设计一个射频小信号放大器.docx

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设计一个射频小信号放大器

题目:

设计一个射频小信号放大器

概述

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，所谓小信号,一是信号幅度足够小,使得所有有源器件（晶体三极管,场效应管或IC）都可采用二端口Y参数或线性等效电路来模型化;二是放大器的输出信号与输入信号成线性比例关系.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;.

高频小信号谐振放大器除具有放大功能外,还具有选频功能,即具有从众多信号中选择出有用信号,滤除无用的干扰信号的能力.从这个意义上讲,高频小信号谐振放大电路又可视为集放大,选频一体,由有源放大元件和无源选频网络所组成的高频电子电路.主要用途是做接收机的高频放大器和中频放大器.

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电路的基本原理

图2-1所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号单级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输出信号的频率或相位。

晶体管的静态工作点由电阻Rb1、Rb2及Re决定，其计算方法与低频单管放大器相同。

图2-1

高频小信号谐振放大器

3电路设计方案

高频小信号调谐放大器简述：

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，其频率特性曲线如图-1所示，带宽BW=f2-fl=2△f0.7，品质因数Q=fo/2△f0.7。

图3-1谐振放大器的频率特性曲线

（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。

图3-2反馈导纳对

（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如图3-3所示的总体改进电路图

图3-3改进后的高频小信号谐振放大器

4重要电路分析及功能

高频小信号谐振放大器与低频放大器的电路基本相同（如图2-1所示）。

其中变压器T2的初级线圈为接收机前端选频网络的一部分，经次级线圈耦合后作为放大器的输入信号，输出端也采用变压器耦合方式来实现选频和输出阻抗匹配。

Cb与Ce为高频旁路电容，提供交流通路。

本放大器的高频等效电路如图4-1所示：

图4-1调谐放大器的高频等效电路

电路中并联振荡回路两端间的阻抗为

其中R是和电感串联的电阻，由于

因此有：

则并联回路两端电压为：

所以，当

时Vm有最大值，即回路谐振时输出电压最大。

实际制作中对基本电路的改进：

由于高频电路放大电路常常会自激振荡，也容易受各种因素的干扰，并且各级间很难实现阻抗匹配，所以要对基本电路进行适当的改进。

放大器内部电路的改进及理论依据：

如图4-2所示，增加Re1形成交流负反馈，用以改变放大倍数和改善输出波形，由于电源内阻容易影响高频电路的工作，所以电源下端要接LCπ型网络作为电源去偶电路，以减少干扰，提高放大器的性能。

另外还要特别注意的是，高频电路很容易产生自激振荡，所以需要想办法消除，最常用的办法是在LC谐振回路中串联一小电阻或并联一大电阻，从而减小回路的Q值，消除自激振荡。

图4-2外加射极跟随的高频放大器

实际制作过程及谐振频率的快速确定：

高频放大器制作中最关键也是最难的就是选取恰当的电感和电容值，使电路谐振。

谐振时有ωC=1/ωL，通过计算可以确定LC的值，但实际电路与理论计算往往相差很大，甚至能相差十几倍到几十倍，这就需要一定的操作技巧。

以33MHz放大器为例，经计算得电感为4.7uH时选用5-25pF的可调电容完全可以达到谐振频率，但接好电路后很少能够调到30MHz。

多次实验表明，实际振荡频率一般小于计算得频率，这就要用其他办法来确定放大器的谐振频率。

一个比较好的办法就是借助LC振荡电路来实现谐振。

如图4-3所示，此电路为共基组态的“考毕兹”振荡器，原理不再赘述，下面说明如何利用本电路：

可调电容Cx选用和放大器电路中同一规格的，电感Lx是放大器中变压器接入谐振回路的电感值，由于本电路仅由Lx和Cx决定，但在实际电路中电容对电路的谐振频率的影响远远没有电感明显，因而先选定电容（5-20pF可调），则频率为33MHz时，用一外径较大的磁芯（其中磁芯的Q值一定要高，否则高频损耗太大，放大器就不能放大），然后用漆包线手工绕制电感（若要大批量生产，可把绕好的做样品），绕适当的圈数后再用高频Q表测量其电感值大小，不断改变其圈数，使Lx基本达到要求（4Uh左右），然后把绕制好的电感作为Lx接入图4-2所示的电路中，再用示波器测量此电路的震荡频率，调节Cx，看震荡频率是否为33MHz，若不是，则相应的减少或增加变压器（即接入的电感）的圈数，直到其频率为所要求的为止，最后再按照要求的比例（常用3：

