1、高频小信号调谐两级放大器 2 摘 要 高频小信号谐振放大器在通信、广播等设备中有广泛的应用，可以利用三极管放大信号、LC并联谐振回路谐振选频，从而放大特定频率的信号。三极管共发射极放大具有电压增益大、输出电压与输出电压反相、低频性能差的特点，适用于高频和多级放大电路的中间级，利用两级单调谐电路将原始微弱信号放大100倍，并利用LC并联谐振回路将特定信号选出。表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标由谐振频率f,谐振电压放大倍数A,放大器的通频带及选择性（矩形系数）的计算。关键词：三极管；谐振；品质因数；通频带；矩形系数 第一章 绪论 22.1实验电路说明 42.2中波调幅发射机组装及调试 42.
2、2.1中波调幅发射机的特点 42.2.2实验电路说明： 42.2.3实验步骤： 42.2.4调试中的故障及分析 52.3超外差中波调幅接收机 52.3.1超外差中波调幅接收机的特点 52.3.2实验电路说明： 62.3.3.实验步骤 62. 3.4调试中的故障及分析 7第三章 高频小信号放大器的设计与安装 73.1高频小信号概述 73.1.1设计任务 73.1.2高频小信号放大器的简介 83.2电路设计方案 83.2.1高频小信号放大器的特点 83.2.2电路原理及用途 83.2.3主要性能指标 93.2.4谐振放大器的稳定性 103.3电路参数的设计 133.3.1设置静态工作点 133.3
3、.2计算谐振回路参数 143.5电路仿真与性能分析 143.5.1Pspice仿真软件的简介 143.5.2仿真测试的内容与步骤 153.5.3仿真结果与分析 15第四章 焊接与故障分析 174.1焊接 174.1.1焊接原理 174.1.2手工焊接过程 184.1.3焊接注意事项 194.2故障分析 20小 结 21参考文献 22附 录 23第一章 绪论通信系统是以发送与接收设备为核心的系统。它的一般含义是从发信者到收信者之间的信息传递，广义的通信范围很广，包括邮政、旗语，甚至古代的烽火，都是通信得概念范围。在通信中利用发送设备和接收设备通过信道实现信息的传送与接收。在通信系统的设计中主要要
4、考虑信号的传输距离、通信容量，信号失真度以及信号抗干扰能力。通信系统根据信道的不同可分为有线通信系统和无线通信系统。本次课程设计主要是通过联调和对一个高频小信号放大的仿真、调试实现加深对无线通信的理解。通信系统按传输煤介来分类可以分为无线通信和有线通信，在无线通信中首要考虑的是信号在信道的传输。在无线传输中要考虑诸多因素：外界的干扰，发射信号的发射功率，接收端的接收设备的灵敏度等。所以在电路的设计过程中不仅仅是理想化的理论知识更多的是理论联系实际，需要更多的外因考虑。同时由于无线电通信系统在通信网中的作用越来越大。无线进网比有线进网更经济,维护更容易,可以中继至远端用户。无线进网设备装拆容易,
5、投资可逐步进行,投资风险小。因此,无线进网对发展中国家来讲尤其重要。随着人们生活水平的逐渐提高，对信息的精确程度也随着增大，同时对通信的要求也越来越多样化，因而加速发展新颖,完善的现代通信确是刻不容缓的一个重点工作。第二章 接收机与发射机的联接与调试 通过前面对发射和接收设备的实验的操作以及对高频小信号放大器电路的分析、安装，我们已经全面掌握了通信电子电路制作的全过程。在现代通信系统中，其核心内容就是接收设备和发射设备两个方面，任何的无线通信系统都不能离开这两个方面而存在。接收设备对信号起解调的作用，而发射设备对信号起调制的作用。此次联调分为两个步骤，分别为中波调幅发射机组装及调试与超外差中波
