高频小信号功率放大器

摘要

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。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。高频小信号放大器广泛用于广播、电视、通信、测量仪器等设备中。它的主要功能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。

关键词：通信；小信号；功率；放大器

Abstract

In wireless communications, launching and receiving the signal should be adapted to the transmission. Therefore, the communications equipment processing and transmission of the signal is modulated high-frequency signal processing. HF communications equipment is commonly used in small-signal amplifier circuit functions. it magnified hundreds kHz to several MHz frequency signal. High-frequency small-signal amplifier is the function of the high frequency signal is weak fidelity amplification from the content spectrum signal, the output signal after amplification of input signal spectrum and the spectrum are the same. Small-signal amplifier widely used in high-frequency radio, television, telecommunications, measuring instruments and other equipment. Its main function is to receive from the many signals, and to be elected useful signal amplification, the signal useless. signal, signal noise suppressor, to improve signal reception quality and anti-jamming capability.

Key words:Communications; Small signal ；power; Amplifier

目录

引言 (1)

1 理论知识 (2)

1.1 高频小信号功率放大器概述 (2)

1.2基本性能指标 (2)

1.3 晶小信号放大器的有关知识 (3)

1.3.1串并联谐振回路的特性 (3)

1.3.2串并联阻抗的等效互换 (3)

1.3.3并联谐振回路的耦合联结与接入系数 (4)

2 电路的制作 (7)

2.1 电路原理图及说明： (7)

2.2 放大器具体分析 (7)

2.2.1放大器的技术指标 (7)

2.2.2 稳定性 (10)

2.3 PCB (15)

2.3.1PCB图 (15)

2.3.2高频PCB设计的布局布线 (15)

3 调试 (16)

3.1 调试 (16)

结论 (16)

谢辞.................................................................................................................... 错误！未定义书签。参考文献 (18)

附录 (19)

引言

本文介绍的高频小信号功率放大器的设计制作电路，高频小信号放大器又称为小信号放谐振放大器。本制作主要功能是：这个电路是两级放大电路，输入信号：100mVpp 输出负载：51Ω谐振电压放大倍数:AUO≧30dB，通频带带宽为4MHz。

1 理论知识

1.1 高频小信号功率放大器概述

高频小信号放大器的功用就是放大各种无线电设备中的高频小信号，如常见的无线电接收机中高频和中频放大器。

高频：频率范围从几百kHz到几百MHz。

小信号：所用的非线性放大元件（如晶体管或场效应管）可近似看成线性元件，工作在线性范围，可等效成四端网络。

高频小信号放大器的基本组成是：由“放大部分+选频滤波部分”按“级联”方式构成。

具体分为：先放大后选频，先选频后放大，以及选频、放大、再选频的三种基本模式。

放大部分的核心：晶体管、场效应管、集成运放或专用集成放大器等。

选频滤波部分的核心：LC谐振回路或固定滤波器。

1.2基本性能指标

高频小信号放大器的基本性能指标如下：

（1）增益

增益定义为放大器的输出信号电量与输入信号电量的比值，用A加下标（类似于低频放大器的增益）来表示。

图3-1（b）为一典型增益的幅频特性曲线。

（2）通频带

通频带定义为放大器的增益比最大增益下降3dB时的上限截止频率fH 与下限截止频率fL之差，用BW0.7 = fH - fL 表示。

（3）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。放大电路的选择性主要由选频电路来决定。衡量选择性的具体指标是矩形系数Kr0.1。

（4）工作稳定性

这是指选频放大器中的非线性放大元器件的偏置，交流参数，以及其它电路元件参数发生变化时，电路性能（如增益、通频带、矩形系数等）的稳定程度。

（5）噪声系数

与低频放大器一样，选频放大器的输出噪声也来源于输入端和放大电路本身。通常用信噪比来表示噪声对信号的影响，电路中某处信号功率与噪声功率之比称信噪比。信噪比越大，信号质量越好。

噪声系数是用来反映电路本身噪声大小的技术指标。其定义为输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值。噪声系数越接近于1，说明放大器的抗噪能力越强，输出信号的质量越好。

