太原理工大學(xué) 高頻實驗一 高頻小信號調(diào)諧放大器

1、本科高頻電子線路實驗報告課程名稱： 高頻電子線路 實驗名稱： 高頻電子線路實驗一至實驗四 實驗地點： 北區(qū)學(xué)院樓四樓實驗室 實驗一 高頻小信號調(diào)諧放大器一、實驗?zāi)康男⌒盘栒{(diào)諧放大器是高頻電子線路中的基本單元電路，主要用于高頻小信號或微弱信號的線性放大。在本實驗中，通過對諧振回路的調(diào)試，對放大器處于諧振時各項技術(shù)指標(biāo)的測試（電壓放大倍數(shù)，通頻帶，矩形系數(shù)），進一步掌握高頻小信號調(diào)諧放大器的工作原理。學(xué)會小信號調(diào)諧放大器的設(shè)計方法。二、實驗原理1. 原理圖1-1所示電路為共發(fā)射極接法的晶體管高頻小信號調(diào)諧放大器。它不僅要放大高頻信號，而且還要有一定的選頻作用，因此晶體管的集電極負載為LC并聯(lián)諧振回

2、路。在高頻情況下，晶體管本身的極間電容及連接導(dǎo)線的分布參數(shù)等會影響放大器輸出信號的頻率和相位。晶體管的靜態(tài)工作點由電阻RB1，RB2及RE決定，其計算方法與低頻單管放大器相同。圖1-1 小信號調(diào)諧放大器放大器在高頻情況下的等效電路如圖1-2所示，晶體管的4個y參數(shù)yie，yoe，yfe及yre分別為輸入導(dǎo)納 （1-1） 輸出導(dǎo)納 （1-2）正向傳輸導(dǎo)納 （1-3） 反向傳輸導(dǎo)納 （1-4） 圖1-2 放大器的高頻等效回路式中，gm晶體管的跨導(dǎo)，與發(fā)射極電流的關(guān)系為 （1-5） gbe發(fā)射結(jié)電導(dǎo)，與晶體管的電流放大系數(shù)及IE有關(guān)，其關(guān)系為 （1-6） rbb基極體電阻，一般為幾十歐姆；Cbc集電

3、極電容，一般為幾皮法；Cbe發(fā)射結(jié)電容，一般為幾十皮法至幾百皮法。由此可見，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IE，電流放大系數(shù)有關(guān)外，還與工作頻率有關(guān)。晶體管手冊中給出的分布參數(shù)一般是在測試條件一定的情況下測得的。如在f0=30MHz，IE=2mA，UCE=8V條件下測得3DG6C的y參數(shù)為： 如果工作條件發(fā)生變化，上述參數(shù)則有所變動。因此，高頻電路的設(shè)計計算一般采用工程估算的方法。圖1-2中所示的等效電路中，p1為晶體管的集電極接入系數(shù)，即 （1-7）式中，N2為電感L線圈的總匝數(shù)。P2為輸出變壓器T的副邊與原邊的匝數(shù)比，即 （1-8）式中，N3為副邊（次級）的總匝數(shù)。gL為調(diào)

4、諧放大器輸出負載的電導(dǎo)，gL=1/RL。通常小信號調(diào)諧放大器的下一級仍為晶體管調(diào)諧放大器，則gL將是下一級晶體管的輸入導(dǎo)納gie2。由圖1-2可見，并聯(lián)諧振回路的總電導(dǎo)的表達式為 （1-9） 式中，G為LC回路本身的損耗電導(dǎo)。諧振時L和C的并聯(lián)回路呈純阻，其阻值等于1/G，并聯(lián)諧振電抗為無限大，則jwC與1/（jwL）的影響可以忽略。2調(diào)諧放大器的性能指標(biāo)及測量方法表征高頻小信號調(diào)諧放大器的主要性能指標(biāo)有諧振頻率，諧振電壓放大倍數(shù)，放大器的通頻帶BW及選擇性（通常用矩形系數(shù)來表示）等。放大器各項性能指標(biāo)及測量方法如下：（1）諧振頻率放大器的調(diào)諧回路諧振時所對應(yīng)的頻率稱為放大器的諧振頻率，對于圖