6、调幅接收机，下面就两个部分单独做简单的介绍。2.1实验电路说明2.2中波调幅发射机组装及调试2.2.1中波调幅发射机的特点 发射机的主要任务是完成有用信号的低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。调幅发射机实现调幅简便，调制所占的频带窄，并且与之对应的调幅接收设备简单，所以调幅发射机广泛地应用于广播发射。所谓调幅，就是指是振幅调制信号的变化而变化，严格的讲，就是指载波振幅与调制信号的大小成线性关系，而它的频率和相位不变。2.2.2实验电路说明： 要实现信号在信道中可靠并且高效的传输，必须要用发射设备处理信号。在发送设备中，基带信号经放大器放大，
7、然后经过变换电路后成为适于信道传输的形式，再经功率放大器，送入耦合电路。该调幅发射机组成原理框图如图17-1所示，发射机由音频信号发生器，音频放大，AM调制，高频功放四部分组成。实验箱上由模块4，8，10构成。2.2.3实验步骤：1. 将模块10的S1的2拨上，即选通音乐信号，经U4放大从J6输出，调节W2使J6处信号峰-峰值为200mV左右，连接J6和J5将音频放大信号送入模拟乘法器的调制信号输入端。同时将1MHz（峰-峰值500mV左右）的载波从J1端输入。J6处出来的为跳动的矩形脉冲。2. 调节W1使得有载波出现，调节W2 从J3处观察输出波形，使调幅度适中。J3处为载波（f=1MHz，
8、Vp-p=500mV）与音频信号的调幅波。3. 将AM调制的输出端（J3）连到集成线性宽带功率放大器的输入端J7，从TH9处可以观察到放大的波形。将调幅波进行放大，是发射出去的信号足够大，便于发射。4. 将已经放大的高频调制信号连到模块10的天线发射端TX1,并按下开关J2，这样就将高频调制信号从天线发射出去了，观察TH3处波形。波形如下： 2.2.4调试中的故障及分析理论上J6处出来的波形为跳动的矩形脉冲，但实际上板子和线的问题使衰减比较严重，失真也一直都存在的。而且直接出来的信号只经过信号线就将近有十倍的衰减。J6处出来的波形也是接近于标准调幅波的失真波形。为了避免失真与衰减的问题。做实验
9、时尽量用长度比较短的信号线，同时减少人为的原因。2.3超外差中波调幅接收机2.3.1超外差中波调幅接收机的特点 超外差中波调幅接收机的中频频率是固定的，它比直接放大式接收机优越很多，比如容易得到足够大并且比较稳定的放大量，具有较高的选择性和较好的频率特性，易于调整。当然，它也存在一些缺点。不足之处是电路比较复杂；除了有用信号外，还存在镜像频率处的无用信号的干扰；另外，随着科学的进步，对通信系统的要求越来越高，特别是移动通信系统的迅速发展，要求接收机不仅有良好的接收质量，而且还要很高的集成度，以降低功耗、减少体积和重量；另外，为保证生产质量和使用方便，接收机要尽可能能做到无调整或少调整。在这些方
10、面，超外差式结构遇到一些困难。2.3.2实验电路说明： 接收机由天线回路、变频电路、中频放大电路、检波器、音频功放、耳机等六部分组成，实验箱上由模块2,4,7,10构成。天线回路：从天线接收进来的高频信号首先进入输入调谐回路。天线回路的任务是：通过天线收集电磁波，使之成为高频电流；选择信号，在纵多的信号中，只有载波与输入调谐回路相同的信号才能进入收音机。变频和本机振荡级：从输入回路送来的调幅信号和本机振荡产生的等幅信号一起送到变频级，进过变频级产生一个新的频率分量，这一新的频率分量恰好是输入信号频率和本振信号频率的差值，称之为差额。例如输入信号频率为535khz，本振频率是1000khz，那么
11、它的差值就是1000khz535khz=465khz。也就是说，在超外差式收音机中，本机振荡的频率始终要比输入信号的频率高465khz。这个在变频过程中新产生的差额我们叫之为中频。以上三种频率的关系可以用下式：本机振荡频率输入频率=中频中频放大级：由于中频信号的频率固定不变而且比高频略低，所以它比高频信号更容易谐振放大。通常，中放级包括1-2级放大及2-3级谐振回路，这与前面我们介绍过得直放式收音机相比，超外差式收音机灵敏度和选择性都提高了好多检波、电压放大过程：经过中放后，中频信号进入检波级，检波也要完成两个任务：一是在尽可能减小失真的前提下把中频调幅信号还原成音频。二是将检波后的直流分量送
