高頻小信號諧振放大器

1、高頻電路實驗（一） 121180166 趙琛高頻小信號諧振放大器實驗121180166 趙琛一、 實驗?zāi)康? 掌握高頻小信號調(diào)諧放大器的工作原理和基本電路結(jié)構(gòu)。2 掌握高頻小信號調(diào)諧放大器的調(diào)試方法。3 掌握高頻小信號調(diào)諧放大器各項技術(shù)參數(shù)（電壓放大倍數(shù)，通頻帶，矩形系數(shù)，1db壓縮點）的測試方法。二、實驗使用儀器1小信號調(diào)諧放大器實驗板2200mh泰克雙蹤示波器3. fluke萬用表4. 模擬掃頻儀（安泰信）5. 高頻信號源6. 高頻毫伏表三、實驗基本原理與電路1、 小信號調(diào)諧放大器的基本原理小信號調(diào)諧放大器是構(gòu)成無線電通信設(shè)備的主要電路， 其作用是有選擇地對某一頻率范圍的高頻小信號信號進行

2、放大 。 所謂“小信號”，指輸入信號電壓一般在微伏毫伏數(shù)量級范圍內(nèi)，對于這種幅度范圍的輸入信號，放大器一半工作在線性范圍內(nèi)。所謂“調(diào)諧”，主要是指放大器的集電極負載為調(diào)諧回路（如lc調(diào)諧回路）。此時放大器對諧振頻率及附近頻率的信號具有最大的增益，而對其它遠離頻率的輸入信號，增益很小，如圖1-1所示。2、小信號調(diào)諧放大器技主要技術(shù)指標1. 增益：表示高頻小信號調(diào)諧放大器對輸入信號的放大能力 電壓增益的定義： (1_1）其中輸出信號和輸入信號的有效值分別為，。 圖1.1 高頻小信號調(diào)諧放大器的頻率選擇特性曲線 功率增益的定義： (1_2）其中輸出信號和輸入信號的功率分別為，。在高頻和射頻電路中功率

3、的單位常用dbm表示：dbm和mw之間的換算關(guān)系：，10=10mw (1_3）2. 通頻帶和選擇性：通常將小信號放大器的電壓增益下降到最大值的0.707倍時所對應(yīng)的輸入信號頻率范圍定義為放大器的通頻帶，用b0.7表示。為衡量放大器的頻率選擇性，通常引入?yún)?shù)矩形系數(shù)k0.1，它定義為： (1_4）式中，b0.1為電壓增益下降到最大值的0.1倍處的輸入信號帶寬，如圖1.1所示。理想的電路頻率選擇性如圖1.1的虛線所示。矩形系數(shù)越小，放大器的選擇性越好，抑制鄰近無用信號的能力就越強。3 穩(wěn)定性：高頻小信號諧振放大器能夠穩(wěn)定工作是首要條件。由于高頻放大器的工作頻率較高，根據(jù)晶體管的y參數(shù)模型，當工作頻

4、率較高時，晶體管本身存在內(nèi)反饋參數(shù)，同樣當工作頻率較高時，需要考慮外電路元器件的引線電感和pcb布線時的板間分布電容，平行信號線之間的寄生電容等，此時這些參數(shù)會構(gòu)成分布參數(shù)電路，此外如果電源的去耦電路設(shè)計不好，各級電源之間還會有相互串擾，都很有可能構(gòu)成外部的寄生反饋回路，當滿足正反饋的相位條件時，就構(gòu)成了正反饋，很容易引起高頻放大器的自激。即使沒有引起放大器的自激，由于晶體管內(nèi)反饋參數(shù)和外部分布參數(shù)的不穩(wěn)定，當環(huán)境溫度變化，電源電壓的波動，直流工作點的漂移，外部的電磁干擾，都有可能使放大器出現(xiàn)明顯的增益變化、中心頻率偏移和頻率特性曲線畸變，甚至發(fā)生部分的自激振蕩。因此，必須采取多種措施來保證放

