小信号谐振放大器设计 (2)

东北石油大学课程设计

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

2011年3月4日

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

020dB

v

A≥；

(3) 通频带0.8MHz

BW=；

(4) 矩形系数

0.110

r

k<。

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

一、电路原理

1．电路原理及用途

高频小信号谐振放大器的作用、电路组成、及工作原理，与低频小信号放大电路是基本一致的。不同的是：一是在高频小信号谐振放大器中，所放大信号的频率远比低频放大电路信号频率高；二是高频小信号谐振放大器的频宽是窄带（要求只放大某一中心频率的载波信号）。因此，首先在电路组成上应将低频放大电路中的低频三极管换成具有更高截止频率的高频三极管，将集电极负载换成了LC选频网络；再是在电路分析与设计中，应重点考虑电路的高频特性与选频特性。高频小信号谐振放大器的核心元件是高频小功率晶体管和LC并联谐振回路。

高频小信号放大器的基本要求：

（1）增益要高，即放大倍数要大。

（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，其频率特性曲线如下图所示,带宽BW=f2-f1= 2Δf0.7，品质因数Q=fo/2Δf0.7.

（3）工作稳定可靠，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，加入负反馈可以改善放大器的性能。

（4）前后级之间的阻抗匹配，即把各级联接起来之后仍有较大的增益，同时，各级之间不能产生明显的相互干扰。

根据上面各个具体环节的考虑设计出下面总体的电路：

图1所示电路为共发射极接法的晶体管小信号调谐回路谐振放大器。其等效电路如下图图2。本电路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会影响放大器的输出信号的频率或相位。晶体管的静态工作点由电阻RB1和RB2以及RE决定，其计算方法与低频单管放大器相同。

图1 谐振放大器的电路

图2 谐振放大器电路的等效电路

放大器在谐振时的等效电路如图—4所示，晶体管的4个y参数分别如下：

输入导纳：

输出导纳：

正向传输导纳：

反向传输导纳：

式中为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为：，为发射结电导，与晶体管的电流放大系数及有关，其关系为：

。

为基极体电阻，一般为几十欧姆；为集电极电容，一般为几皮法；

为发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。

晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作点的电流，电流放大系数有关外，还与工作角频率w有关。晶体管手册中给出了的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得的。

图2所示的等效电路中，p1为晶体管的集电极接入系数，即

式中，N2为电感L线圈的总匝数；p2为输出变压器Tr0的副边与原边匝数比，即式中，N3为副边总匝数。

为谐振放大器输出负载的电导，。通常小信号谐振放大器的下一级仍为晶体管谐振放大器，则将是下一级晶体管的输入电导。

由图可见，并联谐振回路的总电导的表达式为

式中，为LC回路本身的损耗电导。

我们知道，无线通信接收设备的接收天线接收从空间传来的电磁波并感应出的高频信号的电压幅度是（μV）到几毫伏（mV），而接收电路中的检波器（或鉴频器）的输入电压的幅值要求较高，最好在1V左右。这就需要在检波前进行高频放大和中频放大。为此，我们就需要设计高频小信号放大器，完成对天线所接受的微弱信号进行选择并放大，即从众多的无线电波信号中，选出需要的频率信号并加以放大，而对其它无用信号、干扰与噪声进行抑制，以提高信号的幅度与质量。

2．主要技术指标

图3 小信号放大器分析电路

如上图图3所示，输入信号由高频小信号发生器提供，高频电压表，

分别用于测量输入信号与输出信号的值。直流毫安表mA用于测量放大器的集电极电流的值，示波器监测负载两端输出波形。表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率，谐振电压放大系数Avo，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1），采用图3所示电路可以粗略测各项指标。谐振放大器的性

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时所对应的频率称为谐振频率。的表达式为：

式中，L为谐振放大器电路的电感线圈的电感量；为谐路的总电容，的

表达式为：

式中，为晶体管的输出电容；为晶体管的输入电容。

谐振频率的测试步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变电容C或电感L使回路谐振。LC并联谐振时，直流毫安表mA的指示为最小（当放大器工作在丙类状态时），电压表指示值达到最大，且输出波形无明显失真。这时回路谐振频率就等于信号发生器的输出频率。

(2)电压增益

放大器的谐振回路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：

的测量电路如上图所示，测量条件是放大器的谐振回路处于谐振状态。计算公式如下：

(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Av下降到谐振电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率范围称为放大器的通频带BW，其表达式为：

式中，为谐振放大器的有载品质因素。

分析表明，放大器的谐振电压放大倍数与通频带BW的关系为：

上式说明，当晶体管确定，且回路总电容为定值时，谐振电压放大倍数

与通频带BW的乘积为一常数。

通频带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。采用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，记下此时的与

，然后改变高频信号发生器的频率（保持Vs不变），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4所示：

图4

由BW得表达式可知：

通频带越宽的电压放大倍数越小。要想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。

(4) 矩形系数

谐振放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kr0.1来表示，如上图所示，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0.707 时对应的频率偏移之比，即

