通信电子线路设计高频小信号调谐放大器lc振荡器高频谐振功率放大器的设计-毕设论文.doc

《通信电子线路课程设计》报告

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级： 通信0906
指导教师： 杨福宝 工作单位： 信息工程学院
题 目:通信电子线路综合设计
要求完成的主要任务:
1.每人要提交一份设计报告，格式按照课程设计的样式
2.报告内容包括：
（1）高频小信号调谐放大器的电路设计；
（2）LC振荡器的设计；
（3）高频谐振功率放大器电路设计。
时间安排：
课程设计时间为3周：
第1周，安排任务
第2周，确定设计电路，并进行分析计算，安装与调试
第3周，答辩，提交报告

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录
摘要 3
Abstrct 4
1引言 5
1.1要求 5
1.2主要技术指标 5
1.2.1高频小信号调谐放大器 5
1.2.2 LC三点式反馈振荡器 5
1.2.3 高频谐振功率放大器 6
2高频小信号调谐放大器 7
2.1 原理分析 7
2.2 参数设置 7
2.2.1选定电路形式 7
2.2.2设置静态工作点 8
2.2.3谐振回路参数计算 8
2.2.4总电路图 10
3 LC三点式反馈振荡器 11
3.1 原理分析 11
3.2 参数设置 14
3.2.1静态工作电流的确定 14
3.2.2确定主振回路元器件 14
3.2.3总电路图 15
4高频谐振功率放大器 16
4.1原理分析 16
4.2参数设置 17
4.2.1确定功放的工作状态 17
4.2.2基极偏置电路计算 18
4.2.3计算谐振回路与耦合线圈的参数 18
4.2.4电源去耦滤波元件选择 19
4.2.5总电路图 19
5心得体会 20
参考文献 21

摘要
本次电子线路设计对高频调谐小信号放大器，LC振荡器，高频功放电路设计原理作了简要分析，研究了各个电路的参数设置方法。并利用其它相关电路为辅助工具来调试放大电路，解决了放大电路中经常出现的自激振荡问题和难以准确的调谐问题。 同时也给出了具体的理论依据和调试方案，从而实现了快速、有效的分析和制作高频放大器，振荡器和功放电路。
高频小信号谐振放大电路是将高频小信号或接收机中经变频后的中频信号进行放大，已达到下级所需的激励电压幅度。LC振荡器的作用是产生标准的信号源。高频功放的作用是以高的效率输出最大的高频功率。三部分都是通信系统中无线电收发信机所用到的技术，所以在现实生活中具有着相当广泛的应用。
关键词：高频小信号放大器、LC振荡器、高频功放电路

Abstrct
The electronic circuit design of high-frequency tuned small-signal amplifier, LC oscillator, high-frequency power amplifier circuit design principles briefly analyzed to study the various circuit parameters to set methods. And to use other related tools to debug the circuit for the auxiliary amplifier circuit solve the amplifier circuit that often appear in self-oscillation problems and difficult to accurately tuning problems. Also given in detail the theoretical basis and debug programs in order to achieve a rapid, effective analysis and production of high-frequency amplifiers, oscillator and power amplifier circuits.
High-frequency small-signal amplification circuit is the resonant frequency small-signal or a receiver through the frequency of IF signals, after amplification, has reached the lower the required excitation voltage amplitude. The role of the LC oscillator is to generate a standard signal source. The role of high-frequency power amplifier's efficiency is the largest high-frequency power output. Three parts are the communication systems used by the radio transceiver technology, so in real life, with a fairly wide range of applications.
Key words: high-frequency small-signal amplifier, LC oscillator, high-frequency power amplifier circuit.

