie=53.3pf 取标称值 51pF求出耦合变压器的的一原边抽头匝数 Ni及副边匝数N3,即N1=p1N2=5 匝N3=p2N2=5 匝确定输入耦合回路放大器的输入耦合回路通常是指变压器耦合的谐 振回路，由于输入变压器原边谐振回路的谐振频率与放大器谐振回路 的谐振频率相等，也可以直接采用电容耦合。3、电路图、仿真图和

15、PCB 图高频小信号谐振放大器实验电路高频小信号谐振放大器仿真图PCB图五、电路装调与测试将上述设计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。调整静态工作点的方法是，不加输入信号，将Ci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Rbi使Veq=1.5V。记下此时电路的Rbi值及静态工作点Vbq、 V CEQ、V EQ 及 I EQ。谐振回路使其谐振的方法是，按图所示的电路接入高频电压表Vi、V2，直流毫安表mA及示波器。再将信号发生器的输入频率置于 fi=10.7MHz ，输出电压 Vi=5mV 。为避免谐振回路失谐引

16、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 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。在放大器处于谐振状态下测量各项技术指标，如电压放大倍数Avo、通频带BW及矩形系数Kro.1，其测量方法如前面所述。若这些指 标的测量值与设计要求值相差较远，则应根据他们的表达式进行分 析。如果电压放大倍数Avo较小，则可以通过调整静态工作点 Q或接 入系数pi使Avo增大或更换B较大的晶体管。由于分布参数的影响， 放大器的各项技术指标满

17、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。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。六、心得体会经过这段时间的努力， 终于完成了这次课程设计， 虽然结果不是 很满意。但总的来说还是不错的，基本上符合要求。本次设计通过对通信电子线路的学习使用 Protel 99SE软件设计了一个高频小信号放大器。在设计过程中遇到问题，我先思考找出问题所在，然后在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最后感去图书馆或上网查资料， 或者是问同学， 在这个过程中对以前学的知谢张老师的指导七、参考文献电子线路设计华中科技大学出版社通信电子线路人民邮电出版社高频电子线路高等教育出版社 Protel 99SE 电路设计与制版电子工业出版社非线性电子线路实验指导书北京理工大学出版社电子线路课程设计电子工业出版社