高频小信号放大

高频小信号放大（精选三篇）

高频小信号放大篇1

高频小信号电路的教学从分析晶体管的高频小信号模型入手, 把完整的放大器结构看成双端口网络, 建立导纳矩阵的Y参数小信号模型, 在阻抗匹配部分采用的是电感抽头式电路与电容组成的谐振网络, 通过阻抗匹配的要求推导出接入系数的关系式, 但在常规教学中, 阻抗匹配只是用来推导接入系数, 并未做深入的解释, 学生对阻抗匹配概念比较模糊。笔者在教学中引入微波工程中S参数的概念, 使学生更深刻地理解高频小信号放大器阻抗匹配的物理意义。结合微波电子技术中小信号低噪声放大器, 为学生学习小信号放大器提供了一个新的认识角度。

1 高频电子线路中小信号放大器的组成

高频小信号放大器由信号源、晶体管、并联振荡回路和负载阻抗并联组成, 因此, 采用导纳分析比较方便, 其中输出回路中抽头系数为P1, 变压器接入系数为P2, 在引入晶体管Y参数模型后, 假设不存在内反馈, 即yre=0, 并把晶体管集电极回路和负载折合到振荡回路两端 (1和3) 后的等效图如图1所示[1]。

由图1可得谐振增益[1]:

为了获得最大增益, 负载阻抗需和信号源内阻相同, 因此, 满足的匹配条件如式 (2) 所示。根据式 (2) 即可求出接入系数P1和P2, 分析自激条件可得到稳定系数S, 从而完成高频小信号放大器设计[1]。

虽然在常规的高频电子线路教学中, 根据以上内容已完成高频小信号放大器的设计教学, 但其中关于阻抗匹配的概念仅是一带而过。由于高频电子线路中处理的是高频电磁波信号, 所谓阻抗匹配, 即无反射波, 所有高频的微波信号皆能传至负载, 不会有信号反射回源点, 从而提升能源效益[3,4]。因此, 笔者在教学中引入微波技术中的散射参量S的概念, 并使用软件完成高频小信号放大器的仿真, 加深学生对高频小信号放大器的理解。

2 散射参量S的概念

设n端口网络的第j个端口接微波源, 其余所有端口接匹配负载, 即网络只有一个电压入波aj, 按上面的公式可知, 任意一个端口的电压的出波[3]:

(1) 如果i≠j, 按照归一化电压波的定义可知:

公式 (5) 和 (6) 表明, 在网络负载端口都处于匹配的状态的条件下, Sij的物理意义是任意两个端口之间的归一化电压传输系数;当相关端口的特性阻抗相同时, 其物理意义是两个物理端口的电压传输系数;其模的平方是两端口之间的功率传输系数。

(2) 如果i=j, 按照归一化的电压波的定义可知:

公式 (7) 表明, 在网络的各负载端口都处于匹配状态的条件下, Sij的物理意义是任意端口的电压发射系数。因此, 使用散射参量S即可表征高频小信号放大器的传输增益、反射系数以及阻抗匹配情况。

3 采用S参数分析法的高频小信号放大器的软件仿真

在课堂上使用软件仿真演示采用S参数分析法的高频小信号放大器设计和分析过程, 具有步骤简单易实现且效果直观的优点。高频晶体管放大器与低频放大器的设计方法有明显的不同, 它需要考虑一些特殊的因素, 其中最重要的是输入信号与晶体管良好的匹配以及放大器的稳定性分析。稳定性分析以及增益、噪声系数等都是设计高频放大器电路时必须考虑的基本问题, 只有综合考虑这些问题, 才能设计出符合实际应用要求的高频晶体管放大器。

我们采用ADS软件仿真实现高频晶体管低噪声放大器。ADS是美国安捷伦公司开发的高频电子设计自动化软件, 包括时域电路仿真 (SPICE类仿真) 、频域电路仿真 (谐波平衡, 线性分析) 、通信系统仿真等。小信号放大器采用的是小信号SP模型, 模型中已经带有确定的直流工作点[5]。和理论教学的过程一致, 首先进行直流特性的仿真, 仿真电路图如图2所示。仿真结果如图3所示, 选定晶体管的直流工作点后, 可以进行晶体管的S参数扫描, 对应的工作点为Vce=2.7 V, Ic=5 m A。由于SP模型本身已经对应于一个确定的直流工作点, 因此, 在做S参数扫描时无需加入直流偏置, 仿真结果如图4所示。图4给出的是S11参数, 可见在工作频率2 GHz处的反射系数依然较大, 为-6.5 d B, 可知当前晶体管的输入端反射较大, 输入匹配不好。

