高频课程设计

高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，常作为选频放大器，它所放大的信号频率在数百千赫到数百兆赫。高频小信号放大器是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，所谓“小信号”，一是信号幅度足够小，使得所有有源器件（晶体三极管，场效应管或IC）都可采用二端口Y参数或线性等效电路来模型化；二是放大器的输出信号成线性比例关系。从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出频谱是相同的。 高频小信号放大器的分类

（1）按放大器件分为：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器； （2）按频带分为：窄带放大器、宽带放大器； （3）按电路形式分为：单级放大器、多级放大器； （4）按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器；

高频小信号谐振放大器电路除具有放大功能外，还具有选频功能，即具有从众多信号中选择有用信号、滤除无用的干扰信号的功能。从这个意义上讲，高频小信号写谐振放大电路又可视为集放大、选频于一体，由有源放大元件和无源选频网络组成的高频电子电路。主要用途是做接收机的高频放大器和中频放大器。

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第2章 设计任务书

2.1 课题 高频小信号谐振放大器的设计和测试

2.2设计目的

1、了解LC串联谐振回路和并联谐振回路的选频原理和回路参数对回路特性的影响；

2、掌握高频单调谐放大器的构成和工作原理；

3、掌握高频单调谐放大器的等效电路、性能指标要求及分析计算； 4、掌握高频单调谐放大器的设计方案和测试方法。 2.3设计要求和技术指标

1、技术指标：

(1) 放大器工作频率：f0300MHz或fo6.9MHz； (2) 通频带：BW7.2MHz； (3) 电压增益：20dB或30dB。 2、设计要求

(1)设计一个单级、双级小信号调谐放大电路； (2) 设计一个双调谐共发射极谐振放大器； (3) 要求绘出原理图，并用Protel画出印制板图；

(4) 根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数； (5) 在万能板或面包板上制作一个单级(或双级)小信号调谐放大电路； (6) 拟定测试方案和设计步骤； (7) 写出设计报告。

2.4实验仪器提示

（1） 高频信号发出生器 1台 （2） 数字万用表 1只

（3） 数字电压表 1只 （4） 面包板或万能板 1块 （5） 智能电工实验台 1台 (6) 示波器 1台

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2.5设计报告要求

1、选定设计方案；

2、拟出设计步骤，画出电路，分析并计算主要元件参数值； 3、测试电路及步骤； 3、列出测试数据表格。

2.6设计总结

1、总结高频调谐放大器的设计方法和运用到的主要知识点，对设计方案进行比较；

2、主要参数的理论计算；

3、主要参数的测试数据，输出仿真波形； 4、误差分析； 5、设计总结及体会。

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第3章 参数计算

3.1 单调谐回路共发射极谐振放大器

使用一个LC调谐回路作为集电极负载的调谐放大器，称为单调谐放大器，其基本电路如图3.1所示。图中Rb1，Rb2，Cb，Re，Ce等组成直流偏置电路，直流工作状态的分析方法与《模拟电子技术基础》课程所介绍的分析方法相同。在交流等效电路中，由于晶体管的输入，输出导纳与调谐并联，使回路Q值降低，回路谐振频率也改变。为使电路获得最大的功率增益，还要求放大器前后级之间阻抗匹配。因此，实际应用中，调谐回路与本级晶体管之间常采用自耦变压器，而放大器则采用变压器耦合等方式。图3.1中Tr2初级采用部分接入方式，以减小VT1的输出导纳Yoe对回路的影响，而VT1与VT2之间的信号传递则采用变压器互感耦合。

VT1VT2

图3.1 单调谐放大器

(a)

(b)

图3.2 单调谐放大器等效电路

1．等效电路与电压增益

(1) 等效电路

以调谐放大器原理电路进行分析。为了分析简便，暂不考虑晶体管内部反馈的影响。图3.2(a)

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是图3.1的Y参数等效电路，图中g1.2表示R1和R2并联后的总的电导，g0表示空载回路的损耗电导，gi2和Ci2分别表示下级放大器的输入电导和输入电容，其中虚线框内是晶体管的Y参数模型。