5、大器的穩(wěn)定，1. 合理地設(shè)計外部電路的元器件布局和信號線走向、適當?shù)慕档兔考壏糯笃鞯脑鲆妗?. 降低每級放大器初級線圈和次級線圈之間的耦合系數(shù)，減少下一級放大器輸入電阻對本級的影響。3.在每級放大器的輸入端串聯(lián)一個阻值在幾百歐范圍內(nèi)的電阻，對放大器的輸入信號進行適當衰減和限流。4.在某些情況下可以對末級放大器進行負載失配，盡可能降低內(nèi)反饋參數(shù)的影響。5.在放大器的輸入端進行阻抗匹配，使放大器的輸入電阻和信號傳輸線的特征阻抗匹配。（信號傳輸線一般是銅軸線，特征阻抗是50歐）6.各級放大器的電源相互隔離和去耦，引入電壓負反饋穩(wěn)定輸出電壓，對大功率電路和高速信號電路采取電磁屏蔽等必要的工藝措施。4噪

6、聲系數(shù)：為了提高接收機的靈敏度，必須設(shè)法降低放大器的噪聲系數(shù)。前置高頻放大器一般由多級組成，降低噪聲系數(shù)的關(guān)鍵在于減小前級電路的內(nèi)部噪聲。因此，在設(shè)計前級放大器時，要求采用低噪聲器件，合理地設(shè)置工作點電流（一般將靜態(tài)工作點電流設(shè)置較小，目的是減少電路的噪聲），適當?shù)南拗戚斎胄盘枎?，目的是減少等效噪聲帶寬等，使放大器在盡可能高的功率增益下噪聲系數(shù)最小。5輸入信號的動態(tài)范圍： 輸入信號的動態(tài)范圍定義為：（db）或者 (1_5）和分別表示小信號放大器正常工作時所允許的輸入信號幅度的最大有效值和最小有效值。 ，分別表示小信號放大器正常工作時所允許的最大輸入信號功率的和最小輸入信號功率。 通常輸入信號

7、功率的下限主要由電路的噪聲系數(shù)決定。為使輸入信噪比不至于過低，以避免輸入信號不至于完全淹沒在噪聲基底下，在一定的噪聲系數(shù)下，輸入信號的功率不能很小。一般來說噪聲系數(shù)越小，所允許的輸入信號功率下限就越小。當輸入信號功率較大時，小信號放大器的增益會顯著降低，同時出現(xiàn)比較嚴重的非線性失真，包括諧波失真和非線形失真。非線形失真中的三階交調(diào)失真對輸出信號的影響較大。一般來說，輸入信號功率的上限主要由電路的三階交調(diào)失真決定。 6 非線性失真（諧波失真和三階交調(diào)失真）當小信號放大器的輸入信號功率較小時，放大器工作在線性狀態(tài)，輸出信號和輸入信號之間滿足線性關(guān)系，如式(1_6）。此時輸出信號的頻率和輸入信號的頻

8、率相同，沒有新的頻率分量產(chǎn)生，放大器沒有產(chǎn)生非線性失真。， (1_6） 和分別表示輸入信號的幅度和角頻率。當小信號放大器的輸入信號功率增大后，放大器開始工作在非線性狀態(tài)，此時輸入和輸出的關(guān)系如用式(1_7）表示。 (1_7）將代入(1_7），整理后得到 (1_8） 此時輸出信號包含輸入信號的二次諧波。小信號放大器的輸入信號功率進一步增大，放大器的非線性狀態(tài)可用式(1_9）表示。 (1_9）將代入(1_9），整理后得到， (1_10）顯然輸出信號包含輸入信號的二次諧波和三次諧波。放大器工作在非線性狀態(tài)時，輸出信號將包含輸入信號的各次諧波，以及輸入信號各次諧波之間的交叉混頻項。其中對輸出信號影響較

9、大的主要是三階交調(diào)。 下面簡單的推導一下三階交調(diào)產(chǎn)生的原因。 假設(shè)輸入信號包含兩個幅度相同，頻率相近的信號， (1_11） 將(1_11）代入(1_9）中進行整理， (1_12）可以看到，輸出信號包含，兩個頻率分量。如下圖所示：假設(shè)小信號放大器輸入兩個頻率相近的信號，當輸入信號功率較高時，輸出信號在頻率的兩側(cè)會出現(xiàn)頻率為，的兩個頻率分量，由于這兩個頻率分量與相隔很近，很難用濾波器濾除，因此三階交調(diào)分量對小信號放大器的輸出信號頻譜純度影響很大，應(yīng)當盡量避免。 圖2 三階交調(diào)失真示意圖 下面以一個商用的寬帶射頻放大器為例，輸出端接頻譜儀來觀察輸出信號的非線性失真和三階交調(diào)失真，放大器的小信號增益大

