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1、高频电子线路课程设计题目：调相解调（中频放大）班级： 2008级通信姓名： 成绩： 题目：调相解调中频信号放大专业：通信工程 姓名： 指导老师： 摘 要2绪论21.设计任务与要求：32.设计来源：43.设计指标：43.1增益（放大系数）:43.2通频带：43.3选择性:53.3.1矩形系数:53.3.2抑制比:63.4工作稳定性:63.5噪声系数:73.6中心频率74.原理74.1.中频变压器的作用：74.2.LC振荡回路：94.3调谐放大器94.3.1形式等效电路（Y参数等效电路）114.3.2晶体管谐振放大器124.4.三级管的作用154.5.电感的作用164.6.电容的作用164.7.仿
2、真结果图185.中频放大电路参数设计与分析18总结：216.设计体会：22参考文献：23摘 要 首先，明确设计的任务是中频放大电路，它的作用是对小功率中频信号进行功率放大；其次，抓住原理，设计放大器所需的各项技术指标，比如：放大系数即电压或功率放大倍数、通频带、选择性、功能稳定性、中心频率等。然后，介绍了中频放大原理中所涉及到有关形成中频放大电路的各个部分的功能及相应元器件的参数，比如：单级单调谐放大电路的主要构成，包括，LC谐振回路，它在电路中的作用主要是提供振荡频率以及选频，实际电路中运用LC并联谐振回路，输出的波形不产生失真就是根据它的良好的选频作用。中频变压器，与电容组合可形成输入、输
3、出选频网络，同时可以起到阻抗变换的作用，因此，中频变压器也是中放电路的关键元件之一。晶体管谐振放大器，也就是调谐放大器，是中频放大电路中不可或缺的主要部分。它的主要作用就是实现信号功率的放大。在应有理论基础上设计电路并加以总结。最后，得出设计心得。关键词 中频放大，放大，单级单调谐绪论 电子学是一门应用很广的科学技术，发展及其迅速。要学好这门技术，首先是基础理论的系统学习，然后要加技术训练，进而培养我们对理论联系实际的能力，设计电路的能力，实际操作的能力。同时也加深我们对电子产品的理解。本次课程设计的任务是从已调制的无线电信号中将原始信号不失真的还原出来。通常经过调制后得到的高频无线信号通常非
4、常微弱，一般只有几十微伏至几毫伏，直接将它送入检波器进行检波无法正常还原原始信号，所以要在选择性电路和检波器之间插入一个高频放大器，放大信号的同时提高无线接收设备的噪声性能。随后的把高频信号的载波频率变为中频的任务是由混频器来完成，经过混频(或变频)之后的号变成了一个固定的中频信号，需要用中频放大器加以放大，然后进行检波，最终得到原始的信号。经过混频(或变频)之后的收音信号变成了一个固定的中频信号。所以中频放大器是个专门放大中频一个频率信号的放大器。中频放大器不仅要放大信号，还要进行选频，即保证放大的是中频信号。在这一点上，与高频放大器是有所不同的，高频放大器要放大88108M1z一个频段内的
5、调频信号。中频放大器的输出信号要有足够的幅度，以便限幅和鉴频器能正常工作。所以，中频放大器的级数较多。本论文就是对本次解调过程中的中频放大环节进行了阐述，包括整个实验的流程图、实验电路图、中频放大环节的各项重要的技术指标以及设计和仿真中的具体问题。1.设计任务与要求：根据所学知识设计鉴相过程中所用到的中频放大器，将接收到的中频信号通过该放大器能够输出功率较大功率的中频信号，使满足下一级检波器对于输入信号的要求。2.设计来源：接收机接收到的高频无线电信号通常非常微弱，一般只有几十微伏至几毫伏，直接送到检波器不太合适，因此要将高频已调信号的载波频率（fs）先变为频率较低的固定不变的中频（fi）再利
