高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真

《高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真（24页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目：1.高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真 2. 乘积型相位鉴频设计与仿真 3. 高频谐振功率放大器设计与制作初始条件：对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1.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2.电路的主要技术指标：输出功率Po125mW，工作中心频率fo=6MHz， 65%， 已知：电源供电为12V，负

2、载电阻,RL=51，晶体管用3DA1，其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10，功率增益Ap13dB（20倍）。时间安排： 第15周，安排任务（鉴3-204） 第16周，仿真、实物设计（鉴主实验室）第17周，完成（答辩，提交报告，演示）指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日高频小信号谐振放大器31.设计任务32 .总体电路方框图33 单元电路设计43.1小信号放大电路43.2 选频网络54仿真结果65 实物制作与测试7乘积型相位鉴频设计与仿真81.鉴频器概述82.鉴频器的主要参数82.1鉴频特性(曲线)82.2鉴频

3、器的主要参数93.鉴频方法93.1直接鉴频法93.2间接鉴频法103.2乘积型相位鉴频器原理说明104.乘积型相位鉴频器实验电路说明及仿真设计114.1乘积型相位鉴频器电路114.2仿真电路设计及结果分析125.MC1496鉴频电路的鉴频实物实验145.1鉴频电路的鉴频操作过程145.2鉴频特性曲线（S曲线）的测量方法14高频功率放大器151.放大器电路分析152 谐振功率放大器的动态特性162.1谐振功放的三种工作状态162.2 谐振功率放大器的外部特性173单元电路的设计193.1确定功放的工作状态193.2基极偏置电路计算203.3计算谐振回路与耦合线圈的参数213.4电源去耦滤波元件选

4、择214电路的安装与调试22总 结23参考文献24高频小信号谐振放大器1.设计任务设计一高频小信号谐振放大器，所设计电路的性能指标如下：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。 2 .总体电路方框图3 单元电路设计3.1小信号放大电路图（1） 静态工作点设置 设置静态工作点采用国产三极管3DG6,经万用表测得放大倍数为40倍，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之间选取为宜，设计电路中取 ，设。因为： 而 所以：Vbe = 4V;因为：(硅管的发射结电压为0.7V) 所以：Vbq =

5、 4.7V;因为： 所以：因为： 而 取则： 考虑调整静态电流的方便，用10K电位器。3.2 选频网络图（2）选频网络选频网络参数设置采用固定电感调电容的方法来达到10.7MHZ的谐振频率。1） 回路中的总电感LL=4uh2） 回路电容的计算因为： 则:采用以800pf的可调电容。3）求电感线圈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

6、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 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4仿真结果5 实物制作与测试测试结果：输入信号幅值：162mv;输出信号幅值：1.70V。乘积型相位鉴频设计与仿真1.鉴频器概述鉴频器使输出电压和输入信号频率相对应的

7、电路。按用途可以分为两类：第一类用于调频信号的解调。常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等。对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。第二类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。对于这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求不高。实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类，第一类是调频调幅变换型。第二类是相依乘法鉴频型，这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化呈线性关系，然后将调相调频波与原调频波进行相位比较，通过低通滤波器取出解调信号，因为相位比较器通常用乘法器组成，所以称为相移乘法鉴频；第三类是脉冲均

8、值型。2.鉴频器的主要参数2.1鉴频特性(曲线)指鉴频器的输出电压u0与输入电压瞬时频率f 或频偏f 之间的关系曲线。理想鉴频特性曲线应是一条直线，但实际上往往有弯曲，呈S形，如下图所示。2.2鉴频器的主要参数1）鉴频器的中心频率f0 鉴频器的中心频率f0对应于鉴频特性曲线原点处的频率。通常，由于鉴频器中心与中频频率相同。 2）鉴频带宽Bm 鉴频带宽Bm:是指鉴频器能够不失真地解调所允许输入信号频率变化的最大范围。3）鉴频器的线性度 鉴频器的线性度：是指鉴频特性曲线在鉴频带宽内的线性特性。4）鉴频跨导SD 鉴频跨导SD :是指鉴频器在载频处的斜率，它表示单位频偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导

9、又叫做鉴频灵敏度。用公式表示为： 跨导也可以理解为将输入频率转换为输出电压的能力或效率，因此又称为鉴频效率3.鉴频方法3.1直接鉴频法是直接从调频信号的频率中提取原来调制信号的方法。主要有脉冲计数鉴频法。3.2间接鉴频法就是先对调频信号进行变换或处理，再从变换后的信号中提取原调制信 号的鉴频方法。又可分为振幅鉴频法、相位鉴频法两大类。本设计采用相位鉴频法，原理如下：相位鉴频器将输入的调频波UFM做变换，变换成调相调频波UPM/FM,在与调频波UFM叠加，在电路参数与信号参数匹配的情况下，得到幅度与调制信号呈线性关系的调幅调相调频波，最后经包络检波，解调出调制信号。鉴相器是用来比较两个同频输入电

