單調(diào)諧小信號諧振放大器設(shè)計

1、高頻實驗報告（一）單調(diào)諧小信號諧振放大器設(shè)計 組員 座位號 16 實驗時間 周一上午 目錄一、實驗?zāi)康?二、實驗原理3 2.1單調(diào)諧放大器的基本原理3 2.2主要性能指標及測量方法7 2.2.1諧振頻率的測試7 2.2.2電壓增益的測試8 2.2.3頻率特性的測試8三、設(shè)計方法11四、實驗內(nèi)容及參數(shù)設(shè)計12五、實驗參數(shù)測試及分析15六、思考題15一、 實驗?zāi)康? 熟悉小信號諧振放大器的工作原理。2 掌握小信號諧振放大器的工程設(shè)計方法。3 掌握小信號諧振放大器的調(diào)諧方法。4 掌握小信號諧振放大器幅頻特性的測量方法。5 熟悉放大器靜態(tài)工作點和集電極負載對諧振放大器幅頻特性的影響。二、 實驗原理調(diào)諧

2、放大器的主要特點是晶體管的集電極負載不是純電阻，而是由 l、c組成的并聯(lián)諧振回路，由于lc并聯(lián)諧振回路的阻抗隨頻率而變化，在諧振頻率處、其阻抗是純電阻，且達到最大值。因此，用并聯(lián)諧振回路作集電極負載的調(diào)諧放大器在回路的諧振頻率上具有最大的放大系數(shù)，稍離開此頻率放大系數(shù)就迅速減小。因此用這種放大器就可以只放大我們所需要的某些頻率信號，而抑止不需要的信號或外界干擾信號。正因如此，調(diào)諧放大器在無線電通訊等方面被廣泛地用作高頻和中頻選頻放大器。調(diào)諧放大器的電路形式很多，但基本的電路單元只有兩種：一種是單調(diào)諧放大器，一種是雙調(diào)諧放大器。這里先討論單調(diào)諧放大器。2.1單調(diào)諧放大器的基本原理典型的單調(diào)諧放大

3、器電路如圖1.1所示。圖中r1, r2 是直流偏置電阻；lc并聯(lián)諧振回路為晶體管的集電極負載，re是為提高工作點的穩(wěn)定性而接入的直流負反饋電阻， cb和ce是對信號頻率的旁路電容。輸入信號vs經(jīng)變壓器耦合至晶體管發(fā)射結(jié)，放大后再由變壓器耦合到外接負載rl，cl上。為了減小晶體管輸出導納對回路的影響，晶體管t1采用抽頭接入。圖1.1高頻小信號諧振放大器電路在低頻電子電路中，我們經(jīng)常采用混合模型來描述晶體管。把晶體管內(nèi)部的物理過程用集中元器件rlc表示。用這種物理模型的方法所涉及到的物理等效電路就是所謂的參數(shù)等效電路。混合 參數(shù)是晶體管物理參數(shù)，與頻率無關(guān)，物理概念清楚。但是由于輸入輸出相互牽制，

4、在高頻分析時不太方便。在高頻電子線路的分析中，通常采用y參數(shù)模型來描述晶體管。y參數(shù)是一種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，由于它將晶體管的輸入輸出分開，所以便于進行高頻分析。y參數(shù)與頻率有關(guān)，但是通常高頻小信號放大電路屬于窄帶放大電路，所以不影響y參數(shù)的運用。y參數(shù)本身可以通過混合 參數(shù)換算，也可以通過專門的儀器進行測量。晶體管混合模型如下圖所示圖1.2混合模型其中，稱為跨導 (1-1)為發(fā)射結(jié)電容，一般為幾十皮法至幾百皮法。為集電結(jié)電容，一般為幾皮法。對于共發(fā)射極組態(tài)的三極管電路，y參數(shù)定義如下： (1-2) (1-3)圖1.3 晶體管y參數(shù)模型根據(jù)晶體管混合參數(shù)模型，可得到 y參數(shù)如下： (1-4) (1-5)