10、約為20db。輸入射頻信號的頻率為3ghz，輸入功率分別為-40dbm，-30dbm，-20dbm，-10dbm，輸出信號頻譜如圖3，4，5，6所示?？梢钥吹捷斎胄盘柟β瘦^小時（-40dbm），放大器工作在線性狀態(tài)，輸出信號幾乎沒有諧波分量。隨著輸入信號功率的增加，輸出信號的諧波分量逐漸增多，諧波分量的功率也逐漸增加，總諧波失真增減增大，經(jīng)測量總諧波失真分別是0.5%（輸入功率-30dbm），0.98%（輸入功率-20dbm），4.76%（輸入功率-10dbm）。 圖3 輸入功率為-40dbm時輸出頻譜 圖4 輸入功率為-30dbm時輸出頻譜 圖5 輸入功率為-20dbm時輸出頻譜 圖6 輸入

11、功率為-10dbm時輸出頻譜 輸入兩個頻率相近的信號，頻率分別是3ghz，3.001ghz，輸入信號功率分別是-45dbm，-18dbm，-12dbm，-6dbm，用頻譜儀測量放大器輸出信號的頻譜。 圖7 輸入功率-45dbm，輸出信號頻譜 圖8 輸入功率-18dbm，輸出信號頻譜 圖9 輸入功率-12dbm，輸出信號頻譜 圖10 輸入功率為-6dbm，輸出信號頻譜 可以看到，當輸入雙頻信號的功率較小時，射頻放大器工作在線性狀態(tài)，輸出信號頻率分量和輸入信號頻率分量一致。隨著輸入雙頻信號的功率增加，射頻放大器出現(xiàn)非線性工作狀態(tài)，輸出信號中出現(xiàn)了三階交調(diào)分量。輸入雙頻信號的功率進一步增加，輸出信號

12、中三階交調(diào)分量的功率也進一步增加。當輸入雙頻信號的功率較大時，射頻放大器出現(xiàn)比較嚴重的非線性狀態(tài)，輸出信號中三階交調(diào)分量的功率很大，并且在三階交調(diào)分量的兩側(cè)還出現(xiàn)了五階交調(diào)分量。3.實驗電路原理分析 小信號調(diào)諧放大器實驗電路如圖1-11。在實驗開始時先使用萬用表的電阻檔，測量一下電阻r1,r2,r3,r4的阻值。注意測量電阻時，必須將電路的電源斷開后才能測量。 圖1-11 小信號調(diào)諧放大器實驗電路電路原理分析：in1是高頻信號輸入端，當信號從in1輸入時，需要將跳線tp1的上部連接起來。in2是從天線接收空間中的高頻信號輸入，電感l(wèi)1和電容c1,c2組成選頻網(wǎng)絡(luò)，此時，需要將跳線tp1的下部連

13、接起來。電容c3是隔直電容，滑動變阻器rw2和電阻r2，r3是晶體管基極的直流偏置電阻，決定晶體管基極的直流電壓，電阻r1是射極直流負反饋電阻，決定了晶體管射極的直流電流ie。晶體管需要設(shè)置一個合適的直流工作點范圍，才能保證晶體管工作在放大狀態(tài)，同時盡量選擇直流工作點位于輸入特性曲線中線性度較好的那一段，使小信號諧振放大器盡可能工作在線性狀態(tài)，減少非線性失真，同時保證電路有較高的電壓增益和穩(wěn)定性。一般來說，工作點電壓要滿足以下的條件：1.發(fā)射極正偏:，一般有2.集電極反偏：3.（若是晶體管的飽和壓降，當工作頻率較高時，一般大于1v，為防止晶體管飽和導通，要求）通常情況下，適當?shù)脑黾泳w管射極的

14、直流電流ie可以提高晶體管的電流放大倍數(shù)，增加小信號諧振放大器的增益。但ie過大，對于某些具有正向agc特性的晶體管，也會導致晶體管的電流放大倍數(shù)下降，另外此時輸出波形諧波失真較大，電路的非線性效應(yīng)也較明顯。一般情況下，選擇ie在1-5ma之間。電容c3是射極旁路電路，集電極回路由電容和電感組成，是一個并聯(lián)的lc諧振回路，起到選頻的作用，其中有一個可變電容可以改變回路總的電容值。電感有初級回路和次級回路組成，中間有鐵芯耦合，實驗箱電路中晶體管集電極回路電感的初級回路和次級回路封裝在中周中，調(diào)節(jié)中周里的鐵芯位置可以改變電感值和耦合強度，從而改變lc諧振回路的諧振頻率?；瑒幼冏杵鱮w1是阻尼電阻，