12、回到中放级。功率放大级：电压放大级的输出虽然可以达到几伏，但是它的带负载能力还很差，这是因为它的内阻比较大，只能输出不到1mA的电流，所以还要在经过放大功率放大器才能推到扬声器还原成声音2.3.3.实验步骤1. 将模块10的天线接收到的高频信号（中波调幅发射机发射的信号，由另一台实验箱提供）送入模块7的J4，将模块7的J6连到模块2的J5。在模块2上完成的功能为加入载波信号，得到的中频的调幅波。2. 将模块2的J6连到模块4的J7，从模块4的J10输出的信号连接到模块10的耳机输入端。模块4实现是解调中频调幅波，解调出的为幅度比较小的跳动的矩形脉冲。3. 慢慢调谐模块7的双联电容调谐盘，使接收
13、到音乐信号。模块7实现的是放大和选频的作用，为了得到更清楚的音乐信号4. 观察各点波形，并记录下来。2.3.4调试中的故障及分析 1在中波调幅接收机中信号无法进行465KHZ变频，即变频电路中频信号输出端无正确信号输出。天线接收的高频信号送入三极管变频后，理论上得到的是载波频率降为465KHZ的调幅信号，但在三极管变频信号输出端无信号输出说明变频后调幅信号通不过谐振回路，因为经过本机振荡信号和调制信号的频差为465KHZ，而变频电路的负载是中频变压器T3的初级线圈和内部电容构成的谐振频率为465KHZ的谐振回路，所以无信号输出主要问题出现在变压器中周被调了。2.在单独的中放中，无法输出信号。放
14、大电路的负载回路有两个谐振回路，都是由一个变压器和一个电容构成的谐振选频回路，造成这种现象的原因主要有：双调谐回路的静态工作点没有调节好；变压器中周被调乱；三极管损坏。第三章 高频小信号放大器的设计与安装3.1高频小信号概述3.1.1设计任务 设计一个高频小信号两级调谐放大器，要求中心频率为8-15MHz。输入信号5mV-50mV，要求测量静态工作点电压。电压放大倍数两倍以上。3.1.2高频小信号放大器的简介高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路。所谓高频，是指被放大信号的频率在数百千赫至数百兆赫。由于频率高，放大器的晶体管的极间电容的作用不能忽略。小信号是指放大器的输入信号小，可以认为放
15、大器的晶体管（或场效应管）是在线性范围内工作，这样就可以将晶体管（或场效应管）看成为线性元件，分析电路时可将其等效为二端口网络。3.2电路设计方案3.2.1高频小信号放大器的特点（1） 频率较高中心频率一般在几百kHz到几百MHz频带宽度在几KHz到几十MHz，故必须用选频网络。（2）小信号信号较小故工作在线性范围内(甲类放大器)即工作在线形放大状态。（3）采用谐振回路作负载，即对靠近谐振频率附近的信号有较大的增益，对远离谐振频率附近的信号其增益迅速下降，即具有选频放大作用。3.2.2电路原理及用途原理：高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大。若输入信号电压为，则输出电压
16、，其中为放大器的电压增益。输入信号为小信号电压，输出信号是通过谐振回路放大后的电压。用途：高频调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。本文以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现