为等效信号源电流；Y为信号源导纳；Y，Y，Y，Y是T1的参数；Y是VT输入Ire1oe1ie2sie1fe12S导纳，也是VT1集电极等效负载的一部分。GP是VT1集电极调谐回路损耗电导；n1是初级回路自耦变压器的接入系数；次级之间变压器耦合的接入系数。下一级放大器的输入导纳Yie2n2是初、和回路导纳都等效为T1集电极等效负载导纳YL' YL'1n1212 (3-45) gjCnY12ie2PjL2gi'2n2gi2，

'2将3.2(a)图中的参数这算到回路两端即得goe1n1goe1,'2'2coenc,cn11oe1i22ci2。

晶体管的等效电流源yfeUs等效到回路两端为p1yfeUs,n1和n2分别为初次级的接入系数，因为通常有gsg1.2 ，所以把g1.2忽略。

有上述可得图3.16(a)的简化结果如图3.2 (b)所示。图中g'gon1goe1n2gi2，

2c'cn12coe1n2ci2，其中n1L1/L,n2M/L,如可看成全耦合时

22n1N1/N,n2N2/N。

(2) 电压增益

/U，由图3.2(a)与3.2 (b)根据图3.2(a)，现在要求出gi2两端的增益，已知KVUOSnyUnUU可知，由U1feS/YL。因此 O2O可推得O/Yn2n1yfeUn1n2Yfen1n2YfeUn2USLoo KV （3-46） '2USUSUSn1(Yoe1YL)n1Yoe1YL式中YL'为回路两端的等效导纳，符号表示输出电压的正方向与等效电流源的正方向相反。当回路谐振时，YL'g'，这时的电压增益为

|Kvo|n1n2|yfe|/g （3-47）

式（3-47）是小信号单调谐放大器的基本公式。

若令p1p21,gm|yfe|,RL1/g'， 则有

|Kvo|gmRL （3-48）

上式与低频放大器的电压增益公式相似。式（3-47）中的yfe与晶体管的直流工作点有关，在工程计算中可近似认为|yfe|gmICQ/26(S)。

式（3-47）中的g是一项最灵活的参量，由电路基础知识可知，在并联谐振回路中有 QLg'1 （3-49）

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'式中为回路的波阻尼（或称特性阻抗），(L/C')1/2。可推得：QLPC'/g。

图3.3 放大的通频带

当只考虑谐振时的情况时，其功率增益为

Kp0（负载gi2所得到的功率）/（信号源送给放大器的功率）

|Kvo|2gi2/goe1 （3-50）

将Kv0代入上式，得

2Kpon12n2|yfe|gi2/g'2g （3-51）

式（3-47）及式（3-50）是小信号单调谐放大器最基本的增益公式。 在放大器中心频率附近，电压增益Kvo与正向传输导纳yfe成正比，与晶体管的gie、goe及回路损耗gL成反比。当晶体管选定，gie、goe及yfe已为定值时，要获得尽可能大的Kvo，可以通过改变n1，n2来实现。同时应该注意到Yfe为一复数，它具有相位角fe，因此在谐振时，共射极单调谐放大器输出电压与输入电压之间的相位差为（180fe）。

2．通频带

单调谐放大器KV/KV0随频率f而变化的曲线如图3.4(a)所示，称为放大器的谐振曲线，即

KV/KV01/(1(2Qef/f0))1/1 (3-52)

其中，令Qe2f/f0，称为广义失谐。 如果令 |22Kv11|

2Kvo21即可求得通频带B为

B2f0.7f0 (3-53) Qe显然通频带与工作频率成正比，与回路的有载质量因数成反比。

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图3.4 单调谐放大器的频率特性

3．矩形系数

单调谐放大器的选择性用矩形系数K0.1表示。 令|Kv11|0.1求得21100,10。

2Kvo101这说明单调谐放大器谐振曲线与理想矩形曲线相差很较大，选择性较差利用与上述同样的方法，可以求得2f0.110f0/Qe，同理可得2f0.01100f0/Qe。所以单调谐放大器的矩形系数为

Kr0.12f0.1/2f0.710 （3-54） Kr0.012f0.01/2f0.7100 （3-55） 理想的矩形系数应等于1，由于单调谐放大器的矩形系数远大于1，所以其选择性不好，抑制邻道干扰的能力很差。