由晶体管的S参数可得其在2 GHz的输入阻抗为 (18.89+j*6.81) Ω (虚部表示含有感抗部分) , 为实现良好的输入及输出匹配, 引入用微带线分布参量实现的等效电感电容选频网络, 仿真电路结构图如图5所示, 所匹配的阻抗大小均为50Ω, 亦即选频网络的阻抗变化作用, 将晶体管的输入输出阻抗均变化为信号源的标准阻抗50Ω, 从而实现阻抗匹配, 降低输入信号的反射, 并获得最优的传输增益。放大器的工作中心频率选在2 GHz。

S11反应的是输入匹配情况, S11越小, 输入匹配则越大, S22反应的是输出匹配情况, S22越小, 输出端反射越小, 匹配越好。S21则是放大器的增益, 在2 GHz下达到了10 d B。

该仿真为学生提供了直观形象的高频微波小信号放大器的设计过程, 并引入了S参数的概念, 使学生对小信号放大器设计过程中输入及输出匹配的影响有了更深刻的认识。

4 噪声系数在高频小信号放大器教学中的介绍

高频小信号放大器一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器, 也用于高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合, 放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重, 因此, 希望减小这种噪声, 以提高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F来表示[6]。理想放大器的噪声系数F=1 (0分贝) , 其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。一般对于低噪声放大器使用高Q值电感完成偏置和匹配功能, 由于电阻会产生额外的热噪声, 放大器的输入端应避免直接连接到偏置电阻, 低噪声放大器PCB应具有损耗低, 易于加工和性能稳定的特点, 均匀材料的物理和电气性能 (特别是介电常数和厚度) , 虽然对材料的表面光洁度有一定要求, 也可以使用通常在FR-4 (介电常数4和5之间) 的基片, 如果电路需要高氧化铝陶瓷等材料, 可以使用作为底物的微波板PCB布局, 要考虑到邻近相关电路的影响, 注意过滤, 接地和外部电路设计, 以满足电磁兼容的设计原则。

通过在电路原理图中加入噪声系数计算控制器和稳定系数计算控制器, 为学生演示噪声系数和稳定性系数的仿真结果, 并设置优化控件。为提高稳定性, 在晶体管源级增加电感, 最终得到以上高频小信号放大器的噪声系数及稳定系数 (如图9和10所示) 。可见在2 GHz下的噪声系数仅为1.925, 稳定系数大于1。

5 结束语

针对高频电子线路中的重要知识点, 拓展了高频小信号放大器的教学内容。引用了微波技术中的散射参数S的概念, 采用ADS仿真的方法展现了高频小信号放大器的设计过程, 通过软件仿真和新的物理概念的引入, 在课堂上学生从多个角度深刻认识了阻抗匹配的基本原理和物理含义, 低噪声系数的介绍使学习不再局限于教材上的稳定系数的内容, 让学生从目前无线电通信接收机的实际要求中深刻领会产业前沿, 进一步激发学习本课程的兴趣。

摘要：通过多年的教学实践, 在高频电子线路教学过程中适当补充微波电子技术中S参数的概念, 并结合软件仿真进行讲授可以让学生从多方面、多角度地理解高频小信号放大器中阻抗匹配的物理意义, 在课堂教学中取得了较好的教学效果。

关键词：高频电子线路,小信号放大器,S参数,教学

参考文献

[1]张肃文.高频电子线路[M].第五版.北京:高等教育出版社, 2009.

[2]谈文心, 邓建国, 张相臣.高频电子线路[M].西安:西安交通大学出版社, 1996.

[3]黄智伟.射频小信号放大器电路设计[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2008.

[4]张玉兴.射频与微波晶体管功率放大器工程[M].北京:电子工业出版社, 2013.

[5]陈艳华, 李朝辉, 夏玮.ADS应用详解——射频电路设计与仿真[M].北京:人民邮电出版社, 1996.

