高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真.docx
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高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题目:
1.高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真
2.乘积型相位鉴频设计与仿真
3.高频谐振功率放大器设计与制作
初始条件：
对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路
的基本设计能力及基本调试能力。
要求完成的主要任务：
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1.谐振频率：
fo=10.7MHz谐振电压放大倍数：
Av。
320dB，，通频带：
Bwo.7=1MHz；矩形系数：
Kro.1兰10。
要求：
放大器电路工作稳定，采用自耦变压器谐振输出回路
2.电路的主要技术指标：
输出功率Po>125mWV工作中心频率fo=6MHz>65%,已知：
电源供电为12V,负载电阻,RL=51Q,晶体管用3DA1,其主要参数：
Pcm=1W,lcm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益Ap>13dB（20倍）。
时间安排：
第15周，安排任务（鉴3-204）
第16周，仿真、实物设计（鉴主实验室）
第17周，完成（答辩，提交报告，演示）
指导教师签名：
年
月
日
系主任（或责任教师）签名：
年
月
日
高频小信号谐振放大器3
1.设计任务3
2.总体电路方框图3
3单元电路设计4
3.1小信号放大电路4
3.2选频网络5
4仿真结果6
5实物制作与测试7
乘积型相位鉴频设计与仿真8
1.鉴频器概述8
2.鉴频器的主要参数8
2.1鉴频特性（曲线）8
2.2鉴频器的主要参数9
3.鉴频方法9
3.1直接鉴频法9
3.2间接鉴频法10
3.2乘积型相位鉴频器原理说明10
4.乘积型相位鉴频器实验电路说明及仿真设计11
4.1乘积型相位鉴频器电路11
4.2仿真电路设计及结果分析12
5.MC1496鉴频电路的鉴频实物实验14
5.1鉴频电路的鉴频操作过程14
5.2鉴频特性曲线（S曲线）的测量方法14
高频功率放大器15
1.放大器电路分析15
2谐振功率放大器的动态特性16
2.1谐振功放的三种工作状态16
2.2谐振功率放大器的外部特性17
3单元电路的设计19
3.1确定功放的工作状态19
3.2基极偏置电路计算20
3.3计算谐振回路与耦合线圈的参数21
3.4电源去耦滤波元件选择21
4电路的安装与调试22
总结23
参考文献24
高频小信号谐振放大器
1.设计任务
设计一高频小信号谐振放大器，所设计电路的性能指标如下:
谐振频率：
fo=10.7MHz,
谐振电压放大倍数：
Av°_20dB,
通频带：
Bwo.7"MHz,
矩形系数：
J」10。
要求：
放大器电路工作稳定，采用自耦变压器谐振输出回路。
C3
L3：
：
J
*i-
330uH\q2
L2丰仙MF
R4：
|2.8uH：
:
:
:
■T■'
V1
12V
R6
1k：
100pF
Key^AfWK；”3:
50%
C1
Key=
点50%
LLIOOnF：
1.2UH
2N3393
■:
.：
.：
..fo：
.
C4
LED1
50m9,5MHz
Dja..
XMM1
XSC1
9
£
小信号放大
1/
选频网络
耦合输出
2.总体电路方框图
3单元电路设计
3.1小信号放大电路
采用国产三极管3DG6经万用表测得放大倍数为40倍，
由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流Icq—般在0.8—2mA之间选取
为宜，
设计电路中取Ic=2mA，设Re=2K"。
因为：
Veq“EQRe而Icq：
Teq所以：
Vbe=4V;
因为：
Vbq=VeqVbeq（硅管的发射结电压Vbeq为0.7V）
所以：
Vbq=4.7V;
因为：
Vceq二Vcc—Veq所以：
Vceq=12V-4.7V=7.3V
因为：
Rb2-Vbq/（5—10）Ibq而Ibq』CQ/2-2mA/40=0.05mA取10嘔
则：
Rb2=2K
考虑调整静态电流Icq的方便，Rb!
