通信电子线路设计.docx

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1、武汉理工大学课程设计通信电子线路设计目录摘要1Abstract21高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真 11.1 主要技术指标 11.2 给定条件 11.3 设计过程 11.3.1 选定电路形式 11.3.2 设置静态工作点 21.3.3 谐振回路参数计算 31.4 单调谐高频小信号放大器电路仿真实验 41.4.1 仿真电路和波形 41.4.2 性能测试 51.5 实物与调试 72 LC三点式反馈振荡器与晶体振荡器设计与制作 72.1 电容三点式振荡器原理工作原理分析 82.1.1 串联型改进电容三端式振荡器（克拉泼电路） 102.1.2 并联型改进电容三端式振荡器（西勒电路） 102.2 主

2、要设计技术性能指标 122.3 基本设计条件 122.4 电路结构 122.5 静态工作电流的确定 132.6 确定主振回路元器件 132.7 仿真与性能测试 142.7.1 仿真电路和波形 142.7.2 性能测试 152.8 实物与调试 163 .高频谐振功率放大器电路设计与制作 173.1 设计要求 173.1.1 确定功放的工作状态 173.1.2 基极偏置电路计算 183.1.3 计算谐振回路与耦合线圈的参数 183.1.4 电源去耦滤波元件选择 193.2 高频功放外部特性 203.3 仿真与性能测试 203.3.1 仿真电路和波形 203.3.2 性能测试 213.4 实物与调试

3、 224 .小结体会 235 .参考文献 24摘要本文对高频调谐小信号放大器、LC振荡器、高频功率放大器电路设计原理作了简 要分析，同时，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，解决了放大电路中出现的问题。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，已达到夏季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搞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机所用到的技术， 所以在现实生活中具有相当广泛的应 用。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

4、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。高频谐振功率放大电路，是无线电发射机的重要组成部分，它的主要功用是实现对高 频已调波信号的功率放大，然后经天线将其转化为电磁波辐射到空间 ，以实现用无线信 道的方式完成信息的远距离传送。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 c在600900 范围。关键词：高频小信号放大器、LC振荡器、高频谐振功率放大器2武汉理工大学课程设计通信电子线路设计AbstractIn this paper, hi

5、gh frequency tuning small signal amplifiers, LC osc川ators, rf power amplifier circuit design principle is briefly analyzed in this paper, at the same time, the research on each of the circuit parameters setting method, and USES other related circuit as the auxiliary tool to debug amplifier circuit,

6、solve the problems arising from the amplifier circuit. Small signal resonant frequency amplifier circuit is small signal or receiver oxpatiation high frequency inverter frequency signal after amplification, has reached the incentive voltage amplitude summer required. LC osc川ators role is to produce

7、standard source. The role of high frequency amplifier is make the efficiency of the biggest rf power output. Three parts are communication system transceiver used technology, so in real life has quite widely.High-frequency small signal amplifier generally used to amplify glimmer of high frequency si

8、gnal, such amplifier should have basic characteristics as follows: only allow required by the signal, namely must have high selectivity, The amplifiers gain enough big, Amplifier working condition should be stable and of the noise to small; Amplifier should have certain passband width.High-frequency

9、 harmonic power amplifier circuit, is an important part of the transmitter, its main function is to realize the high frequency wave signal already adjustable power amplifier and then by antenna is transformed into electromagnetic radiation to the space, in order to realize the way to finish with a r

10、adio channel information of teleportation. The high frequency amplifier are basic requirements, as far as possible output power, high efficiency, both for consideration, usually choose c class and require the critical working condition, its current flow Angle in 600-900 range.Keywords: high-frequenc

11、y small signal amplifiers, LC osc川ators, high-frequency harmonic amplifiers2武汉理工大学课程设计通信电子线路设计1高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真1.1 主要技术指标谐振频率：fo = 10.7MHz,谐振电压放大倍数： 2 20dB,通频带：Bwo.7 1MHz ,矩形系数：Kro.1 10。要求：放大器电路工作稳定，采用自耦变压器谐振输出回路1.2 给定条件回路电感L=4pH, Qo 100, p1 1, p2 0.3,晶体管用9018, 0=50。查手册可 知，9018在Vce 10V、IE 2mA时，gie