高频谐振小信号放大器篇2

设计题目：LC高频小信号放大器

院系：机械与电子信息工程学院

专业班级：电子信息工程071121班

小组成员：赵培杰20121000181

张源林20121000136

裴生伟20121000291

肖曲林20121000182

指导老师：罗大鹏

日期：2014年3月

ABSTRACT

High frequency signal resonance amplifier was widely used in telecommunications.Broadcasting equipment and so on.We can use, LC loop resonance frequency selective parallel resonant frequency amplifier , thus the particular signal.Transistor amplifier with voltage gain of emitter, output voltage and input voltage, frequency characteristics of the poor performance, suitable for low and middle level of multi-level amplifier circuit, using two levels of signal tuned circuit will original weak signal, and by using the LC 100 times parallel resonant circuit will be elected signal.The technical indexes of amplifier and test method, the impact of distribution parameters of the circumstances about circuit performance.Small signal resonance frequency amplifier, characterized by the main performance indexes, the harmonic resonance frequency and voltage magnification Av0 amplifier pass band BW and selective rectangular K1.0r coefficient usually.Keywords triode LC resonant quality factor pass band rectangular coefficient.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f0,谐振电压放大倍数AV0,放大器的通频带ＢＷ及选择性（矩形系数Ｋ1.0r）的计算。

关键词三极管；ＬＣ；谐振；品质因数；通频带；矩形系数

本设计以理论分析为依据，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。

分工

赵培杰,主要参数计算及仿真实验

张源林,参数计算及报告制作

裴生伟,PPT制作及仿真实验

肖曲林，参数计算及PPT演讲

1电路设计方案

1.1 设计任务

设计一个高频小信号调谐放大器。要求：

（1）谐振频率10.7mhz，谐振电压放大倍数>20db，带宽为1mhz（2）矩形系数<10，噪声系数<7db(3)输入、输出阻抗为50欧姆。

1.2 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。

1.4 电路原理图

根据上面各个具体环节的考虑设计出下面总体的电路：

2选用三极管

选取适用于高频放大的三极管，2N2222三极管型号：2N2222A 封装：TO92 极性：NPN 主要参数：60V，0.8A，500mW，300MHZ，HFE=100～300，从参数可以知道需要放大的频率为10.7MHZ《300*0.2，即可以使用又查表可知放大系数为50。

以下是从网上查的2N2222型三极管参数资料.3电路参数的设计

3.1 设置静态工作点

取

Ieq =1mA, Veq =1.5V, Vceq=7.5V, 则

Re=Veq/Ieq=1.5KΩ

Rb2=Vbq/(6Ibq)=18.3KΩ

Rb1=(Vcc-Vbq)*Rb2/Vbq=55.6KΩ

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=10.7MHz取电容为51pF 由公式

L=(1/2x3.14)2/C

得L=4uH 3.3计算输入回路的LC的值

Q=f0/bw=10.7/1=10.7；

设R1=800；Xl1=Xc1=R1/Q=77.7；C=1/(2*3.14*f0*77.7)=200pH；L=77.7/(2*3.14)=1.2uH；p1=R1/RS=0.25;

4仿真结果

从示波器可知与原信号反向放大

5心得体会

高频小信号放大篇3

高频电子线路课程实验报告

专业班级

测控1001班

学

号

姓

名

指导教师

实验一

高频小信号调谐放大器

一、实验目的小信号调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路，主要用于高频小信号微弱信号的线性放大。在本实验中，通过对谐振回路的调试，对放大器处于谐振时各项技术指标的测试（电压放大倍数、通频带、矩形系数），进一步掌握高频小信号调谐放大器的工作原理。学会小信号调谐放大器的设计方法。

二、实验仪器

1．BT-3（G）型频率特性测试仪（选项）一台

2．20MHz模拟示波器一台

3．数字万用表一块

4．调试工具一套

三、实验原理

图1-1所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号调谐放大器。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等会影响放大器输出信号的频率和相位。晶体管的静态工作点由电阻RB1，RB2及RE决定，其计算方法与低频单管放大器相同。

图1 小信号调谐放大器

该放大电路在高频情况下的等效为如图1-2所示，晶体管的4个y参数

yie，yoe，yfe及yre分别为：

输入导纳

（1-1）

输出导纳

正向传输导纳

反向传输导纳

（1-2）

（1-3）

（1-4）

图1-2 放大器的高频等效回路

式中，gm——晶体管的跨导，与发射极电流的关系为

(1-5)

gb’e——发射结电导，与晶体管的电流放大系数β及IE有关

其关系为

（1-6）

rb’b——基极体电阻，一般为几十欧姆;Cb’c——集电极电容，一般为几皮法； Cb’e——发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。