6、用中频放大器加以放大，最后进入检波器进行检波。 而这里所提的中频放大器的作用就是放大中频信号的功率，由于变频后的中频信号的载波频率是固定的，所以中频放大器的谐振回路不需随时调整。3.设计指标：3.1增益（放大系数）:放大器输出电压VO（或功率）与输入电压VI（或功率PI）之比，用AV（或AP）表示。每级放大器在中心频率（谐振频率）及通频带处的增益应尽量大，是满足总增益时级数尽量少。电压增益 AV=VO/VI功率增益 AP=PO/PI分贝表示 AV=20lg(VO/VI) AP=10lg (PO/PI)3.2通频带：由于放大器所放大的一般都是已调制的信号，已调制信号都包含一定的频谱宽度，所以放大
7、器必须有一定的通频带，以便让必要的信号中频谱分量通过放大器。放大器的电压增益下降到最大值的0.7（即1/2）倍时，所对应的频率范围即为放大器的通频带用B=2f0.7表示。如下图所示为放大器的通频带；与谐振回路相同，放大器的通频带取决于回路的形式和回路的品质因数QL。此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变窄。并且，通频带越宽，放大器的增益越小。3.3选择性:从各种不同频率信号的总和中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性，选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。3.3.1矩形系数: 理想情况下，谐振曲线应为一矩形。即在通带内放大量均匀，在通带外不需要的信号得到完全衰减。但实际上不可能
8、，为了表示实际曲线接近理想曲线的程度，引入“矩形系数”，它表示对邻道干扰的抑制能力。矩形系数为 Kr0.1=2f0.1/2f0.7 Kr0.01=2f0.01/2f0.7 (2f0.1 、2f0.01分别为放大倍数下降至0.1和0.01处的带宽，Kr越接近于1越好)3.3.2抑制比:表示对某个干扰信号fn的抑制能力，用dn表示: dn=AVO/An (An为干扰信号的放大倍数；AVO为谐振点f0的放大倍数)3.4工作稳定性:指的是电源电压变化或器件参数变化时，以上参数的稳定程度。一般的不稳定现象是增益变化，中心频率偏移，通频带变窄等，不稳定状态的极端情况是放大器自激，以致使放大器完全不能工作。
9、为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即限制每级增益，选择内反馈小的晶体管，应用中和或失配法等。3.5噪声系数:放大器的噪声性能可用噪声系数表示:NF=(PSI/PNI) / (PSO/PNO) （输入信噪比）（输出信噪比）(NF越接近越好)3.6中心频率中频放大器中心频率的选择不仅影响中频放大器本身的性能，还影响整机性能。它是超外差接收机的重要参数之一，应根据基带占据的频率宽度来选择中频，中频要远大于基带的最高频率，广播接收机的中频选择还要仔细考虑各种组合干扰是否落在中频频带内。中频选择较低时，要保证前置中放的噪声系数小，选频网络的参数变化对宽带相对影响小，中频放大工作稳定。中频较高时，解调
10、时更易滤去残余中频分量，可以减小镜像通道噪声和本振噪声的影响。4.原理中频放大电路对超外差收音机的灵敏度、选择性和通频带等性能指标起着极其重要的作用。4.1.中频变压器的作用：图中Tr1、Tr2为中频变压器，它们分别与C1、C4组成输入和输出选频网络，同时还起阻抗变换的作用，因此，中频变压器是中放电路的关键元件。中频变压器的初级线圈与电容组成LC并联谐振回路，它谐振于中频465kHz。由于并联谐振回路对谐振频率的信号阻抗很大，对非谐振频率的信号阻抗较小。所以中频信号在中频变压器的初级线圈上产生很大的压降，并且耦合到下一级放大，对非谐振频率信号压降很小，几乎被短路（通常说它只能通过中频信号），从