12、 2860us, goe 200us,coe 7pf , cie 19pf , yfe 45ms, yre 0.31ms。负载电阻Rl 10K 。电源供电J 12V。1.3 设计过程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。除此之外,虽然还有许多其它必须考虑的特性，但在初级设计时，大致以此特性作考虑 即可.1.3.1 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，设计参

13、考电路见图1-1所示。330uH图1-1单调谐高频小信号放大器电原理图图中放大管选用9018,该电路静态工作点 Q主要由Rbi和Rw1、Rb2、Re与Vcc确定。利用Rbi和Rwi、Rb2的分压固定基极偏置电位Vbq ,如满足条件Ii Ibq：当温度变化Icq T - Vbq T - Vbe，一 I bq J - I cq J ,抑制了 I cq变化，从而获得稳定的工作由此可知，只有当Ii Ibq时，才能获得Vbq恒定，故硅管应用时，Ii (5 10)1 bq 只有当负反馈越强时，电路稳定性越好，故要求Vbq Vbe,一般硅管取：Vbq(3 5)Vbe1.3.2 设置静态工作点由于放大器是工作

14、在小信号放大状态，放大器工作电流Icq一般在0.8 2mA之间CQ选取为宜，设计电路中取 I c 1.5mA,设Re 1K 。因为：VeqIeqR 而 Icq Ieq 所以：Veq 1.5mA 1K 1.5V因为：Vbq Veq Vbeq (硅管的发射结电压Vbeq为0.7V)所以：Vbq 1.5V 0.7V 2.2V因为：Vceq Vcc Veq所以： 5 12V 2.2V9.8V因为：Rb2 Vbq/(5 10)Ibq 而 Ibq Icq /1.5mA/50 0.03mA 取 101BQ则：Rb2 Vbq/10Ibq 2.2V/0.3 7.3K 取标称电阻 8.2K?因为：Rbi (Vcc

15、Vbq)/VbqJ22武汉理工大学课程设计通信电子线路设计则：Rbi （12V 2.2V）/2.2V 8.2K36.5K ，考虑调整静态电流 小的方便，心用22K?电位器与15K?电阻串联。1.3.3 谐振回路参数计算1）回路中的总电容C因为：则：1(2 fo)2L55 .3 pf252)回路电容C因有 C C(P12 Coe)所以 C 55.3pF (12 7 pF) 48.3pF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

16、圈匝数的平方成 正比，2即：L KN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 Lm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 L。，再用下 面的公式求出系数K值：K L/N；式中：No-为实验所绕匝数，由此根据 Lm和K值便可求出线圈应绕的圈数，即：N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K LO/ NO 2 10 6 /1022 10 8H /匝要得到4 uH的电感，所需匝数为1

17、4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 N1p1 N2,而 N214 匝。则：N10.3 14 4.5 匝调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数 Km来表示，如图1-3所示的谐振曲线，矩形系数Km通常规定为放大器的电压放大倍数下降到0.1 AvO时所对应的频率偏移范围与电压放大倍数下降到0.707AvO时所对应的频率偏移范围之比，即:K 2 f0.1BW0.1Kr0/2 f0.7Bwo.7上式表明，矩形系数 Kr0.1愈接近1,则实际曲线愈接近理想矩形，邻近波道选择 性愈好，滤除邻近波道干扰信号的能力愈强。但单调谐回路放大器的矩形系数远大于 1, 这是单

18、调谐回路放大器的缺点。故实际工程应用中，通常采用多级谐振放大器。1.3.4 确定耦合电容与高频滤波电容耦合电容C1、C2的值，可在1000 pf0.01uf之间选择，一般用瓷片电容。旁路 电容Ce、C3、C4的取值一般为0.01-1 pF,滤波电感的取值一般为 220-330uH。1.4 单调谐高频小信号放大器电路仿真实验1.4.1 仿真电路和波形构建图1-1所示设计实验电路，仿真电路如图1-2所示:O 5图1-2单调谐高频小信号放大器仿真电路图图1-3单调谐高频小信号放大器仿真波形1.4.2 性能测试仿真时可完成下列内容：（1）测量并调整放大器的静态工作点仿真条件：晶体管用理想库（defau

