晶体管中频小信号选频放大

高频电子线路

课程设计报告

2013-2014学年第一学期

院（系） 电子信息学院 专 业 通信工程 班级 BX11XX 学生姓名 XXX 课设时间 2013.1215-2013.12. 指导老师 陈布雨 提交时间 2013.12.20

1

1.5cm

目录

一、课题名称 ............................................ 1 二、内容摘要 ............................................ 1 三、设计任务及要求 ...................................... 1 四、电路基本原理 ........................................ 2 五、电路设计方案概述 ..................................... 4

5.1系统方案 ............................................................................................................................ 4 5.2 电路及元件选择 ............................................................................................................... 5

六、软件仿真过程及结果 ................................... 7

6.1 multisim仿真软件简介 ..................................................................................................... 7 6.2 中频放大部分仿真 ........................................................................................................... 7

七、仿真结果讨论与误差分析 .............................. 10

7.1 稳定性分析 ..................................................................................................................... 10 7.2 提高放大器稳定性的方法 ............................................................................................. 10

八、收获与体会 ......................................... 12 九、参考文献 ........................................... 13 十、附录 ............................................... 14

10.1 元件清单 ....................................................................................................................... 14 10.2 总电路图 ....................................................................................................................... 15

1

1.5cm

一、课题名称

晶体管中频小信号选频放大器设计

二、内容摘要

本文对中频小信号选频放大器的工作原理进行了详细解析，通过对放大器的性能分析，确定最佳制作方案。通过multisim的仿真分析，按照设计要求，来确定最佳参数，并利用其他相关电路来调试放大电路，解决了放大电路中自激振荡问题和调谐准确的问题。本次设计中，自己设计制作了中频信号发生器，用来完成对选频放大器的实物的测试。通过多次调整电路，掌握了准确调谐的方法。

关键词：中频 选频放大器 multisim 调谐

三、设计任务及要求

1）采用晶体管或集成电路完成一个调幅中频小信号放大器的设计； 2) 放大器选频频率f0＝455KHz，最大增益200倍，矩形系数不大于5； 3）负载电阻RL＝1KΩ时，输出电压不小干0.5V，无明显失真；

1

1.5cm

四、电路基本原理

由于通信系统的接收设备所接收的无线电信号非常微弱，经过混频后，需要经过放大才能将原始信号恢复。如图1所示为一中频放大器的典型电路。由图1可知，直流偏置电路与低频放大器电路完全相同，只是Cb、Ce对中频起旁路作用。相对低频来说，集电极采用LC网络作为负载，起选频作用，并且完成阻抗匹配的功能。由于输入的是小信号，放大器工作于甲类放大状态。图2为其交流等效电路。

图1 中频小信号典型电路

图2 交流等效电路

为了便于分析，用Y型参数等效电路来等效晶体管，典型应用电路进一步等效如图3所示。

2

1.5cm

图3 晶体管等效电路

Y参数不仅与静态工作点的电压、电流值有关，而且与工作频率有关，是频率的复函数。当放大器工作在窄带时，Y参数变化不大，可以将Y参数看作常数。我们讨论的高频

小信号谐振放大器没有特别说明时，都是工作在窄带，晶体管可以用Y参数等效。

放大器的指标参数:

(1) 电压放大倍数K

YfeUcK

UbYoeYL

(2) 输入导纳Yi

YfeYre IYibYie UbYoeYL (3) 输出导纳Yo

IYocUcIS0YoeYreYfeYSYie

(4) 矩形系数K0.1

BK0.10.1B0.707

3

1.5cm

五、电路设计方案概述

5.1系统方案

中频小信号放大器广泛用于通信系统和其他电子系统的接受设备中。天线接受到的高频信号是很微弱的，一般在微伏级，需将传输的信号恢复出来，需要将信号放大，这就需要用高频小信号谐振放大器和中频小信号选频放大器来完成。中频小信号选频放大器就与高频小信号谐振放大器中功能一样，只是工作在中频，工作波段相对较低，一般为几百千赫兹到几兆赫兹。通信系统的信号接收原理框图如下图4所示。

高频放大 混频器 中频放大与滤波 解调器 功率放大 天线接收 本地振荡

图4 通信系统信号接收原理框图

混频器是将高频信号变为中频信号，这样信号便于处理。中频放大与滤波部分是决定信号杂波程度的关键。由混频器出来的中频信号，由于依然很微弱，需要进行放大，另外，前级的干扰如果经过放大，则对后级影响更大，故在放大前需要将干扰滤除，得到需要的放大信号。为此，中频小信号放大器的制作关键有两个：增益系数足够高和频率选择性足够好。这样，信号才能经过解调更好的恢复出来。

