通信电子线路——multisim高频小信号放大器设计

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1、单调谐小信号放大器原理

小信号谐振放大器主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大和选频。单调谐小信号谐振放大器实验电路如下图所示。

图中，W1、W2、RE为偏置电阻，用以保证晶体管工作于放大区域，使放大器工作于甲类。C8是RE的旁路电容，C4、C7是输入、输出耦合电容，L1+L2、C5+C6构成放大器 LC谐振回路，R17是集电极可变等效电阻，将集电极电流的变化转换成集-射极之间电压的变化，以实现电压放大，它对谐振回路Q值、带宽有重要影响。为了减轻负载对集电极回路Q值得影响，采用部分接入方式。电路的有源器件采用NPN型三极管2N2222作为谐振放大器的核心器件。该器件最大集电极电流IC=800mA、集电极-发射集击穿电压VCE=30V，工作截止频率为250MHZ，$\beta $取值范围在100-300，导通电压为0.7V。

2、静态工作点分析

直流偏置电路的作用在于为晶体管正常工作提供合适的静态工作点。该电路静态工作点Q主要由RE、W1、W2、VCC确定。利用W1和W2得分压固定基极偏置点电位VBQ。只有当IW1>IBQI_{W1}>I_{BQ}IW1​>IBQ​时，才能获得恒定的VBQ，故要求IW1=(5−10)IBQI_{W1}=(5-10)I_{BQ}IW1​=(5−10)IBQ​。

为了方便，我使用化简的一个分压偏置电路来替代复杂的交流电路。

由于放大电路是工作在小信号放大状态的，放大电路的工作电流ICQ一般在0.8~2mA为宜。设计电路中，取VCC=12V，IC=2mA，$\beta $=100，VBEQ=0.7V，VCEQ=4.5V

在工程上，我们一般取VEQ=0.2VCC=2.4VV_{EQ}=0.2VCC=2.4VVEQ​=0.2VCC=2.4V，I1=(5−10)IBQI_1=(5-10)I_{BQ}I1​=(5−10)IBQ​

RE=VEQIEQ=2.4V2mA=1.2KIBQ=ICQβ=0.02mAI1=10IBQ=0.2mARB1+RB2=VCCI1=12V0.2mA=60KVBQ=VCCRB2RB1+RB2，VBQ=VBEQ+VEQ=0.7V+2.4V=3.1VRB2=VBQVCC(RB1+RB2)=3.1V12V×60K=15.5KRB1=44.5KRC=VCC−VCEQICQ−RE=12V−4.5V2mA−1.2K=2.55KR_E={\frac{V_{EQ}}{I_{EQ}}}=\frac{2.4V}{2mA}=1.2K \\ I_{BQ}=\frac{I_{CQ}}{\beta}=0.02mA \\ I_1=10I_{BQ}=0.2mA \\ R_{B1}+R_{B2}=\frac{VCC}{I_1}=\frac{12V}{0.2mA}=60K \\ V_{BQ}=\frac{VCCR_{B2}}{R_{B1}+R_{B2}}，V_{BQ}=V_{BEQ}+V_{EQ}=0.7V+2.4V=3.1V \\ R_{B2}=\frac{V_{BQ}}{VCC}(R_{B1}+R_{B2})=\frac{3.1V}{12V}\times60K=15.5K\\ R_{B1}=44.5K\\ R_C=\frac{VCC-V_{CEQ}}{I_{CQ}}-R_E=\frac{12V-4.5V}{2mA}-1.2K=2.55K RE​=IEQ​VEQ​​=2mA2.4V​=1.2KIBQ​=βICQ​​=0.02mAI1​=10IBQ​=0.2mARB1​+RB2​=I1​VCC​=0.2mA12V​=60KVBQ​=RB1​+RB2​VCCRB2​​，VBQ​=VBEQ​+VEQ​=0.7V+2.4V=3.1VRB2​=VCCVBQ​​(RB1​+RB2​)=12V3.1V​×60K=15.5KRB1​=44.5KRC​=ICQ​VCC−VCEQ​​−RE​=2mA12V−4.5V​−1.2K=2.55K

将以上通过分析静态工作点得到的电阻值用于multisim仿真电路， 在multisim中使用探针测量三极管基极、发射极电压、电流。从下图可以看出，基本符合我们的预期，高频小信号的电压也相应放大（选频回路之后会讲）。

3、选频回路的设计

我们使用LC谐振回路来选频。首先，我们要选择特定的频率f为465KHZ。

LC谐振回路中心频率的计算

f0=12πLCf_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} f0​=2πLC​1​

已知f0f_0f0​为465KHZ，我们选择L为8uH，则C为

C=1(2πf0)2L≈14.7nFC=\frac{1}{{(2\pi f_0)}^2L}\approx 14.7nF C=(2πf0​)2L1​≈14.7nF

4、放大器工作指标

4.1 电压增益

Au0=20log7.57mV0.2mV=32dBA_{u0}=20log\frac{7.57mV}{0.2mV}=32dB Au0​=20log0.2mV7.57mV​=32dB

4.2 通频带

2△0.7=fH−fL=530KHZ−380KHZ=150KHZ2\triangle _{0.7}=f_H-f_L=530KHZ-380KHZ=150KHZ 2△0.7​=fH​−fL​=530KHZ−380KHZ=150KHZ

4.3 矩形系数

2△f0.1=fH−fL=1.239MHZ−0.205MHZ=1.034MHZ2\triangle f_{0.1}=f_H-f_L=1.239MHZ-0.205MHZ=1.034MHZ 2△f0.1​=fH​−fL​=1.239MHZ−0.205MHZ=1.034MHZ

Kr0.1=2△f0.72△f0.1=1.034MHZ0.150MHZ=6.89K_{r0.1}=\frac{2\triangle f_{0.7}}{2\triangle f_{0.1}}=\frac{1.034MHZ}{0.150MHZ}=6.89 Kr0.1​=2△f0.1​2△f0.7​​=0.150MHZ1.034MHZ​=6.89

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