高频小信号调谐放大器实验报告材料2921.pdf

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1、 高频实验一 高频小信号调谐放大器实验 一、实验目的 1.进一步掌握高频小信号调谐放大器的工作原理和基本电路结构。2.掌握高频小信号调谐放大器的调试方法。3.掌握高频小信号调谐放大器各项技术参数（电压放大倍数，通频带，矩形系数）的测试方法。4.熟练掌握 multisim 软件的使用方法，并能够通过仿真而了解到电路的一些特性以及各电路原件的作用 二、实验仪器 1小信号调谐放大器实验板 2200MHz 泰克双踪示波器(Tektronix TDS 2022B)3.8808A FLUKE 万用表 4.220V 市电接口 5.EE1461 高频信号源 6.AT6011 频谱分析仪 7.PC 一台(附有

2、multisim 仿真软件)三、实验原理 1.小信号调谐放大器的基本原理 小信号调谐放大器的作用是有选择地对某一频率范围的高频小信号进行放大。所谓“小信号”，通常指输入信号电压一般在微伏毫伏数量级附近，由于信号小，从而可以认为放大器工作在晶体管的线性范围内。所谓“调谐”，主要是指放大器的集电极负载为调谐回路。这种放大器对谐振频率0f及附近频率的信号具有较强的放大作用，而对其它远离0f的频率信号，放大作用很差。高频小信号调谐放大器是我主要质量指标如下：1.增益:放大器输出电压与输入电压之比，用来表示高频小信号调谐放大器放大微弱信号的能力，即Av=VoVi 2.通频带：通常规定放大器的电压增益下降

3、到最大值的 0.707 倍时，所对应的频率范围为高频放大器的通频带，用 B0.7表示。3.选择性：从含有各种不同频率的信号总和（有用和有害的）中选出有用信 号排除有害（干扰）信号的能力，称为放大器的选择性。衡量选择性的基本指标 一般有两个：矩形系数和抑制比。矩形系数通常用 K0.1表示，它定义为 K0.1=B0.7B0.1 ,其中B0.1是指放大倍数下降至 0.1Av0处的带宽。且矩形系数越小，选择性越好，其抑制邻近无用信号的能力就越强。抑制比见末尾附录，此处略。4.稳定性：指放大器的工作状态（直流偏置）、晶体管的参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定程度。5.噪声系数：

4、高频放大器由多级组成，降低噪声系数的关键在于减小前级电路的内部噪声。因此，在设计前级放大器时，要求采用低噪声器件，合理地设置工作电流等，使放大器在尽可能高的功率增益下噪声系数最小。其计算表达式为 NF=Psi/PniPso/Pno ,NF 越接近 1 越说明噪声越小，电路的性能越好。2.实验箱电路图 图 2-2 小信号调谐放大器实验电路 说明：我们做实验的时候只要使用 IN1 连 R1 经 C2 再至晶体管放大器后经 C4 输出这条通路即可，分别测试放大器的放大倍数、通频带以及电路的品质因数对通频带以及幅频特性的影响。C2 R2 T C5 C6 R5 LED1+12 C4 TP2 K RW2

5、R4 C3 B R3 RW1 J2 J3 CV1 TP1 L1 C1 R1 CV2 J1 OUT IN1 IN2 R6 C7 A4-080 四、实验前的准备：第一部分：理论计算 该放大电路在高频情况下的等效为如图 1-2 所示，晶体管的 4 个 y 参数 yie，yoe，yfe 及 yre 分别为 由课本所学的理论知识我们可知：回路的总电导g 为 回路的谐振频率:然而由于本题中p12Coe+p22Cie的值比较小，所以我们不妨就认为C C,再根据题目要求f0=10.7MHz，所以建立方程f0=10.7MHz12LC ，再结合实际，于是我们不妨取L=100nH,C=2.18nF.第二部分：仿真

