高频小信号放大器

山西综合职业技术学院 模拟电子线路 二 1 项目一项目一 高频小信号放大器高频小信号放大器 主要内容 主要内容 基础知识基础知识 模块介绍模块介绍 项目训练项目训练 1 基础知识 基础知识 1 1 高频小信号放大器的概念及分类高频小信号放大器的概念及分类 1 高频小信号放大器概念 高频小信号放大器概念 放大高频小信号 中心频率在几百千赫兹到几百兆赫兹 的放大器称为高 频小信号放大器 2 高频小信号放大器分类 高频小信号放大器分类 根据工作频带的宽窄不同 高频小信号放大器分为宽带型和窄带型两大类 所谓频带的宽窄指的是相对频带 而不是绝对频带 即通频带与其中心频 率的比值 宽带放大器的相对频带较宽 往往在 0 1 以上 窄带放大器的相对频带较 窄 往往小到 0 01 本项目主要介绍小信号谐振放大器 1 2 宽带放大器宽带放大器 1 2 1宽放的特点及分析方法宽放的特点及分析方法 1 特点 特点 采用特征频率 fT很高的高频管 负载为非谐振的 对电路的技术指标要求高 2 分析方法 分析方法 分析宽带放大器的频率特性 可以采用与分析一般音频放大器频率特性相 似的方法 即稳态 又称频域分析法 也可以用另一种分析方法 就是考察阶 山西综合职业技术学院 模拟电子线路 二 2 跃信号通过放大器后的失真情况 称为暂态法 又称时域分析法 1 稳态法稳态法 依据依据 任何复杂的信号都可看成是由许多不同频率 不同幅度的正弦波的叠加 方法方法 通过分析或测量宽带放大器对不同频率正弦波的响应 得到电路的幅频 特性和相频特性 并由此分析出该放大器的一些性能指标 应用连接图示应用连接图示 2 暂态法暂态法 依据依据 任一信号都可看成由许多起始时间不同 幅度不同的矩形脉冲的叠加 方法方法 通过观察矩形脉冲经宽带放大器放大后波形的失真情况 来判断该放大 器的相关特性 应用连接图示应用连接图示 1 2 2 扩展通频带的方法扩展通频带的方法 1 组合电路法 放大电路三种组态的特点 共射 Au 大 Ri Ro 中 fH低 共集 Au 小 Ri 大 Ro 小 fH高 共基 Au 大 Ri 小 Ro 大 fH较高 适当组合可得到以下几种常见的组合电路 2 负反馈法 引入负反馈课扩展放大器的通频带 而且反馈越深 通频带扩展得越宽 但是 引入负反馈容易造成放大器工作的不稳定 甚至出现自激振荡 这是必 须注意的问题 山西综合职业技术学院 模拟电子线路 二 3 3 集成宽带放大器 1 3 小信号谐振放大器小信号谐振放大器 1 3 1 谐振放大器概念谐振放大器概念 采用调谐回路作为负载的放大器 选频或滤波是其基本特点 选频网络在高频电子线路中得到广泛应用 它能选出我们需要的频率分量 滤去不需要的频率分量 谐振回路 由谐振回路 由 L L C C 组成 组成 各种滤波器各种滤波器 LC 集中滤波器集中滤波器 石英晶体滤波器石英晶体滤波器 陶瓷滤波器陶瓷滤波器 声表面波滤波器声表面波滤波器 选频网络选频网络 单振荡回路单振荡回路 耦合振荡回路耦合振荡回路 1 LC 串联谐振回路串联谐振回路 山西综合职业技术学院 模拟电子线路 二 4 1 概述 信号源与电容和电感串接 就构成 LC 串联谐振回路 串联谐振回路的阻抗在某一特定频率上具有最小值 而偏离这个特定频率 的时候阻抗将迅速增大 回路的这种特性称为谐振特性 这个特定频率就叫做 谐振频率 谐振回路具有选频和滤波作用 2 谐振条件 j ez C LjRjxRz 1 2222 1 C LRXRz R C 1 L arctg R X arctg 令 则达到最大值 回路发生谐振 1 0XL C s o V II R 串联谐振角频率和频率分别为 o o f 1 o LC 1 2 o f LC 3 谐振特性 谐振时 回路电抗 X 为 0 阻抗 Z R 为最小值 且为纯电阻性 o 时 回路呈感性 0 1 L C 时 回路呈容性 0 1 L C 时 回路呈感性 0 1 L Q2 山西综合职业技术学院 模拟电子线路 二 8 2 单级单调谐放大器的性能分析 单级单调谐放大器的性能分析 谐振频率 其中 为等效的回路总电容 C 通频带 其中 为回 e Q 路的有载品质 因数 有 矩形系数 其中 可见其矩形系数远大于 1 选择性较差 3 多级单调谐放大器的性能指标 多级单调谐放大器的性能指标 