1、通信電路課程設(shè)計(jì)報告院 系 電氣（機(jī)電）工程學(xué)院組 號二 指 導(dǎo) 教 師 李文鑫 人 員 名 單吳勝楠、郭凱、徐中秋、唐泮泮通信電路課程設(shè)計(jì)報告課 題 名 稱 院 系 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 學(xué) 生 姓 名 聯(lián) 系 方 式 年 月摘 要高頻小信號放大器是通信設(shè)備中常用的功能電路，其功能是實(shí)現(xiàn)對微弱的高頻信號進(jìn)行不失真的放大。高頻小信號放大器按照所用負(fù)載的性質(zhì)可分為諧振和非諧振放大器。本文對高頻小信號諧振放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真研究，采用Multisim仿真軟件對各部分電路進(jìn)行了輔助設(shè)計(jì)分析，并對電路的諧振頻率，諧振電壓增益，通頻帶寬，矩形系數(shù)等性能進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的放大器滿足預(yù)期設(shè)

2、計(jì)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)過程和方法都比較簡單，仿真結(jié)果誤差也很小。關(guān)鍵詞：高頻小信號諧振放大器；Multisim目 錄1緒論11.1課題研究的背景11.2課題研究的意義12高頻電路的基礎(chǔ)知識12.1濾波器（選頻回路）的分類及功能12.2.1電感線圈和電容元件的高頻特性2二、電容元件的高頻特性22.2.2 LC串并聯(lián)諧振回路22.3小信號諧振放大器的技術(shù)指標(biāo)要求42.4小信號諧振放大器的穩(wěn)定性43 高頻小信號諧振放大器的仿真實(shí)現(xiàn)53.1Multisim的簡介53.2 高頻小信號諧振放大器的理論設(shè)計(jì)73.2.1 高頻小信號諧振放大器的工作原理73.2.2 設(shè)計(jì)電路圖73.2.3 放大器的技術(shù)指標(biāo)73.3

3、高頻小信號諧振放大器的仿真94 分析與總結(jié)10參考文獻(xiàn)111緒論1.1課題研究的背景20世紀(jì)末，電子通訊獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。在無線通信中，發(fā)射與接收的信號應(yīng)當(dāng)適合于空間傳輸。所以，被通信設(shè)備處理和傳輸?shù)男盘柺墙?jīng)過調(diào)制處理過的高頻信號，這種信號具有窄帶特性。而且，通過長距離的通信傳輸，信號受到衰減和干擾，到達(dá)接收設(shè)備的信號是非常弱的高頻窄帶信號，在做進(jìn)一步處理之前，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過放大和限制干擾的處理。這就需要通過高頻小信號放大器來完成。這

4、種小信號放大器是一種諧振放大器。1.2課題研究的意義高頻信號放大器理論非常簡單，但實(shí)際制作卻非常困難。其中最容易出現(xiàn)的問題是自激振蕩，同時頻率選擇和各級間阻抗匹配也很難實(shí)現(xiàn)。本文以實(shí)際制作為基礎(chǔ)，用LC振蕩電路為輔助，來消除高頻放大器自激振蕩和實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的頻率選擇；另加其它電路，實(shí)現(xiàn)放大器與前后級的阻抗匹配。高頻調(diào)諧放大器廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)和其它無線電系統(tǒng)中，特別是在發(fā)射機(jī)的接收端，從天線上感應(yīng)的信號是非常微弱的，這就需要用放大器將其放大。其中高頻小信號放大器是通信設(shè)備中常用的功能電路，它所放大的信號頻率在數(shù)百千赫至數(shù)百兆赫。高頻小信號放大器的功能是實(shí)現(xiàn)對微弱的高頻信號進(jìn)行不失真的放大，從信號所

5、含頻譜來看，輸入信號頻譜與放大后輸出信號的頻譜是相同的。2高頻電路的基礎(chǔ)知識2.1濾波器（選頻回路）的分類及功能濾波器是根據(jù)某一特定的性能要求實(shí)現(xiàn)對信號的頻譜進(jìn)行處理的電路。濾波器的分類，可以按照它具有的頻率特性分，也可以按構(gòu)成濾波器所用器件分，或者按它所處理的信號形式分。按其頻率特性可以分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器。按所用器件的特點(diǎn)可分為無源和有源濾波器。無源濾波器是由無源器件構(gòu)成，例如電感和電容組成的濾波器，電阻和電容組成的濾波器，利用石英晶體構(gòu)成的濾波器，還有陶瓷濾波器和聲表面濾波器等。有源濾波器指在所構(gòu)成的濾波器中含有放大器等有源電路，例如濾波器、開關(guān)電容濾波器等。按處理的信號形式