5、通常情況下較小，一般幾百歐姆，較大，一般幾千歐姆，為了估算方便，進一步將得到 y參數(shù)簡化如下： (1-6) (1-7)例如，某晶體管的混合參數(shù)為：低頻工作時，忽略，有高頻工作時，設(shè)f=465khz，代入前面的公式，有結(jié)果是所有的參數(shù)都變成了復數(shù)，其中略有變小，并略有相移。但是變化強烈，并產(chǎn)生了很大相移，表示晶體管產(chǎn)生了強烈的內(nèi)反饋。根據(jù)y參數(shù)模型，得到圖1.1高頻小信號諧振放大器電路相應(yīng)的等效電路如下：圖1.4 諧振放大器電路等效電路a為了討論諧振回路的頻率特性，可以將連接在 lc諧振回路上的所有負載（包括本級晶體管的輸出參數(shù)和后級的負載）都等效到 lc 諧振回路的兩端，就可將圖1.4等效成圖

6、1.5。圖1.5 諧振放大器電路等效電路b其中，為信號源，為晶體管的集電極接入系數(shù)，式中為電感線圈的總匝數(shù)，為晶體管的集電極接入電感線圈匝數(shù)；為輸出變壓器的副線圈與原線圈的匝數(shù)比，式中為電感副線圈的匝數(shù)。為lc回路本身的損耗電導，為諧振回路電感。其它參數(shù)如下所示： (1-8) (1-9) (1-10) (1-11)為諧振放大器輸出負載的電導，通常小信號諧振放大器的下一級，仍為晶體管諧振放大器，則將是下一級晶體管的輸人電導和電容。晶體管在高頻情況下的分布參數(shù)除了與靜態(tài)工作電流、電流放大系數(shù)有關(guān)外，還與工作角頻率有關(guān)。晶體管手冊中給出的分布參數(shù)一般是在測量條件一定的情況下測得的。如在，條件下測得的

7、y參數(shù)2.2主要性能指標及測量方法表征高頻小信號諧振放大器的主要性能指標有諧振頻率，諧振電壓放大倍數(shù)，放大器的通頻帶及選擇性（通常用矩形系數(shù)來表示）等，采用圖1.6所示的測試電路可測量各項指標。實驗電路被設(shè)計成多個實驗通用。對于本實驗來說，電路由晶體管，諧振回路等構(gòu)成。是輸出耦合電容，是負載電阻。及右側(cè)諧振回路，與本實驗無關(guān)（斷開）。本實驗的諧振頻率由調(diào)節(jié)，由于的容量有限，故加固定電容以增大總電容。圖中輸入信號由高頻信號發(fā)生器提供，示波器監(jiān)測輸入端和負載端的波形。諧振放大器的各項性能指標及測量方法如下。 圖1.6高頻小信號諧振放大器測試電路2.2.1諧振頻率的測試 放大器的諧振回路諧振時所對應(yīng)

8、的頻率稱為諧振頻率。圖1.1所示電路的表達式為 (1-12)式中，為諧振回路電感線圈的電感量，為諧振回路的總電容，c為諧振回路的外接電容，為晶體管的輸出電容，為負載電容。在實際的諧振放大器設(shè)計過程中，常常是根據(jù)上式估算出各電容及電感的數(shù)值，然后在實際調(diào)試中，通過改變電感或某個電容的值，達到電路諧振在設(shè)計頻率上的目的。諧振頻率的調(diào)整步驟是，首先使高頻信號發(fā)生器的輸出頻率為，輸出電壓為幾毫伏；然后調(diào)諧集電極回路即改變c或電感線圈l的磁芯位置使回路諧振。lc并聯(lián)回路諧振時，示波器顯示的輸出波形幅度最大，且無明顯失真。這時回路的諧振頻率就等于高頻信號發(fā)生器的輸出頻率。2.2.2電壓增益的測試 放大器的