11、而完成选频作用，提高了收音机的选择性。 由LC调谐回路特性知，中频选频回路的通频带Bf2- f1f0/QL，式中QL是回路的有载品质因数。QL值愈高，选择性愈好，通频带愈窄；反之,通频带愈宽，选择性愈差。 中频变压器的另一作用是阻抗变换。因为晶体管共射极电路输入阻抗低，输出阻抗高，所以一般用变压器耦合，使前后级之间实现阻抗匹配。实际电路中常采用具有中间抽头的并联谐振回路,如图Z1010（a）所示。（b）是它的等效电路，可以看出，它是由两个阻抗性质不同的支路组成。由于L1、L2都绕在同一磁芯上，实际上是一个自耦变压器。4.2.LC振荡回路：LC正弦波振荡器是用L、C元件组成选频网络的振荡器，一般
12、用来产生1MHz以上的高频正弦信号。根据LC调谐回路的不同连接方式，LC正弦波振荡器又可分为变压器反馈式（或称互感耦合式）、电感三点式和电容三点式三种。稳幅作用是利用晶体管的非线性来实现的。由于LC并联谐振回路具有良好的选频作用，因此输出电压波形一般失真不大。振荡器的振荡频率由谐振回路的电感和电容决定：式中L 为并联谐振回路的等效电感（即考虑其它绕组的影响）。振荡器的输出端增加一级射极跟随器，用以提高电路的带负载能力。4.3调谐放大器以电容器和电感器组成的回路为负载，增益和负载阻抗随频率而变的放大电路。这种回路通常被调谐到待放大信号的中心频率上。由于调谐回路的并联谐振阻抗在谐振频率附近的数值很
13、大，放大器可得到很大的电压增益。而在偏离谐振点较远的频率上，回路阻抗下降很快，使放大器增益迅速减小；因而调谐放大器通常是一种增益高和频率选择性好的窄带放大器。 调谐放大器广泛应用于各类无线电发射机的高频放大级和接收机的高频与中频放大级。在接收机中，它主要用来对小信号进行电压放大，所以大多工作于甲类放大状态。在发射机中它主要用来放大射频功率，因而大多工作于丙类或乙类状态。 调谐放大器的调谐回路可以是单调谐回路，也可以是由两个回路相耦合的双调谐回路。它可以通过互感与下一级耦合,也可以通过电容与下一级耦合。一般说，采用双调谐回路的放大器，其频率响应在通频带内可以做得较为平坦，在频带边缘上有更陡峭的截
14、止。超外差接收机中的中频放大器常采用双回路的调谐放大器。单级调谐放大器的增益与带宽的乘积受到放大器件参数的限制。在器件已选定时，放大器的增益越高，带宽就越窄。为保证有足够的增益和适当的带宽，往往采用几级调谐放大器级联。有时将两级（或三级）放大器的回路分别调谐到两个（或三个）不同的频率上，构成参差调谐放大器。这种放大器具有较宽的频带，总增益较高，但放大器的调整较麻烦。雷达接收机的中频放大级常采用这类放大器。 放大器件的杂散参量对调谐放大器的性能有影响。例如由于晶体管集电结电容CC的反馈作用，可能使放大器工作不稳定，甚至产生自激振荡。通常可用中和的方法加以消除。下图(a)是带中和电路的调谐放大器，
15、CN是中和电容器。输出信号由回路电感L经CN反馈至放大器的输入端,以抵消极间电容CC的内反馈。4.3.1形式等效电路（Y参数等效电路）a)晶体管等效的有源四端网络b）y参数等效电路晶体管在高频运用时，它的等效电路不仅包含着一些和频率基本没有关系的电阻，而且还包含着一些与频率有关的电容，这些电容在频率较高时的作用是不能忽略的。当分析晶体管高频放大时，需采取一种能够反映晶体管在高频时的高频参量及其等效电路。下面介绍形式等效电路的Y参数等效电路。该四端网络在工作时有4个参量，分别是输入电压VI输出电压VO输入电流II输出电流IO，yi，yo，yr，yf为晶体管的短路导纳参数（y参数），可以得出如下电
16、路方程式：l Ii=yiVI+yrVo l Io=yfVI+yoVo式中，yi=Ii/Vi |Vo=0为输出短路时的输入导纳yr=Ii/Vo |Vi=0为输入短路时的反向传输导纳yf=Io/Vi |Vo=0为输出短路时的正向输入导纳yo=Io/Vo |Vi=0为输入短路时的输出导纳注：这是晶体管本身的短路参数，即自参数，它只与晶体管的特性有关，而与外电路无关，所以又称内参数。4.3.2晶体管谐振放大器上图是一个典型的单级单调谐放大器。R1R2R3为偏置电阻，LFCF为滤波电路，该电路采用负压供电，C4L组成LC谐振回路R4是加宽回路频带用的。yie2是下一组的输入导纳，RP是并联回路本身的损耗