19、it）中的（ideal）器件。电感线圈用固定电感 L1=2.8uH、L2=1.2uH,中间抽头其余元件参数参见图1-1。IC=1.5mA。可采用直接或间接方法。自建表格记录实验数据。(2)谐振频率的调测与电压放大倍数的测量仿真条件：输入高频信号频率fo=10.7MHz,幅度(峰-峰值)50mV。阻尼电阻R=8、反馈电阻Re=1KQ、负载电阻RL=10KQ(3)研究阻尼电阻变化对放大器增益、带宽、品质因数的影响放大器谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数称为谐振放大器的电压放大倍数记为Av。，表征放大器放大微弱信号的能力，数学表达式为：Avo VOV 或用分贝表示：Avo 20igVOV db根据

20、实验测量所得结果，计算出不同 RE时，单调谐放大器的电压增益 AVO ,并比 较放大器的Av。变化，分析变化原因。用频率特性测试仪测试放大器的幅频特性，并计算出增益、带宽及品质因数。测试条件：输入高频信号频率=fo=10.7MHz,幅度(峰-峰值)50mVo反馈电阻 Re=1KQ、负载电阻 RL=10KQ,阻尼电阻 R=oo (开路)，阻尼电阻 R=10KQ,阻尼电阻 R=3KQ,阻尼电阻 R=470Q。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将 下降，习惯上称电压放大倍数Av。下降到谐振电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率偏 移范围，称为放大器的通频带，简记

21、为 Bw,其数学表达式为：Bw 2 fo.7 f0QL fH fL式中，Ql为谐振回路的有载品质因数。分析表明 放大器的谐振电压放大倍数Av。,y fe与通频带Bw的关系为：Av 0 ? BW 2 C上式说明，当晶体管选定即yre确定，且回路总电容 U为定值时，谐振电压放大倍 数Av。与通频带Bw的乘积为一常数。这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是 相同的。一般说来，放大器通频带Bw有两种方法进行测量：点测法和扫频法(4)研究反馈电阻变化对放大器的影响测试条件：输入高频信号频率=fo=10.7MHz,幅度（峰-峰值）50mV。阻尼电阻R=10KQ、负载电阻Rl=10KQo反馈电阻R=1

22、KQ,负载电阻R=2KQ,反馈电阻R=510Q 表一如下，测量结果为：ReVbVeVcVceIc根据Vce判断BG1是否工作在放大区ikq2.3811.6512.1310.481.65是否原因：Vbe约为0.7V且 0.5VVce1100MHz）。隔离级射随器晶体管 BG2 也为 9018, LC振荡器工作频率为 6MHz,晶体为6 MHz。2.4 电路结构根据设计要求和条件可采用如图2-5所示的电路结构。Vcc图2-5 LC与晶体振荡器电原理图O T 42.5 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。一般小功率振荡器的静态

23、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=2mAVceq=6VB =100则有ReRcU cc U ceq1 CQ12 623K为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1KQ则Rc= 2KQ因：Ueq=Icq RE贝U:Ueq =2mAX1K=2V因： Ibq=Icq/0贝 U:Ibq =2mA/100=0.02mA一般取流过Rb2的电流为5-10Ibq ,若取10Ibqvbq2,7V因：Rb2VBQ VEQ .7 则：Rb213.5 K取标称电阻 12K?。I BQ0.2VCC VBQ

24、12V 2 7V因：Rb1 Rb2: Rb1 12K41.3KVBQ2.7V为调整振荡管静态集电极电流的方便，Rb1由27K?电阻与27K电位器串联构成2.6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

25、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1/81/2。，-r，-1因振荡器的工作频率为：f0 2 LC当 LC 振荡时，f0=6MHzL=10pH本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C3、C4决定，即f 112 LC 2 L(C3 C4)有 C3 C4-21- 176 pf。4 f L取C3 =120pf, C4=51pf (用33Pf与5-20Pf的可调电容并联)，因要遵循 Ci, C2C3,C4, Ci/C2=1/81/2 的条件，故取 Ci=200pf,则 C2=510pf。对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电