3.2 双调谐回路放大器

前面所讨论的单调谐回路具有选频作用和阻抗变换作用，其优点是结构简单，易于调整。但是，单调谐回路的谐振曲线在通频带内不够平坦，选频特性不理想，阻抗变换也不灵活。因此，在实际电路中，为了进一步改善回路的选频特性和阻抗变换性能，广泛采用两个或两个以上的单调谐回路，通过各种耦合方式传输信号，如电感耦合，互感耦合，电容耦合及混合耦合等方式，通常称它们为耦合回路。最常用的是互感耦合和电容耦合。如图3.5所示，图中接有信号源的回路称为初级回路，接入负载的回路称为次级回路。初次级回路一般都是谐振回路，所以统称为双调谐回路。下面我们以图3.5（a）为例进行分析。

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(c)

图3.5双调谐耦合电路

1.耦合系数

耦合系数通常用来表示两个回路的耦合程度。定义为

K

ML1L2 (3-60)

为了方便分析，在图3.19（a）中，假定初、次级回路的参数相同，L1L2L，r1r2r，

C1C2C，于是有fP1fP2fP，QP1QP2Q，这时耦合系数KML是一个小于

1的无量纲常数。

2.互感耦合双回路谐振曲线

为了分析互感耦合双回路谐振曲线，即选频特性曲线，由图3.5（a）列出回路方程如下：

UsI1r1

1jL1CjMI21 (3-61)

10jI1MI2r2jL2C2 (3-62)

将上式中r，L，C在谐振点附近，用回路的广义失谐来表示，也就是说，将回路的阻抗表示为

1ZrjLr1C1LCjr

ffP1jQr(1j)ffP

式中回路广义失谐

Q且令KQ，可求得

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2ffP

I22I2m(122)42 (3-63)

式（3-63）是双回路的谐振曲线表示式，与式（3-55）相比较，但式（3-63）仍然是的函数，中多了一个参数。KQ称为回路耦合因数，K表示回路的耦合程度。选择不同的值，可改变谐振曲线的形状。根据式（3-63）绘出次级回路的谐振特性曲线如图3.6所示。

3.通频带与选择性

由图3.6可以看到，不同的值，谐振曲线的形状也有所不同。时，谐振曲线为单峰，这种情况称为弱耦合，与单调谐回路相比，弱耦合未能显示出其优越性，因而在实际中很少应用。

图3.6 双回路谐振特性曲线

1时，谐振曲线也是单峰曲线，但其谐振峰值达到了最大值，这种情况称为临界耦合。

在1时，令12，由式（3-63）得

2/42可求得通频带

BW0.72fpQ （3-）

与式（3-17）相比较，可看到，双调谐回路在临界耦合时的通频带BW0.7是单调谐回路通频带的2倍。再令0.1，则由式（3-63）可求得

BW0.14.5fpQ (3-65)

于是可求出当1时，双调谐回路的矩形系数为

K0.1BW0.13.16BW0.7

显然，1时，谐振曲线虽为单峰曲线，其选择性却较单调谐回路的选择性更接近于理想

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选频特性。

1时，谐振曲线顶部出现凹陷，呈双峰状态。在0处，曲线凹陷最深，这种情况称为强耦合。为表示谐振曲线的中心的凹陷程度，令式（3-63）中0，求出的值，并用符号表示。称为中心凹陷量，有

212 (3-66)

的值随耦合因数的增大而减小。1时，=1（0dB），这时曲线中心没有凹陷，1时，

1，表示曲线中心出现凹陷，越小，曲线中心凹陷越深。

1时，通频带的计算方法仍与1时相同。由式（3-63），令12，可求得

BW0.7221fPQ (3-67)

上式中，若1，则式（3-67）就是（3-65）式。（3-67）表明，在fp和Q值一定的情况下，

增大，则通频带也加宽，值减小，即谐振曲线凹陷越严重。因此，必须注意，所谓通频带，

是指在通带内0.707。引用式（3-67）时应限定3dB，2.41，由此可求出互感耦合双调谐回路可能得到的通频带在2.41时的最大值为

BW0.73.1fpQ (3-68)

此时，回路的矩形系数为K0.12.3。显然，双调谐回路在2.41时的选择性较1时的选择性更好，但这时曲线顶部出现凹陷。对图3.19（c）所示电容耦合回路，其耦合系数为

K

CM(C1CM)(C2CM) (3-69)