5、1所示電路（也是以下各項指標(biāo)所對應(yīng)電路），的表達式為 （1-10） 式中，L為調(diào)諧回路電感線圈的電感量；為調(diào)諧回路的總電容，的表達式為 （1-11） 式中， Coe為晶體管的輸出電容；Cie為晶體管的輸入電容。 諧振頻率的測量方法是：用掃頻儀作為測量儀器，用掃頻儀測出電路的幅頻特性曲線，調(diào)變壓器T的磁芯，使電壓諧振曲線的峰值出現(xiàn)在規(guī)定的諧振頻率點。（2）電壓放大倍數(shù)放大器的諧振回路諧振時，所對應(yīng)的電壓放大倍數(shù)稱為調(diào)諧放大器的電壓放大倍數(shù)。的表達式為 （1-12）式中，為諧振回路諧振時的總電導(dǎo)。因為LC并聯(lián)回路在諧振點時的L和C的并聯(lián)電抗為無限大，因此可以忽略其電導(dǎo)。但要注意的是本身也是一個復(fù)數(shù)

6、，所以諧振時輸出電壓u0與輸入電壓ui相位差為（180o+ fe）。AV0的測量方法是：在諧振回路已處于諧振狀態(tài)時，用高頻電壓表測量圖1中RL兩端的電壓u0及輸入信號ui的大小，則電壓放大倍數(shù)AV0由下式計算： 或 dB (1-13)（3）通頻帶由于諧振回路的選頻作用，當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時，放大器的電壓放大倍數(shù)下降，習(xí)慣上稱電壓放大倍數(shù)AV下降到諧振電壓放大倍數(shù)AV0的0.707倍時所對應(yīng)的頻率偏移稱為放大器的通頻帶BW，其表達式為 (1-14)式中，QL為諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)。分析表明，放大器的諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶BW的關(guān)系為 (1-15)上式說明，當(dāng)晶體管選定即yfe確定，且回路

7、總電容C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。通頻帶BW的測量方法：是通過測量放大器的諧振曲線來求通頻帶。測量方法可以是掃頻法，也可以是逐點法。逐點法的測量步驟是：先調(diào)諧放大器的諧振回路使其諧振，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uS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，所以放大器的諧振曲線如圖3所示。由式（1-14）可得 (1-16) 圖3 諧振曲線 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寬，同時又能提高放大器的電壓增益，由式（1

8、-15）可知，除了選用yfe較大的晶體管外，還應(yīng)盡量減小調(diào)諧回路的總電容量C。如果放大器只用來放大來自接收天線的某一固定頻率的微弱信號，則可減小通頻帶，盡量提高放大器的增益。（4）選擇性矩形系數(shù)調(diào)諧放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)Kv0.1時來表示，如圖（3）所示的諧振曲線，矩形系數(shù)Kv0.1為電壓放大倍數(shù)下降到0.1 AV0時對應(yīng)的頻率偏移與電壓放大倍數(shù)下降到0.707 AV0時對應(yīng)的頻率偏移之比，即 （1-17）上式表明，矩形系數(shù)Kv0.1越小，諧振曲線的形狀越接近矩形，選擇性越好，反之亦然。一般單級調(diào)諧放大器的選擇性較差（矩形系數(shù)Kv0.1遠大于1），為提高放大器的選擇性，通常采用多

9、級單調(diào)諧回路的諧振放大器?？梢酝ㄟ^測量調(diào)諧放大器的諧振曲線來求矩形系數(shù)Kv0.1。3實驗參考電路圖1-4 單級調(diào)諧放大器（1）主要技術(shù)指標(biāo)：諧振頻率fo=10.7MHz，諧振電壓放大倍數(shù)AV010-15 dB，通頻帶BW=1 MHz，矩形系數(shù)Kr0.110。因fT比工作頻率fo大（510）倍，所以選用3DG12C，選=50，工作電壓為12V，查手冊得rbb=70, CbC=3PF，當(dāng)IE=1.5mA時Cbe為25PF，取L1.8H，變壓器初級N2=23匝，次級為10匝。P2=0.43, P1=0（2）確定電路為單級調(diào)諧放大器，如上圖1-4。（3）確定電路參數(shù)。a）設(shè)置靜態(tài)工作點由于放大器是工作

10、在小信號放大狀態(tài)，放大器工作電流ICQ一般選取0.82mA為宜，現(xiàn)取=1.5mA，=2.25V，=9.75V。則 則=1.5K取流過的電流為基極電流的7倍，則有： 取18 K則 則取=5.1K WA1選用50K的可調(diào)電阻以便調(diào)整靜態(tài)工作點。b）計算諧振回路參數(shù) 由式（1-6）得 由式（1-5）得 由式（1-1）（1-4）得4個y參數(shù)由于則有 =1.373ms 因 則有 c）計算回路總電容，由（1-10）得由（1-11） 得則有=119pF，取標(biāo)稱值120pF d）確定耦合電容及高頻濾波電容高頻電路中的耦合電容及濾波電容一般選取體積較小的瓷片電容，現(xiàn)取耦合電容=0.01F，旁路電容=0.1F，濾

