高频小信号谐振放大器设计

2015 ~ 2016学年第1 学期
《高频电子线路》
课程设计报告
题目：高频小信号谐振放大器的设计专业：电子信息工程
班级：13电子信息
姓名：
指导教师：
电气工程学院
2015年12月12日
任务书
摘要
高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。

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。

高频小信号放大器的分类：
按元器件分为：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器;
按频带分为：窄带放大器、宽带放大器;
按电路形式分为：单级放大器、多级放大器;
按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器;
所谓谐振放大器，就是采用谐振回路作负载的放大器。

根据谐振回路的特性，谐振放大器对于靠近谐振频率的信号，有较大的增益；对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降。

所以，谐振放大器不仅有放大作用，而且也起着滤波或选频的作用。

高频小信号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。

其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。

本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。

关键词：高频小信号放大器；调谐放大器
目录
《高频电子线路》 (1)
课程设计报告 (1)
任务书 (2)
摘要 (3)
目录 (4)
第一章总体方案 (5)
1.1设计条件 (5)
1.2总体方案简述 (5)
第二章高频小信号谐振放大器的原理分析 (6)
2.1主要特点 (6)
2.2主要性能指标 (6)
2.2.1谐振频率 (6)
2.2.2电压增益和功率增益 (6)
2.2.3通频带 (7)
2.2.4选择性 (7)
2.2.5工作稳定性 (7)
2.2.6噪声系数 (8)
2.3放大器等效电路与分析方法 (8)
2.4单调谐回路谐振放大器 (9)
2.5多级单调谐放大器 (9)
2.6调谐电路的稳定性 (10)
2.6.1中和法 (11)
2.6.2失配法 (11)
第三章高频小信号谐振放大器的设计 (12)
3.1主要参数 (12)
3.2设计过程 (12)
3.2.1回路的选择 (12)
3.2.2设置静态工作点 (13)
3.2.3谐振回路参数计算 (13)
3.2.4确定耦合电容与高频滤波电容 (14)
第四章高频小信号谐振放大器电路仿真 (15)
4.1总原理图 (15)
4.2测量并调节静态工作点Q (15)
4.3高频小信号谐振放大器主要性能的测量 (16)
总结 (19)
参考文献 (20)
答辩记录及评分表 (21)
7.002f f
Q Δ=
第一章 总体方案
1.1 设计条件
主要技术指标（要求：放大电路工作稳定） 谐振频率：z f MH =7.100
谐振电压放大倍数：B ≥A d uo 20 通频带：z W MH =B 67.0 选择性（矩形系数）：101.0≤K r
已知条件；负载电阻KΩ=10L R ，电源电压V V cc 12=
1.2 总体方案简述
高频小信号放大器的功用就是无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，而最常用的是窄带放大器，它是以各种选频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波功能。

对高频小信号放大器的基本要求是：
（1）增益要高，即放大倍数要高。

（2）频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用Q 值来
表示。

其中，带宽为7.07.02
f f f W L Δ=-=B H ,品质因数为 （3）电路工作要稳定可靠，即要求放大器的性能尽可能地不受温度、电源电压等外界因素变化的影响，内部噪声要小，特别是不产生自激振荡，加入负反馈可以改善放大器的性能。

第二章 高频小信号谐振放大器的原理分析
2.1主要特点：
晶体管集电极负载通常是一个由 LC 组成的并联谐振电路。

由于 LC 并联谐振回路的阻抗是随着频率变化而变化，理论上可以分析，并联谐振在谐振频率处呈现纯阻，并达到最大值。

即放大器在回路谐振频率上将具有最大的电压增益。

若偏离谐振频率，输出增益减小。

总之，调谐放大器不仅具有对特定频率信号的放大作用，同时也起着滤波和选频的作用。

2.2主要性能指标：
高频小信号谐振放大器主要的性能指标将分成下面的几部分进行说明：
2.2.1谐振频率
放大器的谐振回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，理论上，对于LC 组成的并联谐振回路来说，谐振频率为：
式中，L 为调谐回路电感线圈的电感值；C 为调谐回路的总电容。