若初、次级回路参数相同，即L1L2L，C1C2C及g1g2g，则

KCMCCM

3.3 双调谐共发射极谐振放大器

这种放大器的负载是由两种互相耦合的谐振回路组成的。如图3.21所示。其中图3.21（a）为电容耦合双调谐中频放大器，图3.21（b）为电感耦合双调谐中频放大器。为了生产方便，两个回路的L、C和Qe通常都相同，两个回路通常都调谐于中频，回路的调谐一般是通过电感的磁粉芯来实现的。这两种线路分析方法相同。下面仅以电容双调谐放大器为例以分析。由于双调

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谐放大器与单调谐放大器有许多相似之处，本节着重介绍其与单调谐放大器不同的地方。

1. 原理电路和等效电路

电容耦合双调谐放大器的原理电路如图3.7（a）所示。图中R1、R2、R3是偏置电阻，C2、

C3是旁路电容，R4、C4组成电源滤波电路，负载由两回路组成，C12为两回路的耦合电容器。

两个回路都调谐在中频，因此两回路的L、C采用相同的数值，回路的空载Qe也相等。

(a)

(b)

图3.7小信号双调谐放大器

图3.8 双调谐放大器的Y参数等效电路

忽略内反馈的影响，图3.21（a）折合到回路两端简化的Y参数等效电路如图3.8所示。图

'2'中p1N1/N，p2N2/N，g1g0p2gi2，C1'Cp12Coe1，g0p12goe1，g2'''22'2C2Cp2Ci2。一般取p1、p2满足条件：p1goe1p2gi2，则有g1g2g，设有

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2Cp12Coe1及Cp2Ci2，则有通过以上的简化得到图3.8，它是一个等振等Q的双调谐等效

电路。

2. 增益

①推导过程

由图3.8可列出电流方程

yUy(UU')(yy)UyUI11c12c1c2  (3-70)

yc(U2U1)ycU1(yyc)U20yU2式中ycjC12，yg'(1j)，因为CC12，所以式（3-69）为

yUyUI11c2  (3-71)

0ycU1yU2化简得

y(yy)2U I1cc2代入式 即得 再将ycjC12，yg'(1j)，I1p1yfeUs (p1p2yfeUs)jC12[(g'jg')2(jC12)2]U2所以有

U2Us(p1yfejc12)g(1j)22(jc12)2

② 基本公式

pU由U222得放大器的电压增益为

jC'C12)()yfeU2p2U2'g'C'KVp1p2CC122g'UsUs[(1j22)(')] g'C'yfejp1p2g(122)2j(其中kcc12c成为耦合系数，代表初次级回路的耦合程度：Qec'g'，代表回路的有载

质因数。令Qekc，称为耦合参数。显然即反映了两回路的耦合特性，也反映了两回路本身的电路特性，我们在分析回路时，常用耦合参数来表示两回路的耦合程度。将代入上式得 KVp1p2yfeg'j (3-72)

(122)j212

取模值为

KVp1p2yfeg(1)42222 (3-73)

当与取不同值时，上式有不同的形式。 当广义失谐0，耦合参数1时， KV0当0，1时，

KV0谐振时的功率增益为

KpoKV2yfe1p1p2 (3-74) 2gyfe12p1p2 (3-75) 2g12gi2goe1 (3-76)

在考虑谐振情况时，式（3-74），式（3-75），式(3-76)为双调谐放大器的基本增益公式。

3. 通频带

由式(3-72)可知，当0，1时 KVyfe12p1p2 (3-77)

22g4式（3-74）是常用的匹配增益公式，将式（3-75）与式(3-77)相比得

KVKV0244 (3-78)

KV1令 KV02有4

即得通频带B为

B2f0.70742f0 (3-79) Qe因此，若两个回路各自的有载Qe与工作频率相同时，临界耦合双调谐放大器的通频带是单调谐放大器的2倍。

4. 矩形系数

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首先仍讨论1的情况，取

KV0.1 KV0则有

2441 1044400

4.46

因此有

Kr0.12f0.12f0.7074.46f0Qe3.16 (3-80) f02Qe在单调谐放大器中，Kr0.110 ，可见，在1时，单级双调谐放大器比单级单调谐放大器的矩形系数更接近于1，即其谐振曲线形状比单调谐更接近于矩形。这是双调谐放大器的主要优点。

