高频小信号调谐放大器的电路设计

.1高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真1.1主要技术指标谐振频率：10.7MHz谐振电压放大倍数：通频带：矩形系数：要求：放大器电路工作稳定，采用自耦变压器谐振输出回路1.2给定条件回路电感L=4H, ，晶体管用9018，=50。查手册可知，9018在、时，,，。负载电阻。电源供电。1.3设计过程高频小信号放大器一般用于放大微弱的高频信号,此类放大器应具备如下基本特性:只允许所需的信号通过,即应具有较高的选择性；放大器的增益要足够大；放大器工作状态应稳定且产生的噪声要小；放大器应具有一定的通频带宽度。除此之外,虽然还有许多其它必须考虑的特性,但在初级设计时,大致以此特性作考虑即可. 基本步骤是: 选定电路形式依设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器，设计参考电路见图1-1所示。 精品.图1-1 单调谐高频小信号放大器电原理图小信号放大器的主要特点是晶体管的集电极负载不是纯电阻，而是由LC组成的并联谐振回路，如图2-1所示。由于LC并联谐振回路的阻抗是随频率而变的，在谐振频率处其阻抗是纯电阻，达到最大值。因此，用并联谐振回路作集电极负载的调谐放大器在回路的谢振频率上具有最大的放大电压增益。稍离开此频率，电压增益迅速减小。我们用这种放大器可以放大所需要的某一频率范围的信号，而抑制不需要的信号或外界干扰信号。图中放大管选用9018，该电路静态工作点Q主要由Rb1和Rw1、Rb2、Re与Vcc确定。利用和、的分压固定基极偏置电位，如满足条件：当温度变化，抑制了变化，从而获得稳定的工作点。由此可知，只有当时，才能获得恒定，故硅管应用时， 。只有当负反馈越强时，电路稳定性越好，故要求，一般硅管取：精品.。1.4设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.82mA之间。设计电路中取 ，设。因为： 而 所以：因为：(硅管的发射结电压为0.7V) 所以： 因为： 所以：因为： 而 取则： 取标称电阻8.2K因为： 则：，考虑调整静态电流的方便，用22K电位器与15K电阻串联。1.5 谐振回路参数计1.5.1回路中的总电容C因为： 则: 回路电容C因有 精品.所以 取C为标称值30pf,与5-20Pf微调电容并联。1.5.2 电感线圈N2与N1的匝数根据理论推导，当线圈的尺寸及所选用的磁心确定后，则其相应的参数就可以认为是一个确定值，可以把它看成是一个常数。此时线圈的电感量仅和线圈匝数的平方成正比，即： 式中：K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关； N-线圈的匝数一般K值的大小是由试验确定的。当要绕制的线圈电感量为某一值时，可先在骨架上(也可以直接在磁心上)缠绕10匝，然后用电感测量仪测出其电感量，再用下面的公式求出系数K值： 式中： -为实验所绕匝数，由此根据和K值便可求出线圈应绕的圈数，即：实验中，L采用带螺纹磁芯、金属屏蔽罩的10S型高频电感绕制。在原线圈骨架上用0.08mm漆包线缠绕10匝后得到的电感为2uH。由此可确定要得到4 uH的电感，所需匝数为 精品. 匝 最后再按照接入系数要求的比例，来绕变压器的初级抽头与次级线圈的匝数。因有，而匝。则： 匝1.6 确定耦合电容与高频滤波电容：耦合电容C1、C2的值，可在1000 pf0.01uf之间选择 ，一般用瓷片电容。旁路电容Ce 、C3、C4的取值一般为0.01-1F，滤波电感的取值一般为220-330uH。1.7 单调谐高频小信号放大器电路仿真实验 用EWB电子工作平台软件构建1-1所示设计实验电路1.7.1 测量并调整放大器的静态工作点。仿真条件：晶体管用理想库（defauit）中的（ideal）器件。电感线圈用固定电感L1=2.8uH、L2=1.2uH，中间抽头。其余元件参数参见图1-1。调节Rw1，用万用表测量集电极电压，调至1.5V。1.7.2 谐振频率的调测与电压放大倍数的测量。仿真条件： 输入高频信号频率fo=10.7MHz,幅度（峰-峰值）50mV。阻尼电阻R=10K、反馈电阻Re=1K、负载电阻RL=10K。双踪示波器的CH1接输出，CH2接输入。微调可变电容使放大器输出信号最大且波形无失真，仿真结果如图1-2所示精品.2 LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计与制作在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期信号的电子电路，这种在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为振荡器。振荡器的种类很多，根据工作原理可以分为反馈型振荡器和负阻型振荡器。根据选频网络采用的器件可分为LC振荡器、晶体振荡器、变压器耦合振荡器等。