以上五项性能指标，相互间有联系也有矛盾。如增益和稳定性，通频带和选择性等。因此，应根据要求决定主次和取舍。

1.3 晶小信号放大器的有关知识

1.3.1串并联谐振回路的特性

1.3.2串并联阻抗的等效互换

由图：

图 2-1 等效互换电路

可知

(2-2)

得：

(2-3)

根据品质因数的定义，串连电路的品质因数为

代入上式得

可见等效结果 Q 不变。即

若回路品质因数较高，由式（ 2-3 ）可得

(2-4)

(2-5)

此时可得：串联电路转换为并联电路后， R2 为串联电路 r1 的倍，而X2与串联电路X1相同，保持不变。

1.3.3并联谐振回路的耦合联结与接入系数

当并连谐振回路作为放大器的负载时，其连接的方式将直接影响放大器的性能。一般来看直接接入是不适用的，因为晶体管的输出阻抗低，会降低谐振回路的品质因数Q。通常，多采用部分接入方式，以完成阻抗变换的要求。

我们定义：接入系数p为转换前的圈数（或容抗）与转换后的圈数（或容抗）的比值。由此定义我们分别可得：

（1）变压器耦合联接的变比关系

图 2-2 变压器耦合联接的变换

根据功率关系，

故

（2-6）

根据变压器的电压变换关系，即

可得

(2-7)

（2）自耦变压器耦合联接的变比关系

图 2-3 自耦变压器耦合联接的变换

上图是自耦变压器耦合联接形式，其变比关系的分析与变压器耦合相同。同理可得

(2-8)

（3）双电容分压耦合联结的变比关系

图 2-4 双电容分压耦合联结的变换

其变比关系可以应用串并联等效互换的关系求得，首先将 Rl 与 2 组成的并联支路等效为串联支路。其中X不变 , 电阻 RLS 为

再将 R LS 、 C 1 、 C 2 组成的串联支路等效为并联支路。而电阻

又因为：

所以

(2-9)

上面以电阻 R L 的等效变换推导了各种联结形式的变比关系。可以得到电阻转换通式为

(2-10)

为了以后分析电路时运用方便，可将上述变化关系推广到电导、电抗、电流和电压源的等效变比关系上去，可得

（2-11）

利用上式可以很方便地进行各种变换，这对我们以后分析电路是非常有用的。同学们一定要理解和牢记。

2 电路的制作

2.1 电路原理图及说明：

高频小信号谐振放大器是由放大电路（由晶体管、场效应管或集成电路组成）与选频电路（主要是LC 谐振回路）组成，作用是将微小的高频信号进行线性放大，选出中心频率（输入信号对应）的信号，并滤除不需要的干扰频率信号。原理图如下：

本放大器由共发射极组态的晶体管和并联谐振回路组成，如图，其直流偏置由R1、R2 、Re 来实现，CT1，C2，L5和 CT2，C9，L2 分别组成L 、C 谐振回路。C7为高频旁路电容。若晶体管用y 参数等效电路等效，信号源用Is 和Ys 等效。变压器次级的负载为下一级放大器的输入导纳Yie2。 2.2 放大器具体分析 2.2.1放大器的技术指标

（1）电压增益

根据定义，

，由上图得

从等效关系可知

则

(2-26)

放大器谐振时，对应的谐振频率为

(2-27)

则

通常，在电路计算时，电压增益用其模表示，即可表示为

（2）谐振曲线

放大器的谐振曲线是表示放大器的相对电压增益与输入信号频率的关系。

(2-28)

由式（ 2-28 ）可得

对谐振放大器来讲，通常讨论的 f 与 f 0 相差不大，可认为 f 在 f 0 附近变化，则

(2-29)

式中，，称为一般失谐。

令，称为广义失谐。代入上式得

(2-30)

取模得

(2-31)

下图是谐振特性的两中表示形式 :

图2-11放大器的谐振特性

（3）放大器的通频带

通频带的定义是

时所对应的

为放大器的通频带。根据定义得

则

故

(2-32)

（4）放大器的矩形系数

矩形系数的定义是

其中，是时所对应的频带宽度，即

故

根据矩形系数的定义得

(2-33)

由此可以看出，单调谐回路放大器的矩形系数远大于1。也就是它的谐振曲线与矩形相差较远，选择性差。

2.2.2 稳定性

(1)谐振放大器存在不稳定的原因

前面分析电路曾假定晶体管的yre=0。但是，在实际运用中，晶体管存在着反向传输导纳yre，放大器的输出电压可通过晶体管的yre反向作用到输入端，引起输入电流的变化，这种反馈作用将可能引起放大器产生自激等不良后果。