6、利用实验室计算机或者自己计算机上安装的Multisim9（10）软件，参照实验电路图，进行仿真，仿真选取的晶体管的型号的为 2N2222A.仿真电路图如下：电路的一些细节分析：电容 C2 是输入耦合电容，C3 是输出耦合电容，滑动变阻器 R2 和电阻 R3、R4 是晶体管直流偏置电阻，可通过调节 R2 的阻值，使得晶体满足：1.发射极正偏:beVV，且0.6beVV 2.集电极反偏：bcVV 3.1ceVV（若ceV过小，将导致晶体管饱和导通，此时小信号放大器没有放大倍数）电阻 R6 是射极交流负反馈电阻，电阻 R1 是射极直流负反馈电阻，它决定了晶体管射极的直流电流 Ie，在本电路中应 Ie

7、 控制在 1-10mA 左右。电容 C1 是射极旁路电路，在高频的情况下其相当于短路。集电极回路由电容 C4 和电感 L1 组成，是一个并联的 LC 谐振回路，起到选频的作用。在实际的 电路中，电容有一个可变电容可以改变回路总的电容值，电感由初级回路和次级回路组成，中间有铁芯耦合，实验箱上电感的初级回路和次级回路封装在中周中，调节中周里的铁芯位置可以改变电感值和耦合强度，从而改变 LC 谐振回路的谐振频率。滑动变阻器 RW1 是阻尼电阻，可以改变回路的品质因素和电压增益。根据晶体管工作在甲类放大时的电压的要求，我们再确定分压电阻 R2、R3、R4 的阻值（如仿真图）,选择 Ie=2mA,又可进

8、一步算出 R1 的阻值。我们取输入信号的参数为 f=10.7MHz，幅值为 50mV,按照上面的仿真图，仿真出来的结果为 由游标示数我们可以知道此电路的放大倍数为AV0=其他各表的示数如下：注：红线 代 表输 入 信号；黄 线 代表 输 出信号；基极电压 Vb 射极电压 Ve 集射电压 Vce 射极电流：，由这些参数我们可知三级管处于正常的甲类放大 状态。另外我们还测得的幅频特性如下：通过测量，可得到通频带约为 10.819MHz-10.655MHz=0.164MHz。对照着仿真要求我们一步步进行仿真：1.改变直流电流 Ie，研究 Ie 逐渐增大时小信号放大器电压增益的变化 Ie/mA 0.9

9、79 1.858 2.558 3.412 Av/dB 18 21 21.5 23 由此说明 Ie 逐渐增大时小信号放大器的电压增益也逐渐的增大，当然这样的增大也是有一定范围的，如果 Ie 过大，将会导致输出波形的失真。2改变谐振回路的中心频率，观察小信号放大器电压增益的变化情况 注：对于改变谐振频率，只要改变 C 的值就可以了，所以我们此处用 C 值的改变来表示谐振频率的改变 C/nF 2.08 2.18（f0）2.28 2.68 3.18 Av/dB 8.54 21.07 13.66-2.72-8.98 通过观察我们发现，谐振频率偏离中心频率越远，其电压增益越小。3.改变集电极回路中阻尼电阻

10、的阻值，观察小信号放大器电压增益的变化情况，通频带的变化情况。R5/KOhm 1 3 5 7 9 Av/dB 20.052 21.542 21.788 21.885 21.936 通频带/MHz 0.169 0.165 0.163 0.159 0.157 由此可知，当集电极回路中阻尼电阻的阻值逐渐增大，也即回路的品质因数逐渐变大时，小信号放大器的电压增益也在小幅度增大，而通频带则小幅度变小，这也从而说明了一个问题就是电路的“增益带宽积=增益*通频带”并没有改变，符合理论推导。4.改变交流负反馈电阻阻值，观察小信号放大器电压增益的变化情况，通频带的变化情况 R6/Ohm 10 20 30 40

11、50 Av/dB 24.508 22.341 20.579 19.102 17.833 通频带/MHz 0.156 0.163 0.167 0.169 0.172 由此可见，随着交流负反馈电阻阻值的增大，小信号放大器的电压增益在逐渐减小，相反通频带则是随之逐渐变大。原因解释：该电路属于串联负反馈，引入这样的反馈后电路的电压增益表达式就变为Af=A1+AF,当反馈电阻的阻值越大时，反馈系数 F 就越大，由公式表明，随着 F 的增大，Af是逐渐减小的，此即解释了随着 R6 的增大，电压增益Av是减小的，再由增益带宽积是恒定的这一概念，我们显然可以知道同频带会增加。仿真过程中对问题的一些思考：问题一