振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。为此,振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路,也是从事电子技术工作人员必须要熟练掌握的基本电路。2.1 电容三点式振荡器原理工作原理分析反馈式正弦波振荡器有RC、LC和晶体振荡器三种形式，电路主要由放大网络、选频回路和反馈网络三个部分构成。本实验中，我们研究的主要是LC三点式振荡器。所谓三点式振荡器，是晶体管的三个电极（B、E、C），分别与三个电抗性元件相连接，形成三个接点，故称为三点式振荡器，其基本电路如图2-1所示：图2-1 三点式振荡器的基本电路根据相位平衡条件，图2-1 (a)中构成振荡电路的三个电抗元件，X1、X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗，若X1和X2均为容抗，X3为感抗，则为电容三点式振荡电路（如图2-1 (b)）；若X2和X1均为感抗，X3为容抗，则为电感三点式振荡器（如图2-1 (c)）。由此可见，为射同余异。共基电容三点式振荡器的基本电路如图2-2所示。精品.图2-2共基电容三点式振荡器由图可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。 其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件， 于是得到单一频率的振荡信号输出。该振荡器的振荡频率为：反馈系数F为： 若要它产生正弦波，必须满足F= 1/2-1/8，太小不容易起振，太大也不容易起振。一个实际的振荡电路，在F确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。但是如静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真，严重时，甚至使振荡器停振。所以在实用中，静态电流值一般ICO=0.5mA-4mA。共基电容三点式振荡器的优点是：1）振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高。工作频率可以做得较高，可达到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。 电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，改进电路有两种：精品. 串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路)电路组成如图2-3示：图2-3克拉泼振荡电路电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C3，串联于电感L支路。 功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频率的稳定度得以提高。 因为C3远远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C3。电路的振荡频率为：与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感L支路上串联一个电容。但它有以下特点：1、振荡频率改变可不影响反馈系数。2、振荡幅度比较稳定；但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4； 为此，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器 。 并联型改进电容三端式振荡器(西勒电路)电路组成如图2-4示：图2-4西勒振荡电路电路特点是在克拉泼振荡器的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。电路的振荡频率为：精品. 特点：1.振荡幅度比较稳定； 2.振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8；所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。 频率稳定度是振荡器的一项十分重要技术指标，它表示在一定的时间范围内或一定的温度、湿度、电压、电源等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡器的频率稳定度越高。改善振荡频率稳定度，从根本上来说就是力求减小振荡频率受温度、负载、电源等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此改善振荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率不变的能力，这就是所谓的提高振荡回路的标准性。提高振荡回路标准性除了采用稳定性好和高Q的回路电容和电感外，还可以采用与正温度系数电感作相反变化的具有负温度系数的电容，以实现温度补偿作用。