小信号谐振放大器设计 3.docx
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小信号谐振放大器设计 3.docx
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小信号谐振放大器设计3
东
北石油大学
课
程设计
2011年3月4日课
程高频电子线路
题目小信号谐振放大器设计
院系电子科学学院
专业班级
学生姓名
学生学号
指导教师东北石油大学课程设计任务书课程高频电子线路
题目小信号谐振放大器设计
专业电子信息工程姓名学号
主要内容、基本要求、主要参考资料等
1、主要内容
根据高频电子线路课程所学内容,设计一个小信号谐振放大器。
通过在电路设计、
安装和调试中发现问题、解决问题,掌握小信号谐振放大器的基本设计方法,加深对
该门课程的理论知识的理解,提高电子实践能力。
2、基本要求
设计一个小信号谐振放大器,主要技术指标为:
(1)谐振频率06.5MHz
f=;
(2)谐振电压放大倍数020dBvA
≥;
(3)通频带0.8MHz
BW=;
(4)矩形系数0.110rk
<。
3、主要参考资料
[1]阳昌汉.高频电子线路.哈尔滨:
高等教育出版社,2006.[2]张肃文,陆兆雄.高频电子线路(第三版).北京:
高等教育出版社,1993.[3]谢自美.电子线路设计·实验·测试.武汉:
华中科技大学出版社,2000.[4]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.北京:
电子工业出版社,2002.完成期限2月28日-3月4日
指导教师专业负责人
2011年2月25日高频电子线路课程设计(报告)
1一
一一
一、
、、
、电路原理
电路原理电路原理
电路原理
1
11
1.
..
.电路原理及用途
电路原理及用途电路原理及用途
电路原理及用途(
((
(采用集成电路的可对芯片进行介绍
采用集成电路的可对芯片进行介绍采用集成电路的可对芯片进行介绍
采用集成电路的可对芯片进行介绍)
))
)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所示,晶体管的4个y参数分别为
输入导纳
输出导纳
正向传输导纳
反向传输导纳
式中gm为晶体管的跨导,与发射极电流的关系为
gm={IE}mA*S/26b
bebebbb
ebeb
ier
Cjgr
Cjg
y′
′′′
′′+
+
+
≈ω
ω)
1(bbebebbb
cbcb
rer
Cjgr
Cjg
y′
′′′
′′+
+
+
?
≈ω
ω)
1(bbebebbb
ebcb
mbbcbceoer
Cjgr
Cjg
grCjgy′
′′′
′′
′′+
+
+
++≈ω
ω
ω)
1(bbebebbb
m
fer
Cjgr
g
y′
′′′++
≈ω)
1(高频电子线路课程设计(报告)
2
谐振放大器的高频等效电路
谐振放大器的高频等效电路谐振放大器的高频等效电路
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IE、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3DG100C的y参数
gie=1/rie=2mSgoe=1/roe=250mS|yfe|=40mS
Cie=12pFCoe=4pF|yfe|=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,p1为晶体管的集电极接入系数,即
P1=N1/N2
式中,N2为电感L线圈的总匝数;p2为输出变压器Tr0的副边与原边的匝数比,即
P2=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/Gl。
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将是下一级晶体管的输出电导
gie2。
可见并联谐振回路的总电导:
gΣ=p1^2goe+p2^2gie2+jωC+1/jωL+G0
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。
ProtelDXP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ProtelDXP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ProtelDXP软件设计了一个高频小信号放
大器。
2
22
2.
..
.主要技术指标
主要技术指标主要技术指标
主要技术指标表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率f0、谐振电压放大倍数
Av0、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V1、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,示波器监测高频电子线路课程设计(报告)
3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。
高频谐振放大器的测试电
高频谐振放大器的测试电高频谐振放大器的测试电
高频谐振放大器的测试电路
路路
路
1
11
1、
、、
、谐振频率
谐振频率谐振频率
谐振频率
放大器的谐振回路谐振是所对应的频率f0称为谐振频率。
对于图所示电,f0的表
达式为:
fo=1/2πLC
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C=C
∑-p1^2Coe-p2^2Cie
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f0的测量步骤是,首先使高频信号发生器的输出频率为f0,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f0。
2
22
2、
、、
、电压增益
电压增益电压增益
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=-Vo/Vi=-p1p2yfe/g∑
要注意的是,yfe本身也是一个复数,所以谐振时输出电压Vo与输入电压Vi的相位
差为(180+ψfe)。
只有当工作频率较低时,ψfe=0,Vo与Vi的相位差才等于180.
