通信电子线路课程设计
西北门族大学
2009电气工程学院 通信电子线路 课程设计 题目:调幅解调 姓名:张忆银 学号:P071513382 班级:07级通信工程2班 指导老师:王建华 年12月16
放大高频小信号(中心频率在几百KHZ到几百MHZ,频谱宽度在几KHZ到几十MHZ的范围内)的放大器,称为高频小信号放大器。这类放大器,按照所用器件可分为晶体管,场效应管和集成电路放大器;按照通过频谱的宽窄可分为窄带和宽带放大器;按照电路形式可分为单级和级联放大器;按照所用负载性质可分为谐振放大器和非谐振放大器。所谓谐振放大器,就是采用谐振回路作负载的放大器。根据谐振回路的特性,谐振放大器对于靠近谐振频率的信号,有较大的增益;对于远离谐振频率的信号,增益迅速下降。所以,谐振放大器不仅有放大作用,而且也起着滤波或选频的作用。对高频小信号放大器来说,由于信号小,可以认为它工作在晶体管(或场效应管)的线性范围。这就允许把晶体管看成线性元件,因此可作为有源线性四端网络来分析。小信号调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路,主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。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。
关键词:高频 小信号 放大
一、前言----------------------------------------(4)
二、电路的设计-----------------------------------(5)
2.1 设计的任务---------------------------(5)
2.2设计的目的---------------------------(5)
2.3设计的思路---------------------------(5)
三、电路的原理-----------------------------------(5)
3.1 电路原理-----------------------------(5)
3.2 电路图和等效电路---------------------(5)
四、电路参数选择与元件选择-----------------------(8)
4.1电路元器件----------------------------(5)
4.2 元器件作用----------------------------(5)
五、技术指标--------------------------------------(5)
5.1 谐振频率--------------------------------(5)
5.2 增益------------------------------------(5)
5.3 通频带----------------------------------(5)
5.4 选择性-----------------------------------(5)5.5工作稳定性-------------------------------(5)5.6噪声系数---------------------------------(5)六、电路测试-------------------------------------(5) 七、心得体会------------------------------------(14) 八、参考文献------------------------------------(15)
一、前言
随着电子技术的飞速发展,社会发展步入了信息时代,随着信息时代对人才高素质和信息化的需求,随着高等教育发展的趋势,人们的生活水平提高,对精神生活的要求也就更高,这对电子领域提出了更高的要求。
电子学是一门应用很广的科学技术,发展及其迅速。要学好这门技术,首先是基础理论的系统学习,然后要加技术训练,进而培养我们对理论联系实际的能力,设计电路的能力,实际操作的能力。同时也加深我们对电子产品的理解。
高频小信号谐振放大器设计作为此次课程设计的题目。在信号传输中,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,这种信号具有窄带特性。通过长距离的通信传输,信号受到衰减和干扰,到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号,在做进一步处理之前,应当经过放大和限制干扰的处理。这就需要通过高频小信号放大器来完成。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。高频小信号放大器有一类就是以谐振回路为负载的谐振放大器。
在本次实践中,得到了同学和老师的大力支持,也得到了其他一些宝贵意见,在此一并感谢。由于实践和经验的关系,不足之处望加以批评指正,以便提高和完善。
二、电路的设计
1、设计的任务
本课程设计的总任务是进行调幅解调,信号在发射端进过调制后,在接收端接收到信号后进行解调,调幅解调需要进过高频放大、混频、中频放大、解调、最后经过低频放大就能得到原来的信号。在调幅解调的过程中,天线接收到信号后解调的第一步是进行信号放大,此时信号属于高频,本小组设计的任务是设计一个电路来放大收到的高频信号。
2、设计的目的
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。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。
3、设计的思路 为了达到设计最初目的,单协调电路是小信号放大器的基本电路,可以理通过高频小信号放大器来实现。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和相位。