2.2.2电压增益和功率增益
电压放大倍数用u A 表示，等于放大器输出电压O U 与输入电压i U 之比，功率增益用p
A 表示，等于放大器输出功率o P 与输入功率i P 之比，即
放大器的谐振电压增益放大倍数（uo A ）指：放大器处在在谐振频率0f 下，输出电压与输入电压之比。

LC
π21f 0=
i o
u U U =A i
o P P P =
A
测量方法：当谐振回路处于谐振状态时，用高频毫伏表测量输入信号i U 和输出信号o
U 大小。

图2-2-2放大器归一化幅频特性曲线
2.2.3通频带
通频带定义为放大器增益从最大值下降)
2/1(3B d 时所对应的频率范围，用)(27.07.0W f B 或Δ表示。

2.2.4选择性
选择性表示放大器对通频带以外的各种干扰信号及其噪声的滤除能力，或者说，从各种干扰中选出有用信号的能力。

理想情况下，放大器应该对通频带以内的各种信号频谱分量具有相同的放大作用，而对通频带以外的信号则完全抑制。

为了评价实际幅频特性曲线接近理想矩形的程度，这里引入矩形系数：
式子式中，1.02f Δ是增益下降到最大值的0.1倍时的频带宽度。

0.707倍和0.1倍之间
的频带称为过渡带，1.0K 越小，则过渡带越陡峭，表明选择性越好，越接近理想曲线。

实际中1.0K 总是大于1的，等于1则为理想情况。

2.2.5工作稳定性
工作稳定性是指放大器中的直流偏置、交流参数和电路元件参数等发生变化时，放大器性能的稳定程度。

一般不稳定现象表现在增益变化、中心频率偏移、通频带变化和谐振
7
.01.01.022f f ΔΔ=
K
曲线畸变等方面。

不稳定状态严重时可使放大器产生自激振荡，不能正常工作。

所以必须采取稳定措施，如稳定工作点、限制放大器的增益、选择反向传输导纳小的有源器件、中和法或失配法以及安排合理的电路工艺（元件布局、布线、接地）等来解决稳定性问题。

2.2.6噪声系数
放大器的性能在很大程度上与干扰（常指外部）和噪声（指内部）有关，因此，要尽量减少这些干扰和噪声对放大器的影响。

噪声系数定义为输入端信噪比与输出端信噪比的比值，记为F N ，即：
显然，噪声系数越小越好，说明放大器抑制噪声的能力越强。

当放大器没有内部噪声时，1=N F 。

噪声的来源主要有两个方面：电阻热噪声和半导体管噪声。

两者有许多相同的特性。

2.3放大器等效电路与分析方法
在小信号条件下，晶体管可用网络参数等效电路中的y 参数等效电路或混合π型等效电路取代，分别如下图所示：
图2-3（a ） 混合π电路图 图2-3（b ） y 参数等效电路图
Y 参数等效电路与混合π等效电路参数的转换，用混合π参数表示的 Y 参数：
no
so
ni si F P P P P //=
N
其中，)('''',''c b e b e b e b e b C C jw Y jwC Y +==。

2.4单调谐回路谐振放大器
图2-3 单调谐回路谐振放大器原理图
从理论上分析可得：
在谐振点上的电压增益为：ie
oe fe
fe uo g p g p g y p p g y p p 2
22
112121++=
=
A ∑
矩形系数为：195.91102227
.01
.01.0>>≈-==
K f f ΔΔ 从这里也可以看出，矩形系数比1大得多，说明选择性还是比较差的。

2.5多级单调谐放大器
在实际中，有时单级调谐放大器不能满足总的增益要求，就要采用多级放大器。

根据各级谐振情况分为多级单调谐放大器（每级谐振频率均相同）和参差调谐放大器（各级谐
)
11('
11'1'
''
'0
2
2'''0
2''0
12''0
11'11122e b Y r r g jwC y Y r jwC V y Y r g y Y r Y V y bb bb m c b V oe e b bb c b V re e b bb m
V fe e b bb e
b V ie ++
=I I =
+-
=I =+=
I I =+=I =====
振频率不同，但相差不大）。

