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高频小信号调谐放大器课程设计

归档日期:10-04       文本归类:简单信号通信      文章编辑:爱尚语录

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  随着电子技术的飞跃发展,社会发展步入了信息时代,随着信息时代对人才高素质和信息化的要求,随着高等教育发展的趋势,人们的生活水平提高,对精神文明生活的要求也跟着提高,这对电子领域提出了跟更高的要求。

  通信电子线路学是一门应用很广泛的科学技术,发展及其迅速。要想学好这门技术,首先是基础理论的系统学习,然后要技术训练,进而培养我们对理论联系实际的能力,设计电路的能力,实际操作的能力,以及培养正确处理数据、分析和综合实验结果、检查和排除故障的能力。同时也加深我们对电子产品的理解。

  在无线通信中,发射与接收的信号应当适合于空间传输。所以,被通信设备处理和传输的信号是经过调制处理过的高频信号,这种信号具有窄带特性。而且,通过长距离的通信传输,信号受到衰减和干扰,到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号,在做进一步处理之前,应当经过放大和限制干扰的处理。这就需要通过高频小信号放大器来完成。这种小信号放大器是一种谐振放大器。

  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。

  学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题,巩固和运用在《通信电子线路》中所学的理论知识和实验技能,掌握通信电子系统的一般设计方法,提高设计能力和实践动手能力,为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。

  设计一个高频小信号调谐放大器。要求中心频率为20MHz,电压增益,通频带为4MHz,负载电阻100,电源电压+12V。

  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。

  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;高频小信号放大器的特点:

  频率较高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,故必须用选频网络小信号信号较小故工作在线性范围内(甲类 放大器)即工作在线形放大状态。

  采用谐振回路作负载,即对靠近谐振频率附近的信号有较大的增益,对远离谐振频率附近的信号其增益迅速下降,即具有选频放大作用。

  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。

  高频小信号放大器的主要性能指标包括电压增益与功率增益、频带宽度、矩形系数、工作稳定性。

  电压增益等于放大器输出电压与输入电压之比;而功率增益等于放大器输出给负载的功率与输入功率之比。

  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,习惯称电压的放大倍数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器的通频带BW,其表达式:

  上式中为谐振回路的有载品质因数。可知放大器的谐振电压放大倍数Av与通频带BW的关系为: 式1-1-2

  上式说明,当晶体管选定即确定,且回路总电容为定值时,谐振放大倍数Avo与通频带BW的乘积为一常数。这与低频放大器的增益为一常数的概念是相同的。由于谐振回路失调后电压放大倍数下降,所以放大器的频率特性曲线

  通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。要得到一定宽度的通频带,同时又能提高放大器的电压增益,由式1-1-2可知,除了选用较大的晶体管外,还应尽量减少调谐回路的总电容量。如果放大器只是用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号,则可减少通频带BW,尽量提高放大器的增益。

  矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量。用表示。矩形系数为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

  式1-1-4中, 为放大器的通频带,为放大器的电压增益下降至最大值的0.1倍时所对应的频带宽度。矩形系数越接近1,邻近波道的选择性越好,滤除干扰能力越强。一般单级谐振放大器的选择性较差,因其矩形系数远大于1,为提高放大器的选择性,通常采用多级谐振放大器。

  指放大器的直流偏置、晶体管参数、电路元件参数等在可能发生变化时,放大器主要性能的稳定程度。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,加入负反馈可以改善放大器的性能。有无反馈对其稳定性影响的比较曲线)反馈对放大器谐振曲线的影响

  小信号谐振放大器是通信机接收端的前端电路,主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。其实验单元电路如图1-1所示。该电路由晶体管Q1、选频回路T1二部分组成。它不仅对高频小信号进行放大,而且还有一定的选频作用。本实验中输入信号的频率fS=10.7MHz。基极偏置电阻W3、R22、R4和射极电阻R5决定晶体管的静态工作点。调节可变电阻W3改变基极偏置电阻将改变晶体管的静态工作点,从而可以改变放大器的增益。

  高频小信号调谐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(通常用矩形系数Kr0.1来表示)等。

  放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率,对于图1-1所示电路(也是以下各项指标所对应电路),f0的表达式为

  式中, Coe为晶体管的输出电容;Cie为晶体管的输入电容;P1为初级线为次级线圈抽头系数。

  谐振频率f0的测量方法是:用扫频仪作为测量仪器,测出电路的幅频特性曲线,调变压器T的磁芯,使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点f0。

