高頻實驗報告實驗二 單調(diào)諧高頻小信號諧振放大器.

1、單調(diào)諧高頻小信號諧振放大器目錄一、實驗原理2二、仿真分析82.1 實驗一82.2 實驗二14三、單調(diào)諧放大電路設計實例223.1電路選擇與參數(shù)計算233.1.1選定電路形式233.1.2設置靜態(tài)工作點243.1.3諧振回路參數(shù)計算243.1.4確定耦合電容與高頻濾波電容：24一、實驗原理調(diào)諧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L、C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

2、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。() 單調(diào)諧放大器的基本原理典型的單調(diào)諧放大器電路如圖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

3、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?；旌?參數(shù)是晶體管物理參數(shù)，與頻率無關，物理概念清楚。但是由于輸入輸出相互牽制，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，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

4、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)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

5、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的等效電路如下：圖1.4 諧振放大器電路等效電路A根據(jù)晶體管的Y參數(shù)等效電路1.4，若忽略晶體管的內(nèi)反饋，并將各元件都折算到回路兩端，就可將圖1.4等效成圖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

6、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)有關外，還與工作角頻率有關。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Y參數(shù)（二） 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。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

7、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 1諧振頻率的測試 放大器的諧振回路諧振時所對應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，為晶體管的輸出電容、為負載電容。在實際的諧振放大器設計過程中，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

8、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電壓增益的測試 放大器的諧振回路諧振時所對應的電壓放大倍數(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3頻率特性的測試

9、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(1-19)可得通頻帶越寬放大器的電

10、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(1-19)可知，除了選用較大的晶體管外、還應盡量減小調(diào)諧回路的總電容量?？赏ㄟ^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。

11、因此，該方法比較方便的測量出電路的頻率特性。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 時對應的頻率范圍與電壓放大倍數(shù)下降到0.707時對應的頻率偏移之比，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，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)。二、仿真分析2.1 實驗一仿真實驗目的：（1）測試單調(diào)諧放大器的電壓放大倍數(shù)（2）測試單調(diào)諧放大器的幅頻

12、特性和相頻特性（3）測試單調(diào)諧放大器的回路諧振曲線仿真電路圖： （1）調(diào)整電路靜態(tài)工作點。通過調(diào)整Rp，調(diào)節(jié)電路的靜態(tài)工作點，使V(6)=1V。電路靜態(tài)工作點分析如圖（2）設置信號源在輸入點A接入虛擬函數(shù)發(fā)射器，設置為10.7MHZ、峰值電壓為20mV的正弦波。(3) 調(diào)試諧振狀態(tài)在輸出點B接入虛擬萬用表，設置為交流電壓模式。開啟仿真開關，調(diào)節(jié)可調(diào)電容C2，同時觀察虛擬萬用表輸出，將輸出交流電壓調(diào)整至最大值。（4）交流分析得到諧振曲線設置交流分析參數(shù)，輸出為V（5），即B點的輸出電壓。點擊仿真，可以得到諧振曲線，（5）分析發(fā)射極電阻R3對電路的影響。設置參數(shù)掃描，交流分析參數(shù)與輸出設置與步驟（

13、4）相同點擊仿真，可以得到：由于單調(diào)諧放大器在諧振時的電壓放大倍數(shù)與yfe 有直接關系，即與gm 有直接關系，而 。因此，在發(fā)射極靜態(tài)電壓不變時，改變發(fā)射極電阻的大小，可以改變跨導，進而改變輸出電壓的大小。在輸入電壓幅值不變的情況下，發(fā)射極電阻越大，電壓放大倍數(shù)越小。（6）帶寬的測量 根據(jù)交流分析圖，測得諧振時峰值電壓，然后下降3db，測得帶寬4.96MHZ根據(jù)諧振時的交流分析圖可以看到，在諧振頻率為10.7MHZ時，相位角約為180度，說明輸出電壓極性與輸入電壓極性相反。2.2 實驗二為了簡化實驗電路及方便元器件采買，結(jié)合理論分析，初步設計仿真實驗電路如圖：Rb1采用一個固定電阻Rb1A 一

14、個可變電阻Rb1B負載RL采用一個固定電阻，一個可變電阻電容C采用一個電容，一個可變電容發(fā)射極電阻有三種選擇，用開關進行切換（1） 調(diào)整靜態(tài)工作點。調(diào)整RLB，使RLB=5K。閉合開關S1，在三極管發(fā)射極放置一個虛擬探針。啟動仿真開關，觀察虛擬探針直流電流參數(shù)，調(diào)整Rb1B，使電流為1MA。當Rb1B調(diào)整至26.2%附近時，虛擬探針結(jié)果：直流工作點分析如圖：（2） 添加信號源在電路輸入點A出，添加虛擬信號源，設置如下（3） 調(diào)整諧振狀態(tài)為電路添加虛擬示波器與虛擬萬用表，將萬用表設置為交流電壓模式。啟動仿真開關，不斷調(diào)整C2B，使萬用表電壓輸出為最大值，此時電路達到諧振狀態(tài)。當C2B為45.4%

