單調(diào)諧小信號(hào)諧振放大器設(shè)計(jì)

1、高頻實(shí)驗(yàn)報(bào)告（一）單調(diào)諧小信號(hào)諧振放大器設(shè)計(jì) 組員 座位號(hào) 16 實(shí)驗(yàn)時(shí)間 周一上午 目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)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(biāo)及測(cè)量方法7 2.2.1諧振頻率的測(cè)試7 2.2.2電壓增益的測(cè)試8 2.2.3頻率特性的測(cè)試8三、設(shè)計(jì)方法11四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及參數(shù)設(shè)計(jì)12五、實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)試及分析15六、思考題15一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 熟悉小信號(hào)諧振放大器的工作原理。2 掌握小信號(hào)諧振放大器的工程設(shè)計(jì)方法。3 掌握小信號(hào)諧振放大器的調(diào)諧方法。4 掌握小信號(hào)諧振放大器幅頻特性的測(cè)量方法。5 熟悉放大器靜態(tài)工作點(diǎn)和集電極負(fù)載對(duì)諧振放大器幅頻特性的影響。二、 實(shí)驗(yàn)原理調(diào)諧

2、放大器的主要特點(diǎn)是晶體管的集電極負(fù)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(dá)到最大值。因此，用并聯(lián)諧振回路作集電極負(fù)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(kāi)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(hào)，而抑止不需要的信號(hào)或外界干擾信號(hào)。正因如此，調(diào)諧放大器在無(wú)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(fù)載，Re是為提高工作點(diǎn)的穩(wěn)定性而接入的直流負(fù)反饋電阻， Cb和Ce是對(duì)信號(hào)頻率的旁路電容。輸入信號(hào)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(fù)載RL，CL上。為了減小晶體管輸出導(dǎo)納對(duì)回路的影響，晶體管T1采用抽頭接入。圖1.1高頻小信號(hào)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(lái)描述晶體管。把晶體管內(nèi)部的物理過(guò)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(wú)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(shí)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(lái)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(kāi)，所以便于進(jìn)行高頻分析。Y參數(shù)與頻率有關(guān)，但是通常高頻小信號(hào)放大電路屬于窄帶放大電路，所以不影響Y參數(shù)的運(yùn)用。Y參數(shù)本身可以通過(guò)混合 參數(shù)換算，也可以通過(guò)專門的儀器進(jìn)行測(cè)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(dǎo) (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(duì)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(jìn)一步將得到 Y參數(shù)簡(jiǎn)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(shí)，忽略，有高頻工作時(shí)，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(fù)數(shù)，其中略有變小，并略有相移。但是變化強(qiáng)烈，并產(chǎn)生了很大相移，表示晶體管產(chǎn)生了強(qiáng)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(hào)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(fù)載（包括本級(jí)晶體管的輸出參數(shù)和后級(jí)的負(fù)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(hào)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L(zhǎng)C回路本身的損耗電導(dǎo)，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(fù)載的電導(dǎo)，通常小信號(hào)諧振放大器的下一級(jí)，仍為晶體管諧振放大器，則將是下一級(jí)晶體管的輸人電導(dǎo)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(cè)中給出的分布參數(shù)一般是在測(cè)量條件一定的情況下測(cè)得的。如在，條件下測(cè)得的

7、Y參數(shù)2.2主要性能指標(biāo)及測(cè)量方法表征高頻小信號(hào)諧振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)，放大器的通頻帶及選擇性（通常用矩形系數(shù)來(lái)表示）等，采用圖1.6所示的測(cè)試電路可測(cè)量各項(xiàng)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)電路被設(shè)計(jì)成多個(gè)實(shí)驗(yàn)通用。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，電路由晶體管，諧振回路等構(gòu)成。是輸出耦合電容，是負(fù)載電阻。及右側(cè)諧振回路，與本實(shí)驗(yàn)無(wú)關(guān)（斷開(kāi)）。本實(shí)驗(yàn)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(hào)由高頻信號(hào)發(fā)生器提供，示波器監(jiān)測(cè)輸入端和負(fù)載端的波形。諧振放大器的各項(xiàng)性能指標(biāo)及測(cè)量方法如下。 圖1.6高頻小信號(hào)諧振放大器測(cè)試電路2.2.1諧振頻率的測(cè)試 放大器的諧振回路諧振時(shí)所對(duì)應(yīng)

8、的頻率稱為諧振頻率。圖1.1所示電路的表達(dá)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(fù)載電容。在實(shí)際的諧振放大器設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)際調(diào)試中，通過(guò)改變電感或某個(gè)電容的值，達(dá)到電路諧振在設(shè)計(jì)頻率上的目的。諧振頻率的調(diào)整步驟是，首先使高頻信號(hào)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(shí)，示波器顯示的輸出波形幅度最大，且無(wú)明顯失真。這時(shí)回路的諧振頻率就等于高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率。2.2.2電壓增益的測(cè)試 放大器的