6、可分為模擬濾波器、數(shù)字濾波器和抽樣數(shù)據(jù)濾波器等。高頻電路中目前應(yīng)用較多的是無源濾波器中的濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面濾波器等，主要用于實(shí)現(xiàn)帶通濾波和低通濾波。2.2.1電感線圈和電容元件的高頻特性一、電感線圈的高頻特性在高頻電路中電感元件的損耗是不能忽略的，因而在等效電路中應(yīng)該考慮到損耗電阻的影響。一個實(shí)際的的電感元件可以用一個理想無損耗的電感和一個串聯(lián)的損耗電阻來等效，也可以用一個理想無損耗的電感和一個并聯(lián)電導(dǎo)來等效。通常一個損耗電感線圈可在工作頻率下通過表測得電感線圈的電感值和空載品質(zhì)因數(shù)，而的大小就能反映損耗的大小。二、電容元件的高頻特性對于電容元件，由于在高頻電路所討論的頻率

7、范圍內(nèi)，損耗很小，因而就認(rèn)為是理想元件，不考慮其損耗的影響。2.2.2 LC串并聯(lián)諧振回路無論頻率低還是高，LC串聯(lián)電路均呈現(xiàn)高阻抗，LC串聯(lián)電路兩端的電壓極高，只有處于低頻和高頻之間的某一個頻率，LC串聯(lián)電路會呈現(xiàn)比較低的阻抗，其兩端的電壓會較低，電路圖如下：串聯(lián)諧振電路圖諧振時的阻抗最小： 時的角頻率為：時，此時回路為純電阻，且電路的阻值最小，回路的電流最大，電流電壓同相，當(dāng)大于或小于時，回路的電流隨著它們的增加或減小而使電流減小。LC并聯(lián)諧振電路如圖所示。其中LC并聯(lián)諧振電路的損耗電阻R來代表，主要是電感的電阻消耗。下面分析它的諧振頻率：當(dāng)頻率低時容抗大，感抗小，并聯(lián)電路的特性由電感支路

8、決定；當(dāng)頻率高時容抗小，感抗大，并聯(lián)電路的特性由電容支路決定。所以無論頻率低還是高，LC并聯(lián)電路均呈現(xiàn)低阻抗，其端電壓較低，只有處于低頻和高頻之間的某一個頻率，LC并聯(lián)電路呈現(xiàn)高的阻抗，其端電壓會較高。 LC并聯(lián)諧振電路圖并聯(lián)電路的導(dǎo)納為：式中：當(dāng)時，可得并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為：諧振阻抗對于諧振頻率，LC并聯(lián)電路的阻抗為： 時回路諧振，回路等效為電阻，其阻值最大為R，隨著偏離阻抗值越來越小，當(dāng)大于時，回路呈容抗特性，當(dāng)小于時回路呈感抗特性。利用LC串聯(lián)或并聯(lián)諧振回路的選頻作用，對諧振點(diǎn)頻率的電流信號呈現(xiàn)較大的阻抗，而且是純電阻性的，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，而對失諧點(diǎn)頻率的電流信號呈現(xiàn)很

9、小的阻抗，抑制失諧點(diǎn)頻率電流信號的輸出，起到選擇出所需接收的信號，抑制無用的信號和干擾的目的。2.3小信號諧振放大器的技術(shù)指標(biāo)要求高頻小信號放大器的功用就是無失真的放大某一頻率范圍內(nèi)的信號。按其頻帶寬度可以分為窄帶和寬帶放大器 ，而最常用的是窄帶放大器，它是以各種選頻電路作負(fù)載，兼具阻抗變換和選頻濾波功能。對高頻小信號放大器的基本要求是：（1）增益要高，即放大倍數(shù)要大。（2）頻率選擇性要好，即選擇所需信號和抑制無用信號的能力要強(qiáng)，通常用Q值來表示，其頻率特性曲線如圖-1所示,帶寬BW=f2-f1= 2f0.7，品質(zhì)因數(shù)Q=fo/2f0.7. （3）工作穩(wěn)定可靠，即要求放大器的性能盡可能地不受溫