9、諧振回路諧振時所對應(yīng)的電壓放大倍數(shù)稱為諧振放大器的電壓增益（放大倍數(shù)）。的表達式為： (1-13)要注意的是，本身也是一個復數(shù),所以諧振時輸出電壓與輸入電壓的相位差為 ()。只有當工作頻率較低時，與的相位差才等于。 的測量電路如圖1.6所示，測量條件是放大器的諧振回路處于諧振狀態(tài)。當回路諧振時，分別從電源的指示器上記下輸入端電壓的讀數(shù)及示波器上讀出輸出端的讀數(shù)，則電壓放大倍數(shù)由下式計算： (1-14)用分貝表示為2.2.3頻率特性的測試 1）通頻帶bw由于諧振回路的選頻作用，當工作頻率偏離諧振頻率時,放大器的電壓放大倍數(shù)下降，電壓放大倍數(shù)隨信號頻率變化的曲線，叫做放大器的諧振曲線，如圖1.7所

10、示。電壓放大倍數(shù) (1-15)習慣上稱電壓放大倍數(shù)下降到諧振電壓放大倍數(shù)的0.707倍時所對應(yīng)的頻率范圍稱為放大器的通頻帶，其表達式為 (1-16)式中為諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù) (1-17)分析表明，放大器的諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積滿足關(guān)系式 (1-18)上式說明，當晶體管選定即確定，且回路總電容為定值時，諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積為一常數(shù)。這與低頻放大器中的增益帶寬積為一常數(shù)的概念是相同的。由式(1-18)可得通頻帶越寬放大器的電壓放大倍數(shù)越小。要想得到一定寬度的通頻帶，同時又能提高放大器的電壓增益，由式(1-18)可知，除了選用較大的晶體管外、還應(yīng)盡量減小調(diào)諧回路的總電容量。圖1

11、.7 諧振放大器的頻率特性曲線可通過測量放大器的頻率特性曲線來求通頻帶。測量方法有逐點法和掃頻法。逐點法測量電路如圖1.6，測量步驟是：先使調(diào)諧放大器的諧振回路產(chǎn)生諧振，記下此時的諧振頻率及電壓放大倍數(shù)，然后改變高頻信號發(fā)生器的頻率(保持其輸出電壓不變)，并測出對應(yīng)的電壓放大倍數(shù)。由于回路失諧后電壓放大倍數(shù)下降，所以可以得到如圖1.7所示的諧振特性曲線。掃頻法測量電路如圖1.8，圖中頻響特性測試儀代替了圖1.6中的信號發(fā)生器與示波器。測量步驟是調(diào)節(jié)頻響特性測試儀，產(chǎn)生頻率在某個范圍內(nèi)變化的信號（掃頻信號），此時儀器自動記錄并顯示在該頻率范圍內(nèi)的輸出幅度，即頻率特性曲線。因此，該方法比較方便的測

12、量出電路的頻率特性。圖1.8 頻響特性測試儀測試電路2）矩形系數(shù) 諧振放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)來表示，如圖1.7所示。矩形系數(shù) 為電壓放大倍數(shù)下降到0.1 時對應(yīng)的頻率范圍與電壓放大倍數(shù)下降到0.707時對應(yīng)的頻率偏移之比，即 (1-19)矩形系數(shù)越接近1，鄰近波道的選擇性越好，濾除干擾信號的能力越強。一般單級單調(diào)諧振放大器的矩形系數(shù)等于固定值10，遠大于1，與回路參數(shù)無關(guān)，所以選擇性較差。因此，為提高放大器的選擇性通常采用多級諧振放大器?？梢酝ㄟ^測量諧振放大器的頻率特性曲線來求得矩形系數(shù)。三、 設(shè)計方法設(shè)計一個高頻小信號諧振放大器 技術(shù)指標：中心頻率，通頻帶，增益，品質(zhì)因數(shù)。 已