由此可见，晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流IE，电流放大系数β关外，还与工作频率ω有关。晶体管手册中给出的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得的。如在f0=30MHz，IE=2mA，UCE=8V条件下测得3DG6C的y参数为：

如果工作条件发生变化，上述参数则有所变动。因此，高频电路的设计计算一般采用工

程估算的方法。

图1-2中所示的等效电路中，P1为晶体管的集电极接入系数，即

P1=N1/N2

（1-7）

式中，N2为电感L线圈的总匝数。

P2为输出变压器T的副边与原边的匝数比，即

P2=N3/N2（1-8）

gL为调谐放大器输出负载的电导，gL =1/RL。通常小信号调谐放大器的下一级仍为晶

体管调谐放大器，则gL将是下一级晶体管的输入导纳gie2。

由图1-2可见，并联谐振回路的总电导

g∑的表达式为

（1-9）

式中，G为LC回路本身的损耗电导。谐振时L和C的并联回路呈纯阻，其阻值等于1/G，并联谐振电抗为无限大，则jwC与1/（jwL）的影响可以忽略。

2、调谐放大器的性能指标及测量方法

表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率of，谐振电压放大倍数voA，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数1.0rK来表示）等。

放大器各项性能指标及测量方法如下：

（1）谐振频率

放大器的调谐回路谐振时所对应的频率of称为放大器的谐振频率，对于图1-1所示电路（也是以下各项指标所对应电路），f0的表达式为

（1-10）

式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；

CΣ为调谐回路的总电容，CΣ的表达式为

（1-11）

式中，Coe为晶体管的输出电容；Cie为晶体管的输入电容。

谐振频率of的测量方法是:

用扫频仪作为测量仪器，用扫频仪测出电路的幅频特性曲线，调变压器T的磁芯，使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点f0。

（2）电压放大倍数

放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数Avo称为调谐放大器的电压放大倍数。Avo的表达式为

（1-12）

式中，gΣ为谐振回路谐振时的总电导。因为LC并联回路在谐振点时的L和C的并联电抗为无限大，因此可以忽略其电导。但要注意的是fey本身也是一个复数，所以谐振时输出电压u0与输入电压ui相位差为（+ Φfe）。

AV0的测量方法是：在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量图1-1中RL两端的电压u0及ui输入信号的大小，则电压放大倍数AV0由下式计算：

(1-13)

（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AV下降到谐振电压放大倍数AV0的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW，其表达式为

(1-14)

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Avo与通频带BW的关系为

(1-15)

上式说明，当晶体管选定即yfe确定，且回路总电容CΣ为定值时，谐振电压放大倍数AV0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。

通频带BW的测量方法：是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。测量方法可以是扫频法，也可以是逐点法。逐点法的测量步骤是：先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率fo及电压放大倍数Avo然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压Us不变），并测出对应的电压放大倍数Avo。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1-3所示。

由式（1-14）可得

BW=fH − fL =2 ∆f0.7

(1-16)

图1-3 谐振曲线

通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频宽，同时又能提高放大器的电压增益，由式（1-15）可知，除了选用yfe较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量CΣ。如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号，则可减小通频带，尽量提高放大器的增益。

（4）选择性——矩形系数

调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kv0.1时来表示，如图（1-3）所示的谐振曲线，矩形系数Kv0.1为电压放大倍数下降到0.1 AV0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707 AV0时对应的频率偏移之比，即

（1-17）

上式表明，矩形系数Kv0.1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Kv0.1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Kv0.1。

3、实验参考电路实验

图1-4 单级调谐放大器

（1）主要技术指标：谐振频率fo=10.7MHz，谐振电压放大倍数Avo≥10-15 dB，通频带BW=1 MHz，矩形系数Kr0.1＜10。因fT比工作频率f0大（5—10）倍，所以选用3DG12C，选β=50，工作电压为12V，查手册得

=70, CbˊC=3PF，当IE=1.5mA时Cbˊe为25PF，取L≈1.8μH，变压器初级N2=23匝，次级为10匝。P2=0.43, P1=0（2）确定电路为单级调谐放大器，如上图1-4。

（3）确定电路参数

a、设置静态工作点

由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流ICQ一般选取0.8—2mA为宜，现取IE=1.5mA，UEQ=2.25V，UCEQ=9.75V。

