高频电路期末课程设计
课程名称：高频小信号调谐放大器设计
学 院：
专 业：
姓 名：学 号：任课教师：
2016年6月12日
摘 要
高频小信号调谐放大器是一种中心频率在几百KHZ到几百MHZ，频谱宽度在几KHZ到几十MHZ的范围内的放大器。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。
调谐放大器采用谐振回路作负载，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。
小信号调谐放大器是构成无线电通信设备的主要电路，其作用是对信道中的微弱高频小信号进行不失真的放大。在无线电接收机中主要用做高频和中频选频放大，高频调谐放大器的集电极负载为可变频率调谐。
对小信号调谐放大器的主要要求有：有足够高的增益、满足选择性和通频带要求、稳定性与噪声系数要好、动态范围要宽。
本文以理论分析为依据，得到10.7Mhz中心频率，带宽3Mhz的 高频小信号调谐放大器，并用multisim仿真进行调试，实际制作来验证理论分析。
关键字：三极管；LC谐振回路；高频小信号；放大器
目录
摘 要 ................................................................................................................................................ II 1.2.1谐振频率 ............................................................................................................................................................................. 2 1.3 晶体管高频小信号等效电路 ............................................................................................................................................. 5
1.3.1单级单调谐回路谐振放大器 ............................................................................................................................................. 6
1.4 自激原理及消除方法 ......................................................................................................................................................... 8
2.3.1选定电路形式 ................................................................................................................................................................... 10
3高频小信号谐振放大器电路仿真实验 ......................................................................................... 13
高频小信号谐振放大器设计
1高频小信号调谐放大器的原理分析
1.1 小信号调谐放大器的主要特点
晶体管集电极负载通常是一个由 LC组成的并联谐振电路。由于 LC 并联谐振回路的阻抗是随着频率变化而变化，理论上可以分析，并联谐振在谐振频率处呈现纯阻，并达到最大值。即放大器在回路谐振频率上将具有最大的电压增益。若偏离谐振频率，输出增益减小。总之，调谐放大器不仅具有对特定频率信号的放大作用，同时也起着滤波和选频的作用。
1.2 小信号调谐放大器的主要质量指标
衡量小信号调谐放大器的主要质量主要包括以下几个方面：
1.2.1谐振频率
放大器调谐回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，理论上，对于 LC 组成的并联谐振电路，谐振频率 的表达式为：
式中，L 为调谐回路电感线圈的电感量；C 为调谐回路的总电容。
谐振频率的测试方法：放大器的调谐回路谐振时所对应的频率 称为放大器的谐振频 率，可以用扫频仪测出电路的幅频特性曲线，另外，也可以通过点频法改变输入信号频率，得到输出增益随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 。
1.2.2谐振增益（Av）
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f0下，输出电压与输入电压之比。
Av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Vi和输出信号Vo大小，利用下式计算：
另外，也可以利用功率增益系数进行估算：
1.2.3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=Vo/Vi下降到谐振电压放大倍数Avo的 0.707 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2Δf0.1 表示，有时也称2Δf0.1为 3dB 带宽。
通频带带宽：
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fo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fo及电压放大倍数Avo，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。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 1-1 所示。
图1-1 放大器的通频带和谐振曲线
1.2.4增益带宽积
增益带宽积BW•G也是通信电子电路的一个重要指标，通常，增益带宽积可以认为是一个常数。放大器的总通频带宽度随着放大级数的增加而变窄，BW越大，增益越小。二者是一对矛盾。
不同电路中，放大器的通频带差异可能比较大。如：在设计电视机和收音机的中频放大器时，对带宽的考虑是不同的，普通的调幅无线电广播所占带宽是9kHz，而电视信号的带宽需要6.5MHz，显然，要获得同样的增益，中频放大器的带宽设计是完全不同的。
1.2.5选择性
放大器从含有各种不同频率的信号总和中选出有用信号，排除干扰信号的能力，称为