图2-12等效输入电路

由上图可见：输入导纳Yi为

Yi=yie+YF

其中，YF =gF+jbF为反馈导纳。负载导纳影响输入导纳，输入导纳影响负载导纳。值得注意的是，YF是频率的函数，在某些频率上，gF有可能为负值，还会使放大器自激振荡；bF使回路失谐，中心频率偏移。

(2)放大器的稳定系数及稳定增益

①放大器的稳定系数

下图是调谐放大器的等效电路。当信号源提供输入电压后，通过晶体管得到

，而通过 y re 反馈到输入端得

图 2-13 调谐放大器等效电路

如果反馈电压在相位和幅度上Ui′与Ui相同，这就意味着放大器要产生自激振荡。现将Ui与Ui′的比值定义为稳定系数，即

(2-39)

S 越大，放大器越稳定； S=1 为维持自激振荡的条件。

由于， Y s 是信号源的内导纳，它是有前级放大器的谐振回路等效而得，即

(2-40)

式中，

用幅值与相角表示

(2-41)

其中

同理，输出回路也可用相同形式表示，即

(2-42)

其中，

通常，放大器的输入贿回路和输出回路相同，即

，，

则

(2-43) 根据相位相同的条件，

可得

代入得

(2-44)

②单级调谐放大器的稳定增益

所谓稳定增益，是指晶体管不加任何稳定措施，而满足稳定系数 S 要求时，放大器工作于谐振频率的最大电压增益。从图 2-9 所示等效电路可求得放大器的电压增益。设各级放大器的参数相同，且晶体管接入系数为 p 1 ，下级负载接入为 p 2 ，则单级电压增益为

由于各级参数相同，从输出电压 Uo 处向放大器输出端看，可认为其等效导纳为，故可得

于是

则

当回路谐振时，谐振电压为

故稳定电压增益为

(2-45)

③提高谐振放大器稳定性的措施

由于yre的反馈作用，晶体管是一个双向器件。使晶体管的反馈作用消除的过程称为单向化，其目的是提高放大器的稳定性。单向化的方法有中和法和失配法。

（一）中和法

所谓中和，是在晶体管放大器的输出与输入之间引入一个附加的外部反馈电路，以抵消晶体管内部yre的反馈作用。

图 2-14 具有中和电路的放大器

应该注意的是，严格的中和很难达到。因晶体管的 yre 是随频率变化的。

（二）失配法

所谓失配是指信号源内阻不与晶体管的输入阻抗匹配，晶体管输出端的负载不与本级晶体管的输出阻抗匹配。

失配法的实质是降低放大器的电压增益，以确保满足稳定的要求。可以选用合适的接入系数p1、p2或在谐振回路两端并联阻尼电阻来实现降低电压增益。在实际运用中，较多的是采用共射-共基级联放大器，其等效电路如下：

图2-15共射-共基级联放大器

从图中可以看出，输入回路与晶体管采用部分接入，而输出回路与晶体管直接接入，这是由于共基晶体管输出电阻很大，不用部分接入。

2.3 PCB

2.3.1PCB图

如下图：

2.3.2高频PCB设计的布局布线

（1）高频微波板的基本要求

①基材电讯工程师在设计时，已经根据实际阻抗的需要，选择了指定的介电常数、介质厚度、铜箔厚度，因此，在接受订单时，要认真核对，一定要满足设计要求。

②传输线制作精度要求高频信号的传输，对于印制导线的特性阻抗要求十分严格，即对传输线的制作精度要求一般为±0.02mm (±0.01mm精度传的输线也很常见)，传输线的边缘要非常整齐，微小的毛刺、缺口均不允许产生。

③镀层要求高频微波板传输线的特性阻抗直接影响微波信号的传输质量。而特性阻抗的大小与铜箔的厚度有一定的关系，特别对于孔金属化的微波板，镀层厚度不仅影响总的铜箔厚度，而且影响蚀房刻后导线的精度，因此，镀层厚度的大小及均匀性，要严格控制。