假如有m 级放大器，其电压增益分别为um u u A A A ,......,,21，则总增益为：
um u u m A A A =A (21)
为了方便讨论，设每一级电压增益均相等（都为u A ），则
（1）电压增益为：m
u m A =A
（2）谐振曲线：
当每级是由完全相同的单机放大器组成时，多级谐振曲线等于各单级谐振曲线的乘积，谐振曲线表达式为
()
2
2
2
2211
11
m o L m mo
m
f f Q ⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭
⎫ ⎝
⎛+=
+=A A Δξ
上式表明，级数越多（m 越大），谐振曲线月尖锐，选择性越好。

（3）通频带：()7.01
17.0212122f Q f
f m L
o m
m
ΔΔ⨯-=⨯-=
由于m 是大于1的整数，所以121-m
一定小于1，即通频带变窄了，且m 越大，通频带越窄。

（4）矩形系数：
令上面的谐振曲线为0.1，可以求出()m f 1.02
Δ为 ()L
o
m
m Q f f ⨯
-=
110021
1.0Δ 于是，矩形系数为
()()()1
2110022117.01.01.0--=
=
K m
m
m
m m r f f ΔΔ
由上式可知，m 越大，矩形系数越小，但不可能小于2.56（当m 取无穷大），也就是说矩形系数有所改善，但是是有限度的，离理想矩形系数（矩形系数为1）还有很大差距。

说明单调谐回路放大器选择性较差，增益和通频带的矛盾比较突出。

为了解决这些矛盾，通常采用双调谐回路放大器和参差调谐放大器。

2.6调谐电路的稳定性
在实验时，经常在测试电路中会出现自激的现象，特别是在多级放大的情况中。

我们将这种没有外部输入信号，由于电路内部正反馈作用而自动维持输出交流信号的现象称为自激。

它经常和进行高频电路设计相违背，我们把这种具有自激现象的放大器称为自激振
荡器，它实际上就是一个有足够反馈量的正反馈放大器。

产生自激振荡的条件和振荡电路的原理一致。

即满足：
（1）相位平衡条件
放大器的反馈信号与输入信号必须同相位，即相位差是180°(或π)的偶数倍。

（2）振幅平衡条件
指放大器的反馈信号必须有一定的幅度。

在振荡建立的初期，必须使反馈信号大于原输入端的信号。

交流负反馈能够改善放大电路的许多性能，改善的程度由负反馈的深度决定。

但是，如果电路组成不合理，反馈过深，且电路附加相移(高频区或低频区)改变了反馈信号的极性时，电路中的负反馈就会变成正反馈。

反而会使放大电路产生自激振荡。

这种自激振荡是一定要消除的。

克服自激的方法在这里介绍以下两种：
2.6.1中和法
中和法是在晶体管的输入端和输出端之间引入一个外部反馈电路（或反馈元件），又称为中和电路，以消除晶体管内部反向传输导纳
y的反馈作用。

re
2.6.2失配法
失配法是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗或负载阻抗不与晶体管输出阻抗匹配，具体地说，就是通过减小负载阻抗，从而减少回路总阻抗，使输出电压相应减少，对输入端的影响也就减少。