17、。本文以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。分类：高频小信号放大器a：按所放大信号的频谱宽窄可分为宽带放大器和窄带放大器；b：按所用负载的性质可分为谐振放大器和非谐振放大器；c：按电路形式分为：单级放大器、多级放大器；d：按元器件分为：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器。3.2.3主要性能指标（1）电压增益与功率增益电压增益（）等于放大器输出电压与输入电压之比；而功率增益（）等于放大器输出给负载的功率与输入功率之比。（2）通频带通频带的定义是放大器的电压增益下降到最大值的1/倍时所对应的频带宽
18、度，常用来表示 图3.1 频率特性曲线（3）矩形系数矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量。而选择性是表示选取有用信号、抑制无用信号的能力。理想的频带放大器应该对通频带内的频谱分量有同样的放大能力，而对通频带以外的频谱分量要完全抑制，不予放大。所以，理想的频带放大器的频率响应曲线应是矩形。但是，实际的放大器的频率响应曲线与矩形有较大的差异，矩形系数用来表示世纪曲线形状接近理想矩形的程度，通常用来表示，其定义为：，式中为放大器的通频带；为放大器的电压增益下降至最大值的0.1倍时所对应的频带宽度。（4）噪声系数噪声系数是用来表征放大器的噪声性能好坏的一个参量。对于放大器来说，总是希望放大器本身产
19、生的噪声越小越好，即要求噪声系数接近于1。（5）工作稳定可靠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。图3.2 反馈导纳对放大器谐振曲线的影响（6）前后级之间的阻抗匹配，即把各级联接起来之后仍有较大的增益，同时，各级之间不能产生明显的相互干扰。 3.2.4谐振放大器的稳定性在实际运用中，晶体管存在着反向传输导纳，放大器的输出电压可通过晶体管的反向作用到输入端，引起输入电流变化，这种反馈作用将可能引起放大器产生自激振荡等不良后果。放大器存在着稳定系数和稳定增益。稳定系数用S表示，S越大，则放大器越稳定；S=1为
20、维持自激振荡的条件。对于一般放大器来说，S5，就可以认为是稳定的。而所谓稳定增益，是指晶体管不加任何稳定措施，而满足稳定系数S的要求时，放大器工作于谐振频率的最大的电压增益。理论上，只要放大器的电压增益不大于12.52，在没有任何稳定措施的条件下，放大器是稳定的，即满足S5的要求。提高谐振放大器的稳定性的措施：由于的反馈作用，晶体管是一个双向器件。使晶体管的反馈作用消除的过程称为单向化。单向化的目的就是提高放大器的稳定性。单向化的方法有中和法和失配法两种。所谓中和法，是在晶体管放大器的输出和输入之间引入一个附加的外部反馈电路，以抵消晶体管内部的反馈作用。但是严格的中和很难达到。因晶体管的是随频
21、率变化的，所以，只能对一个频率点起到完全中和的作用。失配法的实质是降低放大器的电压增益，以确保满足稳定的要求。可以选择合适的接入系数，或在谐振回路的两端并联阻尼电阻来实现降低电压增益。在实际运用中，较多的采用共射-共基级联放大器。由于后级共基晶体管的输入导纳较大，对于前级的共射晶体管来说，它是负载。大的负载导纳使电压增益低，但它仍有较大的电流增益。后级共基放大的电流增益小，电压增益大。组合后的放大器的总电压增益和功率增益都与单管共射放大电路差不多，但稳定性高。复合管的内部反馈很弱，放大器的工作稳定性提高了，而输出导纳也只有单管的几分之一。共发共射组合放大单元电路最突出的特点是高频特性好、频带宽