三、电路的原理
1、电路原理
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。高频小信号放大器的作用就是放大无线电设备中的高频小信号,以便进一步变换或处理。所谓“小信号”,主要是强调放大器应工作在线性范围。高频余地频小信号放大器的基本构成相同,都包括有源器件(晶体管、集成放大器等)和负载电路,但有源器件的性能及负载电路的形式有很大差异。高频小信号放大器的基本类型是以各种选频网络作负载的频带放大器,在某些场合,也采用无选频作用的负载电路,构成宽带放大器。
放大器最典型的单元电路如图3—1所示,由单调谐回路做法在构成晶体管调谐放大器。图3—1电路中,晶体管直流偏置电路与低频放大器电路相同,
由于工作频率高,旁路电容Cb、Ce可远小于低频放大器中旁路电容值。调谐回路的作用主要有两个:
第一, 选频作用,选择放大ffo的信号频率,抑制其它频率信号。 第二, 提供晶体管集电极所需的负载电阻,同时进行阻抗匹配变换。
图3—1单协调放大电路
2、(1)电路图
下图3—2中即为本次设计任务中的电路图,
图3-2 高频放大器的电路图
(2)电路的等效电路
图3-3 放大器的等效电路图
图中有参数有输入导纳、输出导纳、正向传输导纳、反相传输导纳,这些参数的数学表达式如下:
晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流IE、电流放大系数β有关外,还与工作角频率ω有关。晶体管手册中给出的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得。如在fo=30MHz, IE=2Ma,VCE=8V条件下测得3DG100C的y参数
g ie =2mS C ie =12pF
goe =250mS C oe =4pF
|y fe |=40mS |y re |=350 uS
如果工作条发生变化,则上述参数值仅作为参考 。因此,高频 电路的设计一般采用工程估算方法。
图3-3中所示的等效电路,p1为晶体管的集电极接入系数,即
p1=N1/N2
式中,N2为电感L线圈的总匝数;p2为输出变压器Tr的副边与原
边的匝数比,即 p2=N3/N2
式中,N3为副边的总匝数。
四、电路参数选择与元件作用
1、电路的元器件
天线、电感、电容、电阻、三极管、
2、三级管的作用
直流电压源Vcc应大于Vbb,从而使电路满足放大的外部条件: 发射结正向偏置,集电极反向偏置。改变可调电阻Rb,基极电流IB,集电极电流Ic 和发射极电流IE都会发生变化,由测量结果可以得出以下结论:
IE = IB + IC ( 符合克希荷夫电流定理)。
IC ≈ IB ×? ( ?称为电流放大系数,可表征三极管的电流放大能力)。 △ IC ≈ △ IB ×?。
由上可见,三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。
3.电感的作用
电感是用绝缘导线(例如漆包线,沙包线等)绕制而成的电磁感应元件。
①电感的作用:通直流阻交流这是简单的说法,对交流信号进行隔离,滤波或与电容器,电阻器等组成谐振电路.
②调谐与选频电感的作用:电感线圈与电容器并联可组成LC调谐电路。即电路的固有振荡频率f0与非交流信号的频率f相等,则回路的感抗与容抗也相等,于是电磁能量就在电感、电容之间来回振荡,这就是LC回路的谐振现象。谐振时由于电路的感抗与容抗等值又反向,因此回路总电流的感抗最小,电流量最大(指f=f0的交流信号),所以LC谐振电路具有选择频率的作用,能将某一频率f的交流信号选择出来。
4.电容的作用
所谓电容,就是容纳和释放电荷的电子元器件。电容的基本工作原理就是充电放电, 当然还有整流、振荡以及其它的作用。另外电容的结构非常简单,主要由两块正负电极和 夹在中间的绝缘介质组成,所以电容类型主要是由电极和绝缘介质决定的。电容的用途非常多,主要有如下几种:
1.隔直流:作用是阻止直流通过而让交流通过。
2.旁路(去耦):为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。
3.耦合:作为两个电路之间的连接,允许交流信号通过并传输到下一级电路
4.滤波:这个对DIY而言很重要,显卡上的电容基本都是这个作用。
5.温度补偿:针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响,而进行补偿,改善电路的稳定性。
6.计时:电容器与电阻器配合使用,确定电路的时间常数。 7.调谐:对与频率相关的电路进行系统调谐,比如手机、收音机、电视机。
8.整流:在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。 9.储能:储存电能,用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯,加热设备等等。
上述中放电路结构简单,回路损耗小,调试方便,所以应用广泛。但很难同时满足选择性和通频带两方面的要求,所以只能用在要求不太高的收音机上。
五、技术指标
高频小信号频带放大器的主要性能指标有:
1、 中心频率f:
o
指放大器的工作频率。它是设计放大电路时,选择有源器
件、计算谐振回路元件参数的依据。
2、 增益(放大系数):
指放大器对有用信号的放大能力。通常表示为在中心频率上的电压增益和功率增益。一般希望每级放大的器的中心频率(谐振频率)及通频带处的增益尽量大,使总增益级数尽量少。
电压增益 AV=Vo/Vi 功率增益 AP=Po/Pi
分贝表示 AV=20lg(Vo/Vi) AP=10lg(Po/Pi)
式中Vo、Vi分别为放大器中心频率上的输出、输入电压幅度,Po、Pi分别为放大器中心频率上的输出、输入功率。增益通常用分贝表示。
