基于Multisim的高频放大器的设计与分析毕业论文设计
学校代码： 11059
学号：0905076032
Hefei University
毕业论文（设计） BACHELOR DISSERTATI ON
论文题目：基于Multisim的高频放大器的设计与分析
学位类别：工学学士
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基于Multisim的高频放大器的设计与分析
中文摘要
我们知道，无线通信接收设备的接收天线接收从空间传来的电磁波并感应出的高频信号的电压幅度是（μV）到几毫伏（mV），而接收电路中的检波器（或鉴频器）的输入电压的幅值要求较高，最好在1V左右。这就需要在检波前进行高频放大和中频放大。为此，我们就需要设计高频小信号放大器，完成对天线所接受的微弱信号进行选择并放大，即从众多的无线电波信号中，选出需要的频率信号并加以放大，而对其它无用信号、干扰与噪声进行抑制，以提高信号的幅度与质量。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。
本次设计以理论分析为依据，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。此次设计的指标为：输入中心频率为4MHZ的正弦波，通频带≥100KHZ，增益≥40dB。
关键词：高频小信号、谐振放大器、谐振频率、通频带、矩形系数、电压增益
Design and analysis of high frequency amplifier based on Multisim
ABSTRACT
We know that the radio communication receiving apparatus receiving antenna electromagnetic waves coming from space, and senses the voltage amplitude of the high frequency signal is (μV) to several millivolts (mV), and the receiving circuit of the detector (or the frequency discriminator unit) of the input voltage amplitude higher, preferably about 1V. This requires high-frequency amplification and detection prior to the IF amplifier. To this end, we need to design high-frequency small-signal amplifier, the completion of the weak signal received by the antenna to select and amplify, from numerous radio wave signal, select the desired frequency signals to be amplified, and other unwanted signals, interference and noise suppression to improve the quality of the amplitude of the signal. The transistor collector load is typically composed of a parallel LC resonant circuit. Since the impedance of the LC parallel resonant circuit with frequency changes, can be analyzed in theory, at the resonant frequency of the parallel resonant presented purely resistive, and the maximum. The amplifier circuit has a resonant frequency will be the maximum voltage gain. If you deviate from the resonant frequency, the output gain is reduced. In short, the tuning amplifier only has the specific frequency signal amplification effect, but also plays the role of filtering and frequency selection.
The design is based on a theoretical analysis, based on the actual production, with the LC oscillator circuit for the assistance, to eliminate high frequency amplifier to achieve self-oscillation and accurate frequency selection; plus other circuits to achieve impedance matching amplifier before and after class. The design of indicators: input 4MHZ center frequency sine wave pass-band 100KHZ, gain 40dB.
KEY WORDS: High-frequency small-signal; The resonant amplifier; The resonant frequency; Pass-Band; Rectangular coefficient; Voltage gain
目录
第一章 绪论 ................................................................................................................................................. 1 1.1 背景及意义 ........................................................................................................................................ 1 1.2 Multisim 软件的简单介绍 ................................................................................................................ 1 1.3 设计过程及工艺要求 ......................................................................................................................... 2 1.3.1 基本参数 .................................................................................................................................... 