17、，通常在实际电路中不画出来。回路采用了抽头接入方式。所谓单调谐回路共发放大器就是晶体管共发电路和并联回路的组合。所以上面分析的晶体管等效电路和并联回路的结论均可应用。l 等效电路分析：Ib=yieVi+yreVcIc=yfeVi+yoeVcIc=Vc YL 单级单调谐放大器的Y参数等效电路YL代表由集电极c向右看去的回路导纳 YL=（gp+jc+1/jL+p22yie2）/p12Vc= Viyfe/(yoe+ YL)Ib=Vi yie yreyfe/(yoe + YL )放大器的输入导纳：Yi=Ib/Vi=yie yreyfe/(yoe + YL)上式，yie为晶体管共发连接时的短路输入导纳，
18、Yi为晶体管接成放大器且接有负载YL的输入导纳，yreyfe/(yoe + YL)为反馈导纳，它会引起放大器的不稳定，在分析放大器的稳定性时将用到，分析其他质量指标时暂不考虑yre。令yre=0，即此刻Yi =yieo l 分析质量指标：电压增益：根据定义： Av=Vo/Vi由于： Vo=P2Vab ， Vc=P1Vab所以： Vo=P2/P1Vc将Vc= Viyfe/(yoe+ YL)带入上式： Vo= P2yfe/P1(yoe+ YL)Vi因此电压增益为： Av=Vo/Vi= P2yfe/P1(yoe+ YL)又 YL= YL/P12 ，而YL= gp+jc+1/jL+p22yie2 (Y
19、L为ab间导纳，YL为ab间导纳)因此： Av= P1P2yfe/ (P12yoe+gp+jc+1/jL+p22yie2 )设yoe=goe + jCoe yie2=gie2 + jCie2 带入上式得： Av=P1P2yfe/ (g+ jC + 1/jL) 一般表达式为：Av=P1P2yfe/ g(1+ j2QLf / f0) QL = 0C/ g ， f0 = 1/ 2(LC） f = ff0 (f为工作频率，f0为谐振频率)g =P12goe + gp + P22gie2 C = C + P12Coe + P22Cie2谐振时，因此小信号单级单调谐放大器的谐振电压增益为：Avo= P1P
20、2yfe/ g = P1P2yfe/ (P12goe + gp + P22gie2)功率增益Apo = 负载上获得的功率Po/信号源送给放大器的功率PiApo = Po/Pi = Avo2 (gie2/gie1)放大器的通频带放大器随f而变化的曲线叫放大器的谐振曲线，如右图所示:Av/Avo=1/1+(2QLf / f0)2当Av/Avo = 1/2 ，得2f0.7 = f0/QL为放大器的通频带。 带宽与增益的关：Avo = P1P2yfe/ g = P1P2yfe / (4f0.7C)设P1、P2=1,则|Avo2f0.7| = |yfe| / (2C)由此可知，带宽与增益的乘积取决于C与
21、|yfe|，C增加则Avo下降，当yfe和C 为定值时则为常数。2f0.7加宽则Avo下降。因此选择管子时应取yfe大些的，C减少，但C也不能太小，否则不稳定电容的影响会增大。 多级放大器的通频带：(2f0.7)M = (f0/QL) (2(1/M) - 1)式中，2f0.7为单级放大器的通频带，(2(1/M) - 1)称为带宽缩减因子，表示级数增加后总通频带变窄的程度。 选择性单调谐放大器的选择性可用矩形系数表示为 Kr0.1=2f0.1/2f0.7当Av/Avo=1/1+(2QLf / f0)2 =1/10时，2f0.7= (f0 /QL) (102 -1)因此Kr0.1 =2f0.1/2