13、知條件：電源電壓，輸入信號幅度，信號源內(nèi)阻，負載阻抗，電感線圈空載損耗。 設(shè)計步驟：1確定電路形式。見圖1.9。2選擇晶體管選擇晶體管應(yīng)考慮以下原則：（1） 為使放大器穩(wěn)定性好應(yīng)選?。葱。┑木w管。（2） 頻率特性要好，應(yīng)選高的晶體管,一般至少取。（3） 為使放大器增益大應(yīng)選大，和（一般為下一級電路晶體管的輸入導納）小的晶體管。3根據(jù)頻率要求計算負載電導。4試探靜態(tài)工作點，計算y參數(shù)。由于和工作點電流有關(guān)，所以不宜太小，但太大則造成增加，所以一般常取（0.53）ma。5計算接入系數(shù)6驗算增益是否滿足要求：7計算偏置電阻：8計算諧振回路電容：9確定高頻濾波電路及耦合電容：圖1.9諧振放大器實驗

14、電路四、 實驗內(nèi)容及參數(shù)設(shè)計1 設(shè)計一高頻小信號諧振放大器。已知條件，靜態(tài)工作點電流在0.52ma之間選取。晶體管為q2n3904， ，。中頻變壓器參數(shù), ，。技術(shù)指標：諧振頻率，諧振電壓放大倍數(shù)，通頻帶。解：電路如圖1.9所示：放大電路采用分壓式電流負反饋偏置電路1根據(jù)頻率要求計算負載電導：由于，可得有載品質(zhì)因數(shù)由得：2試探靜態(tài)工作點，計算y參數(shù)：選取ieq=1 ma時：估算y參數(shù)如下：從而，這里忽略了，引入了誤差大概15%，實際電路計算中，一般不能忽略。從而，檢查數(shù)據(jù)，3 計算接入系數(shù)：諧振回路本身固有導納則在功率匹配的情況下滿足：一般為后級放大器的輸入電導，這里則可以得到接入系數(shù)實驗中取

15、：l13l12l34電感值4.02uh 2.33 uh0.56 uh即： 4 驗算增益是否滿足要求：要求，換算成電壓放大倍數(shù)為倍?？梢娫鲆鏉M足設(shè)計要求，選取的工作點合適。否則，需要根據(jù)重新選擇工作點。5 計算偏置電阻：要求流經(jīng)偏置電阻r1， r2的電流，才能保證vbq恒定，一般?。ü韫埽?。這里取電路靜態(tài)工作點由下式確定：對于小信號放大器，一般取，這里取, 實驗時，取=43k，=1.5k，由110k電阻和10 k電位器串連，以便調(diào)整靜態(tài)工作點。6 計算諧振回路電容：根據(jù)頻率要求計算回路總電容： ，由此，取可調(diào)電容,7 確定高頻濾波電路及耦合電容：7.1、耦合電容取= 0.1f。對于10mhz的信

16、號，阻抗約為0.16，而對于直流信號阻抗則很大。7.2、高頻濾波電路這里采用型濾波電路來去除電源干擾。要求，電感采用色環(huán)電感即可，電容一般采用高頻瓷片電容。取，2電路裝調(diào)3參數(shù)測試： 增益、幅頻特性、動態(tài)范圍等 。4結(jié)果分析：使用matlab做數(shù)據(jù)擬合畫圖，分析討論。電路調(diào)試注意事項：1、信號源的使用：如果信號源動態(tài)范圍較小，可采用10：1衰減器擴大。電路如下：信號源內(nèi)阻衰減器滿足，則，選擇合適的電阻，可得到需要的衰減率。2、示波器的使用：a、頻率精確測量，示波器屏幕右下有頻率精確顯示；b、探頭衰減設(shè)置，選擇x10衰減，可減小示波器探頭對電路的影響。 五、 實驗參數(shù)測試及分析實驗中得到放大后輸

17、出波形如圖：1.靜態(tài)工作點參數(shù)基本滿足工作條件。2中心頻率：3當輸入電壓時，輸出電壓增益：當時，測得： 帶寬： 帶寬基本能滿足實驗要求。4 矩形系數(shù)： 5. 幅頻特性曲線： 實驗中一共測得了40組數(shù)據(jù)，頻率范圍從8.0mhz14.0mhz。由于要著重觀察其選頻特性，所以在中心頻率10.7mhz附近取樣較密集，偏離中心頻率較遠處取樣較稀疏。這樣能比較好的擬合出選頻特性曲線。 (vipp=20mv)序號12345678頻率（mhz）8.09.09.59.810.010.110.210.3vopp（mv）20.428.438.047.660.867.279.297.6序號91011121314151

18、6頻率（mhz）10.4010.4510.5010.5510.5910.6110.6310.65vopp（mv）123142172208244264286306序號1718192021222324頻率（mhz）10.6710.6810.6910.7010.7110.7210.7310.75vopp（mv）322330334336334332328314序號2526272829303132頻率（mhz）10.7710.7910.8110.8510.9010.9511.011.1vopp（mv）294272254216178150130104序號3334353637383940頻率（mhz）11.

