高頻電路仿真實驗講義

1、高頻電路（仿真）實驗講義光電學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系2011年2月實驗一、共射級單級交流放大器性能分析一、實驗?zāi)康?、學(xué)習(xí)單級共射電壓放大器靜態(tài)工作點的設(shè)置與調(diào)試方法。2、學(xué)習(xí)放大器的放大倍數(shù)（Au）、輸入電阻（Ri） 、輸出電阻（Ro）的測試方法 。3、觀察基本放大電路參數(shù)對放大器的靜態(tài)工作點、電壓放大倍數(shù)及輸出波形的影響。 4、熟悉函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、數(shù)字萬用表和直流穩(wěn)壓電源等常用儀器的使用方法。 二、實驗原理如圖所示的電路是一個分壓式單級放大電路。該電路設(shè)計時需保證UB>510UBE，I1I2>510IB，則該電路能夠穩(wěn)定靜態(tài)工作點，即當(dāng)溫度變化時或三級管的參數(shù)變化時，電路的

2、靜態(tài)工作點不會發(fā)生變化。UB=R1R1+R2VCC ICIE=UB-UBERE由上式可知，靜態(tài)工作時，UB是由R1和R2共同決定的，而UBE一般是恒定的，在0.6到0.7之間，所以IC 、IE只和有關(guān)。當(dāng)溫度變化時或管子的參數(shù)改變時（深究來看，三極管的特性并非是完全線性的，在很多的情況下，必須計入考慮），例如，管子的受到激發(fā)而IC欲要變大時，由于RE的反饋作用，使得UBE節(jié)壓降減小，從而IB減小，IC減小，電路自動回到原來的靜態(tài)工作點附近。所以該電路不僅有較好的溫度穩(wěn)定性，還可以適應(yīng)一定非線性的三極管，前提是只要電路設(shè)計的得當(dāng)。調(diào)整電阻R1、R2，可以調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點高低。若工作點過高，使三極管

3、進入飽和區(qū)，則會引起飽和失真；反之，三極管進入截止區(qū)，引起截止失真。圖1-1 分壓式單級放大電路如圖1-1，C1、C2為耦合電容，將使電路只將交流信號傳輸?shù)截撦d端，而略去不必要的直流信號。發(fā)射極旁路電容CE一般選用較大的電容，以保證對于交流信號完全是短路的，即相當(dāng)于交流接地。也是防止交流反饋對電路的放大性能造成影響。電路的放大倍數(shù)AU=-RLrbe，輸入電阻Ri=R1R2rbe，輸出電阻RO=RL，空載時RO=RC。當(dāng)發(fā)射極電容斷開時，在發(fā)射極電容上產(chǎn)生交流負反饋，電壓的放大倍數(shù)為AU=-RLrbe+1+Re，輸入電阻Ri=R1R2rbe+1+Re。輸出電阻仍近似等于集電極負載電阻。三、實驗內(nèi)

4、容（一）如圖1-2所示，建立放大電路，進行靜態(tài)分析。圖1-2 靜態(tài)工作點的調(diào)整與測試注意，電路必須工作在放大區(qū)，即輸出波形必須對稱（因為輸入信號是正弦波）且和原來的信號保持協(xié)調(diào)。只有設(shè)置好靜態(tài)工作點才可以進行下一步。此步驟就是要選擇合適的R1、R2。（二）動態(tài)分析動態(tài)分析時，實驗中一直使用的信號。F=1000HZ,Vpp=28mv。如圖1-3所示：圖1-3 函數(shù)信號發(fā)生器在原來設(shè)置好靜態(tài)工作點的基礎(chǔ)上，接入信號。并按照此圖進行測量電壓放大倍數(shù)。（該電路另接入了一電阻R3，以增大輸入電阻）如圖1-4所示：圖1-4 放大倍數(shù)（加大輸入電阻）計算電壓的放大倍數(shù)：AU=UO/Ui輸入輸出電阻的測量：圖