  放大器的谐振回路谐振时,所对应的电压放大倍数AV0称为调谐放大器的电压放大倍数。AV0的表达式为

  式中,为谐振回路谐振时的总电导。要注意的是yfe本身也是一个复数,所以谐振时输出电压V0与输入电压Vi相位差不是180 而是为180+Φfe。

  AV0的测量方法是:在谐振回路已处于谐振状态时,用高频电压表测量图1-1中输出信号V0及输入信号Vi的大小,则电压放大倍数AV0由下式计算:

  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AV0的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW,其表达式为

  上式说明,当晶体管选定即yfe确定,且回路总电容为定值时,谐振电压放大倍数AV0与通频带BW的乘积为一常数。这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。

  通频带BW的测量方法:是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。测量方法可以是扫频法,也可以是逐点法。逐点法的测量步骤是:先调谐放大器的谐振回路使其谐振,记下此时的谐振频率f0及电压放大倍数AV0然后改变高频信号发生器的频率(保持其输出电压VS不变),并测出对应的电压放大倍数AV0。由于回路失谐后电压放大倍数下降,所以放大器的谐振曲线所示。

  通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频宽,同时又能提高放大器的电压增益,除了选用yfe较大的晶体管外,还应尽量减小调谐回路的总电容量CΣ。如果放大器只用来放大来自接收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。

  调谐放大器的选择性可用谐振曲线时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707 AV0时对应的频率偏移之比,即

  上式表明,矩形系数Kv0.1越小,谐振曲线的形状越接近矩形,选择性越好,反之亦然。一般单级调谐放大器的选择性较差(矩形系数Kv0.1远大于1),为提高放大器的选择性,通常采用多级单调谐回路的谐振放大器。可以通过测量调谐放大器的谐振曲线。

  单调谐放大器的矩形系数远大增益与带宽的乘积是一个常数。这就是说明单调谐放大器的增益和通频带是一对矛盾,要增大增益,必然要减小通频带。将变窄。但是这对矛盾在低增益或窄带放大器的情况下并不冲突。一般的解决方法是尽可能选择大的晶体管,设计较小的回路总电容。

  根据设计任务书的要求,因放大器的增益大于20dB,且,,可采用单级放大器实现,拟定高频小信号谐振放大器的电路原理图如图3-1-1所示。

  图3-1-1中变压器T1为耦合元件,变压器T2为耦合元件;初级线圈与电容器C组成选频回路;晶体管T放大元件;电阻Rb1、Rb2为偏置电阻,固定晶体管的基集静态电位;电阻Re 发射极直流负反馈电阻,稳定静态工作点;电容C与CT、T2初级线圈组成晶体管集电极谐振负载,起选频作用;电容器CT谐振回路谐振频率调节电容;电阻RT谐振回路可调电阻,调节谐振回路品质因素,实现阻抗匹配;电容器Cf电源滤波电容;电容器Cb基极旁路电容;电容器Ce发射极旁路电容;Vcc为直流电源。

  静态工作过程当输入信号ui=0V时,放大器处于直流工作状态(静态)。理想情况下,变压器T1的次级、变压器T2的初级视为短路,电容器Cb、Ce、Cf视为开路,放大器的直流通路如图3-1-2(a)所示。此时,输出信号为0。

  动态工作过程当输入信号ui不等于0V时,放大器处于交直流工作状态(动态)。理想情况下,电容器Cb、Ce、Cf视为短路,放大器的交流通路如图3-1-2(b)所示。

  根据晶体管Y参数等效电路可知,为了保证当大气工作稳定,应该选择yre小的晶体管。为了能在给顶的工作频率上正行工作,要求晶体管的频率特性要好,一般选用的管子。在要求电压增益高的情况下,应选取yfe大的晶体管。

  由于设计要求,,且电压增益不是很大,选用晶体管3DG6C在性能上可以满足需要。晶体管选定后,根据高频小信号谐振放大器应工作于线性区,且在满足电压增益要求的前提下,应尽量小些以减小静态功率损耗。值得注意的是,变化会引起Y参数的变化,在正常的取值范围内,随着的增加,yfe变大,gie、goe略有增加。这里采用等于1mA进行Y参数计算,看是否能满足增益的需要,否则将进行调整。

  根据晶体管的混合参数已知条件可知:晶体管为3DG6C,,,。为了稳定静态工作点,晶体管分压式偏置电阻上流过的电流一般需设置为(5~10),这里取10倍关系,并设置,,则