19、211.311.411.612.012.513.014.0vopp（mv）80.068.059.247.234.425.621.617.6下圖為matlab擬合曲線，其中橫軸為輸入信號頻率，縱軸為vipp=20mv時測得的輸出電壓峰-峰值，可以代表電路增益：分析：1. 帶寬不能進一步減小的原因： 過小，影響的為l和，影響的有接入系數(shù)以及晶體管參數(shù)。實驗中未取電感4uh，實際取的是5.2uh，另外q值也沒有達到理論上要求的值，此外電路的各種參數(shù)還會使實際電路中的q值進一步降低，當然過大的接入系數(shù)也會造成bw變寬，工作點的選擇對晶體管參數(shù)有較大影響，從而也會影響bw實驗中要能夠達到所需帶寬，可采取

20、的措施有： （1）適當減小所繞電感值，增大其q值（2）適當減小接入系數(shù)（3）適當調(diào)整工作點2. 矩形系數(shù)：理論值為9.1，較為接近，這與具體的幅頻特性曲線相關(guān)實際電路由于各種影響因素，不可避免與理論值有出入。3. 幅頻曲線： 擬合得到的幅頻曲線比較合理，可以看到選頻特性較好。六、 思考題1 如何判斷并聯(lián)諧振回路是否處于諧振狀態(tài)？回路的諧振頻率與哪些參數(shù)有關(guān)？用實驗說明。答：首先確認輸出信號沒有產(chǎn)生任何失真，即晶體管工作在線性放大區(qū)，然后調(diào)節(jié)信號源輸入信號的頻率，如果在中心頻率 f0處輸出的峰峰值 vopp為最大值，那么電路工作在諧振狀態(tài)?；芈返闹C振頻率主要由電感 l 和電容 ca，cb的值來決

21、定：2. 為什么說提高電壓放大倍數(shù)時，通頻帶會減小?可采取哪些措施提高？實驗結(jié)果如何？答：從實驗原理中的分析可以得到，放大器的諧振電壓放大倍數(shù) 0 v a 與通頻帶bw的乘積滿足關(guān)系式： 上式說明，當晶體管選定即 yfe確定，且回路總電容 ct為定值時，諧振電壓放大倍數(shù) av0與通頻帶 bw 的乘積為一常數(shù)。這與低頻放大器中的增益帶寬積為一常數(shù)的概念是相同的。因而，提高電壓放大倍數(shù) av0時，通頻帶 bw 會減小。 如果想要不減小帶寬 bw 又調(diào)高增益 av，可以采用多級放大器級聯(lián)的方法。 但是在實驗中，我們發(fā)現(xiàn)單純增大增益并不能解決帶寬過大的問題，主要原因是，首先，如果接入系數(shù)p2太大，后級反射阻抗增加，回路q值下降很明顯。此外，抬高靜態(tài)工作點，三極管放大器電流增加，阻抗也相應(yīng)增加，q值也會下降。所以在試驗中，我們并沒有將靜態(tài)工作點抬高到4v左右，而是選在了2v左右。3 在調(diào)諧振回路時，對放大器的輸入信號有何要求?如果輸入信號過大會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？答：在調(diào)諧振回路時，輸入信號不宜過大，否則輸出信號的波形會發(fā)生失真，此時放大器沒有工作在線性放大區(qū)，一般輸入電壓最高取100mv峰峰值，如果信號源可以提供的值的下限較大，應(yīng)設(shè)計衰減電路如下：衰減器滿足rs r1，zi r2，則，選擇合適的電阻，