2 1.3.2 主要组成部分 ............................................................................................................................. 3 第二章 电路的基本原理和性能指标 .......................................................................................................... 4 2.1总体设计电路方框图 .......................................................................................................................... 4 2.2高频小信号调谐放大器的原理分析 ................................................................................................... 4 2.3小信号调谐放大器的主要质量指标 ................................................................................................... 5 2.3.1谐振频率 . (5)
2.3.2谐振增益（
V A ） (6)
2.3.3通频带 ......................................................................................................................................... 6 2.3.4选择性 ......................................................................................................................................... 8 2.4晶体管高频小信号等效电路与分析方法 ........................................................................................... 8 第三章 电路设计方案的选择与参数计算 .............................................................................................. 12 3.1电路设计方案 ................................................................................................................................... 12 3.1.1方案一：单级谐振放大电路的设计 ......................................................................................... 12 3.1.2方案二：多级谐振放大电路的设计 ......................................................................................... 13 3.1.3方案选择 ................................................................................................................................... 15 3.2多级谐振放大电路的设计和分析 ..................................................................................................... 15 3.2.1电路设计分析 ............................................................................................................................ 15 3.3电路参数的计算................................................................................................................................ 16 3.3.1设置静态工作点 ........................................................................................................................ 17 3.3.2谐振回路参数计算 .................................................................................................................... 17 3.3.3确定耦合电容与高频滤波电容 . (19)
第四章高频谐振放大器电路测试结果分析 (20)
4.1仿真测试结果分析 (20)
4.1.1测量并调整放大器的静态工作点 (20)
4.1.2谐振频率的调测与技术指标的测量 (21)
4.2高频小信号谐振放大器的硬件实现 (23)
4.2.1多级放大器的PCB图 (23)
4.2.2电路元器件的安装 (23)
4.2.3放大器的焊接 (25)
4.3实际测试结果分析 (26)
4.3.1放大器实际测试环境 (26)
4.3.2放大器实际调试及结果分析 (27)
第五章总结： (32)
参考文献 (34)
致谢 (35)
附录1： (36)
附录2： (39)
第一章绪论
1.1 背景及意义
放大高频小信号（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，称为高频小信号放大器。高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。所谓谐振放大器，就是采用谐振回路作负载的放大器。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。高频小信号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，从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的[1]。高频小信号放大器的分类：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;按频带分为：窄带放大器、宽带放大器；
按电路形式分为：单级放大器、多级放大器;按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器；
1.2 Multisim软件的简单介绍
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力[6]。特点如下
（1）可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；