1引言
1.1要求
给出设计原理、设计过程、电路原理图、各元件件型号或参数、实际测试结果。
1.2主要技术指标
1.2.1高频小信号调谐放大器
谐振频率：＝6.5MHz,
谐振电压放大倍数：，
通频带：，
矩形系数：。
要求：放大器电路工作稳定，采用自耦变压器谐振输出回路。
基本设计条件：
回路电感L=4μH,，，，晶体管用9018，β=50。查手册可知，9018在、时，，,，，，。
负载电阻。电源供电。
1.2.2 LC三点式反馈振荡器
振荡频率
频率稳定度
输出幅度
采用西勒振荡电路，为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，采用了射随器作为隔离级。
基本设计条件：
电源供电为12V，振荡管BG1为9018（其主要参数,取β=100，fT>1100MHz）。隔离级射随器晶体管BG2也为9018。
1.2.3 高频谐振功率放大器
输出功率Po≥125mW（设计时按200mW计算），
工作中心频率fo=6MHz，
>65%。
基本设计条件：
电源供电为12V，负载电阻,RL=51Ω，晶体管用3DA1，其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA, ,,，功率增益Ap≥13dB（20倍）。
2高频小信号调谐放大器
2.1 原理分析
高频小信号放大器一般用于放大微弱的高频信号,此类放大器应具备如下基本特性:只允许所需的信号通过,即应具有较高的选择性。放大器的增益要足够大。放大器工作状态应稳定且产生的噪声要小。放大器应具有一定的通频带宽度。

图2.1 单调谐放大器电路
典型的单调谐谐振放大器原理如图，图中，RB1,RB2,RE用以保证晶体管工作于放大区域，从而放大器工作于甲类，CE是RE的旁路电容，C1,C2是输入输出耦合电容，L,C是谐振电路，R是集电极（交流）电阻，他决定了回路的Q值，带宽。为了减轻负载对回路的的影响，输出采用了部分接入的方式。
2.2 参数设置
2.2.1选定电路形式
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。
图中放大管选用9018，该电路静态工作点Q主要由Rb1和Rw1、Rb2、Re与Vcc确定。利用和、的分压固定基极偏置电位，如满足条件：当温度变化↑→↑→↓→↓→↓，抑制了变化，从而获得稳定的工作点。
由此可知，只有当时，才能获得恒定，故硅管应用时， 。只有当负反馈越强时，电路稳定性越好，故要求，一般硅管取：

2.2.2设置静态工作点
由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.8－2mA之间选取为宜，设计电路中取 ，设
因为： 而 所以：
因为：(硅管的发射结电压为0.7V)
所以：
因为： 所以：
因为： 而 取 则： 取标称电阻6.2KΏ
因为：
则：，考虑调整静态电流的方便，用22KΏ电位器与15KΏ电阻串联。

2.2.3谐振回路参数计算
① 回路中的总电容C∑
因为：
则：
②回路电容C
因有
所以
取C为标称值30pf,与5-20Pf微调电容并联。
③求电感线圈N2与N1的匝数：
根据理论推导，当线圈的尺寸及所选用的磁心确定后，则其相应的参数就可以认为是一个确定值，可以把它看成是一个常数。此时线圈的电感量仅和线圈匝数的平方成正比，
即：
式中：K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关；N-线圈的匝数
一般K值的大小是由试验确定的。当要绕制的线圈电感量为某一值时，可先在骨架上(也可以直接在磁心上)缠绕10匝，然后用电感测量仪测出其电感量，再用下面的公式求出系数K值：

式中： -为实验所绕匝数，由此根据和K值便可求出线圈应绕的圈数，则：
实验中，L采用带螺纹磁芯、金属屏蔽罩的10S型高频电感绕制。在原线圈骨架上用0.08mm漆包线缠绕10匝后得到的电感为2uH。由此可确定

要得到4 uH的电感，所需匝数为
匝
最后再按照接入系数要求的比例，来绕变压器的初级抽头与次级线圈的匝数。因有，而匝。则： 匝
④确定耦合电容与高频滤波电容：
耦合电容C1、C2的值，可在1000 pf—0.01uf之间选择 ，一般用瓷片电容。旁路电容Ce 、C3、C4的取值一般为0.01-1μF，滤波电感的取值一般为220-330uH。

