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
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目录
一、前言 (3)
二、电路基本原理 (3)
三、主要性能指标及测量方法 (5)
1、谐振频率 (7)
2、电压增益 (7)
3、通频带 (8)
4、矩形系数 (9)
四、设计方案 (10)
1、设置静态工作点 (10)
2、计算谐振回路参数 (10)
3、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。

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。

晶体管的静态工作点电阻R B1、R B2及R E 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g m 为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为 g m ={I E }mA*S/26
b
b e b e b b b e
b e b ie r C j g r C j g y ''''''+++≈
ωω)1(b
b e b e b b b c
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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
g ie=1/rie=2mS g oe=1/roe=250mS |y fe|=40mS
C ie=12pF C oe=4pF |y fe|=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T r0的副边与原边的匝数比，即
P2=N3/N2
式中，N3为副边的总匝数；g L为谐振放大器输出负载的电导，g L=1/G l。

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g L将是下
一级晶体管的输出电导g ie2。

可见并联谐振回路的总电导：gΣ=p1^2g oe+p2^2g ie2+jωC+1/jωL+G0
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f0、谐振电压放大倍数A v0、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V i与输出电压V o的值。

直流毫安表mA用于测量放大器的集电极电流i c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f0称为谐振频率。

对于图
所示电，f0的表达式为：f o=1/2π
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∑-p1^2C oe-p2^2C ie
式中，C oe为晶体管的输出电容；C ie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、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A vo称为谐振放大器的电压增益。

A vo的表达式为：A vo=-V o/V i=-p1p2y fe/g∑
要注意的是，y fe本身也是一个复数，所以谐振时输出电压V o与输入电压V i的相位差为（180+ψf e）。

只有当工作频率较低时，ψf e=0，V o与V i的相位差才等于180.
A ov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A vo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A v下降到谐振电压放大倍数A vo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/Q L。

式中，Q L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A vo与通频带BW的关系为：A vo*BW=|y fe|/2πC∑上式说明，当晶体管选定即y fe 确定，且回路总电容C∑为定值时，谐振电压放大倍数A vo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A vo，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A v。

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=f h-f L
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y fe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K r0.1来表示，如图所示，矩形系数K r0.1为电压放大倍数下降到0.1A vo时对应的频率范围与电压放大倍数下降到0.707A vo时对应的频率偏移之比，即
K r0.1=2Δf0.1/2Δf0.7
上式表明，矩形系数K r0.1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K r0.1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K r0.1。

四、设计方案
设计一个高频小信号谐振放大器。

设计参数：
V CC=9V，晶体管为3DG100C，β=50.查手册得r b’b=70Ω,C b’c=3pF。

当I E=1mA时，C b’c=25pF。

L=4μH，N2=20匝，p1 =25,p2=0.25,RL=1kΩ。

主要技术指标：谐振频率f0=10.7MHZ，谐振电压放大倍数A VO>=20dB，通频带BW=1MHZ，矩形系数K r0.1<10。

1、设置静态工作点
取I EO=1MA，V EQ=1.5V，V CEO=7.5V,则
R E=V EO/I EO=1.5KΩ
R B2=V BQ/6IBQ=V BQ*β/6I CQ=18.3kΩ,取18kΩ
R B1=(V CC-V BQ)*R B2/V BQ=55.6kΩ
R B1可用30kΩ电阻和100kΩ电位器串联，以便调整静态工作点。

2、计算谐振回路参数
g b’e={I E}mA*S/26β=0.77mS
g m={I E}mA*S/26 =38mS
y ie=(g b’e+ωC b’e)/{1+r b’b(g b’e+jωC b’e)}=0.96mS+j1.5mS
因为y ie =gie+jωC ie，所以
g ie=0.96mS
r ie=1/g ie=1kΩ
C ie=1.5mS/ω=23pF
y oe=jωC b’c r b’b g m/{1+r b’b(g b’e+jωC b’e)}+ jωC b’e =0.06mS+j0.5mS 因为y oe=g oe+jωC oe，所以
g oe=0.06mS
C oe=0.5mS/ω=7pF
y fe=g m/{1+r b’b(g b’e+jωC b’e)}=37mS-j4.1mS
故模|y fe|=(37^2+4.1^2)^0.5=37mS
总电容为：C∑=1/（2πf0）^2L=55.2pF
回路电容C= C∑-p1^2C oe-p2^2C ie=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、电路图、仿真图和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R B1使V EQ=1.5V。

记下此时电路的R B1值及静态工作点V BQ、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A vo、通频带BW及矩形系数K r0.1，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A vo较小，则可以通过调整静态工作点Q或接入系数p1使A vo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。

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
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识有了更深刻的认识。

通过这次课程设计，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。

在下阶段的学习中我一定会更加努力。

最后感谢张老师的指导。

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。