26、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。2.7仿真与性能测试2.7.1仿真电路和波形仿真电附如图2-p所示C3中，口子图2-6 LC与晶体振荡器仿真电路图仿真波形如图2-7所示。图2-7 LC与晶体振荡器仿真波形2.7.2性能测试测量时采用间接测量法：即用直流电压表测量晶体管发射极对地电压 U EQ ,调整Rwi 使 Ueq 为 2V 即可(Icq Ieq UEQ/Re)。当静态电流Icq调整完毕后，用万用表测量晶体管 BG1的各电极的静态工作电压。 将结果记录于下图

27、。调整 Rwi,使 Icq 2mA。foVop-pVceIc测量值Ic计算值6.04MHZ0.4V6.09V2.01mA2.00mA2.8实物与调试图2-8 LC与晶体振荡器电路板连接好电路后，当接入LC或晶体振荡器时，均能用示波器观测到电路的负载输 出端口和经过射极跟随器的输出为 6MHz的正弦振荡波形，说明了实验成功。3 .高频谐振功率放大器电路设计与制作3.1 设计要求电路的主要技术指标：输出功率 Pom25mW,工作中心频率fo=6MHz ,65%,已知：电源供电为 12V,负载电阻，Rl=51Q,晶体管用 3DA1 ,其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VcES=1.5V,

28、fT=70MHz,hfe/0,功率增益 Ap/3dB (20倍)。3.1.1 确定功放的工作状态谐振功率放大器的原理同一般放大器的原理是类似的，即利用输入到基极的信号，来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转化为交流信号功率输出。为提高效率，增加输出功率，高频功放一般采用丙类放大。在丙类状态下，放大器集 电极电流ic是脉冲状，因而包含很多谐波成分，有很大失真。但谐振功放的集电极电路 内采用了并联谐振回路，当该回路谐振于基频，则它对基频呈现很大的纯电阻性阻抗 ， 而对谐波的阻抗很小，可以看作短路。因此，并联谐振电路由于通过ic所从产生的压降vc也几乎只有基频。由于谐振回路 的滤波作用，尽管

29、ic的失真很大，仍然能够得到正弦波输出。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c在600900范围。现设c=70。查表3-1得：集电极电流余弦脉冲直流Ico分解系数。(70) 0.25,集电极电流余 弦脉冲基波Icmi分解系数，1(700) 0.44。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：R (Vcc Vces)2(12 1.5)2110Rp2PO2(0.5)W 110集电极基波电流振幅为：I cm12PO/Rp 95mA集电极电流脉冲的最大振幅为:Icmax Icmi/ i( c)95mA/0.4

30、4 216mA集电极电流脉冲的直流分量为：Ico Icmax o( c)216 0.25 54mA电源提供的直流功率为：PD VCCICO 12V 54mA 0.65w集电极的耗散功率为：Pc PD Po 0.65 0.5 0.15w集电极的效率为：P5/FD 0.5/0.65 77%(满足设计要求)已知：Ap 13dB 即 Ap 20 p p则：输入功率：Pi Po/Ap 0.5/ 20 25mV基极余弦脉冲电流的最大值(设 3DA1的=10)iBm Icm 21.6mA基极基波电流的振幅为：IB1m IBm 1(70 0) 9.5mA得基极输入的电压振幅为：VBm 2P/lB1m 5.3V

31、3.1.2 基极偏置电路计算.1V因 cos c VE Vz 则有：VE Vbm cos c VZ 5.3cos700 1 VBm3因VE IcoRE则有：RE VE/Ico 1.1/(54 10 ) 20取高频旁路电容CE2 0.01pf3.1.3 计算谐振回路与耦合线圈的参数输出采用L型匹配网路，Rp 110 ,RlRp(1 Ql2)RlQl511.076QlQlRl1.076 51LpR.106H 1.46 H1(1 I(112) 1.461.07622.72 H1224 2f2LP6 pF 259 pF1Z 22 Z 4 3.1462.72 10匹配网路的电感L为1.46 H ,电容C