1）来绕变压器的次级线圈。

图4-3共基组态的“考毕兹”振荡器

5主要性能指标及测量方法

5.1主要性能指标

中心频率就是调谐放大电路的工作频率，一般在几百kHz到几百MHz。

它是根据设备的整体指标确定的，是调谐放大器的主要指标，是设计放大电路时选择有源器件和计算谐振回路元件参数的依据。

5.1.1电压增益

增益表示了放大电路对有用信号的放大能力，通常用在中心频率上的电压增益和功率增益来表示。

电压增益

根据定义，

由上图得

从等效关系可知

则

放大器谐振时，对应的谐振频率为

则

通常，在电路计算时，电压增益用其模表示，则

可表示为

5.1.2通频带

为了保证频带信号无失真地通过放大电路,要求其增益频率响应特性必须有与信号带宽相适应的平坦宽度。

放大电路电压增益频率响应特性由最大值下降3dB时，对应的频率宽度为放大器的通频带，通常以BW表示。

通频带的定义是

时对应的

为放大器的通频带。

根据定义得

则

5.1.3选择性

选择性是指对通频带之外干扰信号的衰减能力，有两种表示方法：

一种是用矩形系数来说明邻近波带选择性的好坏；另一种是用抑制比来说明对带外某一特定干扰频率信号的抑制能力。

5.1.4工作稳定性

工作稳定性是指当放大器电路的工作状态、元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要性能的稳定程度。

不稳定现象表现在增益变化、中心频率偏移、通频带偏移和谐振曲线变形等方面。

引起不稳定的原因主要是由于寄生反馈作用的结果。

为了消除或者减少不稳定现象，必须尽可能找出寄生反馈的路径，消除一切可能产生反馈的因素。

5.1.5噪声系数

噪声系数是用来描述放大器本身产生噪声电平大小的一个参数。

放大器本身产生噪声电平的大小，对所传输信号，特别是对微弱信号的影响是极其不利的。

上述各个指标相互关联而又相互矛盾，需要根据实际情况确定其主次，进行合理设计。

5.1.6谐振曲线

放大器的谐振曲线是表示放大器的相对应电压增益与输入信号频率的关系。

由上式可得

对谐振放大器来讲，通常讨论的f与f0相差不大，可认为f在f0附近变化，则

式中，

，称为一般失谐。

令

，称为广义失谐。

代入上式得

取模得

下面是谐振特性的两种表示形式：

图5-1放大器的谐振特性

5.1.7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

6电路参数的计算

6.1设置静态工作点

6.2计算谐振回路参数

下面计算4个y参数，

故模

回路总电容为

再计算回路电容

，取标称值62Pf

输出耦合变压器Tr0的原边抽头匝数N1及副边匝数N3，即

6.3确定输入耦合回路及高频滤波电容

高频小信号谐振放大器的输入耦合回路通常是指变压器耦合的谐振回路，如图2-1所示。

由于输入变压器Tri原边谐振回路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，如图3-3所示。

高频耦合电容一般选择瓷片电容。

7调试与仿真

7.1电路的装调与测试

将上述设计的元器件参数值按照图所示电路进行安装。

先调整放大器的静态工作点，然后再调谐振回路使其谐振。

调整静态工作点的方法是，不加输入信号（Vi=0），将C1的左端接地，将谐振回路的电容C开路，这时用万能表测量电阻Re两端的电压，调整电阻Rb1使Veq=1.5V（Ie=1mA）。

记下此时电路的Rb1值及静态工作点Vbq、Vceq、Veq、及Ieq。

调谐振回路使其谐振的方法是，按照图7-1所示的测试电路接入高频电压表V1、V2，直流毫安表mA及示波器。

再将信号发生器的输出频率置于fi=10MHz，输出电压Vi=5mA。

为了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+Vcc降低，如使+Vcc=+6V。

调输出耦合变压器的磁芯使回路谐振，即电压表V2的指示值达到最大，毫安表mA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+12V。

在放大器处于谐振状态下测量各项的技术指标，如电压放大倍数Avo、通频带BW及矩形系数Kr0.1，其测量方法如前所述。

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Avo较小，则可以通过调整静态工作点Q或接入系数P1、使Avo增大或更换较大的晶体管。

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器件参数值与设计计算值有有一定的偏离，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。

采用图所示的测量方法判断回路的谐振状态不太准确，易产生测量误差，较好的方法是采用扫频测量仪测量回路的谐振曲线。

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（屏蔽盒与地线应接触良好）。

7.2电路仿真

7.2.1利用EWB绘制出如图所示的仿真实验电路

图7-1仿真电路

7.2.2按图设置各元件的参数，打开仿真开关，从示波器上观察检波器输出波形以及输入信号的关系。

图7-2所示

通过这次高频课程设计小信号谐振放大电路，更加熟悉了解了小信号谐振的工作原理，掌握了谐振电路主要性能指标的测量方法和主要参数的调整方法等。

更进一步的掌握用PROTEL绘制原理图和PCB图，在绘图过程中，注意元器件的摆放，尽量做到布线美观，节约材料，在制作实物时，掌握了腐蚀和焊接的技巧，锻炼了自己工程意识，动手能力，分析解决实际问题的能力，以及设计能力和创新的精神，提高了自己的综合素质．同时，熟练掌握了常用电工工具，常用电丁电子测试仪器，仪表的使用。

8元件清单

元件名称元件大小元件数量

电阻200KΩ一个

电阻60KΩ一个

电阻2KΩ一个

电阻1KΩ一个

电容10nF一个

电容1uF一个

电容33nF一个

瓷片电容48nF一个

电感线圈一个