放大器的选择性。选择性的基本指标是矩形系数。其中，定义矩形系数kv0.1是电压放大倍
数下降到谐振时放大倍数Av0的10％所对应的频率偏移和电压放大倍数下降为0.707Av0时所对应的频率偏移2Δf0.1之比，即：
同样还可以定义矩形系数kr0.01，即：
显然，矩形系数越接近1，曲线就越接近矩形，滤除邻近波道干扰信号的能力愈强。
1.2.6噪声系数
NF越接近 1 越好。
1.3 晶体管高频小信号等效电路与分析方法
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1-2，1-3 所示，Y 参数等效电路和混合π等效电路是描述晶体管高频小信号下工作状况的重要模型。
图1-2混合π等效电路图 图 1-3 y参数等效电路
Y参数等效电路与混合π等效电路参数的转换，用混合π参数表示的 Y 参数：
其中。
1.3.1单级单调谐回路谐振放大器电路原理
图 1-4 单级单调谐回路谐振放大器
图 1-4 是一个单级单调谐回路谐振放大器的原理图，理论上分析，谐振时电压增益：
放大器的增益可用带宽表示为：
其中
单调谐放大器的选择性用矩形系数来表示为：
所以单调谐放大器的矩形系数比 1大得多，选择性比较差。
为了简化电路板制作，本设计是单级单调谐回路谐振放大器。
1.3.2多级单调谐回路谐振放大器
实际的实验和应用中，需要把微弱的信号进行多级放大，这要求电路有较大增益，因此，高频放大器大多是多级级联而成，多级放大器的电压增益指当放大器有 m 级时，各级的电压增益分别为Av1、Av2 …Avm，则总增益Av是各级增益的乘积，即
如果多级放大器是由完全相同的单级放大器组成， 则
对 m级放大器而言，通频带为：
式中，2Δf0.7为单级放大器的通频带，称为带宽缩减因子，其物理意义是：
随着级数增加，总通频带变窄。
m级单调谐回路放大器的矩形系数为：
1.4 自激
在做高频实验时，经常在测试电路中会出现自激的现象，特别是在多级放大的情况中。 我们将这种没有外部输入信号，由于电路内部正反馈作用而自动维持输出交流信号的现象 称为自激。它经常和进行高频电路设计相违背，我们把这种具有自激现象的放大器称为自 激振荡器，它实际上就是一个有足够反馈量的正反馈放大器。
产生自激振荡的条件和振荡电路的原理一致。即满足：
（1）相位平衡条件
放大器的反馈信号与输入信号必须同相位，即相位差是 180°(或π)的偶数倍。
（2）振幅平衡条件
指放大器的反馈信号必须有一定的幅度。在振荡建立的初期，必须使反馈信号大于原 输入端的信号。
交流负反馈能够改善放大电路的许多性能，改善的程度由负反馈的深度决定。但是， 如果电路组成不合理，反馈过深，且电路附加相移(高频区或低频区)改变了反馈信号的极性时，电路中的负反馈就会变成正反馈。反而会使放大电路产生自激振荡。这种自激振荡 是一定要消除的。克服自激的方法在这里介绍以下几种：
（1）中和法：
在晶体管的输出和输入端之间插入一个外加的反馈电路，使它的作用恰好和晶体管的内反馈互相抵消。 具体线路如图 1-5，CN为外接电容，
图 1-5 外加的反馈电路克服自激
（2）失配法：
失配法一般采用共发一共基级联放大器实现，失配法是用牺牲增益换来提高放大器的稳定性。如图 1-6 所示。
图1-6 共发共基级联放大器电路
2高频小信号调谐放大器的设计与制作
2.1技术要求
使用MMBT2222A设计一个高频小信号谐振放大器
技术指标如下：
谐振频率：fo＝10.7MHz
谐振电压放大倍数：
高频电路期末课程设计
课程名称：高频小信号调谐放大器设计
学 院：
专 业：
姓 名：学 号：任课教师：
2016年6月12日
摘 要
高频小信号调谐放大器是一种中心频率在几百KHZ到几百MHZ，频谱宽度在几KHZ到几十MHZ的范围内的放大器。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。
调谐放大器采用谐振回路作负载，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。
小信号调谐放大器是构成无线电通信设备的主要电路，其作用是对信道中的微弱高频小信号进行不失真的放大。在无线电接收机中主要用做高频和中频选频放大，高频调谐放大器的集电极负载为可变频率调谐。
对小信号调谐放大器的主要要求有：有足够高的增益、满足选择性和通频带要求、稳定性与噪声系数要好、动态范围要宽。
本文以理论分析为依据，得到10.7Mhz中心频率，带宽3Mhz的 高频小信号调谐放大器，并用multisim仿真进行调试，实际制作来验证理论分析。
关键字：三极管；LC谐振回路；高频小信号；放大器
目录
摘 要 ................................................................................................................................................ II 1.2.1谐振频率 ............................................................................................................................................................................. 2 1.3 晶体管高频小信号等效电路 ............................................................................................................................................. 5
1.3.1单级单调谐回路谐振放大器 ............................................................................................................................................. 6
1.4 自激原理及消除方法 ......................................................................................................................................................... 8
2.3.1选定电路形式 ................................................................................................................................................................... 10