2.2.4总电路图

图2.2.1总电路图
3 LC三点式反馈振荡器
3.1 原理分析
反馈式正弦波振荡器有RC、LC和晶体振荡器三种形式，电路主要由放大网络、选频回路和反馈网络三个部分构成。本实验中，我们研究的主要是LC三点式振荡器。所谓三点式振荡器，是晶体管的三个电极，分别与三个电抗性元件相连接，形成三个接点，故称为三点式振荡器，其基本电路如图3.1.1。
图3.1.1 三点式振荡器的基本电路
根据相位平衡条件，图3.1.1(a)中构成振荡电路的三个电抗元件，X1、X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗，若X1和X2均为容抗，X3为感抗，则为电容三点式振荡电路；若X2和X1均为感抗，X3为容抗，则为电感三点式振荡器。由此可见，为射同余异。
①共基电容三点式振荡器

图3.1.2 共基电容三点式振荡器
由图3.1.2可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。
其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，
于是得到单一频率的振荡信号输出。该振荡器的振荡频率为：

反馈系数F为：
若要它产生正弦波，必须满足F= 1/2-1/8，太小不容易起振，太大也不容易起振。一个实际的振荡电路，在F确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。但是如静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真，严重时，甚至使振荡器停振。所以在实用中，静态电流值一般ICO=0.5mA-4mA。
优点是：1）振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高。工作频率可以做得较高，可达到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。
缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。
为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，改进电路有两种。
② 串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路)
电路组成

图3.1.3 克拉泼振荡电路
电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C3，串联于电感L支路。
功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频率的稳定度得以提高。
因为C3远远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C3。电路的振荡频率为：
与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感L支路上串联一个电容。但它有以下特点：
1、 振荡频率改变可不影响反馈系数。
2、 振荡幅度比较稳定；但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4； 为此，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器 。
③ 并联型改进电容三端式振荡器(西勒电路)
电路组成如图6示：

图3.1.4西勒振荡电路
电路特点是在克拉泼振荡器的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。电路的振荡频率为：

特点：1.振荡幅度比较稳定； 2.振荡频率可以比较高，可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8；所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。
3.2 参数设置
3.2.1静态工作电流的确定
合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。－般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间选取，故本实验电路中：
选ICQ=2mA VCEQ=6V β=100
则有
为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1KΩ则Rc＝2KΩ
因：UEQ=ICQ·RE 则： UEQ =2mA×1K=2V
因： IBQ=ICQ/β 则： IBQ =2mA/100=0.02mA
一般取流过Rb2的电流为5-10IBQ , 若取10IBQ
因： 则： 取标称电阻12KΏ。
因： ：
为调整振荡管静态集电极电流的方便，Rb1由27KΏ电阻与27K电位器串联构成。

3.2.2确定主振回路元器件
回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp为宜。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/8—1/2。
因振荡器的工作频率为：
当LC振荡时，f0=6MHz L＝12μH
本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C3、C4决定，即

有 。取C3 =120pf，C4=51pf（用33Pf与5-20Pf的可调电容并联），因要遵循C1，C2>>C3,C4，C1/C2=1/8—1/2的条件，故取C1=200pf，则C2=510pf。
对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电容进行微调即可。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。例如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极；如为基级接地，则应从发射极输出。
3.2.3总电路图

图3.2.1LC与晶体振荡器电原理图
4高频谐振功率放大器
4.1原理分析
放大器工作时，设输入信号电压：
则加到晶体管基极,发射级的有效电压为: 由晶体管的转移特性曲线可知，如图所示：

图4.1.1 谐振功率放大器晶体管的转移特性曲线
当时，管子截止，。
当时，管子导通，
式中：为折线的斜率：
所以有：
，
即功放输出的Ic为一连串不连续的余弦脉冲。高功放为什么能不失真地放大信号呢?
因为尖顶余弦脉冲的数学表达式为：