10、压U1（t） 和U2(t) 的相位，而输出电压 U0(t) 是两个输入电压相位差的函数， 即 3.2乘积型相位鉴频器原理说明利用模拟乘法器的相乘原理可实现乘积型相位检波，其基本原理是：在乘法器的一个输入端输入调频波，设其表达式为 ： 式中，调频系数，或，其中为调制信号的频偏。另一输入端输入经线性移相网络移相后的调频调相波，设其表达式为： 式中，移相网络的相频特性。这时乘法器的输出为 式中，第一项为高频分量，可以被低通滤波器滤掉。第二项是所需要的频率分量，只要线性移相网络的相频特性在调频波的频率变化范围内是线性的，当，。因此鉴频器的输出电压的变化规律与调频波瞬时频率的变化规律相同，从而实现了相位

11、鉴频。4.乘积型相位鉴频器实验电路说明及仿真设计4.1乘积型相位鉴频器电路用MC1496构成的乘积型相位鉴频器电路如图4-12所示。图4-12 MC1496构成的相位鉴频器其中与并联谐振回路共同组成线性移相网络，将调频波的瞬时频率的变化转变成瞬时相位的变化。分析表明，该网络的传输函数的相频特性的表达式为： 当时，上式近似表示为：或 式中回路的谐振频率，与调频波的中心频率相等。 回路品质因数。瞬时频率偏移。 相移与频偏的特性曲线如图所示。 由图可见：在即的范围内，相位与频偏呈线性关系，从而实现线性移相MC1496的作用是将调频波与调频调相波相乘，其输出端接集成运放构成的差分放大器，将双端输出变成

12、单端输出，再经R0C0滤波网络输出。可见：在即的范围内，相位与频偏呈线性关系，从而实现线性移相。4.2仿真电路设计及结果分析相位鉴频器整体仿真电路图仿真结果：相位鉴频电路波形5.MC1496鉴频电路的鉴频实物实验5.1鉴频电路的鉴频操作过程1.首先测量鉴频器的静态工作点（使电路工作在平衡状态），再调谐并联谐振回路，使其谐振（谐振频率MHz）。2.再从端输入，的载波（不接相移网络，），调节平衡电位器RP 使载波抑制最佳。3.然后接入移相网络，输入调频波，其中心频率，调制信号的频率，最大频偏，调节谐振回路使输出端获得的低频调制信号的波形失真最小，幅度最大。5.2鉴频特性曲线（S曲线）的测量方法测量

13、鉴频特性曲线的常用方法有逐点描迹法和扫频测量法逐点描迹法的操作是：用高频信号发生器作为信号源加到鉴频器的输入端，先调节中心频率，输出幅度。鉴频器的输出端接数字万用表（置于“直流电压”档）测量输出电压值。（调谐并联谐振回路，使其谐振）。再改变高频信号发生器的输出频率（维持幅度不变），记下对应的输出电压值，并填入表4-5；最后根据表中测量值描绘S曲线。扫频测量法的操作是：将扫频仪（如型）的输出信号加到鉴频器的输入端，扫频仪的检波探头电缆换成夹子电缆线接到鉴频器的输出端，先调节的“频率偏移”、“输出衰减”和“轴增益”等旋钮，使上直接显示出鉴频特性，利用“频标”可绘出曲线。调节谐振回路电容，平衡电位器

14、可改变曲线的斜率和对称性。高频功率放大器1.放大器电路分析如图所示为高频功率放大器的基本电路。为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择工作在丙类状态下工作。我们知道，在一元件（呈电阻性）的耗散功率等于流过该元件的电流和元件两端电压的乘积。由图可知基极直流偏压VBB 使基极处于反向偏压的状态，对于NPN型管来说，只有在激励信号为正值的一段时间内才有集电极电流产生，所以耗散功率很小。晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路中LC是晶体管的负载，电路工作在丙类工作状态。图1 高频功率放大器基本电路下图为谐振功率放大器各级电压和电流波形。图2 谐振功

15、率放大器各级电压和电流波2 谐振功率放大器的动态特性2.1谐振功放的三种工作状态在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：欠压工作状态： 集电极最大点电流在临界线的右方过压工作状态： 集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区临界工作状态： 是欠压和过压状态的分界点， 集电极最大点电流正好落在临界线上。如图2-4为电压、电流随负载变化的波形图。 ic ic 3 2 1 Im 0 180 90 半导通角 wt B A C D 3 2 1 负载增大 eb=ebmax max VCC Q ec min Vc 1.欠压状态 2.临界状态 3.过压状态 Rp Vc

16、Vc图3 电压、电流随负载变化波形高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压Vb、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。2.2 谐振功率放大器的外部特性(1)负载特性如果VCC、VBB、Vb 这几个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻R 决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。欠压状态：B点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=R* Ic1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻R的增大而增大，其输出功率、效率的