10、度、電源電壓等外界因素變化的影響，內(nèi)部噪聲要小，特別是不產(chǎn)生自激，加入負(fù)反饋可以改善放大器的性能。 （4）阻抗匹配。2.4小信號諧振放大器的穩(wěn)定性諧振放大電路，通常是指負(fù)載具有諧振特性（或選頻特性）的放大電路。該電路廣泛應(yīng)用于通信，廣播、電視、雷達(dá)等接收系統(tǒng)中，主要起選頻，放大作用。但是由于內(nèi)反饋的存在，使得諧振放大器的定性受到影響。主要表現(xiàn)在放大器調(diào)試?yán)щy，甚至使放大器自激，因而必須想辦法克服內(nèi)反饋。克服內(nèi)反饋的途徑有兩個：一個是從晶體管本身想辦法，使反向傳輸導(dǎo)納盡量減小。另一方面是在電路上想辦法，把反饋導(dǎo)納的作用抵消或減小，也就是說，從電路上設(shè)法取消晶體管的反向作用，使它變?yōu)閱蜗蚧＞唧w的

11、方法有中和法和失配法。失配就是不匹配。在小信號諧振放大器中，失配專指信號源內(nèi)阻與晶體管輸入阻抗之間，放大器輸出端的負(fù)載阻抗與晶體管輸出阻抗匹配之間的失配。中和法是解決放大器的增益和穩(wěn)定性之間的矛盾的一種有效措施。它是在晶體管的輸入端和輸出端之間引入一個外加的反饋電路（中和電路），使該反饋電路的作用與晶體管內(nèi)部反饋的作用相互抵消。通常是在輸出回路與晶體管基極之間接入一個電容來實(shí)現(xiàn)中和作用，該電容亦稱中和電容。3 高頻小信號諧振放大器的仿真實(shí)現(xiàn)3.1Multisim的簡介Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench）公

12、司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借NI Multisim，可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，能在設(shè)計(jì)流程中提早對電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測

13、量。NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。作為 Windows 下運(yùn)行的個人桌面電子設(shè)計(jì)工具，NI Multisim 是一個完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。NI Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問題。學(xué)員可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NI Multisim軟件是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件工具。直觀的圖形界面，整個操作界面就像一個電子實(shí)驗(yàn)工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來，軟件

14、儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的；豐富的元器件，提供了世界主流元件提供商的超過17000多種元件，同時能方便的對元件各種參數(shù)進(jìn)行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)建模型等功能，創(chuàng)建自己的元器件；，強(qiáng)大的仿真能力以SPICE3F5和Xspice的內(nèi)核作為仿真的引擎，通過Electronic workbench 帶有的增強(qiáng)設(shè)計(jì)功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進(jìn)行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向?qū)У裙δ埽回S富的測試儀器，提供了22種虛擬儀器進(jìn)行電路動作的測量。這些儀器的設(shè)置和使用與真實(shí)的一樣，動態(tài)互交顯示。除

15、了Multisim提供的默認(rèn)的儀器外，還可以創(chuàng)建LabEW的自定義儀器，使得圖形環(huán)境中可以靈活地可升級地測試、測量及控制應(yīng)用程序的儀器；完備的分析手段，Multisimt提供了許多分析功能；;獨(dú)特的射頻（RF）模塊；強(qiáng)大的MCU模塊；完善的后處理；詳細(xì)的報告；;兼容性好的信息轉(zhuǎn)換。3.2 高頻小信號諧振放大器的理論設(shè)計(jì)3.2.1 高頻小信號諧振放大器的工作原理小信號調(diào)諧放大器是各種電子設(shè)備、發(fā)射和接收機(jī)中廣泛應(yīng)用的一種電壓放大器。其主要特點(diǎn)是晶體管的輸入輸出回路（即負(fù)載）不是純電阻，而是由L、C元件組成的并聯(lián)諧振回路。小信號調(diào)諧放大器的類型很多，按調(diào)諧回路區(qū)分：有單調(diào)諧回路，雙調(diào)諧回路和參差調(diào)

