高频小信号放大器设计

河南理工大学万方科技学院
课程设计报告
2010— 2011学年第一学期
课程名称高频电路原理与分析
设计题目高频小信号调谐放大器的设计学生姓名
学号**********
专业班级通信07-1班
指导教师苏玉娜
2010年9 月18日
目录
1. 绪论 (1)
2.设计目的 (2)
3.总体方案简介 (3)
3.1电路的基本原理 (3)
3.2设计思路 (4)
3.3设计方案 (8)
4.结果与分析 (12)
5.心得体会 (15)
6.参考文献 (15)
7.附录 (16)
高频小信号放大器设计
1绪论
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。

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;
其中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。

2 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。

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。

3 总体方案简介
3.1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3.1晶体管高频小信号单极单调谐回路谐振放大器
图3.1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3.2所示，晶体管的4个y参数分别为：
输入导纳：b
b e b e b b b e b
c b m b b c b ce oe r C j g r C j g g r C j g y ''''''''+++++≈ωωω)1( 输出导纳：b
b e b e b b b e b e b ie r C j g r C j g y ''''''+++≈ωω)1( 正向传输导纳：b
b e b e b b b m fe r C j g r g y ''''++≈ω)1( 反向传输导纳：b b e b e b b b
c b c b re r C j g r C j g y ''''''+++-
≈ωω)1( 式中m g 为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为：
{}6
*S m i g A e m =
图3.2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e i 、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：
ms rie g ie 21== ms roe
g oe 2501== 40=fe y pF c ie 12= pF c oe 4= 350=fe y
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：
2
11N N p = 式中，2n 为电感L 线圈的总匝数；2p 为输出变压器ro T 的副边与原边的 匝数比，即：
23
2N N p =
式中，3n 为副边的总匝数；L g 为谐振放大器输出负载的电导，1
1G 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L g 将是下一级晶体管的输出电导2ie g 。

可见并联谐振回路的总电导：
o ie oe g l j c j g p g p g ++++=∑ωω122221
3.2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VO A 、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S V 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i V 与输出电压O V 的值。

直流毫安表mA 用于测量放大器的集电极电流c i 的值，示波器监测负载L R 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：
LC f π21
0=
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ie oe C P C P C C 2
221--=∑
式中，oe C 为晶体管的输出电容；ie C 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VO A 称为谐振放大器的电压增益。

VO A 的表达式为： ∑
-==g y p p V V A fe i o VO 21 要注意的是，fe y 本身也是一个复数，所以谐振时输出电压o V 与输入电压i V 的相位差为 ()e f ⋅+ϕ180。

只有当工作频率较低时， 0=⋅e f ϕ，O V 与i V 的相位差才等于180。

VO A 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O V 及输入端电压表1V 的读数1V ，则电压放大倍数VO A 由下式计算：
i
o VO V V A = (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V A 下降到谐振电压放大倍数VO A 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： L O Q f BW =。

式中，L Q 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VO A 与通频带BW 的关系为： ∑=*C y BW A fe
VO π2上式说明，当晶体管选定即fe y 确定，且回路总电容∑C 为定值
时，谐振电压放大倍数VO A 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VO A ，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V A 。

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3.3所示
图3.3频率特性曲线
21f f BW -=
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fe y 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1.0r K 来表示，如图所示 ，矩形系数1.0r K 为电压放大倍数下降到VO A 1.0时对应的频率范围与电压放大倍数下降到VO A 707.0时对应的频率偏移之比，即
7
.01.01.022f f K r ∆∆= 上式表明，矩形系数1.0r K 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1.0r K 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1.0r K 。

3.3设计方案
设计一个高频小信号谐振放大器。

设计参数：
V V cc 9=，晶体管为3DG100C ，
50=β.查手册得Ω=70'b b r ,pF C c b 30'=。

mA I E 1=时, pF C c b 25'=。

H L μ4=，202=N 匝，251=P ,25.02=P ,Ω=K RL 1。

主要技术指标：谐振频率MHz f 7.100=，谐振电压放大倍数dB A VO 20≥，通频带KHz BW 1=，矩形系数101.0<r K
(1)设置静态工作点
1b R 可用30ΩK 电阻和100ΩK 电位器串联，以便调整静态工作点。

(2)计算谐振回路参数
{}{}(){}
ms j ms C j g r C g y ms S mA I g ms S mA I g e b e b b b e b e b ie E m E e b 5.196.0)(1382677.026
''''''+=+++==*==*ωωβ 因为 ie ie ie C j g y ω+=，所以 {}ms j ms C j C j g r g r C j y pF
ms C K g r ms
g e b e b e b b b m b b c b oe ie ie ie ie 5.006.0)(1235.11196.0''''''+=+++===Ω===ωωω 因为 oe oe oe C j g y ω+=，所以 {}ms j ms C j g r g y pF ms
C ms
y e b e b b b m fe oe oe 1.437)(175.006.0'''-=+
+=
===ωω 故模ms y fe 37)4137(5.022=+=
总电容为： pF L f C o 2.55)2(12
=⋅=∑πC ∑=1/（2πf0）^2L=55.2pF 回路电容pF C P C P C C ie oe 3.532221=--=∑ 取标称值51pF
求出耦合变压器的的一原边抽头匝数1N 及副边匝数3N ，即
5211=⋅=N P N 匝
5322=⋅=N P N 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。

3.4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3.4是高频谐振放大器的测试电路设计图。

图3.4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E R 两端的电压，调整电阻1B R 使V V BQ 5.1 。

记下此时电路的1B R 值及静态工作点BQ V 、CBQ V 、EQ V 及BQ I 。

谐振回路使其谐振的，按图3.4所示的电路接入高频电压表1V 、2V ，直流毫安表mA 及示波器。

再将信号发生器的输入频率置于i f =10.7MHz ，输出电压i V =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+CC V 降低，如使+CC V =+6V 。

调输出耦合变压器的磁芯使回路谐振，即电压表2V 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VO A 、通频带BW 及矩形系数1.0r K ，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VO A 较小，则可以通过调整静态工作点Q 或接入系数1P 使VO A 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。

4 结果与分析
以下是利用Multisim软件仿真高频谐振放大器电路的效果图。

图4.1和图4.2 分别是利用示波器对电源、负载电阻所测的效果图，通过两个图的比较可以看出电路的确达到了放大的作用。

图4.1 电源示波器图
图4.2电阻两端的电压属性图
通过上图的比较可以看出放大电路的确起到放大作用。

图4.3电流源配置图
图4.3是电流源的配置图，通过配置图我们可以比较输入和输出的情况。

图4.4电阻R1电压图
图4.5 电阻R2电压图
5 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。

本次设计通过对高频电子电路的学习使用Multisim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。

在这个过程中，我也曾经因为无从下手，对设计问题的迷茫而失落过，也曾经为成功的画了一个原理图而兴奋不已。

虽然这只是一次的极简单的课程设计，可是平心而论，也耗费了我不少的心血，这就让我不得不佩服技术编书方面前辈，让我意识到老一辈对我们社会的付出是艰辛的。

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，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，我要感谢苏老师，谢谢老师这一学期来对我的教导。

6 参考文献
[1] 曾兴雯，刘乃安，陈建，西安电子科技大学出版社，2007.
[2] 杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计[M].哈尔滨工程大学出版社,2005.
[3] 王冠华.Multisim10电路设计及应用[M].国防工业出版社,2008.
[4] 刘国华.通信电路实验与设计[M].科学出版社,2009.
[5] 康小平.高频电子线路实验[M].西安电子科技大学出版社,2009.
7 附录电路原理图。