显然，这是用牺牲增益来获得放大器的稳定。

为了满足增益和稳定性两方面的性能指标要求，常采用共射-共基级联成一个复合管组成的放大电路。

第三章 高频小信号谐振放大器的设计
3.1主要参数：
要求：
谐振频率：z f MH =7.100
谐振电压放大倍数：B ≥A d uo 20 通频带：z W MH =B 17.0 选择性（矩形系数）：101.0≤K r
给定条件：3.0,1100421o ===H =p p Q L ，，回路电感μ,晶体管用9018，50=β查手册可知，9018在mA V V ce 210=I =E 、时，有：
ms y ms y pf c s g s g re fe ie oe ie 31.0,45,19,200,2860=====μμ 负载电阻KΩ=10L R ，电源电压V V cc 12= 3.2设计过程
3.2.1回路的选择
依据上一章关于高频小信号谐振放大器的原理分析以及给定的条件及参数要求，可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器，设计参考电路见
图3-2 单调谐高频小信号放大器电原理图
图中放大管选用9018，该电路静态工作点Q 主要由CC b e w b V R R R R 与211,,,确定。

利用
211b w b R R R 、和的分压固定基极偏置电位BQ V ,如满足条件Q B I >>I 1：当温度变化时
↓I ↓→I ↓→↑→↑→I CQ BQ BE BQ CQ V V ,抑制了CQ I 的变化，从而获得稳定的工作点。

由此可知，只有当Q B I >>I 1时，才能获得Q V B 恒定，所以，在选用硅管的时候，BQ BQ I -=I )105(。

只有当负反馈越强时，电路稳定性越好，故要求BE BQ V V >。

3.2.2设置静态工作点
由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流CQ I 一般在0.8mA —2mA 之间选取，在设计的电路中，我们取A =I m c 5.1，设KΩ=1e R 。

由于e EQ EQ R V I =，又EQ CQ I ≈I ，则V m V EQ 5.115.1=KΩ⨯A =;
由于)7.0(V V V V V EQ BEQ EQ BQ ≈+=硅管的发射结电压，所以V V V BQ 2.27.05.1=+=; 由于EQ CC CEQ V V V -=,所以V V V CEQ 8.92.212=-=;
由于()BQ BQ b I V R 105/2-=,所以,10,03.050/5.1/BQ CQ BQ m m I A =A =I =I 取β，则KΩ=KΩ=I =3.73.0/2.210/2BQ BQ b V R ,取标称电阻为8.2KΩ；
由于()[]
21/b BQ BQ CC b R V V V R -=，所以()[]KΩ=KΩ⨯-=5.362.82.2/2.2121b R ,考虑到调整静态电流CQ I 的方便，电阻串联电位器与用KΩKΩ15222b R 。

3.2.3谐振回路参数计算
（1）回路总电容∑C
由于
则
（2）回路电容C
由于)(2
1oe C p C C *-=∑
所以()pF pF pF C 3.48713.552=*-=
取C 为标称值30pF 与pF 205-微调电容并联。

（3）电感线圈2N 与1N 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：2N L K =
式中,K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关；N-线圈匝数
一般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m L 时，可先在铁芯上缠绕10匝，然后用电感测量仪测出其电感值0L ，再用下面的公式求出系数K 的值：
∑
=
LC f o π21()pF L
f C o 3.5521
2
==
∑π
式中，0N -实验时所绕匝数，由此根据K 和m L 值便可求出线圈应绕的圈数，即：
实验中，L 采用带螺纹磁芯、金属屏蔽罩的10S 型高频电感绕制。

在原线圈铁芯上用0.08mm 漆包线缠绕10匝后得到的电感为2μH 。

由此可确定
要得到4μH 的电感，所需匝数为：
最后再按照接入系数要求的比例，来绕制变压器的初级抽头与次级线圈的匝数。

由于匝匝。

则：而2.4143.01412,211=⨯==*=N N N p N 。

3.2.4确定耦合电容与高频滤波电容
耦合电容21C C 、的值，可在1000pF-0.01μF 之间选择，一般用陶瓷电容。

旁路电容43C C C e 、、的取值一般为0.01-0.1μF ，滤波电感的取值一般为220-330μH 。

2
0/N L K =K
=
m L N 匝1410
21048
5
=⨯⨯==--K L N m 匝
/10210/102/8252
H ⨯=⨯==K --o o N L
第四章 高频小信号谐振放大器电路仿真
4.1总原理图
用Multisim13.0画出仿真电路图如下；
图4-1高频小信号谐振放大器电路仿真
4.2测量并调节静态工作点Q ：
仿真条件：电感线圈用固定电感L1=2.8μH 、L2=1.2μH ，中间抽头。

