单调谐小信号谐振放大器设计.doc

.高频实验报告（一）单调谐小信号谐振放大器设计 组员 座位号 16 实验时间 周一上午 目录一、实验目的3二、实验原理3 2.1单调谐放大器的基本原理3 2.2主要性能指标及测量方法7 2.2.1谐振频率的测试7 2.2.2电压增益的测试8 2.2.3频率特性的测试8三、设计方法11四、实验内容及参数设计12五、实验参数测试及分析15六、思考题15一、 实验目的1 熟悉小信号谐振放大器的工作原理。2 掌握小信号谐振放大器的工程设计方法。3 掌握小信号谐振放大器的调谐方法。4 掌握小信号谐振放大器幅频特性的测量方法。5 熟悉放大器静态工作点和集电极负载对谐振放大器幅频特性的影响。二、 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LC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。2.1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为了讨论谐振回路的频率特性，可以将连接在 LC谐振回路上的所有负载（包括本级晶体管的输出参数和后级的负载）都等效到 LC 谐振回路的两端，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2.2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。及右侧谐振回路，与本实验无关（断开）。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2.2.1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，C为谐振回路的外接电容，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。2.2.2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2.2.3频率特性的测试 1）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(1-18)可得通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。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(1-18)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。图1.7 谐振放大器的频率特性曲线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。逐点法测量电路如图1.6，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。扫频法测量电路如图1.8，图中频响特性测试仪代替了图1.6中的信号发生器与示波器。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。因此，该方法比较方便的测量出电路的频率特性。图1.8 频响特性测试仪测试电路2）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。三、 设计方法设计一个高频小信号谐振放大器 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。见图1.9。2选择晶体管选择晶体管应考虑以下原则：（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根据频率要求计算负载电导。4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。5计算接入系数6验算增益是否满足要求：7计算偏置电阻：8计算谐振回路电容：9确定高频滤波电路及耦合电容：图1.9谐振放大器实验电路四、 实验内容及参数设计1 设计一高频小信号谐振放大器。已知条件，静态工作点电流在0.52mA之间选取。晶体管为Q2N3904， ，。中频变压器参数, ，。技术指标：谐振频率，谐振电压放大倍数，通频带。解：电路如图1.9所示：放大电路采用分压式电流负反馈偏置电路1根据频率要求计算负载电导：由于，可得有载品质因数由得：2试探静态工作点，计算Y参数：选取IEQ=1 mA时：估算Y参数如下：从而，这里忽略了，引入了误差大概15%，实际电路计算中，一般不能忽略。从而，检查数据，3 计算接入系数：谐振回路本身固有导纳则在功率匹配的情况下满足：一般为后级放大器的输入电导，这里则可以得到接入系数实验中取：L13L12L34电感值4.02uH 2.33 uH0.56 uH即： 4 验算增益是否满足要求：要求，换算成电压放大倍数为倍。可见增益满足设计要求，选取的工作点合适。否则，需要根据重新选择工作点。5 计算偏置电阻：要求流经偏置电阻R1， R2的电流，才能保证VBQ恒定，一般取（硅管）。这里取电路静态工作点由下式确定：对于小信号放大器，一般取，这里取, 实验时，取=43k，=1.5k，由110k电阻和10 k电位器串连，以便调整静态工作点。6 计算谐振回路电容：根据频率要求计算回路总电容： ，由此，取可调电容,7 确定高频滤波电路及耦合电容：7.1、耦合电容取= 0.1F。对于10MHz的信号，阻抗约为0.16，而对于直流信号阻抗则很大。7.2、高频滤波电路这里采用型滤波电路来去除电源干扰。要求，电感采用色环电感即可，电容一般采用高频瓷片电容。取，2电路装调3参数测试： 增益、幅频特性、动态范围等 。4结果分析：使用matlab做数据拟合画图，分析讨论。电路调试注意事项：1、信号源的使用：如果信号源动态范围较小，可采用10：1衰减器扩大。电路如下：信号源内阻衰减器满足，则，选择合适的电阻，可得到需要的衰减率。