3、 通频带:
指放大电路增益由最大值下降3db时对应的频带宽度。它相当于输入不变时,输出电压由最大值下降到0.707倍或功率下降到一半时对应的频带宽度,如图5—1所示。由于放大器放大的是已调信号,已调制的信号都包含一定的频谱宽度,所以放大器必须有一定的通频带以便让必要的信号中的频谱分量通过放大器。
图5-1 通频带的定义
与谐振回路相同,放大器的通频带决定于回路形式和回路的等效品质因数QL。此外放大器的总通频带,随着级数的增加而变窄,并且通频带越宽,放大器的增益越小。
4、选择性:
放大器对通频带外干扰信号的衰减能力,有两种表征方法: 其一,用矩形系数说明邻近波道选择性的好坏。设放大器的幅频特性如图5—2所示,
图5-2放大器的实际频率特性
矩形系数Kr0.1定义为:
Kr0.1=2Δf 0.1/(2Δf0.7) (5—1)
矩形系数Kr0.01定义为:
Kr0.01=2Δf 0.01/(2Δf0.7) (5--2)
式中2f0.7为相对电压增益(或相对电压输出幅度)下降到0.7时的频带宽度,亦即放大器的通频带B;2f0.1为相对电压增益 下降到0.1师的频带宽度。显然,理想矩形系数应为1,实际矩形系数均大于1。
其二,用抑制比来说明对带外某一特定干扰频率fn信号
抑制能力的大小,其定义为中心频率上功率增益Kp(f0)与特定干扰频率fn上的功率增益之比。
d
Kp(f0)Kp(fn)
(5-3)
也可以表示为:d=AV0/An (5-4)
用分贝表示,则为
d(dB)10lg
Kp(f0)Kp(fn)
(5-5)
d(dB)=20lg(AV0/An) (5-6)
5、工作稳定性
指在电源电压的变化或器件参数变化时,增益、同频带、选择性三参数的稳定程度。一般的不稳定现象是增益的变化,中心频率偏移、通频带变窄等,不稳定状态的极端情况是放大器自激,以致使放大器完全不能工作。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。5-3图为 对fn的抑制能力
6、噪声系数
放大器的噪声性能可用噪声系数NF表示
噪声系数=输入信号噪比/输出信号噪比 用数学公式表示为:
NF=(Psi/P ni)/( Pso/P no) 其中NF越接近1越好
在多级放大器中,前两级的噪声对这整个放大器的噪声起决
定作用,因此要求他的噪声系数应尽量小。 设计举例
图中Vcc=9V,晶体管为3DG100C,β=50查手册的rb’b=70
Ω,Cb’c=3pF,当IE=1mA时,Cb’e=25pF。L=4uH, N2=20匝, p 1=0.25,p 2=0.25,RL=1kΩ。
主要指标 谐振频率fo=10.7MHz,谐振电压放大倍数AVO≥
20dB,通频带BW=1MHz,矩形系数Kr0.1
取IEQ=1mA, VEQ=1.5V, VcEQ=7.5V,则RE= VEQ/IEQ=1.5kΩ,
RB2= VBQ/(6IBQ)= VBQ·β/(6ICQ)=18.3kΩ,取标准值18kΩ, RB1=[(Vcc- VBQ)/ VBQ]·RB2=55.6kΩ
RB1可用30kΩ电阻和100kΩ电位器串联,以便调整静态工作点。
(2)、计算谐振回路参数
计算4个y参数,由上式可得: yie=0.96mS+j1.5mS
gie=0.96msS Cie=23pF rie=1kΩ yoe=0.06mS+j0.5mS goe=0.06mS COe=7pF yfe
=0.37mS+j4.1mS
故模 |yfe|=37mS C∑=1/(2πfo)2L=55.2Pf 回路电容
C= C∑-p21COe- p22Cie=53.3pF
输出耦合回路变压器的原边抽头匝数N1及副边匝数N3, 即N1= p 1N1=5匝,N3= p 2N2=5匝 (3)确定输入耦合回路及高频滤波器电容
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的谐振回路,如图3-2所示。由于输入变压器原边谐振回路的谐振频率与放大器谐振回路的谐振频率相等,也可以直接采用耦合。高频耦合电容一般选择瓷片电容。
六、电路的装调测试
将设计的元器件参数值按照图3-2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,这是用万用表测量电阻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3-2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f1=10.7MHz。输出电压V1=5mA,为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V2de指示值达到最大,毫安表mA的指示值为最小且输出波形无明显失真。回路处于谐振状态后,再将电源电压恢复至+9V。
在放大器处于谐振状态下测量各项技术指标,如电压放大倍数Avo、通频带BW及矩形系数Kr0.1,其测量方法如前面所述。若这些指标的测量值于设计要求值相差较远,则应根据它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β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与设计计算只有一定偏离,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3-2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。通常采用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)。 七、心得体会
八、参考文献