其余元件参数参见图3-2。

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5C 开路，记下此时电路的静态工作点EQ EQ CEQ BQ V V V 及、、。

图4-2 静态工作点仿真电路图
静态工作点
CQ V (V)
BQ V (V)
EQ V (mV)
CEQ V (V)
EQ I （mA ）
12
1.626
995.397
11.005
55.311
4.3高频小信号谐振放大器主要性能的测量
仿真条件：输入高频信号频率z M f H =7.10,幅度（峰-峰值）10mV 。

示波器的调节如图4-3所示：
图4-3设置谐振频率
阻尼电阻Ω=4701R 、反馈电阻Ω=5104R 、负载电阻KΩ=102R 。

示波器的A 通道为
输入，B 通道为输出，仿真结果如下：
（1）电压增益
图4-3-1(a)电压增益仿真图
由图可知，输入为mV U i 734.16=，输出为mV U o 300.429-=，显然输出波形发生了反向。

谐振放大倍数为
202520,25uo ≥=A ≈=
g i
o
uo l U U A 即 实际谐振频率
图4-3-1（b ） 谐振频率测量
由图可知，谐振频率约为10.044MHz 左右。

（2）通频带
将输入信号频率调整，使得输出的幅度为0.707m ax o U 仿真测得z M W H ≈B 8.57.0，仿真结果如下：
图4-3-2（a ）波特图
图4-3-2（b ）波特图
（3）矩形系数 仿真得到
z f L MH =414.11.0 z f H MH =252.451.0 矩形系数()1056.78.5/414.1252.451.0<≈-=K r 以上实验结果都满足实验要求。

该方案成立。

总结
通过这一课程设计，我掌握了独立搜集资料、思考分析问题的能力和独立学习的能力，使自己无论在今后的学习中还是工作中遇到困难的时候都能自己将其解决。

同时，对书理论知识有了更深刻的了解。

完成这一课设后，我对高频小信号放大器也有了更深刻地理解。

高频小信号放大器广泛用于广播,电视,通信,测量仪器等设备中.高频小信号放大器可分为两类:一类是以谐振回
路为负载的谐振放大器;另一类是以滤波器为负载的集中选频放大器.它们的主要功能都是从接收的众多电信号中,选出有用信号并加以放大,同时对无用信号,干扰信号,噪声信号进
行抑制,以提高接收信号的质量和抗干扰能力.
高频小信号调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路,主要用于高频小信号或微
弱信号的线性放大。

在本次课设中，我了解了高频小信号放大器的特点：
1、放大小信号,晶体管工作在线性范围内(甲类放大器)
2、信号的中心频率一般在几百kHz到几百MHz,频带宽度在几khz到几十MHz,为频带放大器,故必须用选频网络。

在测试过程中，我不断利用课堂所学理论知识调整电路，并最终实现设计目的过程使自己从另一个层面更形象地理解了理论，对于理论与实践的关系也有了新的认识。

曾经的学习只停留在书本上，但课程设计使我更充分的接触到了实际。

参考文献
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[2] 张肃文等．高频电子线路（第四版）．北京：高等教育出版社，2004
[3] 聂典等．Multisim 10计算机仿真．北京：电子工业出版社，2010
[4]谢自美.《电子线路设计·实验·测试》第三版. 华中科技大学出版社
[5]杨翠娥.《高频电子线路实验与课程设计》. 哈尔滨工程大学出版社
[6]何中庸《高频电路设计与制作》. 科学出版社
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[8]张肃文.《高频电子线路》第三版. 高教出版社
[9]曾兴雯陈健刘乃安.《高频电子线路辅导》. 西安电子科大出版
[10]夏术泉、艾青、南光群.通信电子线路.北京：北京理工大学出版社，2012.12
答辩记录及评分表。