电压增益 如果有 n 级且各级增益相同 则 则 Au AU1 AU2 AU3 AU4 AUN A Au u1 1 n 通频带 选择性 N 级的矩形系数为 2 2 双调谐放大器双调谐放大器 LC f 2 1 0 e 0 7 0 Q f BW CR L R Q 0 0 e 95 9 7 0 1 0 1 0 BW BW K e n Q f BW 0 1 7 0 12 12 1100 1 1 7 0 1 0 1 0 n n BW BW K 山西综合职业技术学院 模拟电子线路 二 9 1 双调谐放大器电路结构 双调谐放大器电路结构 1 集电极负载为双调谐耦合回路 2 初 次级均采用了部分接入方式 2 双调谐放大器性能特点 双调谐放大器性能特点 双调谐放大器在临界耦合的条件下谐振电压增益是单调谐的 1 2 倍 双调谐的通频带和单调谐通频带的关系 e 0 7 0 2 Q f BW 矩形系数小于单调谐 选择性好 即16 3 7 0 1 0 1 0 BW BW K 缺点是调谐不方便 2 3 集中选频放大器集中选频放大器 1 集中选频放大器的组成 集中选频放大器的组成 第一种形式 第二种形式 2 集中选频滤波器 集中选频滤波器 1 晶体滤波器晶体滤波器 1 石英晶体的物理特性 石英晶体是一种各向异性的结晶体 化学成分是 SiO2 具有稳定的物理化 学特性 2 石英晶体的压电效应 石英晶体的具有正 反两种压电效应 当石英晶体沿某一电轴受到交变电 场作用时 就能沿机械轴产生机械振动 反过来 当机械轴受力时 就能在电 山西综合职业技术学院 模拟电子线路 二 10 轴方向产生电场 且换能性能具有谐振特性 在谐振频率 换能效率最高 3 石英晶体符号及等效电路 石英晶体的等效电路如右图所示 电容称为石英谐振器 0 C 的静电容 其容量主要决定于石英片尺寸和电极面积 等效它的串联谐振特性 为晶体的质量 惯 q L q C q r q L 性 为等效弹性模数 为机械振动中的摩擦损耗 q C q r 3 石英晶体的电抗特性 由等效电路可知 石英晶体有两个谐振频率 一个是由 组成的串联谐振频率 q L q C q r 1 2 q qq f L C 另一个是包含在内的整个电路的并联谐振频 0 C 率 0 0 0 1 1 2 2 q pq q q q C ff CC C L CC 晶体滤波器的等效电抗为 22 22 0 1 1 X C 1 q p ff ff 电抗特性曲线如右图所示 由图可知 当时 均有 晶体呈现容性 pq ffff X0 由于时 时 因此 石英晶体滤波器可用作高频 q ff X 0 p ff X 窄带滤波器 石英晶体滤波器工作时 石英晶体两个谐振频率之间感性区的宽 度决定了滤波器的通带宽度 2 陶瓷滤波器陶瓷滤波器 1 陶瓷片的 压电效应 与 反压电效应 陶瓷片的 压电效应 与 反压电效应 与石英晶体相似 因此工作原理 等 效电路与石英晶体滤波器相同 其电路符号与石英晶体滤波器也相同 山西综合职业技术学院 模拟电子线路 二 11 2 两端陶瓷滤波器 外形及符号 两个谐振频率 3 三端陶瓷滤波器 陶瓷滤波器 工作频率为几百 kHz 几十 MHz 使用时 其输入阻抗须与 信号源阻抗匹配其输出阻抗须与负载阻抗匹配 优点 体积小 成本低 受外界影响小 缺点 频率特性较难控制 生产一致性较差 BW 不够宽 3 声表面波滤波器声表面波滤波器 声表面波滤波器是声表面波 用 SAW 表示 器件的一种 SAW 器件是 一种利用弹性固体表面传播机械振动波的器件 声表面波滤波器优点 体积小 重量轻 性能稳定 特性一致性好 工作 频率高 几 MHz 几 GHz 通频带宽 抗辐射能力强 动态范围大等 实用 的声表面波滤波器的矩形系数可小于 1 2 相对带宽可达 50 本学习项本学习项 目小结 目小结 11 2 1 CL fs 01 01 1 2 1 CC CC L fp 山西综合职业技术学院 模拟电子线路 二 12 1 高频小信号放大器分为宽带和窄带两类 2 扩展频带的方法有负反馈法 组合电路法和补偿法 3 小信号谐振放大器是一种窄带放大器 由放大器和谐振负载组成 具有 选频或滤波功能 按谐振负载的不同 可分为单调谐放大器 双调谐放大器 等 4 集中选频放大器是由集中选频滤波器和宽带放大器组成 常用的集中选 