上式表明，矩形系数Kr0.1越接近1，临近波道的选择性越好，滤除干扰信号的能力越强。可以通过测量图3-2-2所示的谐振放大器的频率特性曲线来求得矩形波系数Kr0.1。

(5)噪声系数

信噪比：用来表示噪声对信号的影响程度，电路中某处信号功率与噪声功率之比称为信噪比。信噪比大，表示信号功率大，噪声功率小，信号受噪声影响小，信号质量好。

噪声系数：用来衡量放大器噪声对信号质量的影响程度，输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值称为噪声系数。在多级放大器中，最前面一、二级对整个放大器的噪声起决定性作用，因此要求它们的噪声系数尽量接近1。

二、设计步骤和调试过程

1、总体设计电路

R11kΩR25.1kΩR318kΩ

R410ΩR51.5kΩ

LED1

1

R61kΩ

C133pF

C2103F

C3

120pF

C410mF

C5100nF R850kΩ

Key=A 50%

Q1

2N50590

3

56

C6

30pF

Key=A

45%

J1

Key = A 2

4

J2

Key = A

VCC

12V VCC

L12.2uH

10XSC1

A

B

Ext Trig

+

+_

_

+_

T2

VARIABLE_XFORMER

9

80

7

L2ACB1608L-12011

图5高频小信号谐振放大器multisim 电路

2、电路工作状态或元件参数的确定

参考所附电路原理图5。先调静态工作点，由于设计要求中心频率MHz f 5.60=，通频带0.8MHz BW =， 矩形系数0.110r k <，电压增益dB A u 20≥∑，且电压增益不是很大，选用晶体管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，EQ I 应尽量小些以减小静态功率损耗。值得注意的是，EQ I 变化会引起Y 参数的变化。这里采用EQ I 等于1mA 进行计算，看是否能满足增益的需要，否则将进行调整。然后再调谐振回路。

(1)按照所附电原理图5，将器件用连接器连好，按下开关J2，接通12V 电 源，此时LED1 点亮。

(2)调整晶体管的静态工作点：

在不加输入信号（即ui=0），将测试点接地，用万用表直流电压档（20V 档）测量电阻RA4 的电压，调整可调电阻WA1，使uEQ=2.25V （IE=1.5mA ），记下此时的uBQ ，uCEQ ，uEQ 及IEQ 值。

(3)调谐放大器的谐振回路使它谐振在6.5MHz

方法是用BT-3 频率特性测试仪的扫频电压输出端和检波探头，分别接电路的信号输入端TTA1 及测试端TTA2，通过调节y 轴，放大器的“增益”旋纽和“输出衰减”旋纽于合适位置，调节中心频率度盘，使荧光屏上显示出放大器的“幅频谐振特性曲线”，根据频标指示用绝缘起子慢慢旋动变压器的磁芯，使中心频率f0=6.5MHz 所对应的幅值最大。

如果没有频率特性测试仪，也可用示波器来观察调谐过程，方法是：在TTA1 处用高频信号发生器注入频率为6.5MHz，大小为25mV 的信号，用示波器探头在TTA2 处测试（在示波器上看到的是正弦波），调节变压器磁芯使示波器波形最大（即

调好后，磁芯不论往上或往下，波形幅度都减小）。

(4)测量电压增益AV0

用频率特性测试仪测AV0.在测量前，先要对测试仪的y 轴放大器进行校正，即零分贝校正，调节“输出衰减”和“y 轴增益“旋纽，使屏幕上显示的方框占有一定的高度，记下此时的高度和此时“输出衰减”的读数N1dB，然后接入被测放大器，在保持y 轴增益不变的前提下，改变扫频信号的“输出衰减”旋纽，使谐振曲线清晰可见。记下此时的“输出衰减”的值N2dB，则电压增益为AV0 =（N2-N1）dB或者在TTA1 处用高频信号发生器注入频率为6.5MHz，大小为25mV 的信号,使调谐回路处于谐振状态，用高频毫伏表测量RL(RAS) 两端的电压uo, 并利用式来计算AV0.若用示波器测，则为输出信号的大小比输入信号的大小之比。如果AV0 较小，可以通过调静态工作点来解决（即IE 增大）。

(5) 测量通频带BW

用扫频仪测量BW先调节“频率偏移”（扫频宽度）旋纽，使相邻两个频标在横轴上占有适当的格数，然后接入被测放大器，调节“输出衰减”和y 轴增益，使谐振特性曲线在纵轴占有一定高度，测出其曲线下降3dB 处两对称点在横轴上占有的宽度，根据内频标就可以近似算出放大器的通频带BW=B0.7=100kHz ×（宽度）或者利用描点法来测量。

(6) 测量放大器的选择性

放大器选择性的优劣可用放大器谐振曲线的矩形系数Kr0.1 表示。用(5)中同样的方法测出B0.1 即可

由于处于高频区，分布参数的影响存在，放大器的各项技术指标满足设计要求后的文件参数值与设计计算值有一定的偏差，所以在调试时要反复仔细调整才能使谐振回路处于谐振状态。在测试要保证接地良好。