Aov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V2的读数V0及输入端电压表V1的读数V1,则电压
放大倍数Avo由下式计算:
Avo=Vo/Vi
高频电子线路课程设计(报告)
43
33
3、
、、
、通频带
通频带通频带
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=f0/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|/2πC∑上式说明,当晶体管选定即yfe确定,且回路总电容C∑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f0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
BW=fh-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
44
4、
、、
、矩形系数
矩形系数矩形系数
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,如图所示,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
Kr0.1=2Δf0.1/2Δf0.7
上式表明,矩形系数Kr0.1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得
矩形系数Kr0.1。
高频电子线路课程设计(报告)
5二
二二
二、
、、
、设计步骤和调试过程
设计步骤和调试过程设计步骤和调试过程
设计步骤和调试过程1
11
1、
、、
、总体设计电路
总体设计电路总体设计电路
总体设计电路
高频小信号谐振放大器实验电路
高频小信号谐振放大器实验电路高频小信号谐振放大器实验电路
高频小信号谐振放大器实验电路
2
22
2、
、、
、电路工作状态或元件参数的确定
电路工作状态或元件参数的确定电路工作状态或元件参数的确定
电路工作状态或元件参数的确定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,β=50.查手册得rb’b=70Ω,Cb’c=3pF。
当IE=1mA时,
Cb’c=25pF。
L=4μH,N2=20匝,p1=25,p2=0.25,RL=1kΩ。
主要技术指标:
谐振频率06.5MHz
f=,谐振电压放大倍数020dBvA≥,通频带0.8MHzBW=,矩形系数0.110rk<。
1
11
1、
、、
、设置静态工作点
设置静态工作点设置静态工作点
设置静态工作点
取IEO=1MA,VEQ=1.5V,VCEO=7.5V,则
RE=VEO/IEO=1.5KΩ
RB2=VBQ/6IBQ=VBQ*β/6ICQ=18.3kΩ,取18kΩ
RB1=(VCC-VBQ)*RB2/VBQ=55.6kΩ
RB1可用30kΩ电阻和100kΩ电位器串联,以便调整静态工作点。
2
22
2、
、、
、计算谐振回路参数
计算谐振回路参数计算谐振回路参数
计算谐振回路参数
gb’e={IE}mA*S/26β=0.77mS
gm={IE}mA*S/26=38mS
yie=(gb’e+ωCb’e)/{1+rb’b(gb’e+jωCb’e)}=0.96mS+j1.5mS
因为yie=gie+jωCie,所以
gie=0.96mS
rie=1/gie=1kΩ
Cie=1.5mS/ω=23pF
yoe=jωCb’crb’bgm/{1+rb’b(gb’e+jωCb’e)}+jωCb’e高频电子线路课程设计(报告)
6=0.06mS+j0.5mS
因为yoe=goe+jωCoe,所以
goe=0.06mS
Coe=0.5mS/ω=7pF
yfe=gm/{1+rb’b(gb’e+jωCb’e)}=37mS-j4.1mS
故模|yfe|=(37^2+4.1^2)^0.5=37mS
总电容为:
C∑=1/(2πf0)^2L=55.2pF
回路电容C=C∑-p1^2Coe-p2^2Cie=53.3pf取标称值51pF
求出耦合变压器的的一原边抽头匝数N1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
33
3、
、、
、仿真及仿真结果分析
仿真及仿真结果分析仿真及仿真结果分析
仿真及仿真结果分析
高频小信号谐振
高频小信号谐振高频小信号谐振
高频小信号谐振放大器仿真图
放大器仿真图放大器仿真图
放大器仿真图
高频电子线路课程设计(报告)
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PCB
PCBPCB
PCB图
图图
图
4
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4、
、、
、设计电路的性能评测
设计电路的性能评测设计电路的性能评测
设计电路的性能评测(
((
(经分析或测试是否达到了设计要求
经分析或测试是否达到了设计要求经分析或测试是否达到了设计要求
经分析或测试是否达到了设计要求)
))
)
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C1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RB1使VEQ=1.5V。
记
下此时电路的RB1值及静态工作点VBQ、VCEQ、VEQ及IEQ。
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V1、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Kr0.1,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p1使Avo增大或更换β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。
高频电子线路课程设计(报告)
8三
三三
三、
、、
、结论及心得体会
结论及心得体会结论及心得体会
结论及心得体会
通过这次高频课程设计小信号谐振放大电路,更加熟悉掌握了小信号谐振的工作
原理,掌握了谐振电路主要性能指标的测量方法和主要参数的调整方法等。
经过这段
时间的努力,完成了这次课程设计。
但总的来说还是不错的,基本上符合要求。
本次
设计是使我更进一步掌握使用Protel99SE软件,和PCB图。
在绘图过程中尽量注意
元件的摆放,尽量做到布线美观,节约材料,在设计过程中遇到问题,我先思考找出
问题所在,然后在去图书馆或上网查资料,在这个过程中对以前学的知识有了更深刻
的认识。
通过这次课程设计,锻炼了自己的工程意识,动手能力,分析解决实际问题
能力以及设计创新能力。
我学会了把书本在知识和实际的电路联系起来,这就是理论
结合实际,我想这对我们以后的学习有很大的促进作用。
参考资料
参考资料参考资料
参考资料
[1]阳昌汉.高频电子线路.哈尔滨:
高等教育出版社,2006.[2]《电子线路设计》华中科技大学出版社[3]《通信电子线路》人民邮电出版社[4]《高频电子线路》高等教育出版社[5]《Protel99SE电路设计与制版》电子工业出版社[6]《非线性电子线路实验指导书》北京理工大学出版社[7]《电子线路课程设计》电子工业出版社[8]张肃文,陆兆雄.高频电子线路(第三版)北京:
高等教育出版社,1993.[9]谢自美.电子线路设计·实验·测试.武汉:
华中科技大学出版社,2000.[10]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.北京:
电子工业出版社,2002.
东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称高频电子线路
题目名称小信号谐振放大器设计
学生姓名
学号
指导教
师姓名
职称
序号评价项目指标满分评分
1
工作量、工作态
度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务,难易程度和工作
量符合教学要求,工作努力,遵守纪律,出勤率
高,工作作风严谨,善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理,计算过程简练准确,分析问
题思路清晰,结构严谨,文理通顺,撰写规范,
图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识,对前人工作有一些改进或有
一定应用价值。
5
4
答辩能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语:
指导教师:
2011年3月8日
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- 小信号谐振放大器设计 信号 谐振 放大器 设计
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