高频实验报告实验二 单调谐高频小信号谐振放大器.

1、单调谐高频小信号谐振放大器目录一、实验原理2二、仿真分析82.1 实验一82.2 实验二14三、单调谐放大电路设计实例223.1电路选择与参数计算233.1.1选定电路形式233.1.2设置静态工作点243.1.3谐振回路参数计算243.1.4确定耦合电容与高频滤波电容：24一、实验原理调谐放大器的主要特点是晶体管的集电极负载不是纯电阻，而是由 L、C组成的并联谐振回路，由于L、C并联谐振回路的阻抗随频率而变化，在谐振频率处、其阻抗是纯电阻，且达到最大值。因此，用并联谐振回路作集电极负载的调谐放大器在回路的谐振频率上具有最大的放大系数，稍离开此频率放大系数就迅速减小。因此用这种放大器就可以只放

2、大我们所需要的某些频率信号，而抑止不需要的信号或外界干扰信号。正因如此，调谐放大器在无线电通讯等方面被广泛地用作高频和中频选频放大器。调谐放大器的电路形式很多，但基本的电路单元只有两种：一种是单调谐放大器，一种是双调谐放大器。这里先讨论单调谐放大器。() 单调谐放大器的基本原理典型的单调谐放大器电路如图1.1所示。图中R1, R2 是直流偏置电阻；LC并联谐振回路为晶体管的集电极负载，Re是为提高工作点的稳定性而接入的直流负反馈电阻， Cb和Ce是对信号频率的旁路电容。输入信号Vs经变压器耦合至晶体管发射结，放大后再由变压器耦合到外接负载RL，CL上。为了减小晶体管输出导纳对回路的影响，晶体管

3、T1采用抽头接入。图1.1高频小信号谐振放大器电路在低频电子电路中，我们经常采用混合模型来描述晶体管。把晶体管内部的物理过程用集中元器件RLC表示。用这种物理模型的方法所涉及到的物理等效电路就是所谓的参数等效电路。混合 参数是晶体管物理参数，与频率无关，物理概念清楚。但是由于输入输出相互牵制，在高频分析时不太方便。在高频电子线路的分析中，通常采用Y参数模型来描述晶体管。Y参数是一种网络参数，由于它将晶体管的输入输出分开，所以便于进行高频分析。Y参数与频率有关，但是通常高频小信号放大电路属于窄带放大电路，所以不影响Y参数的运用。Y参数本身可以通过混合 参数换算，也可以通过专门的仪器进行测量。晶体

4、管混合模型如下图所示图1.2混合模型其中，称为跨导 (1-1)为发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。为集电结电容，一般为几皮法。对于共发射极组态的三极管电路，Y参数定义如下： (1-2) (1-3)图1.3 晶体管Y参数模型根据晶体管混合参数模型，可得到 Y参数如下： (1-4) (1-5)通常情况下较小，一般几百欧姆，较大，一般几千欧姆，为了估算方便，进一步将得到 Y参数简化如下： (1-6) (1-7)例如，某晶体管的混合参数为：低频工作时，忽略，有高频工作时，设f=465kHz，代入前面的公式，有结果是所有的参数都变成了复数，其中略有变小，并略有相移。但是变化强烈，并产生了很大相移，表

5、示晶体管产生了强烈的内反馈。根据y参数模型，得到图1.1高频小信号谐振放大器电路相应的等效电路如下：图1.4 谐振放大器电路等效电路A根据晶体管的Y参数等效电路1.4，若忽略晶体管的内反馈，并将各元件都折算到回路两端，就可将图1.4等效成图1.5。图1.5 谐振放大器电路等效电路B其中，为信号源，为晶体管的集电极接入系数，式中为电感线圈的总匝数，为晶体管的集电极接入电感线圈匝数；为输出变压器的副线圈与原线圈的匝数比，式中为电感副线圈的匝数。为LC回路本身的损耗电导，为谐振回路电感。其它参数如下所示： (1-8) (1-9) (1-10) (1-11)为谐振放大器输出负载的电导，通常小信号谐振放

6、大器的下一级，仍为晶体管谐振放大器，则将是下一级晶体管的输人电导和电容。晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流、电流放大系数有关外，还与工作角频率有关。晶体管手册中给出的分布参数一般是在测量条件一定的情况下测得的。如在，条件下测得的Y参数（二） 主要性能指标及测量方法表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率，谐振电压放大倍数，放大器的通频带及选择性（通常用矩形系数来表示）等，采用图1.6所示的测试电路可测量各项指标。实验电路被设计成多个实验通用。对于本实验来说，电路由晶体管，谐振回路等构成。是输出耦合电容，是负载电阻。本实验的谐振频率由调节，由于的容量有限，故加固定电容以增大总