由于中频小信号放大器制作关键在于高增益和频率选择性。课设要求200倍放大，一级放大一般无法实现，因为三极管的值一般为100到200之间。为了实现稳定的放大，一级信号通过三极管的放大倍数不宜过高，否则就不稳定了。另外为增强信号的频率选择性，在系统的前置预滤波，以及对电源进行滤波，最大限度减少干扰。另外，为了稳定信号，采用闭环回路方案达到效果，通过负反馈使信号稳定。整个系统原理框图如下图5所示。

电源5V 低通滤波 供电 信号 输入 前置 滤波 选频 放大 信号 输出 信号负反馈

图5 中频小信号选频放大器系统框图

4

1.5cm

5.2 电路及元件选择

图6 中频小信号选频放大器

中频选频放大器硬件电路如图8所示，由两级放大电路组成，每级之间采用变压器耦合。三极管选用9018，变压器采用调谐频率为465KHz的中周加电容微调至455KHz。资料介绍如下：

表1 三极管参数和中周参数 三极管9018H 中周TTF-11-01 97--146 圈数65 hFEL12 1.1GHz 圈数45 fTL23 1.3pF 圈数6 CbcL46 --- 电容330pF - C13 --- 谐振465KHz - fo 此三极管的增益系数、截止频率都符合参数要求，由上分析，Cbc越小，系统稳定性越高，故此三极管达到性能要求。

5

1.5cm

由于临时买不到455KHz的谐振点的中周，选用465KHz的代替，另外在电路中配以可调电容，降低其频率到455KHz。原电感可用以下公式计算得到：

L1/(2f0)2C 其中，f0为465KHz，C为330pF，这样求得电感值为355uH,所以为

达到455KHz，所需电容值为344.7pF，故另外并联一个14.7pF的电容即可。本次选用微调电容0-18pF，达到要求。

由于两个三极管都工作在甲类放大状态，选取静态工作点参数时，将Vce设定为VCC/2，为减小功耗，使Ic不要太大，选0.5mA,Rb11和Rb12上流过0.1mA的电流，通过参数调节，确定Rb11为20K,Rb12为16.8K，Re12取100，Re11为2K。动态工作时，由于频率为455KHz，需使得Re11>>1/C，取C为0.1uF适合。

5.3 低通滤波

电源滤波采用简单的RC低通滤波器，取两个电容，一个电解电容10uF和一个瓷片电容0.1uF可以达到很好的滤波效果。

前置低通滤波器采用LC滤波，如图7所示。

图7 前置低通滤波器

传输函数H(j)1/(12L1C1)，这样，L1C11/(2f)2，其中，f=455KHz，

L1C11.21013 取L1=2.2uH，C1=0.1uF满足要求。

5.4 信号负反馈

信号负反馈是通过中和法中反馈电容来实现的，本次设计中采用可微调电容0-20pF

N1来实现负反馈。由下公式 CnCbc，其中N1=6，N2=45

N26

1.5cm

六、软件仿真过程及结果

6.1 multisim仿真软件简介

鉴于仿真的方便，采用NI公司的multisim10.1，由于丰富的元件库，电路原理图设计非常方便，另外，该软件可采用AC Analysis来分析设计的合理性，也可采用内部的各种虚拟仪器来分析，丰富的仪器使得分析也非常方便。

6.2 中频放大部分仿真

电路原理图由multisim设计如图8，由于变压器参数难以设置，采用单级调试。

图8 仿真电路

用虚拟万用表来测量静态工作点，虚拟示波器查看输出波形，观察到的现象如图9、图10所示。

7

1.5cm

图9 静态工作点仿真测试

图10 输出仿真结果

控制Vce在2V到3V之间可以达到很好的输出效果。单级输入给予2mV峰峰值，输出30mV峰峰值，放大15倍左右，双极将输出225倍输入电压，满足要求。

8

1.5cm

6.3滤波器电路仿真

运用multisim中的波特仪可以仿真出滤波器的幅频响应曲线，波特仪接线电路如图11所示。

图11 滤波器仿真电路

图12 仿真结果

幅频响应的3dB点对应的频率在700KHz左右，这样，455KHz的输入信号可以粗略选出，更高频的会衰减很大

9

1.5cm

七、仿真结果讨论与误差分析

7.1 稳定性分析

存在晶体管集基间电容的反馈，或反向传输导纳的反馈，当该反馈在某个频率相位上满足正反馈条件，且足够大，则会在满足条件的频率上产生自激振荡，

致使放大器存在稳定性的问题。[3]