频滤波器有陶瓷滤波器 声表面波滤波器等 3 3 项目训练 项目训练 项目训练一项目训练一 单调谐放大器单调谐放大器 一 训练目的及原理一 训练目的及原理 目的 1 熟悉电子元器件和高频电路实验箱 2 熟悉谐振回路的幅频特性分析 通频带与选择性 3 熟悉信号源内阻及负载对谐振回路的影响 从而了解频带扩展 4 熟悉和了解放大器的动态范围及其测试方法 原理 调谐放大器由晶体管和调谐回路两部分组成 调谐回路并接在晶体管输 出端 具有选频作用 晶体管的工作频率很高且工作在窄带状态 从而 提高了电路的稳定性 二 实验仪器设备二 实验仪器设备 双踪示波器 高频信号发生器 高频毫伏表 数字万用表 高频电路实验 箱及实验板 G1 三 预习要求三 预习要求 1 复习谐振回路的工作原理 2 了解谐振放大器的电压放 大倍数 动态范围 通频 带及选择性相互之间关系 3 实验电路中 若电感量 L 1 h 回路总电容 C 220pf 分布电容包括在 内 计算回路中心频率 f 图 1 1 单调谐回路谐振放大器原理图 山西综合职业技术学院 模拟电子线路 二 13 四 实验内容及步骤四 实验内容及步骤 一 单调谐回路谐振放大器 实验电路见图 1 1 1 按图 1 1 所示连接电路 注意接线前先测量 12V 电源电压 无误后 关断电源再接线 2 接线后仔细检查 确认无误后接通电源 1 静态测量 实验电路中选 Re 1K 测量各静态工作点 计算并填表 1 1 表 1 1 实 测实测计算 根据 VCE 判断 V 是否工作在放大区 原因 VBVEICVCE是否 VB VE是三极管的基极和发射极对地电压 3 动态研究 1 测放大器的动态范围 Vi V0 在谐振点 选 R 10K Re 1K 把高频信号发生器接到电路输入端 电路输出端 接高频毫伏表 选择正常放大区的输入电压 Vi 调节频率 f 使其为 10 7MHz 调节 CT使回路谐振 使输出电压幅度为最大 此时调节 Vi 由 0 02 伏变到 0 8 伏 逐点记录 V0电压 并填入 表 1 2 Vi的各点 测量值可根据 各自 实测情况来确定 表 1 2 Vi V 0 020 8 Re 1k Re 500 V0 V Re 2K 2 当 Re分别为 500 2K 时 重复上述过程 将结果填入表 1 2 3 测量放大器的频率特性 山西综合职业技术学院 模拟电子线路 二 14 当回路电阻 R 10K 时 选择正常放大区的输入电压 Vi 将高频信号 发生器输出端接至电路输入端 调节频率 f 使其为 10 7MHz 调节 CT 使回路谐振 使输出电压幅度为最大 此时的回路谐振频率 f0 10 7MHz 为中心频率 然后保持输入电压 Vi 不变 改变频率 f 由 中心频率向两边逐点偏离 测得在不同频率 f 时对应的输出电压 V0 将测得的数据填入表 1 3 频率偏离范围可根据 各自 实测情况来确 定 表 1 3 f MHz 10 7 R 10K R 2K V0 R 470 计算 f0 10 7MHz 时的电压放大倍数及回路的通频带和 Q 值 4 改变谐振回路电阻 即 R 分别为 2K 470 时 重复上述测试 并 填入表 1 3 比较通频带情况 五 实验报告要求 1 在同一坐标纸上画出 IC不同时的动态范围曲线 并进行比较和分析 2 整理实验数据 并画出单调谐回路接不同回路电阻时的幅频特性和通 频带 整理并分析原因 项目训练二项目训练二 双调谐放大器实验双调谐放大器实验 1 实验线路见图图 1 21 2 山西综合职业技术学院 模拟电子线路 二 15 图 1 2 双调谐回路谐振放大器原理图 1 用扫频仪调双回路谐振曲线 接线方法同上 3 3 观察双回路谐振曲线 选 C 3pf 反复调整 CT1 CT2 使两回路谐振在 10 7MHz 2 测双回路放大器的频率特性 按图图 1 21 2 所示连接电路 将高频信号发生器输出端接至电路输入端 选 C 3pf 置高频信号发生器频率为 10 7MHz 反复调整 CT1 CT2 使 两回路谐振 使输出电压幅度为最大 此时的频率为中心频率 然后 保持高频信号发生器输出电压不变 改变频率 由中心频率向两边逐 点偏离 测得对应的输出频率 f 和电压值 并填入表表 1 31 3 表表 1 31 3 f MHz 10 7 C 3pf C 10pf V