7、电容。图中输入信号由高频信号发生器提供，示波器监测输入端和负载端的波形。谐振放大器的各项性能指标及测量方法如下。 图1.6高频小信号谐振放大器测试电路 1谐振频率的测试 放大器的谐振回路谐振时所对应的频率称为谐振频率。图1.1所示电路的表达式为 (1-12)式中，为谐振回路电感线圈的电感量，为谐振回路的总电容，为晶体管的输出电容、为负载电容。在实际的谐振放大器设计过程中，常常是根据上式估算出各电容及电感的数值，然后在实际调试中，通过改变电感或某个电容的值，达到电路谐振在设计频率上的目的。谐振频率的调整步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变C或电感线

8、圈L的磁芯位置使回路谐振。LC并联回路谐振时，示波器显示的输出波形幅度最大，且无明显失真。这时回路的谐振频率就等于高频信号发生器的输出频率。2电压增益的测试 放大器的谐振回路谐振时所对应的电压放大倍数称为谐振放大器的电压增益（放大倍数）。的表达式为： (1-13)要注意的是，本身也是一个复数,所以谐振时输出电压与输入电压的相位差为 ()。只有当工作频率较低时，与的相位差才等于。 的测量电路如图1.6所示，测量条件是放大器的谐振回路处于谐振状态。当回路谐振时，分别从电源的指示器上记下输入端电压的读数及示波器上读出输出端的读数，则电压放大倍数由下式计算： (1-14)用分贝表示为3频率特性的测试

9、通频带BW由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时,放大器的电压放大倍数下降，电压放大倍数随信号频率变化的曲线，叫做放大器的谐振曲线，如图1.7所示。电压放大倍数 (1-15)习惯上称电压放大倍数下降到谐振电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率范围称为放大器的通频带，其表达式为 (1-16)式中为谐振回路的有载品质因数 (1-17)分析表明，放大器的谐振电压放大倍数与通频带的乘积满足关系式 (1-18)上式说明，当晶体管选定即确定，且回路总电容为定值时，谐振电压放大倍数与通频带的乘积为一常数。这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。由式(1-19)可得通频带越宽放大器的电

10、压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频带，同时又能提高放大器的电压增益，由式(1-19)可知，除了选用较大的晶体管外、还应尽量减小调谐回路的总电容量。可通过测量放大器的频率特性曲线来求通频带。测量方法有逐点法和扫频法。逐点法测量步骤是：先使调谐放大器的谐振回路产生谐振，记下此时的谐振频率及电压放大倍数，然后改变高频信号发生器的频率(保持其输出电压不变)，并测出对应的电压放大倍数。由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以可以得到如图1.7所示的谐振特性曲线。扫频法测量步骤是调节频响特性测试仪，产生频率在某个范围内变化的信号（扫频信号），此时仪器自动记录并显示在该频率范围内的输出幅度，即频率特性曲线。

11、因此，该方法比较方便的测量出电路的频率特性。矩形系数 谐振放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数来表示，如图1.7所示。矩形系数 为电压放大倍数下降到0.1 时对应的频率范围与电压放大倍数下降到0.707时对应的频率偏移之比，即 (1-19)矩形系数越接近1，邻近波道的选择性越好，滤除干扰信号的能力越强。一般单级单调谐振放大器的矩形系数等于固定值10，远大于1，与回路参数无关，所以选择性较差。因此，为提高放大器的选择性通常采用多级谐振放大器。可以通过测量谐振放大器的频率特性曲线来求得矩形系数。二、仿真分析2.1 实验一仿真实验目的：（1）测试单调谐放大器的电压放大倍数（2）测试单调谐放大器的幅频

12、特性和相频特性（3）测试单调谐放大器的回路谐振曲线仿真电路图： （1）调整电路静态工作点。通过调整Rp，调节电路的静态工作点，使V(6)=1V。电路静态工作点分析如图（2）设置信号源在输入点A接入虚拟函数发射器，设置为10.7MHZ、峰值电压为20mV的正弦波。(3) 调试谐振状态在输出点B接入虚拟万用表，设置为交流电压模式。开启仿真开关，调节可调电容C2，同时观察虚拟万用表输出，将输出交流电压调整至最大值。（4）交流分析得到谐振曲线设置交流分析参数，输出为V（5），即B点的输出电压。点击仿真，可以得到谐振曲线，（5）分析发射极电阻R3对电路的影响。设置参数扫描，交流分析参数与输出设置与步骤（

13、4）相同点击仿真，可以得到：由于单调谐放大器在谐振时的电压放大倍数与yfe 有直接关系，即与gm 有直接关系，而 。因此，在发射极静态电压不变时，改变发射极电阻的大小，可以改变跨导，进而改变输出电压的大小。在输入电压幅值不变的情况下，发射极电阻越大，电压放大倍数越小。（6）带宽的测量 根据交流分析图，测得谐振时峰值电压，然后下降3db，测得带宽4.96MHZ根据谐振时的交流分析图可以看到，在谐振频率为10.7MHZ时，相位角约为180度，说明输出电压极性与输入电压极性相反。2.2 实验二为了简化实验电路及方便元器件采买，结合理论分析，初步设计仿真实验电路如图：Rb1采用一个固定电阻Rb1A 一