15、時，輸出電壓為2V，達到最大值，電路達到諧振狀態(tài)。（4） 交流分析得到諧振曲線交流分析參數(shù)如圖，本例中的輸出選擇為V（11）由圖可以看出，諧振頻率點在10.7MHZ，相位角大約為180°，說明輸入與輸出極性相反。將示波器的B通道連接至信號源，將B通道顯示的顏色設置為藍色，啟動仿真開關。觀察示波器說明輸出輸出正好極性相反。（5） 帶寬測量利用交流分析結(jié)果，測量帶寬可以看到帶寬為474KHZ。（6） 分析發(fā)射極電阻對電路的影響。對R3進行參數(shù)掃描，設置如圖，輸出為V（11）分析結(jié)果如圖由于單調(diào)諧放大器在諧振時的電壓放大倍數(shù)與yfe 有直接關系，即與gm 有直接關系，而 。因此，在發(fā)射極靜

16、態(tài)電壓不變時，改變發(fā)射極電阻的大小，可以改變跨導，進而改變輸出電壓的大小。在輸入電壓幅值不變的情況下，發(fā)射極電阻越大，電壓放大倍數(shù)越小。（7） 分析電容對電路的影響對C2A進行參數(shù)掃描，參數(shù)設置為可以看到，通過調(diào)整電容，可以調(diào)整電路的諧振頻率。電容越小，諧振頻率越高（8） 分析RL對電路的影響對RLA進行參數(shù)掃描，設置參數(shù)可以看到調(diào)整RL負載，可以調(diào)節(jié)電路的帶寬、矩形系數(shù)、以及品質(zhì)因數(shù)Q。三、單調(diào)諧放大電路設計實例技術指標：中心頻率，通頻帶，增益，品質(zhì)因數(shù)。已知條件：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。設計步驟：1確定電路形式。2選擇晶體管選擇晶體管應考慮以下原則：

17、（1） 為使放大器穩(wěn)定性好應選?。葱。┑木w管。（2） 頻率特性要好，應選高的晶體管,一般至少取。（3） 為使放大器增益大應選大，和（一般為下一級電路晶體管的輸入導納）小的晶體管。3試探靜態(tài)工作點，計算Y參數(shù)。由于和工作點電流有關，所以不宜太小，但太大則造成增加，所以一般常取（0.53）mA。4計算偏置電阻：5計算諧振回路電容：6確定高頻濾波電路及耦合電容7、設計仿真電路，進行仿真與分析8、通過仿真分析對相關參數(shù)進行進一步調(diào)整9、根據(jù)仿真電路圖進行電路板設計與焊接10、實際電路測試，并與仿真結(jié)果進行對比分析，進一步調(diào)整參數(shù)。設計目標：諧振頻率：10.7MHz,諧振電壓放大倍數(shù)：，通頻帶：，矩

18、形系數(shù)：。 RL=30K3.1電路選擇與參數(shù)計算3.1.1選定電路形式依設計技術指標要求，考慮高頻放大器應具有的基本特性,可采用共射晶體管單調(diào)諧回路諧振放大器高頻小信號放大器一般用于放大微弱的高頻信號,此類放大器應具備如下基本特性:只允許所需的信號通過,即應具有較高的選擇性。放大器的增益要足夠大。放大器工作狀態(tài)應穩(wěn)定且產(chǎn)生的噪聲要小。放大器應具有一定的通頻帶寬度。 圖2-1 單調(diào)諧放大器電路 典型的單調(diào)諧諧振放大器原理如圖2-1，圖中，RB1,RB2,RE用以保證晶體管工作于放大區(qū)域，從而放大器工作于甲類，CE是RE的旁路電容，C1,C2是輸入輸出耦合電容，L,C是諧振電路，R是集電極（交流）

19、電阻，他決定了回路的Q值，帶寬。為了減輕負載對回路的的影響，輸出采用了部分接入的方式。該電路靜態(tài)工作點Q主要由Rb1、Rb2、Re與Vcc確定。利用和的分壓固定基極偏置電位，如滿足條件：當溫度變化，抑制了變化，從而獲得穩(wěn)定的工作點。由此可知，只有當時，才能獲得恒定，故硅管應用時， 。只有當負反饋越強時，電路穩(wěn)定性越好，故要求，一般硅管?。?。在設計時，考慮到仿真與元器件采買的實際情況，三極管選擇了2N2222A，=80.3.1.2設置靜態(tài)工作點由于放大器是工作在小信號放大狀態(tài)，放大器工作電流一般在0.82mA之間選取為宜，設計電路中取 ，設。因為： 而 所以：因為：(硅管的發(fā)射結(jié)電壓為0.7V) 所以： 因為： 所以：因為： 而 取則： 因為： 則：，考慮調(diào)整靜態(tài)電流的方便，用20K電位器與68K電阻串聯(lián)。3.1.3諧振回路參數(shù)計算1）回路中的總電容C因為： 則: 2）回路電容C取C2A為標稱值40pf,與C2B 20Pf微調(diào)電容