2、示波器的使用：a、频率精确测量，示波器屏幕右下有频率精确显示；b、探头衰减设置，选择X10衰减，可减小示波器探头对电路的影响。 五、 实验参数测试及分析实验中得到放大后输出波形如图：1.静态工作点参数基本满足工作条件。2中心频率：3当输入电压时，输出电压增益：当时，测得： 带宽： 带宽基本能满足实验要求。4 矩形系数： 5. 幅频特性曲线： 实验中一共测得了40组数据，频率范围从8.0MHz14.0MHz。由于要着重观察其选频特性，所以在中心频率10.7MHz附近取样较密集，偏离中心频率较远处取样较稀疏。这样能比较好的拟合出选频特性曲线。 (Vipp=20Mv)序号12345678频率（MHz）8.09.09.59.810.010.110.210.3Vopp（mV）20.428.438.047.660.867.279.297.6序号910111213141516频率（MHz）10.4010.4510.5010.5510.5910.6110.6310.65Vopp（mV）123142172208244264286306序号1718192021222324频率（MHz）10.6710.6810.6910.7010.7110.7210.7310.75Vopp（mV）322330334336334332328314序号2526272829303132频率（MHz）10.7710.7910.8110.8510.9010.9511.011.1Vopp（mV）294272254216178150130104序号3334353637383940频率（MHz）11.211.311.411.612.012.513.014.0Vopp（mV）80.068.059.247.234.425.621.617.6下图为Matlab拟合曲线，其中横轴为输入信号频率，纵轴为Vipp=20mV时测得的输出电压峰-峰值，可以代表电路增益：分析：1. 带宽不能进一步减小的原因： 过小，影响的为L和，影响的有接入系数以及晶体管参数。实验中未取电感4uH，实际取的是5.2uH，另外Q值也没有达到理论上要求的值，此外电路的各种参数还会使实际电路中的Q值进一步降低，当然过大的接入系数也会造成BW变宽，工作点的选择对晶体管参数有较大影响，从而也会影响BW实验中要能够达到所需带宽，可采取的措施有： （1）适当减小所绕电感值，增大其Q值（2）适当减小接入系数（3）适当调整工作点2. 矩形系数：理论值为9.1，较为接近，这与具体的幅频特性曲线相关实际电路由于各种影响因素，不可避免与理论值有出入。3. 幅频曲线： 拟合得到的幅频曲线比较合理，可以看到选频特性较好。六、 思考题1 如何判断并联谐振回路是否处于谐振状态？回路的谐振频率与哪些参数有关？用实验说明。答：首先确认输出信号没有产生任何失真，即晶体管工作在线性放大区，然后调节信号源输入信号的频率，如果在中心频率 f0处输出的峰峰值 Vopp为最大值，那么电路工作在谐振状态。回路的谐振频率主要由电感 L 和电容 Ca，Cb的值来决定：2. 为什么说提高电压放大倍数时，通频带会减小?可采取哪些措施提高？实验结果如何？答：从实验原理中的分析可以得到，放大器的谐振电压放大倍数 0 v A 与通频带BW的乘积满足关系式： 上式说明，当晶体管选定即 yfe确定，且回路总电容 CT为定值时，谐振电压放大倍数 Av0与通频带 BW 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。因而，提高电压放大倍数 Av0时，通频带 BW 会减小。 如果想要不减小带宽 BW 又调高增益 Av，可以采用多级放大器级联的方法。 但是在实验中，我们发现单纯增大增益并不能解决带宽过大的问题，主要原因是，首先，如果接入系数p2太大，后级反射阻抗增加，回路Q值下降很明显。此外，抬高静态工作点，三极管放大器电流增加，阻抗也相应增加，Q值也会下降。所以在试验中，我们并没有将静态工作点抬高到4V左右，而是选在了2V左右。3 在调谐振回路时，对放大器的输入信号有何要求?如果输入信号过大会出现什么现象？答：在调谐振回路时，输入信号不宜过大，否则输出信号的波形会发生失真，此时放大器没有工作在线性放大区，一般输入电压最高取100mV峰峰值，如果信号源可以提供的值的下限较大，应设计衰减电路如下：衰减器满足RS << R1，Zi << R2，则，选择合适的电阻，可得到需要的衰减率。4 影响谐振放大器稳定性的因素有哪些？你在调整放大器时，是否出现过自激振荡，其表现形式为何？是采取什么措施解决的？答：影响放大器稳定性的因素主要是看电路中是否存在正反馈，造成自激振荡。我们在调整放大器时没有发生自激振荡，这是因为有电阻 R3 的存在，在晶体管的发射极产生负反馈，增加了电路的稳定性。若出现自激振荡，可以采用中和法解决问题。具体操作方法是：在晶体管B和C极之间接一个小电容。我们在设计放大器时忽略了的影响，然而在实际实验时影响的是晶体管的内反馈。5 谐振回路的接入系数对放大器的性能有哪些影响？答：接入系数主要影响放大器的增益 Av，有载品质因数 QL和带宽 BW，接入系数越大，增益越大，有载 Q 值下降，选频特性变坏，带宽增大。试验中观察我们发现，接入系数p2对BW的影响较大，后从0.2降为0.1。6 计算你所设计的高频小信号放大器的电压放大倍数 ，并与测量值相比较有何区别？为什么？ 答：在电路设计时，我们取p1=0.88，p2=0.09，理论计算的增益Av=44.01，但是在实际测量中，电路增益只有14.40，明显小于理论设计值。对于影响因素，首先是静态工作点不同，实际电路中，我们只取到了2V,比较小。其次，接入系数p1在实际电路中只有0.7左右，小于0.88的理论值。根据公式： 增益将会下降。第三，三极管参数肯定与设计时不相同，Yfe实际中偏小。此外，因为电路Q值较大，带宽BW无法减小，根据GBP一定可知，增益无法变得很大。7 思考并试验测量小信号和高频信号时的示波器探头应如何设置？ 答：1 倍衰减：仪器内电路中的电容在几十皮法到一百皮法左右，对于实验板上的电路来说过大了，会对结果产生较大的影响。