高频电子线路课程设计
—— 高频小信号放大器
班级： 09级通信工程二班
姓名： 韩承翼
学号： P091813124
成绩：
目 录
第1节 课程设计的设计要求.............................................................................. 1
1.1设计目的......................................................................................... 1
1.2分析设计要求................................................................................. 1
第2节 放大器的设计原理.................................................................................... 2
2.1基本原理......................................................................................... 3
2.2典型信号放大器简介...................................................................... 4
2.2.1单调谐放大器
2.2.2 双调谐放大器
第3节 电路设计方案............................................................................................... 8
3.1 电路结构........................................................................................ 8
3.2 电路参数的计算与元件的选择...................................................... 11
第4节 仿真及仿真结果分析.............................................................. 15
4.1 仿真图........................................................................................ 15
4.2 设计电路的性能评价.............................................................. 15
第5节设计心得体会............................................................................ 16
第6节 参考文献.................................................................................... 17
第一节 课程设计的设计要求
一、设计目的
1、 掌握小信号调谐放大器的基本工作原理；
2、 掌握谐振放大器电压增益、通频带及选择性的定义、测试及计算；
3、 了解高频小信号放大器动态范围的测试方法；
4、 通过设计实验掌握各种仿真软件的使用。同时增加学生的动手实践能力。
二、分析课程设计要求
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。
第二节 放大器的设计原理
一、 基本原理
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。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-f1= 2Δf0.7，品质因数Q=fo/2Δf0.7.
（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2-反馈导纳对放大器谐振曲线的影响
（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。
二、典型信号放大器的简介
高频小信号放大器可分为两类：一类是以谐振回路为负载的谐振放大器；另一类是以滤波器为负载的集中选频放大器。它们的主要功能都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。
按元器件分为:晶体管放大器（JBT）、场效应管放大器（FET）、集成电路放大器（IC）;
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
谐振放大器是采用谐振回路作负载的放大器，谐振回路具有放大、滤波和选频的作用。非谐振由阻容放大器和各种滤波器组成，其机构简单，便于集成。
（一）单调谐放大器
小信号谐振放大器是通信机接收端的前端电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。其实验单元电路如图1-1所示。该电路由晶体管Q1、选频回路T1二部分组成。它不仅对高频小信号进行放大，而且还有一定的选频作用。本实验中输入信号的频率fS＝10.7MHz。基极偏置电阻W3、R22、R4和射极电阻R5决定晶体管的静态工作点。调节可变电阻W3改变基极偏置电阻将改变晶体管的静态工作点，从而可以改变放大器的增益。
