基于multisim的高频放大器的设计与分析(编辑修改稿)

基于multisim的高频放大器的设计与分析(编辑修改稿)内容摘要：

频率变化的幅频特性曲线，电压谐振曲线的峰值即对应谐振频率点。 谐振频率 0f 的测试步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为 0f ，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变电容 C或电感 L使回路谐振。 LC并联谐振时，直流毫安表 mA的指示为最小（当放大器工作在丙类状态时），电压表指示值达到最大，且输出波形无明显失真 [11]。 这时回路谐振频率就等于信号发生器的输出频率 [12]。 合肥学院（毕业论文） 第 6 页 共 39 页 谐振增益（ VA ） 放大器的谐振电压增益放大倍数指：放大器处在在谐振频率0f下，输出电压与输入电压之比。 0VA 的表达式为 1 2 1 200 2212fe feVi o e iep p y p p yVA V g p g p g G     式中， g 为谐振回路谐振时的总电导。 要注意的是fey本身也是一个复数，所以谐振时输出电压 0V 与输入电压 iV 相位差不是 180186。 而是为 180186。 + fe。 VA 的测量方法：当谐振回路处于谐振状态时，用高频毫伏表测量输入信号 iV 和输出信号 0V 大小，利用下式计算： oviVA V ，则电压放大分贝数定义为 20 lg oiVK V  另外，也可以利用功率增益系数进行估算： opiPA P 10 lg oApiPK p  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 /V o iA V V 下降到谐振电压放大倍数 0VA 的 倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带带宽 BW，通常用 2Δ 表示，有时也称  为 3dB 带宽 [10]。 通频带带宽： 合肥学院（毕业论文） 第 7 页 共 39 页 02/HLB W f f f f Q     式中， Q为谐振回路的有载品质因数。 当晶体管选定后，回路总电容为定值时，谐振电压放 大倍数0f与通频带 BW的乘积为一常数。 频带 BW 的 测量 方法：根据概念，可以通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。 测量方法主要采用扫频法，也可以是逐点法。 扫频法：即用扫频仪直接测试。 测试时，扫频仪的输出接放大器的输入，放大器的输出接扫频仪检波头的输入，检波头的输出接扫频仪的输入。 在扫频仪上观察并记录放大器的频率特性曲线，从曲线上读取并记录放大器的通频带。 逐点法：又叫逐点测量法，就是测试电路在不同频率点下对应的信号大小，利用得到的数据，做出信号大小随频率变 化的曲线，根据绘出的谐振曲线，利用定义得到通频带。 具体测量方法如下： a、用外置专用信号源做扫频源，正弦输入信号的幅度选择适当的大小，并保持不变； b、示波器同时监测输入、输出波形，确保电路工作正常（电路无干扰、无自激、输出波形无失真）； c、改变输入信号的频率，使用毫伏表测量不同频率时输出电压的有效值； d、描绘出放大器的频率特性曲线，在频率特性曲线上读取并记录放大器的通频带。 测试时，可以先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率 0f 及电 压放大倍数 0VA ，然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压不变），并测出对应的电压放大倍数 [5]。 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。 合肥学院（毕业论文） 第 8 页 共 39 页 图 放大器的通频带和谐振曲线 选择性 调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数 时来表示，矩形系数 为电压放大倍数下降到 AV0 时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到 AV0 时对应的频率偏移之比，即 0. 1 0. 1 0. 7 0. 12 / 2 2 /vK f f f B W     上式表明，矩形系数 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。 晶体管高频小信号等效电路与分析方法 因为放大器由信号源、晶体管、并联谐振回路、和负载阻抗 并联组成，采用导纳分析比较方便。 高频小信号放大器由于输入信号幅值小，可以认为晶体管工作在线性区，经常采用有源线性四端网络进行分析。 如图 的 Y参数等效电路 图： f合肥学院（毕业论文） 第 9 页 共 39 页 图 2. 3 Y 参数等效电图 2101 |i vIyV  称为输出短路时的输入导纳； 1102 |r vIyV  称为输入短路时的反向传输导纳； 2201 |f vIyV  称为输出短路时的正向传输导纳； 1202 |o vIyV  称为输入短路时的输出导纳； 计算得到如下结果： re fei ieoe LyyYy yY ， re feo oe ie syyYy yY  21fevoe LyVAyYV   ,其中oeY 为晶体管的输出导纳； LY 为负载导纳。 rey 表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）； fey 表示输入电压对输出电流的控制作用（ 正向控制 ） ； fey 越大，表示晶体管的放大能力越强， rey 越大，表示晶体管的内部反馈越强。 