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高频小信号放大器设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.73M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    高频小信号放大器设计 1.课程设计目的 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。 Multisim 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 Multisim 软件已不是单纯的设计工具， 而是一个系统 ，它覆盖了以 Multisim 为核心的全部物理设计。使用 Multisim 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。 通过对高频电子线路的学习，使用 Multisim 软件设计了一个高频小信号放大 器。 2.设计方案论证 2.1 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。
    图 1 晶体管高频小信号单极单调谐回路谐振放大器 图 1 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。晶体管的静态工作点电阻 RB1、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 2 所示，晶体管的 4 个 y 参数分别为： 输入导纳： y oe  g ce  Cj   cb  gr  mbb 1(  输出导纳： y ie  1(  g  eb gr  bb  ) Cj    eb rCj    bbeb  eb g  cb gr  bb  eb  ) Cj   eb rCj     bbeb 正向传输导纳： y fe  1(  gr  bb  eb g m )  rCj   bbeb 反向传输导纳： y re  1(  g  cb gr  bb  ) Cj   cb rCj     bbeb  eb
    式中 mg 为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为： g m  * Smi   6 A e 图 2 谐振放大器的高频等效电路 晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流 ei 、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数一般是在测试条件一定 的情况下测得的。如在条件下测的 2SC945 的 y 参数： gie  1  rie 2 ms g oe  1  roe 250 ms 40fey cie 12 pF coe 4 pF fey 350 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， 1p 为晶体管的集电极接入系数，即： N p  1 N 1 2 式中， 2n 为电感 L 线圈的总匝数； 2p 为输出变压器 roT 的副边与原边的 匝数 比，即： p  2 N N 3 2 式中， 3n 为副边的总匝数； Lg 为谐振放大器输出负载的电导， g L  1 G 1 。 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 Lg 将是下一级晶体
    管的输出电导 2ieg 。 可见并联谐振回路的总电导： g  2 gp 1 oe  2 gp 2 ie 2   1 cj   g o l j  2.2 设计思路及测量方法 表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率 0f 、谐振电压放大 倍数 VOA 、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 SV 由高频信号发生器提供，高频电压表 1V 、 2V 分别用于测量放大器是 输入电压 iV 与输出电压 OV 的值。直流毫安表 mA 用于测量放大器的集电极电流 ci 的值，示波器监测负载 LR 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。 (1)谐振频率 放大器的谐振回路谐振是所对应的频率 0f 称为谐振频率。对于图所示电， 0f 的表达式为： f 0  1 2 LC 式中， L 为谐振回路电感线圈的电感量；C 为谐振回路的总电容, C 的表达式为 CC    2 CP 1 oe  2 CP 2 ie 式中， oeC 为晶体管的输出电容； ieC 为晶体管的输入电容。 谐振频率 0f 的测量步骤是，首先使高频信号发生器的 输出频率为 0f ，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 2V 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 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 0f 。
    (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 VOA 称为谐振放大器的电压增 益。 VOA 的表达式为： A VO  V o V i  ypp 1 2 g  fe 要注意的是， fey 本身也是一个复数，所以谐振时输出电压 oV 与输入电压 iV 的相 位差为  。只有当工作频率较低时， ， OV 与 iV 的相位差才 ef180 ef  0 等于 180。 VOA 的测量电路如图所示，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 2V 的读数 OV 及输入端电压表 1V 的读数 1V ，则 电压放大倍数 VOA 由下式计算： A  VO V o V i (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 VA 下降到谐振电压放大倍数 VOA 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： 谐振回路的有载品质因数。 BW  。式中， LQ 为 f O Q L 分 析 表 明， 放 大 器 的 谐振 电 压 放 大 倍 数 VOA 与 通 频 带 BW 的 关 系 为： A VO  BW  y fe 2 C  上式说明，当晶体管选定即 fey 确定，且回路总电容 C 为定值 时，谐振电压放大倍数 VOA 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 0f 及电压放大倍数 VOA ，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 VA 。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 所示
    图 3 频率特性曲线 BW  f 1  f 2 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 fey 较大的晶体管外，还 应尽量减小调谐回路是 总电容量 C 。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，则可减小通频带，尽量提高放大器的增益。 (4)矩形系数 谐振放大器的 选择性可用谐曲线的矩形系数 1.0rK 来表示，如图所示 ，矩形 系数 1.0rK 为电压放大倍数下降到 VOA1.0 时对应的频率范围与电压放大倍数下降 到 VOA707.0 时对应的频率偏移之比，即 Kr 1.0  2 f  2 f  1.0 7.0 上式表明，矩形系数 1.0rK 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 1.0rK 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 线来求得矩形系数 1.0rK 。
    2.3 设计方案 设计一个高频小信号谐振放大器。设计参数： Vcc 9 ，晶体管为 3DG100C， 50 V .查手册得 'bbr  70 , C cb '  30 pF I E 。 1 mA 时, C cb '  25 pF 。 L 4 H ， 2 N 20 匝， 1 P 25 , 2 P 25.0 , RL 1 。  K 主要技术指标：谐振频率 f 0  7.10 MHz ，谐振电压放大倍数 AVO 20 dB ，通频带 BW 1 KHz ，矩形系数 1.0 rK 10 (1)设置静态工作点 1bR 可用 30 K 电阻和 100 K 电位器串联，以便调整静态工作点。 (2)计算谐振回路参数   I   I  g g ' eb E m   77.0 ms ms E SmA  26 SmA   g  ' eb ( r g ' bb  ' eb 38  26  C  ' eb Cj   ' eb y ie   1  96.0 ms  5.1 j ms  ) 因为 y ie  g ie Cj  ie ，所以 ie g r ie C y ie oe     96.0 1 ms 1 K  g ie 5.1 ms   grCj  ' mbbcb ' 23 pF  1  r ' bb ( g ' eb  Cj  ' eb  )  Cj  ' eb  06.0 ms  j 5.0 ms 因为 y oe  g oe Cj  oe ，所以 y oe C oe   06.0 5.0 ms ms   7 pF g m y fe   1  r ' bb ( g ' eb  Cj  ' eb  )  37 ms  j 1.4 ms 故模 y fe  2 37(  5.02 )41  37 ms 总电容为： C  1 2( f  o 2 ) L  2.55 pF C∑=1/（2πf0）^2L=55.2pF
    回路电容 CC    2 CP 1 oe  2 CP 2 ie  3.53 pF 取标称值 51 pF 求出耦合变压器的的一原边抽头匝数 1N 及副边匝数 3N ，即 N 1  NP 1  2  5 匝 N 2  NP 2  3  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。 2.4 利用 Multisim 对电路的仿真图 将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。图 4 是高频谐振放大器的测试电路设计图。 图 4 高频谐振放大器电路图 调整静态工作点，不加输入信号，将 1C 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 ER 两端的电压，调整电阻 1BR 使 VBQ 5.1 V 。记下
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