（2）所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上；
（3）所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。
仿真的内容：
（1）、器件建模及仿真；
（2）、电路的构建及仿真；
（3）、系统的组成及仿真；
（4）、仪表仪器原理及制造仿真。
器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件：
模拟器件（二极管，三极管，功率管等）；
数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）；
FPGA器件。
电路的构建及仿真：
单元电路、功能电路、单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真。系统的组成及仿真：Commsim是一个理想的通信系统的教学软件。它很适用于如‘信号与系统’、‘通信’、‘网络’等课程，难度适合从一般介绍到高级。使学生学的更快并且掌握的更多。
C ommsi含有200多个通用通信和数学模块，包含工业中的大部分编码器，调制器，滤波器，信号源，信道等，Commsim中的模块和通常通信技术中的很一致，这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术[8]。
要观察仿真的结果，你可以有多种选择：时域，频域，XY图，对数坐标，比特误码率，眼图和功率谱。
仪表仪器的原理及制造仿真：可以任意制造出属于自己的虚拟仪器、仪表，并在计算机仿真环境和实际环境中进行使用。
PCB的设计及制作：产品级版图的设计及制作[6]。
1.3 设计过程及工艺要求
1.3.1 基本参数
●谐振频率4MHZ
●电压放大100倍以上
●增益 40dB
●通频带 100KHZ
●稳定性好
1.3.2 主要组成部分
●高频小功率晶体管：9018 ●选频网络：LC并联谐振回路●放大方式：射级偏置电路
●缓冲电路：射级跟随器
●耦合输出
第二章电路的基本原理和性能指标
2.1总体设计电路方框图
图2.1电路设计方框图
2.2高频小信号调谐放大器的原理分析
（1）高频放大电路
放大电路部分采用的是基极分压式射级偏置电路。因为在实际应用中，电源电压的波动、原件参数的分散性及元件的老化、环境温度变化等，都会引起静态工作点的不稳定，影响放大电路的正常工作。这当中属环境温度变化的影响最大。采用基极分压式设计偏置电路的好处在于当温度升高时电路能自动地适当减小基极电流，就不会使得放大电路中的集电极静态电流随温度升高而增加导致Q点随温度变化。
高频小信号放大电路中采用的高频小功率晶体管与低频小功率晶体管不同，主要区别是工作截止频率不同。低频晶体管只能工作在3MHz以下的频率上，而高频晶体管可以工作在几十到几百兆赫兹，甚至更高的频率上。目前高频小功率晶体管工的作频率可达几千兆赫，噪声系数为几个分贝。高频小功率晶体管的作用与低频小功率晶体管一样，工作在甲类工作状态，起电流放大作用[2]。在此我们选用9018高频功率管，其工作频率大于600MHz。
（2）LC并联谐振回路
在接收机的各级高频小信号放大器中，利用LC并联谐振回路的选频作用，对谐振点频率的电流信号呈现较大的阻抗，而且是纯电阻性的，将电流信号转换成电压信号输出，而对失谐点频率的电流信号呈现很小的阻抗，抑制失谐点频率电流信号的输出，起到选择出所需接收的信号，抑制无用的信号和干扰的目的[4]。
本次设计的电路为共发射极接法的两级晶体管小信号调谐回路谐振放大器。在两级
放大之间加上缓冲电路，这里我们用射级跟随器作为缓冲电路。隔离前后级的相互干扰,保证电路的正常工作它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此，晶体管的集电极负载为LC 并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数会影响放大器的输出信号的频率或相位[9]。
2.3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和测量方法主要包括以下几个方面： 2.3.1谐振频率
放大器的谐振回路谐振时所对应的频率0f 称为谐振频率。0f 的表达式为：
0f =
式中，L 为谐振放大器电路的电感线圈的电感量；C ∑为谐路的总电容，C ∑的表达式为：
2212oe ie C C p C p C ∑=++
式中，oe C 为晶体管的输出电容；ie C 为晶体管的输入电容。
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 。
谐振频率0f 的测试步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为0f ，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变电容C 或电感L 使回路谐振。LC 并联谐振时，直流毫安表mA 的指示为最小（当放大器工作在丙类状态时），电压表指示值达到最大，且输出波形无明显失真[11]。这时回路谐振频率就等于信号发生器的输出频率[12]。
2.3.2谐振增益（V A ）
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0f 下，输出电压与输入电压之比。0V A 的表达式为
1212002
2
12fe
fe V i oe ie p p y p p y V A V g p g p g G
∑--=-
==++ 式中，g ∑为谐振回路谐振时的总电导。要注意的是fe y 本身也是一个复数，所以谐振时输出电压0V 与输入电压i V 相位差不是180o 而是为180o+ fe φ。
V A 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i V 和输出信号0V 大小，利用下式计算：
o
v i V A V = ，则电压放大分贝数定义为20lg o i V K V ??= ???
另外，也可以利用功率增益系数进行估算：
o p i
P
A P = 10lg o Ap
i P K
p ??= ???
2.3.3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/V o i A V V =下降到谐振电压放大倍数0V A 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2Δf0.7 表示，有时也称0.72f ?为 3dB 带宽[10]。
通频带带宽：
0.7
02/H L BW f f f
f Q =-=?=
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0f 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0f 及电压放大倍数0V A ，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[5]。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 2.2所示。
图2.2 放大器的通频带和谐振曲线
2.3.4选择性
调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数K v0.1时来表示，矩形系数K v0.1为电压放大倍数下降到0.1 A V0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707 A V0时对应的频率偏移之比，即
0.1
0.1
0.7
0.1
2/22/v K
f
f
f
BW =??=?