3高频小信号谐振放大器电路仿真实验 ......................................................................................... 13
高频小信号谐振放大器设计
1高频小信号调谐放大器的原理分析
1.1 小信号调谐放大器的主要特点
晶体管集电极负载通常是一个由 LC组成的并联谐振电路。由于 LC 并联谐振回路的阻抗是随着频率变化而变化，理论上可以分析，并联谐振在谐振频率处呈现纯阻，并达到最大值。即放大器在回路谐振频率上将具有最大的电压增益。若偏离谐振频率，输出增益减小。总之，调谐放大器不仅具有对特定频率信号的放大作用，同时也起着滤波和选频的作用。
1.2 小信号调谐放大器的主要质量指标
衡量小信号调谐放大器的主要质量主要包括以下几个方面：
1.2.1谐振频率
放大器调谐回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，理论上，对于 LC 组成的并联谐振电路，谐振频率 的表达式为：
式中，L 为调谐回路电感线圈的电感量；C 为调谐回路的总电容。
谐振频率的测试方法：放大器的调谐回路谐振时所对应的频率 称为放大器的谐振频 率，可以用扫频仪测出电路的幅频特性曲线，另外，也可以通过点频法改变输入信号频率，得到输出增益随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 。
1.2.2谐振增益（Av）
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f0下，输出电压与输入电压之比。
Av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Vi和输出信号Vo大小，利用下式计算：
另外，也可以利用功率增益系数进行估算：
1.2.3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=Vo/Vi下降到谐振电压放大倍数Avo的 0.707 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2Δf0.1 表示，有时也称2Δf0.1为 3dB 带宽。
通频带带宽：
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fo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fo及电压放大倍数Avo，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。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 1-1 所示。
图1-1 放大器的通频带和谐振曲线
1.2.4增益带宽积
增益带宽积BW•G也是通信电子电路的一个重要指标，通常，增益带宽积可以认为是一个常数。放大器的总通频带宽度随着放大级数的增加而变窄，BW越大，增益越小。二者是一对矛盾。
不同电路中，放大器的通频带差异可能比较大。如：在设计电视机和收音机的中频放大器时，对带宽的考虑是不同的，普通的调幅无线电广播所占带宽是9kHz，而电视信号的带宽需要6.5MHz，显然，要获得同样的增益，中频放大器的带宽设计是完全不同的。
1.2.5选择性
放大器从含有各种不同频率的信号总和中选出有用信号，排除干扰信号的能力，称为
放大器的选择性。选择性的基本指标是矩形系数。其中，定义矩形系数kv0.1是电压放大倍
数下降到谐振时放大倍数Av0的10％所对应的频率偏移和电压放大倍数下降为0.707Av0时所对应的频率偏移2Δf0.1之比，即：
同样还可以定义矩形系数kr0.01，即：
显然，矩形系数越接近1，曲线就越接近矩形，滤除邻近波道干扰信号的能力愈强。
1.2.6噪声系数
NF越接近 1 越好。
1.3 晶体管高频小信号等效电路与分析方法
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1-2，1-3 所示，Y 参数等效电路和混合π等效电路是描述晶体管高频小信号下工作状况的重要模型。
图1-2混合π等效电路图 图 1-3 y参数等效电路
Y参数等效电路与混合π等效电路参数的转换，用混合π参数表示的 Y 参数：
其中。
1.3.1单级单调谐回路谐振放大器电路原理
图 1-4 单级单调谐回路谐振放大器
图 1-4 是一个单级单调谐回路谐振放大器的原理图，理论上分析，谐振时电压增益：
放大器的增益可用带宽表示为：
其中
单调谐放大器的选择性用矩形系数来表示为：
所以单调谐放大器的矩形系数比 1大得多，选择性比较差。
为了简化电路板制作，本设计是单级单调谐回路谐振放大器。
1.3.2多级单调谐回路谐振放大器
实际的实验和应用中，需要把微弱的信号进行多级放大，这要求电路有较大增益，因此，高频放大器大多是多级级联而成，多级放大器的电压增益指当放大器有 m 级时，各级的电压增益分别为Av1、Av2 …Avm，则总增益Av是各级增益的乘积，即
如果多级放大器是由完全相同的单级放大器组成， 则
对 m级放大器而言，通频带为：
式中，2Δf0.7为单级放大器的通频带，称为带宽缩减因子，其物理意义是：
随着级数增加，总通频带变窄。
m级单调谐回路放大器的矩形系数为：
1.4 自激
在做高频实验时，经常在测试电路中会出现自激的现象，特别是在多级放大的情况中。 我们将这种没有外部输入信号，由于电路内部正反馈作用而自动维持输出交流信号的现象 称为自激。它经常和进行高频电路设计相违背，我们把这种具有自激现象的放大器称为自 激振荡器，它实际上就是一个有足够反馈量的正反馈放大器。
产生自激振荡的条件和振荡电路的原理一致。即满足：
（1）相位平衡条件
放大器的反馈信号与输入信号必须同相位，即相位差是 180°(或π)的偶数倍。
（2）振幅平衡条件
指放大器的反馈信号必须有一定的幅度。在振荡建立的初期，必须使反馈信号大于原 输入端的信号。
交流负反馈能够改善放大电路的许多性能，改善的程度由负反馈的深度决定。但是， 如果电路组成不合理，反馈过深，且电路附加相移(高频区或低频区)改变了反馈信号的极性时，电路中的负反馈就会变成正反馈。反而会使放大电路产生自激振荡。这种自激振荡 是一定要消除的。克服自激的方法在这里介绍以下几种：
（1）中和法：
在晶体管的输出和输入端之间插入一个外加的反馈电路，使它的作用恰好和晶体管的内反馈互相抵消。 具体线路如图 1-5，CN为外接电容，
图 1-5 外加的反馈电路克服自激
（2）失配法：
失配法一般采用共发一共基级联放大器实现，失配法是用牺牲增益换来提高放大器的稳定性。如图 1-6 所示。
图1-6 共发共基级联放大器电路
2高频小信号调谐放大器的设计与制作
2.1技术要求
使用MMBT2222A设计一个高频小信号谐振放大器
技术指标如下：
谐振频率：fo＝10.7MHz
谐振电压放大倍数：