用10K?
电位器。
T1
3.2选频网络
C2
图
（2）选频网络
选频网络参数设置采用固定电感调电容的方法来达到10.7MHZ的谐振频率1）回路中的总电感L
L=4uh2）回路电容的计算
因为：
则：
1
C2—=592pf
（2兀f。
）L
采用以800pf的可调电容。
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:
2
L=KN
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
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Lm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LO，再用下面
的公式求出系数K值:
K二L。
/N：
式中：
N。
-为实验所绕匝数，由此根据Lm和K值便可求出线圈应绕的圈数，即:
Lm
8..
=210H/匝
0.08mm漆包线缠绕10匝后得到的电感为2uHo
2_62
K=Lo/No2；10/10
N
要得到4uH的电感，所需匝数为
410
14匝
210
N^P!
N2，而N2=14匝。
贝q：
N,=0.314=4.5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
4仿真结果
5实物制作与测试
测试结果：
输入信号幅值：
162mv输出信号幅值：
1.70V
乘积型相位鉴频设计与仿真
1.鉴频器概述
鉴频器使输出电压和输入信号频率相对应的电路。
按用途可以分为两类：
第一类用于调频信号的解调。
常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等。
对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。
第二类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。
对于这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求不高。
实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类，第一类是调频一一调幅变换型。
第二类是相依乘法鉴频型，这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化呈线性关系，然后将调相调频波与原调频波进行相位比较，通过低通滤波器取出解调信号，因为相位比较器通常用乘法器组成，所以称为相移乘法鉴频；第三类是脉冲均值型。
2.鉴频器的主要参数
2.1鉴频特性（曲线）
指鉴频器的输出电压u0与输入电压瞬时频率f或频偏Af之间的关系曲线。
理想鉴频特性曲线应是一条直线，但实际上往往有弯曲，呈S形，如下图所示。
2.2鉴频器的主要参数
1）鉴频器的中心频率f0
鉴频器的中心频率f0对应于鉴频特性曲线原点处的频率。
通常，由于鉴频器中心与中频频率相同。
2）鉴频带宽Bm
鉴频带宽Bm:
是指鉴频器能够不失真地解调所允许输入信号频率变化的最大范围。
3）鉴频器的线性度
鉴频器的线性度：
是指鉴频特性曲线在鉴频带宽内的线性特性。
4）鉴频跨导SD
Sd
du。
df
•:
f=0
鉴频跨导SD:
是指鉴频器在载频处的斜率，它表示单位频偏所能产生的解调输出电压。
鉴频跨导又叫做鉴频灵敏度。
用公式表示为：
跨导也可以理解为将输入频率转换为输出电压的能力或效率，因此又称
为鉴频效率
3.鉴频方法
3.1直接鉴频法
是直接从调频信号的频率中提取原来调制信号的方法。
主要有脉冲计数鉴频
3.2间接鉴频法
就是先对调频信号进行变换或处理，再从变换后的信号中提取原调制信号的鉴频方法。
又可分为振幅鉴频法、相位鉴频法两大类。
本设计采用相位鉴频法，原理如下：
相位鉴频器将输入的调频波UFM故变换，变换成调相调频波UPM/FM在与调频波UFM叠加，在电路参数与信号参数匹配的情况下，得到幅度与调制信号呈线性关系的调幅调相调频波，最后经包络检波，解调出调制信号。
鉴相器是用来比较两个同频输入电压U（t）和U（t）的相位，而输出电压U0（t）是两个输入电压相位差的函数，即
U。
（t）二f[i（t）-2（t）]
3.2乘积型相位鉴频器原理说明
利用模拟乘法器的相乘原理可实现乘积型相位检波，其基本原理是：