上式表明，矩形系数K v0.1越小，谐振曲线的形状越接近矩形，选择性越好，反之亦然。一般单级调谐放大器的选择性较差（矩形系数0.1V K 远大于1），为提高放大器的选择性，通常采用多级单调谐回路的谐振放大器。可以通过测量调谐放大器的谐振曲线来求矩形系数0.1V K 。
2.4晶体管高频小信号等效电路与分析方法
因为放大器由信号源、晶体管、并联谐振回路、和负载阻抗并联组成，采用导纳分析比较方便。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2.3所示的Y 参数等效电路图：
f
图2. 3 Y 参数等效电图
210
1|
i v I y V ==
称为输出短路时的输入导纳；
110
2
|r v I y V ==
称为输入短路时的反向传输导纳；
220
1|
f v I y V ==
称为输出短路时的正向传输导纳；
120
2
|o v I y V ==
称为输入短路时的输出导纳；
计算得到如下结果：
re fe i ie oe L y y Y y y Y =-
+，
re fe o oe ie s y y Y y y Y =-
+
21
fe v oe L
y V A y Y V =
=-
+
,其中oe Y 为晶体管的输出导纳；L Y 为负载导纳。
re y 表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）；
fe y 表示输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）；
fe
y 越大，表示晶体管的放大能力越强，re y 越大，表示晶体管的内部反馈越强。re
y
的存在，对实际工作带来很大危险，是谐振放大器的根源，同时也使分析过程变得复
杂，因此尽可能使其减小，或削弱它的影响。
Y 参数的缺点：随频率变化，不涉及晶体管内物理过程。 Y 参数的优点：分析电路简单。
相比Y 参数，混合π等效电路中各个原件在很宽的频率范围内都保持常数，但在电路分析上不够方便[3]。如图2.4所示：
'b c C
图2.4 混合π等效电路图
图中：
'b e c 是发射结电阻；
'b c
r 集电结电阻；
'b e
c 是发射结电容；
'b c
c 集电结电容
'
bb r 基极体电阻；
'm b e
g V 代表晶体管的电流放大作用；ce r 集射极间电阻；
ce c 集射级电容；
高频电路取长补短合成这两个等效电路，用混合π参数表示的 Y 参数：
2'1
01''|1b e ie V bb b e
Y I y V r Y ==
+
; 22
01''|1m fe V bb b e
g I y I r Y ==
+ ; be
C
b 'bb r
'b c
r 'b 'b e
C bc C
'b c r
'm b e
g V
cc r ce
C c
1'1
02''|1'b c fe V bb b e
j C I y V r Y ω==
-+
; 1'2
'02''|11'm bb oe b c V bb b e g r I y j C I r Y ω=??=+ ?+?
?
;
其中'''b e b e Y j C ω=，'''()b e b e b c Y j C C ω=+。
第三章 电路设计方案的选择与参数计算
3.1电路设计方案
高频小信号放大器的功能就是无失真的放大某一频率范围内的信号。对高频小信号放大器的基本要求是：
（1）、增益要高，即放大倍数要大。
（2）、频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用Q 值来表示，带宽210.7
2BW f f f
=-=?，品质因数00.7
/2Q f f
=?。
（3）、工作稳定可靠，即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。
（4）、阻抗匹配。
3.1.1方案一：单级谐振放大电路的设计
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[9]，设计参考电路见图3.1所示。
图3.1 单级谐振放大器电原理图
3.1.2方案二：多级谐振放大电路的设计
考虑到放大器的通频带和放大器的稳定性等因素，单级调谐放大器的电压增益不能做得很高，当需要较大电压增益时，就需要多级放大器级联来实现。
多级放大器时，必须处理好各项指标之间的矛盾，包括合理地选择电路形式，半导体器件类型和谐振回路的参数。为了减少级数和简化电路，一般都采用增益较大的共发电路。电路形式锁定以后，根据对增益的要求和每级放大器可能达到的稳定增益，确定放大器的级数。然后根据通频带和选择性的要求，确定选用谐振电路的形式和谐振回路的个数[7]。 多级放大器中的每级增益都受到最大稳定增益的限制。 （1）、多级单调谐放大器的电压增益
设有n 级单调谐放大器级联，且各级的电压增益相同，即 123u u u un A A A A === 则级联后放大器的总电压增益为 ()1231n
u u u u un u A A A A A A ∑==
（2）、多级单调谐放大器的通频带
多级放大器级联后的幅频特性曲线如图3.2所示，级联后总的通频带要比单级放大器的通频带窄。级数越多，总通频带越窄。
图3.2 多级单调谐放大器的幅频特性曲线图
多级放大器的总通频带为