32、为259pF。3.1.4 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冗型LC低通滤波器，滤波电感。可按经验取50100滤波电感一般取 0.019综合上述设计，得参考电路如图3-1所示xnx6.郸 1rlIN ClOHH0, 01 j图3-1总电路图图中，其丙类高频功率放大器 BG3部分与图2-1相同。BG1、BG2是两级甲类前 置放大器，C2、C6用以调谐，A、B端点用作为这两级的输出测试点。BG3为末级丙 类功率放大器，当K4断开时可在C、D间用入万用表（直流电流档）,以监测IC0值。 同时，E点可近似作为集电极电流iC波形的测试点（R10=10Q , C9=100pF,因而C9

33、并 未对R10构成充分的旁路）。K1K3用以改变集电极负载电阻。3.2 高频功放外部特性(1)高频功率放大器的负载特性谐振功放的直流电源 VBB、VCC及激励电压Vbm不变时，放大器的输出电流Ico、 Icm1,输出电压Vcm及功率、效率随负载变化的特性，称为放大器负载特性。(2)高频功率放大器的振幅特性谐振功放的直流电源 VBB、VCC及负载RL不变时，激励电压Vbm变化时，放大 器的输出电流Ico、Icm1,输出电压Vcm及功率、效率随Vbm变化的特性，称为放大器 的振幅特性。(3)高频功率放大器的调谐特性谐振功放的外部电流Ico、Ieo和输出电压Vcm及功率、效率随回路调谐电容(或 电感

34、)变化的特性，称为放大器的调谐特性。3.3 仿真与性能测试3.3.1 仿真电路和波形仿真电路如图3-2所示:仿真波形如图3-3所示:图3-2高频功放的仿真电路图图3-3高频功放的仿真波形3.3.2 性能测试测试电路框图如图3-4所示:图3-4高频功放的测试框图测试条件：Vcc=+12V, RL =75 Q,输入信号频率=谐振频率fo 使高功放处于最佳谐振状态。按表2-3所列要求，测试并记录相应的数据。 表2-3实测计算PoPc”0.011.01 97%Fo=实测Rl=75QVbVeVceViVoIoIcP=丙 类放大0.020.8411.642.500.0285961.01器mA mA依据测试

35、数据，计算出本谐振功率放大器的主要性能指标。其中：Vi:输入电压峰峰值(BG3基极处)Vo：输出电压峰一峰值 (BG3的输出)Io:发射极直流电压+发射极电阻值(10Q)Ic:集电极回路测量的电流P=:电源供给的直流功率(P= = Vcc*Io)Pc：为管子损耗功率(Pc= IcVce)Po：输出功率 (po=1/2(Vo2/RL)刀：高功放效率(po/p=)3.4 实物与调试图3-5高频功放电路板实际测量也能得到信号的放大。4 .小结体会在本次综合设计选修课的学习与实践中，我掌握了了高频电子线路设计的相关知 识，系统地学习了高频小信号放大器、LC和晶体振荡器以及高频功率放大器的电路原 理及工

36、作条件、性能参数指标有了更深的了解。在这种分组形式中，我们不仅学会了仿真、电路板焊接及调试技能，还有了更多的 合作意识。在同学的互相帮助和老师的悉心指导下，我们顺利的完成了设计和电路调试。 本次设计主要是进行三点式反馈振荡器与晶体振荡器的设计与制作，在焊接电路之前， 通过原理学习，设计了基本的电路图，然后在 multisim上进行仿真设计，结果发现没有 出来想要的结果，通过思考与分析，从新确定了参数，反复修改，最后测出来了波形。 进行电路的焊接时，虽然电路并不复杂，焊接起来也比较容易，但调试就是挺难的过程 了。我们当时调试了好几个小时，虽然效果并不理想，但检查出来了很多焊接错误， LC 和晶体管振荡器的第一个三极管放大倍数由一开始的为零，调出了正确结果，第二天在 老师帮助下又检查出一个漏焊点，补上后就得到了理想频率的波形，得到了满意的结果。通过这次的实际动手，我学会了如何设计电路，加深了理论与实际之间的联系，巩 固了基本知识，增强了动手能力，收获