11、波電容=0.1F三、實驗內(nèi)容與步驟先調(diào)靜態(tài)工作點，然后再調(diào)諧振回路。1按照所附電路原理圖G6，按下開關(guān)KA1，接通12V電源，此時LEDA1點亮。2調(diào)整晶體管的靜態(tài)工作點：在不加輸入信號（即ui=0），將測試點TTA1接地，用萬用表直流電壓檔（20V檔）測量三極管QA1射極的電壓（即測P6與G兩焊點之間的電壓，見圖02所示），調(diào)整可調(diào)電阻WA1，使uEQ=2.25V（即使IE=1.5mA），根據(jù)電路計算此時的uBQ，uCEQ，uEQ及IEQ值。uEQ=2.25V uBQ=uEQ+0.7V=2.95V uCEQ=12V-uEQ=9.75VuCEQ IE=1.5mA3調(diào)諧放大器的諧振回路使它諧振在

12、10.7MHz方法是用BT-3頻率特性測試儀的掃頻電壓輸出端和檢波探頭，分別接電路的信號輸入端TTA1及測試端TTA2，通過調(diào)節(jié)y軸，放大器的“增益”旋鈕和“輸出衰減”旋鈕于合適位置，調(diào)節(jié)中心頻率刻度盤，使熒光屏上顯示出放大器的“幅頻諧振特性曲線”，根據(jù)頻標(biāo)指示用絕緣起子慢慢旋動變壓器的磁芯，使中心頻率f0=10.7MHz所對應(yīng)的幅值最大。如果沒有頻率特性測試儀，也可用示波器來觀察調(diào)諧過程，方法是：在TTA1處由高頻信號源提供頻率為10.7MHz的載波（參考高頻信號源的使用），大小為Vp-p-=20100mV的信號，用示波器探頭在TTA2處測試（在示波器上看到的是正弦波），調(diào)節(jié)變壓器磁芯使示波

13、器波形最大（即調(diào)好后，磁芯不論往上或往下旋轉(zhuǎn)，波形幅度都減?。?測量電壓增益 在有BT-3頻率特性測試儀的情況下用頻率特性測試儀測測量方法如下：在測量前，先要對測試儀的y軸放大器進行校正，即零分貝校正，調(diào)節(jié)“輸出衰減”和“y軸增益“旋鈕，使屏幕上顯示的方框占有一定的高度，記下此時的高度和此時“輸出衰減”的讀數(shù)N1dB，然后接入被測放大器，在保持y軸增益不變的前提下，改變掃頻信號的“輸出衰減”旋鈕，使諧振曲線清晰可見。記下此時的“輸出衰減”的值N2dB，則電壓增益為dB若用示波器測，則為輸出信號的大小比輸入信號的大小之比。如果AV01較小，可以通過調(diào)靜態(tài)工作點來解決（即增大）。在無BT-3頻率

14、特性測試儀的情況下，可以由示波器直接測量。方法如下：用示波器測輸入信號的峰峰值，記為Ui。測輸出信號的峰峰值記為Uo。則小信號放大的電壓放大倍數(shù)為Uo/Ui。利用頻率計，經(jīng)測定可知AV0=10dB5測量通頻帶BW用掃頻儀測量BW：先調(diào)節(jié)“頻率偏移”（掃 頻寬度）旋鈕，使相鄰兩個頻標(biāo)在橫軸上占有適當(dāng)?shù)母駭?shù)，然后接入被測放大器，調(diào)節(jié)“輸出衰減”和y軸增益，使諧振特性曲線在縱軸占有一定高度，測出其曲線下降3dB處兩對稱點在橫軸上占有的寬度，根據(jù)內(nèi)頻標(biāo)就可以近似算出放大器的通頻帶觀察可知，BW=4.5MHZ6測量放大器的選擇性放大器選擇性的優(yōu)劣可用放大器諧振曲線的矩形系數(shù)Kr0.1表示用5）中同樣的方法測出B0.1即可得： Kr0.1=2*164.5=7.1四、思考題 引起小信號諧振放大器不穩(wěn)的原因是什么？如果實驗中出現(xiàn)自激現(xiàn)象，應(yīng)該怎樣消除？在高頻調(diào)諧放大器中，由于晶體體管集電結(jié)電容的內(nèi)部反饋，形成了放大器的輸出電路與輸入電路之間