④机械加工方面的要求首先高频微波板的材料与印制板的环氧玻璃布材料在机加工方面有很大的不同；其次是高频微波板的加工精度比印制板的要求高很多，一般外形公差为±0.1mm（精度高的一般为±0.05mm或者为0~-0.1mm）。

⑤特性阻抗的要求前面已经谈到了有关特性阻抗的内容，它是高频微波板最基本的要求，不能满足特性阻抗的要求，一切都是徒劳的。

（2）高频微波板生产中应注意的问题

①工程资料的处理：对客户的文件进行CAM处理时，一定要把握两方面的内容，一是要认真吃透传输线的制作精度要求；二是根据精度要求并结合本厂的制程能力，作出适当的工艺补偿。

②下料：通常印制板下料均使用剪板机或自动开料机，但对于微波介质材料则不能一概而论，要根据不同的介质特性，而选择不同的下料方法，多以铣、割为主，以免影响材料的平整度以及板面的质量。

③钻孔：对于不同的介质材料，不仅钻孔的参数有所不同，而且对钻头的顶角、刃长、螺旋角等都有其特殊的要求，对于铝基、铜基的微波介质材料，钻孔时加工方式也有所

不同，以避免毛刺的产生。

④导通孔接地：一般情况下，导通孔采用化学沉铜的方法接地，化学沉铜时通常使用化学法或等离子法进行处理，从安全方面考虑，我们采用等离子法，效果很好；而对于铝基的微波介质材料，若使用通常的化学沉铜，有相当大的难度，一般建议采用金属导电材料灌孔接地的方法较为合适，但孔电阻一般小于20m?。

⑤图形转移：本工序是保证图形精度的一个重要工序。在选择光刻胶、湿膜、干膜等感光材料时，必须满足图形精度的要求；同时光刻机或曝光机的光源也必须满足制程的需要。

⑥蚀刻：本工序要严格控制蚀刻的工艺参数，如：蚀刻液各成份的含量、蚀刻液的温度、蚀刻速度等。确保导线边缘整齐，无毛刺、缺口，导线精度在公差要求的范围内。要切切实实做好这一点，需要细功夫，是非常必要的。

⑦涂镀：高频微波板导线上最后涂层一般有锡铅合金、锡铟合金、锡锶合金、银、金等。但以电镀纯金较为普遍。

⑧成形：高频微波板的成形与印制板一样，以数控铣为主。但铣削的方法对于不同的材料，是有很大区别的。金属基微波板的铣削需要使用中性冷却液进行冷却，而且铣削的参数也有相当大的差异。

总之，高频微波板的生产中，除了要注意以上的一些问题，还必须小心热风整平时锡缸温度、风压的大小及周转、装夹过程中的压痕和划伤。只有认真仔细地注意每一个环节，才能真正做出合格的产品来。

3 调试

3.1 调试

调试时，可先检查印制板及焊接的质量是否符合要求，有无虚焊点及线路间有无短路、断路。然后用万用表测试或通电检测，检查无误后，可通12V电压，在加入100mv,11.9MHZ（我个人的学号的后三位）的信号，先调节第一级的，使得其输出频率为11.9MHZ，在调节第二级的，最后使得输出电压大于2V以上，频率为11.9MHZ，这样就成功了。我这次做电路板运气比较好，接入电源和信号，随便调节一下就得了。

结论

次此设计不但复习巩固了三年来所学习的专业知识，而且让我门更进一步掌握我们的所学知识。此过程对我们的动手能力又有进一步的提高。首先掌握高频小信号放大器的电路组成、晶体管工作的内部物理机制、高频参数、高频等效电路、参数等效电路。其次掌握高频小信号放大器放大倍数、输入阻抗、出入阻抗的计算公式的推导与使用方法。再次掌握高频小信号放大器阻抗匹配、接入系数的概念与基本计算方法。所以次此设计将对我们以后的工作起到不可磨灭的作用。此次设计还让我明白了，做什么事情都要认真仔细，来不得半点马虎，此次制作达到了我预期的结果。

参考文献

[1] 沈伟慈.通信电路.西安电子科技大学出版社，2004

[2] 曾兴雯.高频电子线路.高等教育出版社，2004

[3] 懂尚斌.高频电子线路实验指导.武汉大学电子信息学院，2003