在乘法器的一个输入端输入调频波Ust，设其表达式为
Us
t二Usmcos[uct'mfcos,t
式中，mf——调频系数，mS.'或mf-If/f，其中为调制信号的频偏。
sin■-i.<■p-i因此鉴频器的输出电压Uot的变化规律与调频波瞬时频率的变化规律相同，从而实现了相位鉴频。
（=f）=一-arctan（Q2
fo
2：
f
uo
1
…E——亍—
1
KPUU■
Esmsm
2
2-'c■mfsin二't］亠［门］
式中，第一项为高频分量，可以被低通滤波器滤掉。
第二项是所需要的频率分量，只要
线性移相网络的相频特性做⑷）在调频波的频率变化范围内是线性的，当\<0.4rad，
式中，—，——移相网络的相频特性。
这时乘法器的输出Uot为
4.乘积型相位鉴频器实验电路说明及仿真设计
4.1乘积型相位鉴频器电路
用MC1496勾成的乘积型相位鉴频器电路如图4-12所示。
图4--12MC1496构成的相位鉴频器
其中
6与并联谐振回路C2L共同组成线性移相网络，将调频波的瞬时频率的变化转变成瞬
时相位的变化。
分析表明，该网络的传输函数的相频特性-■的表达式为:
\=
当——时，上式近似表示为:
''0
式中fo—回路的谐振频率，与调频波的中心频率相等。
Q—回路品质因数。
■_f—瞬时频率偏移。
相移••与频偏:
f的特性曲线如图所示由图可见：
在f二f。
即.Vf=0的范围内，相位与频偏呈线性关系，从而实现线性移相
MC1496勺作用是将调频波与调频调相波相乘，其输出端接集成运放构成的差分放大
器，将双端输出变成单端输出，再经R0C0滤波网络输出。
可见：
在f二fo即为=0的范围内，相位与频偏呈线性关系，从而实现线性移相。
4.2仿真电路设计及结果分析
相位鉴频器整体仿真电路图
仿真结果：
柳Oscilloscope-XSCl
j.J
Tme
ChannelA
ChannelB
270018mf
18.937mV
758.980iV
1233
iTC.Oiems
18.937mV
758.980uV
T2-T1
D.DDDs
□.ODDV
D.DrOOV
Ert.Trigger
相位鉴频电路波形
Timebsse
Scale
|sms/Diw
LharwielA
Scale1®mVTOiv
ChannelB
^jpale
|£mY/Div
Trigger
Eifle
"L1"1
Xposhiori
o.s
VpdEitldri|-1
Yposjittort
p-4
Level
p[7
1vzr
^dd9l/A|A/B
20]ccJQ
r^~°
1X]■]
柠Type
$ing.|Nqt,1Ajtg>||Mone
5.MC1496鉴频电路的鉴频实物实验
5.1鉴频电路的鉴频操作过程
1.首先测量鉴频器的静态工作点（使电路工作在平衡状态），再调谐并联谐振回路，
使其谐振（谐振频率fc=10.7mhzMHZ。
2.再从Ux端输入fc=10.7MHz,Ucp』=40mV的载波（不接相移网络，Uy=0）,调节平衡电位器RP使载波抑制最佳u0=0。
3.然后接入移相网络，输入调频波Us，其中心频率fc=10.7MHz,UCp_p=40mV，调制信号的频率f「=1KHz，最大频偏.\fmax=75KHz，调节谐振回路C2使输出端获得的低频调制信号Uot的波形失真最小，幅度最大。
5.2鉴频特性曲线（S曲线）的测量方法
测量鉴频特性曲线的常用方法有逐点描迹法和扫频测量法
逐点描迹法的操作是：
用高频信号发生器作为信号源加到鉴频器的输入端Us，先调节中心频率fc=10.7MHz，输出幅度Ucp」=40mV。
鉴频器的输出端U。
接数字万用表（置于“直流电压”档）测量输出电压Uo值。
（调谐并联谐振回路，使其谐振）。
再改变高频信号发生器的输出频率（维持幅度不变），记下对应的输出电压Uo值，并填入表4-5;最后根据表中测量值描绘S曲线。
扫频测量法的操作是：
将扫频仪（如BT-3型）的输出信号加到鉴频器的输入端Us，扫频仪的检波探头电缆换成夹子电缆线接到鉴频器的输出端uo，先调节BT—3的“频率偏移”、“输出衰减”和“Y轴增益”等旋钮，使BT—3上直接显示出鉴频特性，利用“频标”可绘出S曲线。
调节谐振回路电容C2，平衡电位器RP可改变S曲线的斜率和对称性。
高频功率放大器
1.放大器电路分析
如图所示为高频功率放大器的基本电路。
为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择工作在丙类状态下工作。