5、1-5 輸入電阻的測試圖1-6 輸出電阻的測試計算計算 和 （三）若是靜態(tài)工作點設(shè)置不合適，則會引起失真。如圖1-7和圖1-8所示。 圖1-7飽和失真 圖1-8 截止失真（四）有無發(fā)射極電容CE的影響圖1-9 有無發(fā)射極電容的影響明顯看出，在不加發(fā)射極電容CE時，交流電壓的放大倍數(shù)減小了?？梢娛墙涣鞯呢摲答佔饔么俪闪诉@一結(jié)果。顯然，在實際的生產(chǎn)實際中，我們不需要這一反饋，因此一般選擇并聯(lián)上發(fā)射極輸出電容，可以明顯增大電壓的放大倍數(shù)。但同時也增加了電路的硬件成本。（五）增大輸入電阻對電路性能的影響 從示波器中的波形可以看出，輸入波形與輸出波形的相位相反，頻率相同。信號源內(nèi)阻增大，如圖所示：比較可

6、知，增大輸入電阻，可以略微地提高電壓放大倍數(shù)。 四、思考題1、由實驗（一）（二）（三）可知，靜態(tài)工作點的設(shè)置對放大電路有何作用？2、仿真電路中的電路必須要“接地”，這樣做有什么好處？ 3、仿真電路中的很多細節(jié)都需要注意，某一細節(jié)處理不好就會影響電路的正常工作。試結(jié)合實驗過程舉例說明。實驗二 高頻LC諧振功率放大器性能研究一、實驗?zāi)康?、進一步熟悉EWB仿真軟件的使用方法；2、測試高頻諧振功率放大器的電路參數(shù)及性能指標(biāo)；3、熟悉高頻諧振功率放大器的三種工作狀態(tài)及調(diào)整方法。二、實驗內(nèi)容及步驟(一)構(gòu)造實驗電路利用EWB軟件繪制如圖2-1所示的高頻諧振功率放大器實驗電路。 圖中，各元件的名稱及標(biāo)稱值

7、如表2-1所示。 序號元件名稱及標(biāo)號標(biāo)稱值1信號源Ui270mV/2MHz2負載RL10k3基極直流偏置電壓VBB0.2V4集電極直流偏置電壓VCC12V5諧振回路電容C13pF6基極旁路電容Cb0.1uF7集電極旁路電容Cc0.1uF8高頻變壓器T1N=1;LE=1e-05H;LM=0.0005H;RP=RS=09晶體管Q12N2222(3DG6)表2-1 各元件的名稱及標(biāo)稱值(二)性能測試1、靜態(tài)測試選擇“Analysi”“DC Operating Point”，設(shè)置分析類型為直流分析，可得放大器的直流工作點如圖2-2所示。 2、動態(tài)測試（1）輸入輸出電壓波形當(dāng)接上信號源Ui時，開啟仿真器

8、實驗電源開關(guān)，雙擊示波器，調(diào)整適當(dāng)?shù)臅r基及A、B通道的靈敏度，即可看到如圖2-3所示的輸入、輸出波形。 （2）調(diào)整工作狀態(tài)1、分別調(diào)整負載阻值為5 k、100 k，可觀測出輸入輸出信號波形的差異。2、分別調(diào)整信號源輸出信號頻率為1MHz、6.5MHz，可觀測出諧振回路對不同頻率信號的響應(yīng)情況。3、分別調(diào)整信號源輸出信號幅度為100mV、400mV，可觀測出高頻功率放大器對不同幅值信號的響應(yīng)情況。由圖2-5可知，工作與過壓狀態(tài)時，功率放大器的輸出電壓為失真的凹頂脈沖。通過調(diào)整諧振回路電容或電感值，可觀測出諧振回路的選頻特性。 三、思考題1、變壓器T1起什么作用？2、對照輸入波形，說明輸出波形有什