9、諧振回路諧振時(shí)所對(duì)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(dá)式為： (1-13)要注意的是，本身也是一個(gè)復(fù)數(shù),所以諧振時(shí)輸出電壓與輸入電壓的相位差為 ()。只有當(dāng)工作頻率較低時(shí)，與的相位差才等于。 的測(cè)量電路如圖1.6所示，測(cè)量條件是放大器的諧振回路處于諧振狀態(tài)。當(dāng)回路諧振時(shí)，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(jì)算： (1-14)用分貝表示為2.2.3頻率特性的測(cè)試 1）通頻帶BW由于諧振回路的選頻作用，當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時(shí),放大器的電壓放大倍數(shù)下降，電壓放大倍數(shù)隨信號(hào)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(xí)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(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱為放大器的通頻帶，其表達(dá)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(shuō)明，當(dāng)晶體管選定即確定，且回路總電容為定值時(shí)，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(shí)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(guò)測(cè)量放大器的頻率特性曲線來(lái)求通頻帶。測(cè)量方法有逐點(diǎn)法和掃頻法。逐點(diǎn)法測(cè)量電路如圖1.6，測(cè)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(shí)的諧振頻率及電壓放大倍數(shù)，然后改變高頻信號(hào)發(fā)生器的頻率(保持其輸出電壓不變)，并測(cè)出對(duì)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(cè)量電路如圖1.8，圖中頻響特性測(cè)試儀代替了圖1.6中的信號(hào)發(fā)生器與示波器。測(cè)量步驟是調(diào)節(jié)頻響特性測(cè)試儀，產(chǎn)生頻率在某個(gè)范圍內(nèi)變化的信號(hào)（掃頻信號(hào)），此時(shí)儀器自動(dòng)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(cè)

12、量出電路的頻率特性。圖1.8 頻響特性測(cè)試儀測(cè)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(lái)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(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍與電壓放大倍數(shù)下降到0.707時(shí)對(duì)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(hào)的能力越強(qiáng)。一般單級(jí)單調(diào)諧振放大器的矩形系數(shù)等于固定值10，遠(yuǎn)大于1，與回路參數(shù)無(wú)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(jí)諧振放大器?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量諧振放大器的頻率特性曲線來(lái)求得矩形系數(shù)。三、 設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一個(gè)高頻小信號(hào)諧振放大器² 技術(shù)指標(biāo)：中心頻率，通頻帶，增益，品

13、質(zhì)因數(shù)。² 已知條件：電源電壓，輸入信號(hào)幅度，信號(hào)源內(nèi)阻，負(fù)載阻抗，電感線圈空載損耗。² 設(shè)計(jì)步驟：1確定電路形式。見(jiàn)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(jí)電路晶體管的輸入導(dǎo)納）小的晶體管。3根據(jù)頻率要求計(jì)算負(fù)載電導(dǎo)。4試探靜態(tài)工作點(diǎn)，計(jì)算Y參數(shù)。由于和工作點(diǎn)電流有關(guān)，所以不宜太小，但太大則造成增加，所以一般常?。?.53）mA。5計(jì)算接入系數(shù)6驗(yàn)算增益是否滿足要求：7計(jì)算偏置電阻：8計(jì)算諧振回路電容：9確定高頻濾波電

14、路及耦合電容：圖1.9諧振放大器實(shí)驗(yàn)電路四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及參數(shù)設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)一高頻小信號(hào)諧振放大器。已知條件，靜態(tài)工作點(diǎn)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(biāo)：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(fù)反饋偏置電路1根據(jù)頻率要求計(jì)算負(fù)載電導(dǎo)：由于，可得有載品質(zhì)因數(shù)由得：2試探靜態(tài)工作點(diǎn)，計(jì)算Y參數(shù)：選取IEQ=1 mA時(shí)：估算Y參數(shù)如下：從而，這里忽略了，引入了誤差大概15%，實(shí)際電路計(jì)算中，一般不能忽略。從而，檢查數(shù)據(jù)，3 計(jì)算接入系數(shù)：諧振回路本身固有導(dǎo)納則在功率匹配的情況下滿足：一般為后級(jí)放大器的輸入

15、電導(dǎo)，這里則可以得到接入系數(shù)實(shí)驗(yàn)中?。篖13L12L34電感值4.02uH 2.33 uH0.56 uH即： 4 驗(yàn)算增益是否滿足要求：要求，換算成電壓放大倍數(shù)為倍?？梢?jiàn)增益滿足設(shè)計(jì)要求，選取的工作點(diǎn)合適。否則，需要根據(jù)重新選擇工作點(diǎn)。5 計(jì)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，一般取（硅管）。這里取電路靜態(tài)工作點(diǎn)由下式確定：對(duì)于小信號(hào)放大器，一般取，這里取, 實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(diǎn)。6 計(jì)算諧振回路電容：根據(jù)頻率要求計(jì)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