双调谐放大器的谐振曲线，即指

KV~的关系曲线，将式（3-73）与（3-74）相比得 KV0

KVKV02(1)42222 (3-81)

可见，其相对增益是以为参变量，以为自变量的函数，曲线的形状取决于值，故又称值为谐振曲线的形状因子。

由式（3-81）可画出谐振曲线如图3.9所示，其中1234，且21，下面着重分析增益，通频带，矩形系数，调整难易等与的关系。仍是以1时为标准进行比较。为了便于区别，首先令1，0时KV0KV0M。

图3.9 以为参数的谐振曲线

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松耦合时（1）增益较低，通频带较窄，矩形系数较大，故很少采用；紧耦合（1），增益可达到KV0M，调谐较困难，通频带较宽，（愈大，通频带愈宽），矩形系数较小，有通频带的可能（即0，采用较多；临界耦合（1）时，增益较高（0时，KV0KV0M），且调整较容易，其通频带与矩形系数都介于1与1之间，采用最多。

5.带宽与增益的关系

已知，带宽增益积与回路总电导g'无关，但带宽与增益却是一对矛盾，临界耦合的双调谐放大器，其带宽增益积为 KV0MB0.707yfef0p1p2yfe11p1p22 (3-82)

2gQe2c2由式（3-82）可见，双调谐放大器与单调谐放大器一样，带宽增益积都与g'无关，且当放大器的yfe、C、p1和p2确定后，增益与带宽的乘积是一个常数。又由式（3-82）可见，在电路参数相同的情况下，单调谐放大器的带宽增益是双调谐放大器的2倍。然而，若要求有同样的稳定性（即杂散电容的影响），双调谐放大器的C可以取得比单调谐放大器的小，以增大其带宽增益积，甚至大于单调谐放大器。所以，不能仅从公式表面上看谁大看谁小。

综上所述，双调谐放大器比单调放大器的最主要的优点是矩形系数小。而其他方面只有在一定条件下才能进行比较。当然，双调谐放大器也存在严重的缺点，即要求反复调谐两个回路，比较麻烦。另外，两个回路完全等Q也很困难，选择性曲线在调整中稍有偏差就要发生畸变。如图3.10所示。

在短波、超短波通信接收机中，有运用双调谐放大器来提高选择的场合。但是由于它调整困难，许多地方也不得不放弃它的优点，而采用调整比较简单的单调谐放大器和具有集中选择器选择性滤波器的放大器。

'' 图3.10 调整偏差引起的畸变

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第4章 仿真测试

4.1仿真目的

（1）掌握高频小信号谐振放大器的基本工作原理； （2）了解三极管的高频等效电路及谐振放大器的等效电路；

（3）掌握谐振放大器电压增益、通频带、选择性的定义、计算与测试方法； （4）了解高频小信号放大器动态范围的测试方法；

4.2单调谐回路共发射极谐振放大器

1. 仿真原理图

2. 仿真波形图

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4.3双调谐回路放大器

1． 仿真原理图

2. 仿真波形图

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4.4双调谐共发射极谐振放大器

1. 仿真原理图

2. 仿真波形图

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第5章 设计总结

经过将近一个星期的努力，终于完成了高频小信号谐振放大器的设计和测试的课程设计。在设计的初阶段，自己对于这次的设计整体情况还不是很清楚，通过向同学询问和查找资料的方式，我渐渐熟悉了理论知识。然后，根据设计要求设计电路，再进行仿真调试，最终完成设计。 这次课程设计锻炼了我以多种思维方式思考问题的能力。过程中我也发现了自己的一些错漏和不足之处，譬如，遇到后自己不够细心，对于理论知识的运用不够熟练。通过这次课程设计，自己得到了锻炼，能力也有了进一步的提高。

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附录 参考文献

[1] 曹才开.电工技术.北京：清华大学出版社，2007 [2] 熊幸明.电子技术.北京：清华大学出版社，2007 [3] 曹才开.电路分析.北京：清华大学出版社，2004 [4] 曹才开.电路实验.北京：清华大学出版社，2005

[5] 秦曾煌.电工学 上册 电工技术（第五版）.北京：高等教育出版社，1999 [6] 李发海，王岩.

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.北京：清华大学出版社，1994 电机与拖动基础（第二版）