（6）调谐放大器的稳定性

主要是晶体管内反馈的影响。在高频调谐放大器中，由于晶体体管集电结电容

的内部反馈，形成了放大器的输出电路与输入电路之间的相互影响。它使高频调谐放大器存在工作不稳定的问题，主要表现在以下两种现象：

首先，当高频调谐放大器装配完毕后，进行输出回路（集电极负载回路）和输入

回路（基极信号源一端的前级回路）调整时，由于的内部反馈作用，放大器的输入阻抗和输出阻抗相互影响，使得高频调谐放大器的调谐和阻抗匹配需要反复进行，使得高频调谐放大器的调整变的十分麻烦。

其次，放大后的输出信号通过内部反馈，把一部分信号电压反馈到输入端。反馈电压反馈到输入端又放大，放大后再反馈，如此循环不已，在一定条件下，放大器也能在某些频率上自激振荡，使得放大器的功能完全破坏，而丧失了放大器的作用。此外，晶体管的内部反馈随频率而不同，在某些频率上是正反馈，在某些频率上是负反馈，正、负反馈的强弱也随频率而异，使得高频调谐放大器的输出电压或增益随频率变化的特性将受到影响。

提高放大器稳定性的方法。放大器的不稳定主要是由晶体体管集电结电容引起的，在设计、制作高频晶体管时使尽量小；在选用高频晶体管时，应尽量选用

值小的器件。此外，也可在电路上采取措施，以消除三极管内部的反馈作用，常用的方法是失配法和中和法。

(1)失配法：失配法是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配，晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。图6所示电路为用失配法构成的共发射极-共基极级联的高频调谐放大器。两只晶体管是按共发射极-共基极方式级联的，它们组成一个复合管，见图7。

图6 共发射极-共基极级联的高频调谐放大器

图7共发射极-共基极级联的复合管

利用失配法，共发-共基线路的输入阻抗基本上只取决于晶体管的输入阻抗，它的输出阻抗基本只取决于晶体管的输出阻抗，极大地削弱了晶体官内部反馈的影响，实现了晶体管的单向化，使它的稳定性比一般调谐放大器高得多。

(2)中和法：图8所示电路为用中和电容构成的中和电路，用代表晶体管内部反馈，是中和电容。当满足下式条件时，能消除引起的内部反馈。

式中、分别是电感L的1、2端与2、3端的线圈匝数。

应当指出，中和电路不能完全消除晶体管的内部反馈的影响，通常只能在较窄的频带内有效。此外，中和电容应采用可调电容，其具体值在实际调整中决定。

图8利用中和电容

构成的中和电路

3、仿真及仿真结果分析

按要求所做 multisim 仿真图如下图：

在无信号输入，仅有直流激励的情况下用电流表测量三极管基极电流，调节R2下方电阻RP 1使I c =2mA,此时RP 1＝52k 。

接入信号发生器，观察示波器输入输出波形，按照设计要求调节中周。利用仪器测得各指标如下：

f 0=6.8MHz Ａvo ＝18dB

在误差允许范围里，仿真测量所得数据符合要求。

在误差允许范围内，中心频率的理论值与实际值一致，在放大器处于谐振状态下

电压放大倍数Avo 放大倍数与理论值有一定的差距。

分析设计总结导致误差的原因如下：

（1）实物的实际值与理论值有一定的差距。如电阻电容的理论值与标称值存在一

些差异，并且电阻电容的标称值也有一定的误差。如：通过计算RB2要买18k 的电阻，市场里没有就只好算个范围买个20k 的，而买回来测只有19k 多点。

（2）晶体管数据为查表所得，而由于分布参数的影响，晶体管手册中给出的分布

参数一般都是在测试条件一定的情况下测得的。且分布参数还与静态工作电流及电流放大系数有关。放大器的各项技术指标满足设计要求后的元器件参数值与设计计算值有一定的偏离。

（3）性能指标参数的测量方法存在一定的误差。如在调谐过程中，我们通过直接

观察波形的输出值的大小来确定电路是否调谐。这样调谐频率的测量值存在误差的同时，放大倍数的测量值也会产生误差。这属于系统误差，也许可以通过使用别的电路可以减小误差。

（4）实验仪器设备的老化等也会导致电路调试过程中出现一定的误差。

4、设计电路的性能评测

经分析和测试在误差允许的范围内达到了设计要求。

三、结论及心得体会

在课程设计的这一周里我全身心的投入了，此次设计不但锻炼了我最基本的高频电子线路的设计能力，更重要的是让我更深刻的认识了高频电子线路这门课程在实际中的应用。在设计的过程中我学习高频小信号调谐放大器的设计方法 ，掌握高频单调谐放大器的等效电路、性能指标要求及分析设计，掌握中心频率0f 和电压增益 u A 的测试方法，通过设计熟练muitisim 仿真软件，增强了我理论联系实际的能力。在此次设计时我也遇到了不少的困难和问题，但我都努力的去咨询、研究，最终都克服了这些困难，使问题得到了解决。在今后的生活中，我将继续深入学习，以达到学以致用的目的。

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.

[5] 于波. 高频电子线路实验指导书. 大庆：东北石油大学出版社，2010.

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