22、f0.7 =(102 -1)9.951所以单调谐放大器的矩形系数比1大得多，选择性较差4.4.三级管的作用直流电压源Vcc应大于Vbb，从而使电路满足放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。改变可调电阻Rb，基极电流IB，集电极电流Ic 和发射极电流IE都会发生变化，由测量结果可以得出以下结论：IE IB IC ( 符合克希荷夫电流定理）。IC IB ? （ ?称为电流放大系数，可表征三极管的电流放大能力）。 IC IB ?。由上可见，三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。4.5.电感的作用电感是用绝缘导线(例如漆包线,沙包线等)绕制而成的电磁感应元件。l 电感的作用:通直流阻交流这
23、是简单的说法，对交流信号进行隔离,滤波或与电容器,电阻器等组成谐振电路.l 调谐与选频电感的作用：电感线圈与电容器并联可组成LC调谐电路。即电路的固有振荡频率f0与非交流信号的频率f相等，则回路的感抗与容抗也相等，于是电磁能量就在电感、电容之间来回振荡，这就是LC回路的谐振现象。谐振时由于电路的感抗与容抗等值又反向，因此回路总电流的感抗最小，电流量最大（指f=f0的交流信号），所以LC谐振电路具有选择频率的作用，能将某一频率f的交流信号选择出来。4.6.电容的作用所谓电容，就是容纳和释放电荷的电子元器件。电容的基本工作原理就是充电放电， 当然还有整流、振荡以及其它的作用。另外电容的结构非常简单
24、，主要由两块正负电极和 夹在中间的绝缘介质组成，所以电容类型主要是由电极和绝缘介质决定的。电容的用途非常多，主要有如下几种： l 隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。 l 旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。 l 耦合：作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路 。l 滤波：这个对DIY而言很重要，显卡上的电容基本都是这个作用。 l 温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。 l 计时：电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。 l 调谐：对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。 l 整流：在预
25、定的时间开或者关半闭导体开关元件。 l 储能：储存电能，用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯，加热设备等等。总结：上述中放电路结构简单，回路损耗小，调试方便，所以应用广泛。但很难同时满足选择性和通频带两方面的要求，所以只能用在要求不太高的收音机上。4.7.仿真结果图5.中频放大电路参数设计与分析下图所示电路为一单调谐回路中频放大器，晶体管3DG6C 的直流工作点是 VCE 8V，I E 2 mA；工作频率f0 10.7 MHz；调谐回路采用中频变压器L 13 4H，Q 0 100，其抽头为 N 23 5 圈， N 13 = 20圈， N 45 = 5圈。已知晶体管参数如下：g ie 2860
26、S C ie 18 pF goe 200S C oe 7pFy fe 45mS fe 54y re 0.31 mS re 88.5试计算放大器的：1）单级电压增益 AVO ； 2）单级通频带（2f0.7）4 ；3）四级的总电压增益（AVO ）4 4）四级的总通频带 （2f0.7）4 5）如四级的总通频带（2f0.7）4 保持和单级的通频带2f0.7 相同， 则单级的通频带应加宽多少？四级的总电压增益下降多少？此时，单级放大器的负载回路应并联上一个多大的电阻？解：交流等效图如下：n1 = N23/N13=1/4 ，n2 = N45/N13=1/4goe =1/ w0 L Q0 =3.710-5