我们知道，在一元件（呈电阻性）的耗散功率等于流过该元件的电流和元件两端电压的乘积。
由图可知基极直流偏压Vbb使基极处于反向偏
压的状态，对于NPN型管来说，只有在激励信号为正值的一段时间内才有集电极电流产生，所以耗散功率很小。
晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路中LC是晶体管的负载，电路工作在丙类工作状态。
-川|F
VBBVcc
图1高频功率放大器基本电路
下图为谐振功率放大器各级电压和电流波形
（b）
（c）
（d）
（e）
2谐振功率放大器的动态特性
2.1谐振功放的三种工作状态
在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：
1欠压工作状态：
集电极最大点电流在临界线的右方
2过压工作状态：
集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区
3临界工作状态：
是欠压和过压状态的分界点，
集电极最大点电流正好落在临界线上。
如图2-4为电压、电流随负载变化的波形图。
图3电压、电流随负载变化波形
高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压Vb、供电电压Vcc、Vbb等4个参量决定的。
为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。
2.2谐振功率放大器的外部特性
（1）负载特性
如果Vcc、Vbb、Vb这几个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻R决定。
此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。
1欠压状态：
B点以右的区域。
在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=R*Ic1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻R的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。
2临界状态：
负载线和Ebmax正好相交于临界线的拐点。
放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。
所以，高频谐振功率放大器一般工
作于这个状态。
3过压状态：
放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小
图4谐振放大器的负载特性
（2）集电极调制特性
集电极调制特性是指Vbb、Vbm和R—定，放大器性能随Vcc变化的特性。
如图2-6所示由于Vbb和Vbm—定，也就是VBEmax和Ic脉冲宽度一定，因而对应于VcEmin的动态点必定在VBE=VBEmax的那条特性曲线上移动；当Vcc由大减小时，相应的VcEmin也由大减小，放大器的工作状态将由欠压进入过压，Ic波形也将由接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波。
图5谐振放大器的集电极调制特性
（3）基极调制特性
基极调制特性是指Vcc、Vbm和R一定，放大器性能随Vbb变化的特性。
如图2-7所示。
当Vbm—定，Vbb自负值向正方向增大，集电极电流脉冲不仅宽度增大，而且还因VBEmax增大而使其高度增加，因而IcO和Ic1m（相应的Vcm）增大，结果使VcEmin减小，放大器由欠压进入过压状态。
图6谐振放大器的基极调制特性
（4）放大特性
放大特性是指Vbb、Vcc和R一定，放大器性能随Vbm变化的特性，如图2-8所示。
固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情况类似，它们都使集电极电流脉冲的宽度和高度增大，放大器的工作状态有欠压进入过压；进入过压后，随着Vbm的增大，集
电极的电流脉冲出现中间凹陷，且高度和宽度增加，凹陷加深。
图7谐振放大器的放大特性
3单元电路的设计
3.1确定功放的工作状态
对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，其电流流通角乙在60°—90°范围。
现设乙=70°。
查表3-1得：
集电极电流余弦脉冲直流lc。
分解系数：