rey的存在，对实际工作带来很大危险，是谐振放大器的根源，同时也使分析过程变得复合肥学院（毕业论文） 第 10 页 共 39 页 杂，因此尽可能使其减小，或削弱它的影响。 Y参数的缺点：随频率变化，不涉及晶体管内物理过程。 Y参数的优点：分析电路简单。 相比 Y参数，混合π等效 电路中各个原件在很宽的频率范围内都保持常数，但在电路分析上不够方便 [3]。 如图 ： 39。 bcC 图 混合π等效电路图 图中： 39。 bec 是发射结电阻； 39。 bcr 集电结电阻； 39。 bec 是发射结电容 ； 39。 bcc 集电结电容 39。 bbr 基极体电阻； 39。 m begV 代表晶体管的电流放大作用； cer 集射极间电阻； cec 集射级电容； 高频电路取长补短合成这两个等效电路 ，用混合 π 参数表示的 Y 参数： 239。 101 39。 39。 | 1beieV bb b eYIy V r Y 。 2201 39。 39。 | 1mfeV bb b egIy I r Y 。 beC b 39。 bbr 39。 bcr 39。 b 39。 beC bcC 39。 bcr 39。 m begV ccr ceC c 合肥学院（毕业论文） 第 11 页 共 39 页 139。 102 39。 39。 | 139。 bcfeV bb b ejCIy V r Y 。 139。 2 39。 02 39。 39。 |1 139。 m bboe b cV bb b egrIy j CI r Y。 其中 39。 39。 39。 b e b eY j C ， 39。 39。 39。 ()b e b e b cY j C C。 合肥学院（毕业论文） 第 12 页 共 39 页 第三章 电路设计 方案的选择 与参数计算 电路设计方案 高频小信号放大器的功 能 就是无失真的放大某一频率范围内的信号。 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，带宽 2 1 0. 72BW f f f   ，品质因数 0 。 （ 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。 （ 4） 、 阻抗匹配。 方案一 ：单级谐振放大 电路 的设计 依设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性 ,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器 [9]，设计参考电路见图。 图 单级谐振放大器电原理图 合肥学院（毕业论文） 第 13 页 共 39 页 方案二：多级谐振放大 电 路 的设计 考虑到放大器的通频带和放大器的稳定性等因素，单级调谐放大器的电压增益不能做得很高，当需要较大电压增益时，就需要多级放大器级联来实现。 多级放大器时，必须处理好各项指标之间的矛盾，包括合理地选择电路形式，半导体器件类型和谐振回路的参数。 为了减少级数和简化电路，一般都采用增益较大的共发电路。 电路形式锁定以后，根据对增益的要求和每级放大器可能达到的稳定增益，确定放大器的级数。 然后根据通频带和选择性的要求，确定选用谐振电路的形式和谐振回路的个数 [7]。 多级放大器中的每级增益都受到最大稳定增益的限制。 （ 1） 、 多级单调谐放大器的电压增益 设有 n级单调谐放大器级联，且各级的电压增益相同，即 1 2 3u u u unA A A A   则级联后放大器的总电压增益为  1 2 3 1 nu u u u u n uA A A A A A  （ 2） 、 多级单调谐放大器的通频带 多级放大器级联后的幅频特性曲线如图 ，级联后总的通频带要比单级放大器的通频带窄。 级数越多，总通频带越窄。 图 多级单调谐放大器的幅频特性曲线 图 多级放大器的总通频带为 合肥学院（毕业论文） 第 14 页 共 39 页 1100 .7 0 .72 1 2 1nnefB W B WQ     121n 称为频带缩小因子，表 n 值对应的缩小因子的值。 表 缩小因子与级数 的关系 1 2 3 4 5 „ 1 „ （ 3） 、 多级单调谐放大器的选择性 放大器的级数越多，曲线的形状越接近于矩 形，也就是说矩形系数越接近 1，选择性越好。 n 级相同的单调谐放大器级联后的矩形系数为 121nBWK    表 n 值时矩形系数的大小。 表 矩形系数与级数 n 的关系 1 2 3 4 5 6 „ „ 如图 ： 合肥学院（毕业论文） 第 15 页 共 39 页 图 多级谐振放大器电原理图 方案选择 在此次设计中我们选用方案二作为研究对象。 因为多级放大器中，级联后放大器的总电压增益比单级放大器的电压增益大、选择性好，但总通频带比单级放大器通频带窄[4]。 如果要保证总的通频带与单级时一样，则必须通过减小每级回路有载品质因素eQ 的值，以加宽各级放大器的通频带的方法来弥补。 多级谐振放大电路的设计和分析 电路设计分析 由于此次设计是以方案二为主，所以在后续的电路分析中都是以方案二作为研 究对象的。 由图 ，方案二是两极放大，在两极放大之间用射级跟随电路作为两极放大之间的连接。 而级间耦合即放大器级与级之间的连接，其方式有三种：阻容耦合、变压器耦合、直接耦合。 我们在这之所以使用射级跟随电路作为级间耦合，是因为 射极跟随器输入阻抗高，输出阻抗低，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强，减少电合肥学院（毕业论文） 第 16 页 共 39 页 路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用。 具体到电路图中， 2Q 处于射极跟随状态 ,其将输入级 1Q 和输出 级 3Q 相互隔开 ,减弱了 1Q 和 3Q 的相互影响 ,并且由于 2Q 具有的电压跟随特性 ,使。