则

则R6A=1.5KΩ

取流过3AR的电流为基极电流的7倍，则有：

则

则取RA2=5.1K WA1选用50K的可调电阻以便调整静态工作点。

b、计算谐振回路参数

由式（1-6）得

由式（1-5）得

由式（1-1）—（1-4）得4个y参数

由于

则有

因

，则有

c、计算回路总电容∑C，由（1-10）得

由（1-11）

，得

则有C3A=119pF，取标称值120pF d、确定耦合电容及高频滤波电容

高频电路中的耦合电容及滤波电容一般选取体积较小的瓷片电容，现取耦合电容=0.01μF，旁路电容CA4=0.1μF，滤波电容CA5=0.1μF

四、实验内容

本实验中，用到BT-3和频谱仪的地方选做。

参考所附电路原理图G6。先调静态工作点，然后再调谐振回路。

1、按照所附电路原理图G6，按下开关KA1，接通12V电源，此时LEDA1点亮。

2、调整晶体管的静态工作点：在不加输入信号（即ui=0），将测试点TTA1接地，用万

用表直流电压档（20V档）测量三极管QA1射极的电压（即测P6与G两焊点之间的电压，见图0－2所示），调整可调电阻WA1，使uEQ=2.25V（即使IE=1.5mA），根据电路计算此时的uBQ，uCEQ，uEQ及IEQ值。

3、调谐放大器的谐振回路使它谐振在10.7MHz 方法是用BT-3频率特性测试仪的扫频电压输出端和检波探头，分别接电路的信号输入端TTA1及测试端TTA2，通过调节y轴，放大器的“增益”旋钮和“输出衰减”旋钮于合适位置，调节中心频率刻度盘，使荧光屏上显示出放大器的

“幅频谐振特性曲线”，根据频标指示用绝缘起子慢慢旋动变压器的磁芯，使中心频率f0=10.7MHz所对应的幅值最大。

如果没有频率特性测试仪，也可用示波器来观察调谐过程，方法是：在TTA1处由高频信号源提供频率为10.7MHz的载波（参考高频信号源的使用），大小为Vp-p-=20~100mV的信号，用示波器探头在TTA2处测试（在示波器上看到的是正弦波），调节变压器磁芯使示波器波形最大（即调好后，磁芯不论往上或往下旋转，波形幅度都减小）。

4、测量电压增益Av0

在有BT-3频率特性测试仪的情况下用频率特性测试仪测Av0测量方法如下：

在测量前，先要对测试仪的y轴放大器进行校正，即零分贝校正，调节“输出衰减”和“y轴增益“旋钮，使屏幕上显示的方框占有一定的高度，记下此时的高度和此时“输出衰减”的读数N1dB，然后接入被测放大器，在保持y轴增益不变的前提下，改变扫频信号的“输出衰减”旋钮，使谐振曲线清晰可见。记下此时的“输出衰减”的值N2dB，则电压增益为

若用示波器测，则为输出信号的大小比输入信号的大小之比。如果AV01较小，可以通过调静态工作点来解决（即IE增大）。

在无BT-3频率特性测试仪的情况下，可以由示波器直接测量。方法如下：

用示波器测输入信号的峰峰值，记为Ui。测输出信号的峰峰值记为Uo。则小信号放大的电压放大倍数为Uo/Ui

5、测量通频带BW 用扫频仪测量BW：先调节“频率偏移”（扫频宽度）旋钮，使相邻两个频标在横轴上占有适当的格数，然后接入被测放大器，调节“输出衰减”和y轴增益，使谐振特性曲线在纵轴占有一定高度，测出其曲线下降3dB处两对称点在横轴上占有的宽度，根据内频标就可以近似算出放大器的通频带：

6、测量放大器的选择性

放大器选择性的优劣可用放大器谐振曲线的矩形系数Kr0.1表

用5）中同样的方法测出B0.1即可得：

由于处于高频区，分布参数的影响存在，放大器的各项技术指标满足设计要求后的元件参

数值与设计计算值有一定的偏差，所以在调试时要反复仔细调整才能使谐振回路处于谐振状态。在测试要保证接地良好。

五、实验结果

Avo=(N2-N1)=9dB Bw=B0.7=100KHz*(宽度）=100KHz*5=500KHz Kr0.1B0.1B0.7 其中： B0.123122 B0.75

Kr0.14.4