16、諧回路放大器。按晶體管連接方法區(qū)分：有共基極、共發(fā)射極和共集電極放大器。 高頻小信號調(diào)諧放大器與低頻放大器的電路基本相同。其中變壓器T2的初級線圈為接收機(jī)前端選頻網(wǎng)絡(luò)的一部分，經(jīng)次級線圈耦合后作為放大器的輸入信號，輸出端也采用變壓器耦合方式來實(shí)現(xiàn)選頻和輸出阻抗匹配。Cb與Ce為高頻旁路電容，使交流為通路。本放大器的高頻等效電路（不含天線下斷的選頻網(wǎng)絡(luò)）如圖所示：電路中并聯(lián)振蕩回路兩端間的阻抗為：其中R是和電感串聯(lián)的電阻，由于LR因此有：Z則并聯(lián)回路兩端的電壓為：所以，當(dāng)C=1/L時Vm有最大值，即回路諧振時輸出電壓最大。3.2.2 設(shè)計(jì)電路圖3.2.3 放大器的技術(shù)指標(biāo)一、諧振頻率放大器的諧振

17、回路諧振時所對應(yīng)的頻率稱為諧振頻率。的表達(dá)式為：式中，L為諧振放大器電路的電感線圈的電感量；為諧路的總電容，的表達(dá)式為： 式中，為晶體管的輸出電容；為晶體管的輸入電容。諧振頻率的測試步驟是，首先使高頻信號發(fā)生器的輸出頻率為，輸出電壓為幾毫伏；然后調(diào)諧集電極回路即改變電容C或電感L使回路諧振。LC并聯(lián)諧振時，直流毫安表mA的指示為最小（當(dāng)放大器工作在丙類狀態(tài)時），電壓表指示值達(dá)到最大，且輸出波形無明顯失真。這時回路諧振頻率就等于信號發(fā)生器的輸出頻率。二、電壓增益 放大器的諧振回路所對應(yīng)的電壓放大倍數(shù)Avo稱為諧振放大器的電壓增益.Avo的表達(dá)式為： 的測量電路如圖3-2-1所示，測量條件是放大器

18、的諧振回路處于諧振狀態(tài)。計(jì)算公式如下：三、通頻帶 由于諧振回路的選頻作用，當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時，放大器的電壓放大倍數(shù)下降，習(xí)慣上稱電壓放大倍數(shù)Av下降到諧振電壓放大倍數(shù)的0.707倍時所對應(yīng)的頻率范圍稱為放大器的通頻帶BW，其表達(dá)式為：式中，為諧振放大器的有載品質(zhì)因素。分析表明，放大器的諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶BW的關(guān)系為：上式說明，當(dāng)晶體管確定，且回路總電容為定值時，諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶BW的乘積為一常數(shù)。可通過測量放大器的頻率特性曲線來求通頻帶。采用逐點(diǎn)法的測量步驟是：先使調(diào)諧放大器的諧振回路產(chǎn)生諧振，記下此時的與，然后改變高頻信號發(fā)生器的頻率（保持Vs不變），并測出對應(yīng)的電壓放大

19、倍數(shù)Av，由于回路失諧后電壓放大倍數(shù)下降，所以放大器的頻率特性曲線如圖所示：由BW得表達(dá)式可知： 通頻帶越寬的電壓放大倍數(shù)越小。要想得到一定寬度的通頻帶，同時又能提高放大器的電壓增益，由式可知，除了選用較大的晶體管外，還應(yīng)盡量減少調(diào)諧回路的總電容量。四、矩形系數(shù) 諧振放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)Kr0.1來表示，如圖3-2-2所示，矩形系數(shù)Kr0.1為電壓放大倍數(shù)下降到0.1Avo時對應(yīng)的頻率范圍與電壓放大倍數(shù)下降到0.707 時對應(yīng)的頻率偏移之比，即上式表明，矩形系數(shù)Kr0.1越接近1，臨近波道的選擇性越好，濾除干擾信號的能力越強(qiáng)。可以通過測量圖3-2-2所示的諧振放大器的頻率特性曲線來求得矩形波系數(shù)Kr0.1。3.3 高頻小信號諧振放大器的仿真晶體管在高頻情況下的分布參數(shù)除了與靜態(tài)工作電流、電流放大系數(shù)有關(guān)外，還與工作角頻率有關(guān)。浸提管手冊中給出的分布參數(shù)一般是在測量條件一定的情況下測得的。如在條件下測得的2SC945的y參數(shù)： 4 分析與總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)的完成，收獲頗多。首先，鞏固和加深了對電子線路基本知識的理解，提高了