0（7°°）=0.25，集电极电流余弦
第19页
脉冲基波ICM1分解系数，'（70°）“44。
设功放的输出功率为0.5W。
功率放大器集电极的等效电阻为:
集电极基波电流振幅为:
.2P0/Rp=95mA
集电极电流脉冲的最大振幅为:
Icmax"cm1/〉1（礼）=95mA/0.44=216mA
集电极电流脉冲的直流分量为:
Icoicmax'-：
o（礼）=2160.25=54mA
电源提供的直流功率为：
Pd二VccIco=12V54mA=0.65w
集电极的耗散功率为：
Pc二Pd「Po"a-0.5=0.15w
集电极的效率为：
=Po/Pd=0.5/0.65"%（满足设计要求）
=21.6mA
IBm
则：
输入功率：
Pi-Po/Ap=0.5/20=25mV
基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的：
=10）
3.2基极偏置电路计算
coSc
VeVz
取高频旁路电容Ce2=0.01Pf
3.3计算谐振回路与耦合线圈的参数
2
Rp=（1Ql
）Rl
1=1.076
Rp
Q—Rl
Lp
=（1•丄）Ls
Ql
=（1
1.076
2）1.46=2.72：
H
输出采用L型匹配网路，Rp=110",Rlf
22
4二fLP
43.142622.7210』pF二259pF
匹配网路的电感L为「46JH，电容C为259pF。
3.4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n型LC低通滤波器，滤波电感o可按经验取50〜
100yH,滤波电感一般取0.01卩。
实际使用电路图如下:
¥CC
1ZV
吟L2：
!
330ml1
Ct*
bluF：
：
<
C41uF
图8实际设计电路
-11
n
2W2319
R410kf£
•士2Dpi"'冷
■-■””卜
■lai■■
12219
R3
15kQ
‘册-
joa:
G5••CLItiF
C6
ZZd.liLiF
D：
4电路的安装与调试
根据上述设计的元件参数，按图1所示电路进行安装（上述未标出的器件参数，以图上标注为准）。
先安装第一级放大器，测量调整其静态工作点，使其满足或近似到理论设计值，再安装第二级放大器。
测得晶体管3DA1静态时，基极
偏置电压Ube=O,静态工作点调整后再进行动态调试。
先假设谐振回路已经处于谐振状态，即集电极的负载电阻为纯阻抗。
但是回路的初始状态或者在调谐过程中，回出现失谐状态，即集电极回路的阻抗呈感性或呈容性，将使回路的等效阻抗下降。
这时集电极输出电压减小，集电极电流增大，集电极的耗散功率增加，严重时可能损毁晶体管。
为保证元器件安全工作，
11
调谐时可以先将电源电压+VCC降低到规定值的2「3，待找到谐振点后，再将+VCC升到规定值，然后微调一下回路参数就可以了。
回路谐振时，高频电压表的读数应达到最大值，直流毫安表的读数为最小值，示波器检测的波形为不失真基波。
总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
此次课程设计主要针对信号接收电路提出自己的设计方案，并利
用仿真软件来实现自己的设计电路图。
设计中用到了高频小信号电路，混频电路，晶体振荡电路，鉴频电路等在高频电子线路课程中学到的知识。
由于对所学电路不熟悉，导致在设计的过程中无法画出正确的电路图，算不出电路中元器件的参数，使得在设计过程中绕了许多弯路，做了许多的无用功。
设计过程中查阅了大量的有关高频电子线路设计的书籍，巩固了
以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的必要性，只有理论
知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟跟平时的理论还是存在着很大的差异，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
总之，通过这次课程设计之后，我发现自己的不足之处还很多，我下去以后一定把以前所学过的知识重新温故。
参考文献
[1]Multisim电路设计及仿真应用清华大学出版社
[2]《通信电子线路》主编：
侯丽敏华大学出版社
[3]《电子线路设计、实验、测试》主编：
谢自美华中理工大学出版社
[4]《电子技术实验教程[M]》主编：
王紫婷成都：
西南交大出版
社,1997.
[5]《通信电子线路》主编：
刘泉武汉理工大学出版社
升级会员 