17、变化也将如此。临界状态：负载线和Eb max正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损 耗小，放大器的效率也就较大。所以，高频谐振功率放大器一般工作于这个状态。过压状态：放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小RRecrIC1mVC1mIC0欠压过压RLRecr欠压过压P1P0PCh图4 谐振放大器的负载特性(2)集电极调制特性集电极调制特性是指VBB、Vbm和R一定，放大器性能随VCC变化的特性。如图2-6所示。由于VBB和Vbm一定，也就是VBEmax和IC脉冲宽度一定，因而对应于VCEmin的动态点必定在V

18、BEVBEmax的那条特性曲线上移动；当VCC由大减小时，相应的VCEmin也由大减小，放大器的工作状态将由欠压进入过压，IC波形也将由接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波。VC1mIc1mIc0过压 临界 欠压过压 临界 欠压VCCVCChP1P0图5 谐振放大器的集电极调制特性(3)基极调制特性基极调制特性是指VCC、Vbm和R一定，放大器性能随VBB变化的特性。如图2-7所示。当Vbm一定， VBB自负值向正方向增大，集电极电流脉冲不仅宽度增大，而且还因VBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相应的Vcm）增大，结果使VCEmin减小，放大器由欠压进入过压状态。VC1m

19、IC1mIC0欠压 0 临界 过压VBBhP0P1欠压 0 临界 过压VBB图6 谐振放大器的基极调制特性(4)放大特性放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能随Vbm变化的特性，如图2-8所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情况类似，它们都使集电极电流脉冲的宽度和高度增大，放大器的工作状态有欠压进入过压；进入过压后，随着Vbm的增大，集电极的电流脉冲出现中间凹陷，且高度和宽度增加，凹陷加深。VC1MIC1MIC0hP0P1欠压 临界 过压欠压 临界 过压VbmVbm图7 谐振放大器的放大特性3单元电路的设计3.1确定功放的工作状态 对高频功率放大器的基本要求是,尽

20、可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角在600900范围。现设=700。查表3-1得：集电极电流余弦脉冲直流ICO分解系数，集电极电流余弦脉冲基波ICM1分解系数，。设功放的输出功率为0.5W。功率放大器集电极的等效电阻为：集电极基波电流振幅为：集电极电流脉冲的最大振幅为： 集电极电流脉冲的直流分量为：电源提供的直流功率为：集电极的耗散功率为：集电极的效率为： (满足设计要求)已知： 即则：输入功率：基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的=10） 基极基波电流的振幅为：得基极输入的电压振幅为：3.2基极偏置电路计算因 则有 ：因 则有 ：取高频旁路电容

21、3.3计算谐振回路与耦合线圈的参数 输出采用L型匹配网路， 则匹配网路的电感L为，电容C为。3.4电源去耦滤波元件选择高频电路的电源去耦滤波网络通常采用型LC低通滤波器，滤波电感0可按经验取50100H，滤波电感一般取0.01F。实际使用电路图如下：图8 实际设计电路4电路的安装与调试 根据上述设计的元件参数，按图1所示电路进行安装(上述未标出的器件参数，以图上标注为准)。先安装第一级放大器，测量调整其静态工作点，使其满足或近似到理论设计值，再安装第二级放大器。测得晶体管3DA1静态时，基极偏置电压Ube=0，静态工作点调整后再进行动态调试。先假设谐振回路已经处于谐振状态，即集电极的负载电阻为

22、纯阻抗。但是回路的初始状态或者在调谐过程中，回出现失谐状态，即集电极回路的阻抗呈感性或呈容性，将使回路的等效阻抗下降。这时集电极输出电压减小，集电极电流增大，集电极的耗散功率增加，严重时可能损毁晶体管。为保证元器件安全工作，调谐时可以先将电源电压+VCC降低到规定值的，待找到谐振点后，再将+VCC升到规定值，然后微调一下回路参数就可以了。回路谐振时，高频电压表的读数应达到最大值，直流毫安表的读数为最小值，示波器检测的波形为不失真基波。总 结 课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。 此次课程设计主要针

23、对信号接收电路提出自己的设计方案，并利用仿真软件来实现自己的设计电路图。设计中用到了高频小信号电路，混频电路，晶体振荡电路，鉴频电路等在高频电子线路课程中学到的知识。由于对所学电路不熟悉，导致在设计的过程中无法画出正确的电路图，算不出电路中元器件的参数，使得在设计过程中绕了许多弯路，做了许多的无用功。设计过程中查阅了大量的有关高频电子线路设计的书籍，巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的必要性，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。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟跟平时的理论还是存在着很大的差异，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。总之，通过这次课程设计之后，我发现自己的不足之处还很多，我下去以后一定把以前所学过的知识重新温故。参考文献1 Multisim 电路设计及仿真应用 清华大学出版社2 通信电子线路主编：侯丽敏 华大学出版社3 电子线路设计、实验、测试主编：谢自美 华中理工大学出版社4 电子技术实验教程M主编：王紫婷成都:西南交大出版社,1997.5 通信电子线路主编：刘泉 武汉理工大学出版社