14、个可变电阻Rb1B负载RL采用一个固定电阻，一个可变电阻电容C采用一个电容，一个可变电容发射极电阻有三种选择，用开关进行切换（1） 调整静态工作点。调整RLB，使RLB=5K。闭合开关S1，在三极管发射极放置一个虚拟探针。启动仿真开关，观察虚拟探针直流电流参数，调整Rb1B，使电流为1MA。当Rb1B调整至26.2%附近时，虚拟探针结果：直流工作点分析如图：（2） 添加信号源在电路输入点A出，添加虚拟信号源，设置如下（3） 调整谐振状态为电路添加虚拟示波器与虚拟万用表，将万用表设置为交流电压模式。启动仿真开关，不断调整C2B，使万用表电压输出为最大值，此时电路达到谐振状态。当C2B为45.4%

15、时，输出电压为2V，达到最大值，电路达到谐振状态。（4） 交流分析得到谐振曲线交流分析参数如图，本例中的输出选择为V（11）由图可以看出，谐振频率点在10.7MHZ，相位角大约为180°，说明输入与输出极性相反。将示波器的B通道连接至信号源，将B通道显示的颜色设置为蓝色，启动仿真开关。观察示波器说明输出输出正好极性相反。（5） 带宽测量利用交流分析结果，测量带宽可以看到带宽为474KHZ。（6） 分析发射极电阻对电路的影响。对R3进行参数扫描，设置如图，输出为V（11）分析结果如图由于单调谐放大器在谐振时的电压放大倍数与yfe 有直接关系，即与gm 有直接关系，而 。因此，在发射极静

16、态电压不变时，改变发射极电阻的大小，可以改变跨导，进而改变输出电压的大小。在输入电压幅值不变的情况下，发射极电阻越大，电压放大倍数越小。（7） 分析电容对电路的影响对C2A进行参数扫描，参数设置为可以看到，通过调整电容，可以调整电路的谐振频率。电容越小，谐振频率越高（8） 分析RL对电路的影响对RLA进行参数扫描，设置参数可以看到调整RL负载，可以调节电路的带宽、矩形系数、以及品质因数Q。三、单调谐放大电路设计实例技术指标：中心频率，通频带，增益，品质因数。已知条件：电源电压，输入信号幅度，信号源内阻，负载阻抗，电感线圈空载损耗。设计步骤：1确定电路形式。2选择晶体管选择晶体管应考虑以下原则：

17、（1） 为使放大器稳定性好应选小（即小）的晶体管。（2） 频率特性要好，应选高的晶体管,一般至少取。（3） 为使放大器增益大应选大，和（一般为下一级电路晶体管的输入导纳）小的晶体管。3试探静态工作点，计算Y参数。由于和工作点电流有关，所以不宜太小，但太大则造成增加，所以一般常取（0.53）mA。4计算偏置电阻：5计算谐振回路电容：6确定高频滤波电路及耦合电容7、设计仿真电路，进行仿真与分析8、通过仿真分析对相关参数进行进一步调整9、根据仿真电路图进行电路板设计与焊接10、实际电路测试，并与仿真结果进行对比分析，进一步调整参数。设计目标：谐振频率：10.7MHz,谐振电压放大倍数：，通频带：，矩

18、形系数：。 RL=30K3.1电路选择与参数计算3.1.1选定电路形式依设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管单调谐回路谐振放大器高频小信号放大器一般用于放大微弱的高频信号,此类放大器应具备如下基本特性:只允许所需的信号通过,即应具有较高的选择性。放大器的增益要足够大。放大器工作状态应稳定且产生的噪声要小。放大器应具有一定的通频带宽度。 图2-1 单调谐放大器电路 典型的单调谐谐振放大器原理如图2-1，图中，RB1,RB2,RE用以保证晶体管工作于放大区域，从而放大器工作于甲类，CE是RE的旁路电容，C1,C2是输入输出耦合电容，L,C是谐振电路，R是集电极（交流）

19、电阻，他决定了回路的Q值，带宽。为了减轻负载对回路的的影响，输出采用了部分接入的方式。该电路静态工作点Q主要由Rb1、Rb2、Re与Vcc确定。利用和的分压固定基极偏置电位，如满足条件：当温度变化，抑制了变化，从而获得稳定的工作点。由此可知，只有当时，才能获得恒定，故硅管应用时， 。只有当负反馈越强时，电路稳定性越好，故要求，一般硅管取：。在设计时，考虑到仿真与元器件采买的实际情况，三极管选择了2N2222A，=80.3.1.2设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.82mA之间选取为宜，设计电路中取 ，设。因为： 而 所以：因为：(硅管的发射结电压为0.7V) 所以： 因为： 所以：因为： 而 取则： 因为： 则：，考虑调整静态电流的方便，用20K电位器与68K电阻串联。3.1.3谐振回路参数计算1）回路中的总电容C因为： 则: 2）回路电容C取C2A为标称值40pf,与C2B 20Pf微调电容