若对 傅里叶级数分解，即：

由此可知，任何一个余弦脉冲，都是由许多不同频率的谐波（基波、二次谐波。。。n次谐波）分量所构成，利用功放负载LC回路的选频功能，适当选择LC的参数使之谐振与基波频率, 尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，故功率放大器的输出仍为不失真的正弦波。
此时，谐振回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即：

式中，Ucm为uc的振幅；Ro为LC回路的谐振电阻,为集电极基波电流振幅。在集电极电路中，LC谐振回路得到的高频功率为:

集电极电源EC供给的直流输入功率为：
ICO为集电极电流脉冲ic的直流分量。
集电极效率ηC为输出高频功率Po与直流输入功率PE之比，即：

4.2参数设置
4.2.1确定功放的工作状态
谐振功率放大器的工作状态有三种，即欠压、临界和过压。当谐振功放的静态工作点、输入信号、负载发生变化，谐振功率放大器的工作状态将发生变化。
对高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角在600—900范围。现设=700。
查表得：集电极电流余弦脉冲直流ICO分解系数，集电极电流余弦脉冲基波ICM1分解系数，。设功放的输出功率为0.5W。
功率放大器集电极的等效电阻为：

集电极基波电流振幅为：

集电极电流脉冲的最大振幅为：

集电极电流脉冲的直流分量为：

电源提供的直流功率为：
集电极的耗散功率为：
集电极的效率为： (满足设计要求)
已知： 即
则：输入功率：
基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的=10）

基极基波电流的振幅为：
得基极输入的电压振幅为：
4.2.2基极偏置电路计算
因 则有 ：
因 则有 ：
取高频旁路电容
4.2.3计算谐振回路与耦合线圈的参数

图4.2.1 谐振回路的计算
输出采用L型匹配网路，

则
匹配网路的电感L为，电容C为。
4.2.4电源去耦滤波元件选择
高频电路的电源去耦滤波网络通常采用π型LC低通滤波器，滤波电感0可按经验取50～100μH，滤波电感一般取0.01μF。
4.2.5总电路图

图4.2.2 总电路图
5心得体会
《通信电子线路》的课程设计，让我收获了很多：
一、本次课程设计让我对高频小信号调谐放大器,LC振荡器,高频谐振功率放大器的设计与制作过程有了较真实的了解。刚开始我无从下手，不知所措，后来经过问同学、上网查资料，和老师的指导，我逐渐了解了这三个电路的设计方法，制作及调试过程，使我在设计和制作过程中不再盲目。
二、本次课程设计锻炼了我独立解决问题的能力。刚看到题目时我一点思路也没有，到后来，自己不断探索，不断摸索，最后完成了整个过程，它让我学会了发现问题，并独立解决问题的方法。
三、本次课程设计让我更加熟悉了高频小信号调谐放大器,LC振荡器,高频谐振功率放大器的元件参数的计算，对各个单元电路的工作原理和作用有了很深刻的认识，经过实践，让我对高频电子线路的理论知识加深了印象。
本次课程设计最重要的是让我学会了独立解决问题的方法，经过不断的学习、出错、调试、改正，锻炼了我的耐心和毅力，让我体会到了不断探索的乐趣，并体会到了付出后得到成功的激动。此次设计也让我发现了我的不足：制作电路板的工艺水平有所欠缺，对实际应用中元件参数的设定还不是很了解，以后我还应当多多实践，辅助各门专业课的学习，并激发对本专业的学习兴趣。

参考文献
1.《高频电子线路》.张肃文 .高教出版社出版社
2.《高频电路设计与制作》.何中庸译.科学出版社
3.《高频电子线路辅导》.曾兴雯 陈健 刘乃安.西安电子科大出版社
4.《电子线路设计·实验·测试》第三版.谢自美 主编.华中科技大学出版社
5.《模拟电子线路》Ⅱ.谢沅清.成都电子科大出版社
6.《高频电子线路实验与课程设计》.杨翠娥.哈尔滨工程大学出版社

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