j0Cgm0Cgm

Yirj ''GL(1j2QL)GL(1j2QL)0时，Yir为一电容；

0时，Yir的电导为正，是负反馈；

时，Y的电导为负，是正反馈，引起放大器不稳定 0ir当正反馈严重时，即Yir中的负电导使放大器输入端的总电导为0或负值时，

即使没有外加信号，放大器输出端也会有输出信号，产生自激,图13所示为反馈电路。

00

图13 反馈电路

7.2 提高放大器稳定性的方法

从晶体管本身着手：减小反向传输导纳Yre，而Yre取决于集电结电容，选

择集电结电容小的管子，减弱反馈作用。从电路结构着手：设法消除晶体管的反向作用，使它单向化，具体方法有中和法和失配法。

中和法：通过在晶体管的输出端与输入端之间引入一个附加的外部反馈电路（中和电路）来抵消晶体管内部参数Yre的的反馈作用。

失配法：通过增大负载导纳，进而增大总回路.Uc导纳，使输出电路失配，图6是利用中和电容Cn

N1的中和电路。为了抵消Yre的反馈，从集电极回路

V取一反相的电压，通过Cn反馈到输入端。根据电CeN2桥平衡有 Cb1

Cn.UnEc(a)Cb10

1.5cm

则中和条件为

中和电路中固定的中和电容Cn只能在某一个频率点起到完全中和的作用，

对其它频率只能有部分中和作用。另外，如果再考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响，则中和电路的效果是很有限的。

7.3 误差分析

本次设计过程中，由于电路设计和元件计算存在误差，实验结果存在误差在所难免，设计的双极电路输出误差出入非常大，于是采用单极电路来实现，换算出来与题目要求的数据接近，在电路设计中用虚拟万用表来测量静态工作点，虚拟示波器查看输出波形，输出波形经过频率放大后满足要求。

当控制Vce在2V到3V之间可以达到很好的输出效果。单级输入给予2mV峰峰值，输出30mV峰峰值，放大15倍左右，换算成双极将输出225倍输入电压，与题目要求的最大增益200倍相近，可以认为满足题目要求。

在滤波器仿真电路中，运用multisim中的波特仪可以仿真出滤波器的幅频响应曲线，在波特图中，幅频响应的3dB点对应的频率在700KHz左右，这样，455KHz的输入信号可以粗略选出，更高频的会衰减很大。

11

1.5cm

八、收获与体会

通过此次中频小信号选频放大器的设计，我收获颇丰。不仅锻炼了基本的高频电子线路的设计能力，更重要的是更深刻的认识了高频电子线路这门课程在实际中的应用。在此次设计中也遇到了不少的困难和问题，但在同伴们的努力下，辛苦的去钻研去学习，最终克服了这些困难，使问题得到了解决。其中遇到的很多问题是在书本上不能找到的，所以必须自己找相关资料，利用图书馆和网络，这是一个比较辛苦和漫长的过程，必须从无数的信息中分离出有用的，然后加以整理，最后才学习到变为自己的并用到设计中的问题中，也正是这个查找与整理的过程，初步学会了如何去找到属于自己有用的资源。因为在信息高度发达的现代社会，一个人要想获得成功，除了自己的努力外，还必须学会利用更多其他人的知识，这样才能快速的掌握知识和能力，当然这个过程是一个积累的过程，需要我不断的学习，不断的查找相关资料，我相信长期坚持下去，我会得到更多收获，也会学到更多。

感谢学校给我们这次机会，不仅锻炼了我们的动手能力。也让我在设计中感受到理论与实际结合的乐趣，通过这次课设让我也明白了理论和实际操作之间差距，而且也让我很明确得意识到自己在高频上有很多的知识漏洞，以后应该多钻研一下。

12

1.5cm

九、参考文献

[1] 曾兴雯．高频电路原理与分析（第四版）．西安：西安电子科技大学出版社，2007.7 [2] 吴友宇．模拟电子技术基础．北京：清华大学出版社，2009.5 [3] 铃木雅臣．晶体管电路设计(上)．北京：科学出版社，2004.9 [4]J.卡尔•约瑟夫．射频电路设计．北京：科学出版社，2007.8

[5] 朱彩莲．Multisim电子电路仿真教程．西安：西安电子科技大学出版社，2007.9

[6] 邱关源．电路（第五版）．北京：高等教育出版社，2006.12

13

1.5cm

十、附录

10.1 元件清单

元件 中周TTF-11-01 三极管9018 电感2.2uH 微调电容0到18pF 电位器50K 电容0.1uF 电容10uF 电阻100，2K，1K 数量 2个 2个 1个 4个 4个 若干 1个 若干 14

1.5cm

10.2 总电路图

15