27、(s)g = n12 goe + n22 gie + goe =227.5(us)(1)单级谐振电压增益 Av0= n1 n2|yfe|/ g =12.3(2)回路有载品质因数： QL =1/(w0 L g) =16.2单级放大器的通频带： Bw0.7 =f0 / QL =0.66(MHZ)(3) 四级的总电压增益（Avo）4：（Avo）4= (n1 n2|yfe|/ g)4=22888.66(4)四级的总通频带（2f0.7）4： (Bw0.7 ) = (f0 /QL )(2(1n)-1) =0.287(MHZ)(5)如四级的通频带（2f0.7）4保持和单级的通频带2f0.7 相同，则通频带应
28、该加宽至：(Bw0.7 ) = (f0 / Q0 )/(2(1n)-1)=1.51(MHZ)此时每级放大器的有载品质因数为：QL = f0 /( Bw0.7 ) 7g =1/ w0 L QL= QL g / QL526.5(us)(Av0)4 =(n1 n2|yfe|/ g)4 =( g/g)4 (Av0)4 797.18(倍)四级的总电压增益下降了:A= (Av0)4 (Av0)4=228888.66-797.18=22091.48此时单级放大器的负载回路应并联上的电阻为R=1/g=1/( g g)2.99(K)总结：单级单调谐回路放大器的优点是电路简单，调试容易；其缺点是选择性差（矩形系数
29、离理想的矩形系数Kr0.1=1较远）增益和通频带的矛盾较突出。通过增加调谐回路的级数，可以改善这些情况，但是随之而来的缺点是电路复杂，不易调试。本次设计的总电路图：6.设计体会：在这次的调相解调设计任务中，我是负责设计中频放大电路的。这一环节，也是解调过程中不可或缺的部分，因此，要注意的方面有很多。当然，在设计中，遇到过不少的困难，但是，通过网上查找相关资料，及参考书本，得到了意想不到的结果。不仅学到了许多有关调制与解调的理论知识，而且也通过学习计算机仿真技术，一方面了解了Protel仿真技术的强大功能，另一方面验证了所设计电路的正确性。在学习过程中，我知道了放大器的主要技术参数：电压增益为输
30、出信号电压占输入信号电压的百分比，功率增益为输出信号功率占输入信号功率的百分比；通频带可以表示为回路谐振频率与回路品质因数的比值，且在电路电感、电容不变的情况下，频带宽与回路的品质因数有关，两者呈反比的关系，通常品质因数越大，频带越窄选择性往往也更好；影响放大器稳定性的因素有增益改变、中心频率偏移、通频带变窄等。同时也了解了晶体管调谐回路的功率放大原理以及进一步掌握了组成中放电路的各与器件的参数及性能。在最后，通过举例，将理论与实际相结合，证明出所设计的中放器在功能上的合理性，并且能够得出产生误差的原因。在我与同学的合作过程中，彼此都表现得很积极也很认真。我们合理分配设计任务，不懂的地方相互请教，从一开始到设计结束，我们都配合得相当默契，现在回想起当初查找资料时渴望知识的迫切心情还有为争取时间忘记休息时的狼狈神态，我总会有种莫名的感动，而且我坚信我们的辛勤劳动一定会有收获！参考文献：1. 严国萍，龙占超. 通信电子线路.北京：科学出版社，20092. 刘福太.蓝版电子电路495例.北京：科学出版社，20073. 周选昌.高频电子线路.杭州：浙江大学出版社，20064. 姚福安.电子电路设计与实践.济南：山东科学技术出版社，20055. 谭孝辉，陈思海.电路设计与仿真使用教程.成都：电子科技大学出版社，20076. 童诗白.模拟电子技术基础.北京:人民教育出版社,1982