9、么特點？3、負載阻值的改變對輸出信號波形有什么影響？4、當(dāng)功放的輸入信號頻率改變時，輸出信號波形有什么變化？說明了什么問題？實驗三 正弦波振蕩器實驗一、實驗?zāi)康?、理解LC三點式振蕩器的工作原理，掌握其振蕩性能的測量方法。2、理解振蕩回路Q值對頻率穩(wěn)定度的影響。3、理解晶體管工作狀態(tài)、反饋深度、負載變化對振蕩幅度與波形的影響。4、了解LC電容反饋三點式振蕩器的設(shè)計方法。二、實驗原理三點式振蕩器的交流等效電路如圖3-1所示。圖中，、為諧振回路的三個電抗。根據(jù)相位平衡條件可知，、必須為同性電抗，與、相比必須為異性電抗，且三者之間滿足下列關(guān)系： (3-1)這就是三點式振蕩器相位平衡條件的判斷準則。在

10、滿足式(3-1)的前提下，若、呈容性,呈感性，則振蕩器為電容反饋三點式振蕩器；若、呈感性，呈容性，則為電感反饋三點式振蕩器。下面以“考畢茲”電容三點式振蕩器為例分析其原理。圖3-1 三點式振蕩器的交流等效電路 圖3-2“考畢茲”電容三點式振蕩器1、“考畢茲”電容三點式振蕩器工作原理“考畢茲”電容三點式振蕩器電路如圖3-2所示，圖中L和C1、C2組成振蕩回路，反饋電壓取自電容C2的兩端，Cb和Cc為高頻旁路電容，Lc為高頻扼流圈，對直流可視為短路，對交流可視為開路。顯然，該振蕩器的交流通路滿足相位平衡條件。若要它產(chǎn)生正弦波，還必須滿足振幅條件和起振條件，即： (3-2)式中為電路剛起振時，振蕩管

11、工作狀態(tài)為小信號時的電壓增益；為反饋系數(shù)，只要求出二者的值，便可知道電路有關(guān)參數(shù)與它的關(guān)系。為此，我們畫出3-3所示的Y參數(shù)等效電路。若忽略晶體管的內(nèi)反饋，即,可得3-4所示的簡化等效電路。圖3-4中，為LC并聯(lián)諧振回路折合到晶體管端的等效諧振電導(dǎo)，即，。圖3-3 “考畢茲”電容三點式振蕩器Y參數(shù)等效電路 圖3-4 簡化等效電路由圖3-4可求出小信號工作狀態(tài)時電壓增益和反饋系數(shù)分別為 (3-3)式中，。若忽略各個的影響，電路的反饋系數(shù)為 (3-4)由式(3-2)可得起振條件為 (3-5)故有 (3-6)上式即為振蕩器起振的振幅條件。為了進一步說明起振的一些關(guān)系，可將式(3-6)變換為 (3-7

12、)式(3-7)第一項表示輸出電導(dǎo)和負載電導(dǎo)(這里未考慮負載電導(dǎo))對振蕩的影響，F(xiàn)越大，越容易起振。第二項表示輸入電導(dǎo)對振蕩的影響，和F越大，越不容易起振?？梢?，考慮到晶體管輸入電導(dǎo)對回路的加載作用時，反饋系數(shù)F并不是越大越容易起振。由式(3-7)可知，在晶體管參數(shù)、一定的情況下，可以改變、和負載電導(dǎo)及F來保證起振。F一般取0.10.5。2、振蕩管工作狀態(tài)對振蕩器性能的影響對于一個振蕩器，在其負載阻抗及反饋系數(shù)F已經(jīng)確定的情況下，靜態(tài)工作點的位置對振蕩器的起振以及穩(wěn)定平衡狀態(tài)（振幅大小，波形好壞）有著直接的影響。工作點偏高，振蕩管工作范圍易進入飽和區(qū)，輸出阻抗的降低將會使振蕩波形嚴重失真，嚴重時

13、甚至使振蕩器停振；工作點偏低，避免了晶體管工作范圍進入飽和區(qū)，對于小功率振蕩器，一般都取在靠近截止區(qū)，但不能取得太低，否則不易起振。由式(3-3)可知，實際的振蕩電路在確定之后，其振幅的增加主要是靠提高振蕩管的靜態(tài)電流值，靜態(tài)電流越大，輸出幅度越大。但是如果靜態(tài)電流取得太大，不僅會出現(xiàn)波形失真現(xiàn)象，而且由于晶體管的輸入電阻變小同樣會使振蕩幅度變小。實際中靜態(tài)電流值一般取0.5mA1mA。三、實驗內(nèi)容1、利用EWB仿真軟件繪制出如圖3-5所示的西勒(Seiler)振蕩器實驗電路。 圖3-5 西勒振蕩器實驗電路 2、按圖3-3設(shè)置各元件參數(shù)，打開仿真開關(guān)，從示波器上觀察振蕩波形如圖3-6所示，讀出