22、、工作稳定。从晶体管的内部反馈角度来分析，由于共发的负载阻抗小减小。则晶体管内部反馈影响相应地减小。因此，放大器的稳定性得到了很大的提高。实际上，这种方法就是利用了失配原理，用牺牲共发电路增益的方法来换取放大器电路的工作稳定。3.2.5基本电路及改进根据上述性能指标设计以下基本电路：图3.3高频小信号放大器基本电路放大器内部电路的改进及理论依据： 如图3.4所示：高频电路很容易产生自激振荡，所以需要想办法消除，最常用的办法是在LC谐振回路中串联一小电阻或并联一大电阻，从而减小回路的Q值，消除自激振荡，所以在两级的LC谐振回路上分别并联了R7和R8。C4的作用是隔直流，通交流，同时把交流信号耦合
23、到第一级。增加L3为高频扼流圈，避免第二级的信号反馈到第一级。增加和是为了避免输出到输入的反馈，稳定发射机偏置电路。图3.4高频小信号放大器的改进电路3.3电路参数的设计3.3.1设置静态工作点取Veq=2.510mV，Ieq=25.10mA可得R3=VeqIeq=0.1K由一级的放大倍数可得=16，可得IbqIeq/=1.57mAcq=(1+)IbqIeq=25.10mA在LC已知的情况下。可得：cq=4.7V3.3.2计算谐振回路参数 根据要求应由谐振频率选取电感L，中心频率f0=13MHz取电容为30pF由公式 可得L=5uH.所以取L=4.7uH。3.5电路仿真与性能分析3.5.1Ps
24、pice仿真软件的简介 PSPICE是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。它主要用于所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟分析，就如同对所设计的电路用各种仪器进行组装、调试和测试一样，这些工作完全由计算机来完成。用户根据要求来设置不同的参数，计算机就像扫描仪一样，分析电路的频率响应，像示波器一样，测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、噪声分析、Monte Carlo统计分析、最坏情况分析等，使用户的设计达到最优效果。以往一个新产品的研制过程需要经过工程估算，试验板搭试、调整，印刷板排版与制作，装配与调试，性能测试，测试指标不合格，再从调整开始循环，直至指标合格为止。这样往往需要反
25、复实验和修改。而仿真技术可将“实验”与“修改”合二为一。为确定元件参数提供了科学的依据。它的优点主要有： (1)为电路设计人员节省了大量的时间。(2)节省了各种仪器设备。(3)生产产品一致性好、可靠性高。(4)产品的更新率高、新产品投放市场快等。 PSPICE程序采用改进节点法列电路方程，用牛顿-莱普生方法的改进算法进行非线性分析，用变节步长的隐式积分法进行瞬态分析，在求解线性代数方程组时，采用了稀疏矩阵技术。3.5.2仿真测试的内容与步骤用Pspice软件连接电路图，修改参数。观察输出波形，求电压增益与频带宽度和放大倍数。3.5.3仿真结果与分析仿真原理图：仿真结果： 图3.5 一级放大波形
26、图 图3.6级放大倍数输入信号： VAM=5mv f=10.8MEG输出一级正弦波：VAM=0.08V f=10.8MEG Av=16输出二级正弦波：VAM=4.5V f=10.8MEG Av=900第4章 焊接与故障分析4.1焊接4.1.1焊接原理 锡焊是一门科学，他的原理是通过加热的烙铁将固态焊锡丝加热熔化，再借助于助焊剂的作用，使其流入被焊金属之间，待冷却后形成牢固可靠的焊接点当焊料为锡铅合金焊接面为铜时，焊料先对焊接表面产生润湿，伴随着润湿现象的发生，焊料逐渐向金属铜扩散，在焊料与金属铜的接触面形成附着层，使两则牢固的结合起来。所以焊锡是通过润湿、扩散和冶金结合这三个物理,化学过程来完