16、容取= 0.1F。對(duì)于10MHz的信號(hào)，阻抗約為0.16，而對(duì)于直流信號(hào)阻抗則很大。7.2、高頻濾波電路這里采用型濾波電路來(lái)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(cè)試： 增益、幅頻特性、動(dòng)態(tài)范圍等 。4結(jié)果分析：使用matlab做數(shù)據(jù)擬合畫(huà)圖，分析討論。電路調(diào)試注意事項(xiàng)：1、信號(hào)源的使用：如果信號(hào)源動(dòng)態(tài)范圍較小，可采用10：1衰減器擴(kuò)大。電路如下：信號(hào)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(cè)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(duì)電路的影響。 五、

17、實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)試及分析實(shí)驗(yàn)中得到放大后輸出波形如圖：1.靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)基本滿足工作條件。2中心頻率：3當(dāng)輸入電壓時(shí)，輸出電壓增益：當(dāng)時(shí)，測(cè)得： 帶寬： 帶寬基本能滿足實(shí)驗(yàn)要求。4 矩形系數(shù)： 5. 幅頻特性曲線： 實(shí)驗(yàn)中一共測(cè)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(yuǎn)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(hào)12345678頻率（MHz）8.09.09.59.810.010.110.210.3Vopp（mV）20.428.438.047.660.867.279.297

18、.6序號(hào)910111213141516頻率（MHz）10.4010.4510.5010.5510.5910.6110.6310.65Vopp（mV）123142172208244264286306序號(hào)1718192021222324頻率（MHz）10.6710.6810.6910.7010.7110.7210.7310.75Vopp（mV）322330334336334332328314序號(hào)2526272829303132頻率（MHz）10.7710.7910.8110.8510.9010.9511.011.1Vopp（mV）294272254216178150130104序號(hào)33343536

19、37383940頻率（MHz）11.211.311.411.612.012.513.014.0Vopp（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(hào)頻率，縱軸為Vipp=20mV時(shí)測(cè)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(jìn)一步減小的原因： 過(guò)小，影響的為L(zhǎng)和，影響的有接入系數(shù)以及晶體管參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中未取電感4uH，實(shí)際取的是5.2uH，另外Q值也沒(méi)有達(dá)到理論上要求的值，此外電路的各種參數(shù)還會(huì)使實(shí)際電路中的Q值進(jìn)一步降低，當(dāng)然過(guò)大的接入系數(shù)也會(huì)造成BW變寬，工作點(diǎn)的選擇對(duì)晶體管參數(shù)有較大影響，從而也會(huì)影響

20、BW實(shí)驗(yàn)中要能夠達(dá)到所需帶寬，可采取的措施有： （1）適當(dāng)減小所繞電感值，增大其Q值（2）適當(dāng)減小接入系數(shù)（3）適當(dāng)調(diào)整工作點(diǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)說(shuō)明。答：首先確認(rèn)輸出信號(hào)沒(méi)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(hào)源輸入信號(hào)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)。回路的諧振頻率主要由

21、電感 L 和電容 Ca，Cb的值來(lái)決定：2. 為什么說(shuō)提高電壓放大倍數(shù)時(shí)，通頻帶會(huì)減小?可采取哪些措施提高？實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何？答：從實(shí)驗(yàn)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(shuō)明，當(dāng)晶體管選定即 yfe確定，且回路總電容 CT為定值時(shí)，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(shí)，通頻帶 BW 會(huì)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(jí)放大器級(jí)聯(lián)的方法。 但是在實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)單純?cè)龃笤鲆娌⒉荒芙鉀Q帶寬過(guò)大的問(wèn)題，主要原因是，首先，如果接入系數(shù)p2太大，后級(jí)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(diǎn)，三極管放大器電流增加，阻抗也相應(yīng)增加，Q值也會(huì)下降。所以在試驗(yàn)中，我們并沒(méi)有將靜態(tài)工作點(diǎn)抬高到4V左右，而是選在了2V左右。3 在調(diào)諧振回路時(shí)，對(duì)放大器的輸入信號(hào)有何要求?如果輸入信號(hào)過(guò)大會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？答：在調(diào)諧振回路時(shí)，輸入信號(hào)不宜過(guò)大，否則輸出信號(hào)的波形會(huì)發(fā)生失真，此時(shí)放大器沒(méi)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(hào)源可以提供的值的下限較大，應(yīng)設(shè)計(jì)衰減電路如下：衰減器滿足RS << R1，Zi << R2，則，選擇合適的電阻