14、振蕩頻率f0 ，并作好記錄。 圖3-6 西勒振蕩器的輸出波形 3、改變電容C6的容量，分別為最大或最小（100%或0%）時，觀察振蕩頻率變化，并作好記錄。4、改變電容C4的容量，分別為0.33F和0.001F，從示波器上觀察起振情況和振蕩波形的好壞（與C4為0.033F時進行比較），并分析原因。5、將C4恢復(fù)為0.033F，分別調(diào)節(jié)RP為最大和最小時，觀察輸出波形振幅的變化，并說明原因。四、思考題1、振蕩器與一般放大器的主要區(qū)別是什么？2、振蕩器中晶體管、振蕩回路、反饋網(wǎng)絡(luò)各起什么作用？對它們應(yīng)有什么要求？3、振蕩器波形不好與哪些因素有關(guān)？如何改善？實驗四 調(diào)幅和檢波電路的設(shè)計與性能分析一、實

15、驗?zāi)康模?）在前三個實驗的基礎(chǔ)上，加強EWB的熟練應(yīng)用，掌握一些仿真的技巧。（2）進一步熟悉調(diào)幅電路、檢波電路的工作原理。（3）觀察調(diào)幅電路、檢波電路的輸出波形。二、實驗內(nèi)容及步驟1、普通調(diào)幅電路（1）利用EWB繪制出相應(yīng)的普通調(diào)幅實驗電路（圖4-1為參考圖）。圖4-1 普通調(diào)幅實驗電路（2）按圖4-1設(shè)置U0、U1、U2以及電路中各元件的參數(shù)，打開仿真開關(guān)，從示波器上觀察調(diào)幅波的波形以及與調(diào)制信號U1的關(guān)系，將示波器中觀察到的兩個波形（普通調(diào)幅電路輸入、輸出波形）畫在下方。 （3）改變直流電壓U0為4V，觀察過調(diào)幅現(xiàn)象，做好記錄并說明原因。將過調(diào)幅時的輸入、輸出波形畫在下方。2、雙

16、邊帶調(diào)制電路（1）利用EWB繪制出雙邊帶調(diào)制仿真電路（圖4-2為參考圖），接上載波信號U1、調(diào)制信號U2以及示波器。圖4-2 雙邊帶調(diào)制實驗電路（2）按圖2所示設(shè)置U1、U2的參數(shù)，打開仿真開關(guān)，從示波器上可以觀察到雙邊帶調(diào)制信號，說明雙邊帶信號的特點。將輸入調(diào)制信號波形及輸出雙邊帶信號波形畫在下方。也可同時畫出其擴展方式的波形。3、二極管包絡(luò)檢波器（1）利用EWB繪制出二極管包絡(luò)檢波器的仿真實驗電路（圖4-3為參考圖）。圖4-3 二極管包絡(luò)檢波器仿真實驗電路（2）按圖4-3設(shè)置Us以及各元件的參數(shù)，其中調(diào)幅信號源的調(diào)幅度M設(shè)為0.8。打開仿真開關(guān)，從示波器上觀察檢波器輸出波形以及與輸入調(diào)幅波信號Us的關(guān)系。將相應(yīng)波形圖畫在下方。（3）將RP1調(diào)到最大（100%），從示波器上可以觀察到檢波器的輸出波形將出現(xiàn)惰性失真，將相應(yīng)波形圖畫在下方。試分析其原因。（4）將RP1恢復(fù)為最?。?%），再將RP2調(diào)到最?。?%），從示波器上又可以觀察到檢波器輸出將出現(xiàn)負峰切割失真，將相應(yīng)波形圖畫在下方。試分析其原因。4、同步檢波