  在实际制作过程中,可用30的电阻和50的电位器串联,以便调整静态工作点。

  高频小信号谐振放大器的Y参数等效电路和简化等效电路,分别如图1-3、1-4所示。

  EWB是一种电子电路计算机仿真软件,它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室,英文全称为Electronics Workbench。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于1988年开发的,自发布以来,已经有35个国家、10种语言的人在使用。EWB以SPICE3F5为软件核心,增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿线是SPICE的最新版本,SPICE自1972年使用以来,已经成为模拟集成电路设计的标准软件。

  (1)采用直观的图形界面创建电路:在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台,绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取;

  (2)软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似,可以实时显示测量结果。

  (4)作为设计工具,它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。 (5)EWB还是一个优秀的电子技术训练工具,利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验,仿真电路的实际运行情况,熟悉常用电子仪器测量方法。

  4.2.1高频小信号单调谐放大器仿线 高频小信号单调谐放大器仿线静态测试

  选择“Analysi”→“DC Operating Point”,设置分析类型为直流分析,可得放大器的直流工作点如下图4-1-2图所示。

  电压增益当接上信号源Ui时,开启仿真器实验电源开关,双击示波器,调整适当的时基及A、B通道的灵敏度,即可看到如下图所示的输入、输出波形。如图4-1-3所示。

  矩形系数,双击波特图仪,适当选择垂直坐标与水平坐标的起点和终点值,即可看到如下图4-1-4所示的高频小信号谐振放大器的特性曲线 高频小信号谐振放大器的特性曲线利用EWB仿真软件仿真高频小信号共发射极双调谐放大电路

  4.3.1高频小信号双调谐共发射极放大器仿线高频小信号双调谐共发射极放大器仿线)电压增益

  当接上信号源Ui时,开启仿真器实验电源开关,双击示波器,调整适当的时基及A、B通道的灵敏度,即可看到如下图所示的输入、输出波形。如图4-2-3所示。

  双击波特图仪,适当选择垂直坐标与水平坐标的起点和终点值,即可看到如下图4-2-3所示的高频小信号谐振放大器的特性曲线 高频小信号双调谐共发射极放大器的特性曲线谐振参数对输出波形的影响

  当输入信号参数不变、改变谐振网络的参数其输入信号与输出信号波形图如图4-3-1所示。

  当输入信号的频率大小不在谐振频率的频带范围内则会发生严重的失真。甚至为一条直线。因为小信号谐振放大就是利用晶体管的非线性特性将集电极直流按一定特性转化为高频信号。

  通过课程设计不但锻炼了我们最基本的通信电子线路的设计能力,更重要的是让我们更深刻的认识了通信电子线路这门课程在实际中的应用。

  在此次设计时我们也遇到了不少的困难和问题,但在同伴们的共同努力下,辛苦的去专研去学习,最终都克服了这些困难,使问题得到了解决。其中遇到的问题很多都是在书上不能找到的,所以我们必须自己查找相关资料,利用图书馆和网络,这是一个比较辛苦和漫长的过程,你必须从无数的信息中分离出对你有用的,然后加以整理,最后才学习到变为自己的并用到设计中的问题去。也正是在这个查找与整理的过程中,使我们初步学会了如何去找到于自己有用的资源。因为在信息高度发达的现代社会,一个人要想获得成功,除了自己的努力外,还必须学会利用更多其他人的知识,这样我们才能快速的掌握知识和能力。当然这个过程是一个积累的过程,当你做的多了以后你就会积累相当多的经验,会注意在设计的过程中要注意那些问题,那些方法可以使设计一次完成而不用再不断的返工。不像我们刚开始的时候什么都不知道,真的就是凭着自己上课的一点知识来做的。当然设计会有很多不合理的地方,需要在后期的工作中去修改和完善。

  生活就是这样,汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过本次课程设计,我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义。我想说,设计确实有些辛苦,但苦中也有乐,在如今单一的理论学习中,很少有机会能有实践的机会,但我们可以,而且设计也是一个团队的任务,一起的做课程设计,相互帮助,配合默契,多少人间欢乐在这里洒下,平时相处还赶不上这十来天的合作,我感觉我和同学们之间的距离更加近了;同时也培养了我们的团队意识。我想说,确实很累,但当我们看到自己所做的成果时,心中也不免产生兴奋。更加激发了我们对后续专业知识的学习兴趣。

  对我们而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富,经历是一份拥有。这次课程设计的过程必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!

  通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。同时在此忠心的感谢老师为我们提供了这样一次难得的锻炼机会。

  [1]胡宴如.模拟电子技术[M].第三版.北京:高等教育出版社,2008.

  [2]湖南工学院电气与信息工程系电工电子实验室. 电路分析与电子技术试验指导书[M].2005.

  [3]谢自美.电子线路设计.实验.测试.[M].武汉:华中科技大学出版社,2000.

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