表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率f0，谐振电压放大倍数Av0，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1来表示）等。
图3—单调谐小信号放大电路
放大器各项性能指标及测量方法如下：
1、谐振频率
放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率，对于图3所示电路（也是以下各项指标所对应电路），f0的表达式为
式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；
为调谐回路的总电容，的表达式为：
式中， Coe为晶体管的输出电容；Cie为晶体管的输入电容；P1为初级线圈抽头系数；P2为次级线圈抽头系数。
谐振频率f0的测量方法是：
用扫频仪作为测量仪器，测出电路的幅频特性曲线，调变压器T的磁芯，使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点f0。
2、电压放大倍数
放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数AV0称为调谐放大器的电压放大倍数。AV0的表达式为
式中，
为谐振回路谐振时的总电导。要注意的是yfe本身也是一个复数，所以谐振时输出电压V0与输入电压Vi相位差不是180º 而是为180º+Φfe。
AV0的测量方法是：在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量图1-1中输出信号V0及输入信号Vi的大小，则电压放大倍数AV0由下式计算：
AV0 = V0 / Vi 或 AV0 = 20 lg (V0 /Vi) dB
3、通频带
由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数AV下降到谐振电压放大倍数AV0的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW，其表达式为
BW= 2△f0.7 = f0/QL
式中，QL为谐振回路的有载品质因数。
分析表明，放大器的谐振电压放大倍数AV0与通频带BW的关系为
上式说明，当晶体管选定即yfe确定，且回路总电容为定值时，谐振电压放大倍数AV0与通频带BW的乘积为一常数。这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。
通频带BW的测量方法：是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。测量方法可以是扫频法，也可以是逐点法。逐点法的测量步骤是：先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率f0及电压放大倍数AV0然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压VS不变），并测出对应的电压放大倍数AV0。由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的谐振曲线如图4所示。
可得： 
通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频宽，同时又能提高放大器的电压增益，除了选用yfe较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量CΣ。如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号，则可减小通频带，尽量提高放大器的增益。
4、选择性——矩形系数
调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kv0.1时来表示，如图1-2所示的谐振曲线，矩形系数Kv0.1为电压放大倍数下降到0.1 AV0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707 AV0时对应的频率偏移之比，即
Kv0.1 = 2△f0.1/ 2△f0.7 = 2△f0.1/BW
上式表明，矩形系数Kv0.1越小，谐振曲线的形状越接近矩形，选择性越好，反之亦然。一般单级调谐放大器的选择性较差（矩形系数Kv0.1远大于1），为提高放大器的选择性，通常采用多级单调谐回路的谐振放大器。可以通过测量调谐放大器的谐振曲线来求矩形系数Kv0.1。
（二）双调谐放大器
为了克服单调谐回路放大器的选择性差、通频带与增益之间矛盾较大的缺点，可采用双调谐回路放大器。双调谐回路放大器具有频带宽、选择性好的优点，并能较好地解决增益与通频带之间的矛盾，从而在通信接收设备中广泛应用。
在双调谐放大器中，被放大后的信号通过互感耦合回路加到下级放大器的输入端，若耦合回路初、次级本身的损耗很小，则均可被忽略。
图5—双调谐小信号放大
1、电压增益为
2、通频带
为弱耦合时，谐振曲线为单峰；
为强耦合时，谐振曲线出现双峰；
临界耦合时，双调谐放大其的通频带
BW= 2△f0.7 = 
fo/QL
3、选择性——矩形系数
Kv0.1 = 2△f0.1/ 2△f0.7 =
Kr0.1 = 2Δf0.1/ 2Δf0.7
= 2Δf0.1/BW
上式表明：矩形系数 Kr0.1愈接近1，则实际曲线愈接近理想矩形，邻近波道选择性愈好，滤除邻近波道干扰信号的能力愈强。但单调谐回路放大器的矩形系数远大于1，这是单调谐回路放大器的缺点。故实际工程应用中，通常采用多级谐振放大器。
第三节 电路设计方案
一、 电路结构
放大器的增益大于35dB，且f0=10MHZ，