27、成的。1润湿：润湿过程是指已经熔化了的焊料借助毛细管力沿着母材金属表面细微的凹凸和结晶的间隙向四周漫流，从而在被焊母材表面形成附着层，使焊料与母材金属的原子相互接近，达到原子引力起作用的距离。(图1所示)。 引起润湿的环境条件：被焊母材的表面必须是清洁的，不能有氧化物或污染物。2. 扩散：伴随着润湿的进行，焊料与母材金属原子间的相互扩散现象开始发生。通常原子在晶格点阵中处于热振动状态，一旦温度升高。原子活动加剧，使熔化的焊料与母材中的原子相互越过接触面进入对方的晶格点阵，原子的移动速度与数量决定于加热的温度与时间。(图二所示)。3. 冶金结合：由于焊料与母材相互扩散，在2种金属之间形成了一个中
28、间层-金属化合物，要获得良好的焊点，被焊母材与焊料之间必须形成金属化合物，从而使母材达到牢固的冶金结合状态。(图三所示) 4.1.2手工焊接过程1、操作前检查（1）每天上班前3-5分钟把电烙铁插头插入规定的插座上，检查烙铁是否发热，如发觉不热，先检查插座是否插好，如插好，若还不发热，应立即向管理员汇报，不能自随意拆开烙铁，更不能用手直接接触烙铁头.（2）已经氧化凹凸不平的或带钩的烙铁头应更新的：1、可以保证良好的热传导效果；2、保证被焊接物的品质。如果换上新的烙铁嘴，受热后应将保养漆擦掉，立即加上锡保养。烙铁的清洗要在焊锡作业前实施，如果5分钟以上不使用烙铁，需关闭电源。海绵要清洗干净不干净的
29、海绵中含有金属颗粒，或含硫的海绵都会损坏烙铁头。（3）检查吸锡海绵是否有水和清洁，若没水，请加入适量的水（适量是指把海绵按到常态的一半厚时有水渗出，具体操作为：湿度要求海绵全部湿润后，握在手掌心，五指自然合拢即可），海绵要清洗干净，不干净的海绵中含有金属颗粒，或含硫的海绵都会损坏烙铁头。（4）人体与烙铁是否可靠接地，人体是否佩带静电环。2、焊接步骤不同的焊接对象，其需要的电烙铁工作温度也不相同。判断烙铁头的温度时，可将电烙铁碰触松香，若有“吱吱”的声音，说明温度合适；若没有声音，仅能使松香勉强熔化，则说明温度太低；若烙铁头一碰上松香就大量冒烟，则说明温度太高。一般来讲，焊接的步骤主要有三步：（
30、1）烙铁头上先熔化少量的焊锡和松香，将烙铁头和焊锡丝同时对准焊点。（2）在烙铁头上的助焊剂尚未挥发完时，将烙铁头和焊锡丝同时接触焊点，开始熔化焊锡。（3）当焊锡浸润整个焊点后，同时移开烙铁头和焊锡丝。焊接过程一般以23s为宜。焊接集成电路时，要严格控制焊料和助焊剂的用量。为了避免因电烙铁绝缘不良或内部发热器对外壳感应电压而损坏集成电路，实际应用中常采用拔下电烙铁的电源插头趁热焊接的方法。4.1.3焊接注意事项1焊接不仅要位置正确，还要焊接牢固可靠，形状整洁美观。焊接前电阻要看清阻值大小，并用万用表校核。电容、二极管要看清极性。2一旦焊错要小心地用烙铁加热后取下重焊。拨下的动作要轻，如果安装孔堵
31、塞，要边加热，边用针通开。3电阻的读数方向要一致，色环不清楚时要用万用表测定阻值后再装。4 在插元器件时用力要合适，不可用力太大。因为元器件的管脚比较细，用力过猛很容易造成管脚折断。5在动手焊接前，用万用表将个元件测量下，确保每个元件都可正常使用，安装时先装低矮和耐热的元件（如电阻），然后再装大一点的元件，最后装怕热元件（如三极管、集成电路等）。 4.2故障分析 本次课设的要求是设计一个二级的高频小信号谐振放大器，用了一天的功夫设计好电路图以后就开始仿真然后就是紧张的焊接阶段。准备好了所需要的元器件以后就开始了焊接的过程，由于这次是第一次的焊接自己设计的电路图布线之类的东西都要求自己去排版，所以包括之后的几次调试及几次重新焊接出现了一下几个问题：一、焊接完成后用万用表测试发现几处短路的情况，经过检查发现是锡丝在焊接的过程中不小心焊的黏在一起导致的短路以及一些元器件的管脚在焊完后没有用剪刀剪去管脚乱搭也可能导致元器件之间的短路情况。二、焊好的第一块板子在调试的过程中首先接的是5V的电源，结果刚刚接好电源的三极管就开始冒烟然后直接烧毁了，本次