石英晶体具有十分稳定的物理和化学特性，在谐振频率附近，晶体的等效参量Lq很大，Cq很小，Rq也不大，因此晶体Q值可达到百万数量级，所以晶体振荡器的频率稳定度比LC振荡器高很多。2.2 主要设计技术性能指标振荡频率 频率稳定度 输出幅度 采用西勒振荡电路，为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，采用了射随器作为隔离级。2.3 基本设计条件电源供电为12V，振荡管BG1为9018（其主要参数,取=100，fT1100MHz）。隔离级射随器晶体管BG2也为9018，LC振荡器工作频率为6MHz，晶体为6 MHz。精品.2.4 设计过程根据设计要求和条件可采用如图2-5所示的电路结构。图2-5 LC与晶体振荡器电原理图2.4.1静态工作电流的确定合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间选取，故本实验电路中： 选ICQ=2mA VCEQ=6V =100 则有为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1K则Rc2K 因：UEQ=ICQRE 则： UEQ =2mA1K=2V 因： IBQ=ICQ/ 则： IBQ =2mA/100=0.02mA一般取流过Rb2的电流为5-10IBQ , 若取10IBQ因： 则：。考虑到实际的ICQ可能会超过2mA,取实际标称值5.1 K。精品.因： ： 为调整振荡管静态集电极电流的方便，Rb1由8.2K电阻与50K电位器串联构成。2.4.2 确定主振回路元器件回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp为宜。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/81/2。因振荡器的工作频率为： 当LC振荡时，f0=6MHz L10H 本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C3、C4决定，即有 C3+C4=70PF。取C3 =57pf，C4=22pf（与5-20Pf的可调电容并联），因要遵循C1，C2C3,C4，C1/C2=1/81/2的条件，故取C1=200pf，则C2=470pf。对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电容进行微调即可。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。例如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极；如为基级接地，则应从发射极输出。综合上述计算结果。得实际电路如图2-5所示。2.5性能测试2.5.1 仿真测试用电压表测发射极对地的电压，调节RW使电压表读书为2v，再用电压表测第一个晶体管的Vce，并用电流表测出此时的Ic。将结果填入下表精品.2-1。用示波器观察OUT点的波形如下图2-6所示。图2-6 LC振荡波形表2-1 调试数据foVop-pVceIc测量值Ic计算值5.988M2.2V5.98V2.13mA2mA2.5.2 实物测试所焊的实物如图2-7所示。LC振荡时，射极跟随器的输出如图2-8所示。精品.晶体振荡时，射极跟随器的输出如图2-9所示。结果分析：设计要求振荡频率fo=60MHZ50KHZ=（5.956.05）MHZ，Vp_p0.312=3.6V。LC振荡时，输出电压的频率为5.952MHZ，幅值为3.66V，满足设计要求；晶体振荡时，输出电压的频率为6.031MHZ，幅值为3.64V，也满足设计要求，调试时发现，晶体振荡的频率比LC振荡更稳定，基本维持在6MHZ左右。 个人总结由于曾经做过高频小信号、LC振荡器、高频功放的实验，所以使得此次的设计难度降低了不少，在选择电路时大部分是参照实验做过的原理图，主要问题就是要设计好参数，在仿真时由于元件都是理想型的，所以基本没什么大问题，只是在做LC振荡时，由于没有6MHZ的晶体，所以就没有做晶体振荡的仿真。实物部分我做的是LC振荡，在设计好电路、选好元件型号以及进行实物排版后，焊接基本没有遇到问题，但在开始调试时，却没有想象中的那么简单。调试时，虽然设置的静态工作点满足起振要求，但波形总是不够理想，后来我们断开第二个晶体管，先测试第一个晶体管的发射极，并适当更换了电容，最终调试出了满足要求的波形，在第一级调试成功后，再接上下一级，检测输出波形也满足要求。参考文献1 通信电子线路 刘泉 武汉理工大学出版社 2005.12 高频电子线路 张肃文 高等教育出版社 19843 高频电路原理与分析 曾兴雯 西安电子科技大学出版社 19944 电子线路（非线性部分） 谢嘉奎 高等教育出版社 精品.如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！精品