，采用单级放大器实现，拟定高频小信号谐振放大器的电路原理图如图1-1所示。
根据上面各个具体环节的考虑设计出下面总体的电路：
图6—接受天线端及高频小信号放大器
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。
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。
(一)静态工作过程
当输入信号ui=0V时，放大器处于直流工作状态(静态)。理想情况下，变压器T1的次级、变压器T2的初级视为短路，电容器Cb、Ce、Cf视为开路，放大器的直流通路如图1-2(a)所示。此时，输出信号为0。
(二)动态工作过程
当输入信号ui不等于0V时，放大器处于交直流工作状态(动态)。理想情况下，电容器Cb、Ce、Cf视为短路，放大器的交流通路如图1-2(b)所示。
二、电路参数的计算与元件选择
(一)选择晶体管与计算Y参数
根据晶体管Y参数等效电路可知，为了保证当大气工作稳定，应该选择yre小的晶体管。为了能在给顶的工作频率上正行工作，要求晶体管的频率特性要好，一般选用
的管子。在要求电压增益高的情况下，应选取|yfe|大的晶体管。
由于设计要求f=10MHz，
，且电压增益不是很大，选用晶体管3DG6C在性能上可以满足需要。晶体管选定后，根据高频小信号谐振放大器应工作于线性区，且在满足电压增益要求的前提下，
应尽量小些以减小静态功率损耗。值得注意的是，变化会引起Y参数的变化，在正常的取值范围内，随着的增加，|yfe|变大，gie、goe略有增加。这里采用等于1mA进行Y参数计算，看是否能满足增益的需要，否则将进行调整。
1、求晶体管的混合
参数
已知晶体管3DG6C的参数为
，
，
，
，
。据此可求得：
(1)发射结的结电阻
3；
(2)发射结的结电导
-3S；
(3)晶体管的跨导
-3S；
(4)发射结电容
-12F = 24.5pF。
2、由混合参数求Y参数
由于，
，可以按下列公式计算：
(1)共射晶体管输入导纳 （1-1）
由此可得：
，
-12F。
(2)共射晶体管输出导纳 （1-2）
由此可得：
，
-12F。
(3)共射晶体管正向传输导纳
（1-3）
由此可得：
，
。。
(4)共射晶体管反向传输导纳
（1-4）
由此可得：
，
。。
(二)、确定静态工作点
根据晶体管的混合参数已知条件可知：晶体管为3DG6C，
，
，
。为了稳定静态工作点，晶体管分压式偏置电阻上流过的电流一般需设置为(5~10)
，这里取10倍关系，并设置
，
，则
(1) 
(2)
，
取标称值13
，得到实际的流过偏置电阻上的电流为
在实际制作过程中，
可用30的电阻和50的电位器串联，以便调整静态工作点.
b、计算谐振回路参数
根据图1-2(b)图作出高频小信号谐振放大器的Y参数等效电路和简化等效电路，分别如图1-3、1-4所示。
(一)计算谐振回路总电容
由图可知谐振回路的总电容为
(1-5)
式中，
,，
，
。
选取
，
，
，
，则有谐振回路总电容为
为了计算方便，可通过调节可变电容CT使
。
(二)根据谐振频率选取电感L
由公式
可得：L=12.67uH
(三)计算回路损耗电导
和阻尼电阻RT
根据中心频率f=10MHz,通频带为4MHz可得回路的损耗电导
(1-6)
有载品质因数
，故
由图1-4可知回路损耗电导
(1-7)
式中，
为空载品质因素，其表达式为
(1-8)
若取回路空载品质因素
，则有
。
在式(1-7)中代入
，
，
，
可得
解得
。
第四节 仿真及仿真结果分析
一、仿真图
1.通过EWB软件实现的高频小信号放大器仿真图：
2.按图设置各元件参数，打开仿真开关，从示波器观察检波器输出波形及输入信号的关系。如图所示：
二、 设计电路的性能评价
将上述设计元件的参数值先进行安装，调整放大电路的静态工作点，然后再调谐振回路使其谐振。
在放大器处于谐振的条件下，测量放大电路的各项技术指标。若这些测量值与课程设计要求的值较远，则应根据表达式进行分析。如果电压放大倍数较小，则可以通过调节静态工作点Q或者接入系数使其增大。
由于分布参数的影响，放大器的各项指标满足设计要求后的元件参数值与设计计算值有一定的偏差。需要反复调整输出耦合变压器的磁芯位置才能使电路始终处于谐振状态。
由于工作频率较高，高频小信号放大器容易收到外界的干扰。特别是射频干扰，通常采取的措施是把放大器放入金属屏蔽盒中。
第五节 设计心得体会
经过两个星期的课程设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。我想说，课程设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，而且课程设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，课程设计确实很累，但当我们所做的内容制成成果时，心中也不免产生兴奋；
同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。课程设计过程中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们此次涉及成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。
对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！
第六节 参考文献
1、张肃文 主编《高频电子线路》 高等教育出版社.
2、张义芳，冯建化。《高频电子线路》 哈尔滨工业大学出版社
3、高吉祥 主编《高频电子线路》 电子工业出版社
4、及力 主编《电子CAD基于Protel99SE》北京邮电大学出版社