15、可以改變回路的品質(zhì)因素和電壓增益。電阻r4是負載電阻，由跳線j3決定是否連接負載電阻。電容c4是輸出信號的隔直電容，電容c5,c6是直流電源的去耦電容。按下電源開關(guān)，led亮說明電路正常上電。四、實驗內(nèi)容 1靜態(tài)工作點與諧振回路的調(diào)整。2放大器的幅頻特性及通頻帶的測試。3測試品質(zhì)因數(shù)對放大器的幅頻特性及通頻帶的影響。五、實驗數(shù)據(jù)與分析（注：以下電壓測量均為有效值） 1、空載放大倍數(shù)與有載放大倍數(shù)的測量 空載有載輸入/mv5050輸出/v1.771.63放大倍數(shù)35.632.6分析：由數(shù)據(jù)可見，當有載時，放大倍數(shù)稍微有一點衰減。原因在于，本來空載時已經(jīng)做到了阻抗匹配，但加上負載后，改變了電阻值，

16、從而不再能夠滿足功率匹配，使得輸出功率下降，輸出電壓下降。 通頻帶測量f0 mhzf1 mhzf2 mhz10.710.5010.88=0.38mhz分析：我們可以看到，頻譜并不是完全的對稱。這個也符合理論頻譜。 f0 mhzf3 mhzf4 mhz10.78.9512.37=3.42mhz矩形系數(shù)： =9.00分析：測量的矩形系數(shù)比實際值要小。忽略次要因素，我認為這里產(chǎn)生的測量誤差主要在于鱷魚夾。鱷魚夾并不能夠完全看做理想導線，在高頻時候頻響并不是不變的，會隨著頻率而改變，從而導致和理論頻譜的誤差。如果換成同軸線的話，效果會好很多，在緒論課中也得到了很好的驗證。2由實驗數(shù)據(jù)分析品質(zhì)因數(shù)對諧振

17、時放大倍數(shù)和通頻帶的影響。3. 由實驗數(shù)據(jù)分析阻尼電阻對品質(zhì)因數(shù)的影響。改變rw1，測量放大倍數(shù)與通頻帶rw1輸入電壓/mv輸出電壓峰值放大倍數(shù)f0 mhzf1 mhzf2 mhz通頻帶寬 mhz50k501.7434.810.710.5410.830.291k501.6633.210.710.5210.850.33數(shù)據(jù)分析：阻尼電阻與品質(zhì)因數(shù)有關(guān)，而品質(zhì)因數(shù)又影響了放大倍數(shù)與通頻帶。如電路圖可見，為并聯(lián)諧振回路，則r=qwl，rw1越大，阻尼電阻越大，從而品質(zhì)因數(shù)越大。q與帶寬近似反比（帶寬增益積一定），從而帶寬越窄。由數(shù)據(jù)可得，rw1=50k時放大倍數(shù)較大，通頻帶較窄。即阻尼電阻越大，品質(zhì)

18、因數(shù)越高。品質(zhì)因數(shù)q越大，放大倍數(shù)會增大，而通頻帶會減小。實驗數(shù)據(jù)和理論相符。4改變小信號射極電流，測量中心頻率增益輸入電壓：50mv射極電流/ma3.324.2168.21輸出電壓/v1.351.672.042.21理論增益/db27.929.932.135.1實際增益/db28.630.532.232.9分析：我們可以看到，隨著射極電流的增加，直流工作點改變，增益發(fā)生了改變。但是，在實際試驗中我也發(fā)現(xiàn)，當射極電流達到6ma時，出現(xiàn)了很嚴重的失真。通常情況下，適當?shù)脑黾泳w管射極的直流電流ie可以提高晶體管的電流放大倍數(shù)，增加小信號諧振放大器的增益。但ie過大，對于某些具有正向agc特性的晶體管，也會導致晶體管的電流放大倍數(shù)下降，另外此時輸出波形諧波失真較大，電路的非線性效應(yīng)也較明顯。另外，在本實驗中，實際增益變化比理論增益變化要小。原因在于：1由于調(diào)整并非完全精確，導致諧振點并不是在10.7mhz（試驗中我認為在10.7mhz10.71mhz之間），從而與實際有一定誤差。根據(jù)頻譜可以