12、：在仿真的过程中我们发现输出波形不那么稳定，总是在不停的变大然后再变小再变大，需要经过比较长的一段时间它才会稳定下来。解决方案：将输入和输出耦合电容该小，都改为了100pF.改变谐振电路的 L 和 C 的值（只要保证两者乘积不变）原因分析：可能是由于耦合电容的分布电感之类的影响。高频放大器的耦合电容 Cin 和 Cout 主要作用就是隔离直流，且不宜过大，否则放大电路将对信号源或上级电路产生反射。在高频电路中它们的值一般取nF 以下。而我们之前的电路中取的是 100nF,取的过大了，放大电路对信号源产生了反射，从而导致 输出不稳定，需要进一步减小偶合电容值以降低放大器与信号源之间的耦合程度。可

13、能是由于负反馈放大电路产生了自激；由于电路的 LC 取得不合理，使电路的稳定裕度（稳定裕度的概念见文末补充知识）离稳定电路的要求差别比较大，从而产生自激，因此只要调整下 L、C 的值就可以。问题二：这个此次仿真的电路的通频带较小，应如何修改参数使得电路的通频带变大些？法一：显然，由带宽增益积不变的关系，我们知道降低电路的增益可以实现增大通频带的目的，根据增益的计算公式Av0=p1p2fep12g0e+p22gie+G,我们只要将 G 的变大即可，即将分压电阻的阻值变小。法二：通过推导，我们可以得到电路的带宽增益积的表达式如下:AV0 BW=|fe|2C ,我们可以在保持AV0不变的情况下通过降

14、低谐振电容的容值来提高通频带，通过仿真，我们将 C 从 2.18nF 改成了 100nF（当然相应的电感值也应同时改为 2.18uF)，通频带随即就从 0.164MHz 变成了 1.139MHz，可见此方法比较简单可行。五、实验内容及步骤 仿真做完后，就应该把理论用于实践了，下面是运用实验箱进行的实验步骤及数据记录 1.静态工作点与谐振回路的调整 在实验箱主板上插上小信号调谐放大器实验电路模块。接通实验箱上电源开关,指标灯点亮。用高频信号源产生 10.7MHz 信号由 IN1 端接入小信号调谐放大器实验电路，幅度在 50 mV 左右。在 OUT 端用示波器观测到放大后的输入信号，调整电位器 R

15、W2 和微调电容CV2,和中周铁芯的位置，使输出信号幅度最大且失真最小，也即使电路达到谐振状态。2放大器的放大倍数及通频带的测试。空载放大倍数测试 断开 J2，J3，连接 J1，用示波器分别测出 IN1 端电压 Ui 和 OUT 端电压Uo，放大倍数为：0iUAU 此时将输出输入信号接示波器两探头，使用示波器直接测量显示，可得空载时的放大倍数：空=(2)有载放大倍数测试 断开 J2，连接 J1，J3,用示波器分别测出 IN1 端电压 Ui 和 OUT 端电压Uo，放大倍数为：0iUAU 此时将输出输入信号接示波器两探头，使用示波器直接测量显示，可得空载时的放大倍数：有=数据分析：由测量结果我们

16、可以知道，加了负载之后电路的放大倍数略微的降低，这是什么原因？答：我们要电路的交流等效模型来解释，其等效模型图中有负载的情况只比没有负载的情况的时候多了一个电导G,如下图：从而增益的表达式就从Av=p1p2fep12goe+p22gie 转变成了Av=p1p2fep12goe+p22gie+G,分母中多了一个G，而其它量并未改变大小，所以加了负载后其增益变小了。（3）通频带以及电路选择性能的测试（即空载情况）断开 J2,J3，连接 J1，保持输入信号幅值Ui（此处我们选择的输入信号的幅 度为 50mV）不变，改变输入信号的频率，输入信号的频率逐渐上升，输出信号的幅度将下降，当输出幅度下降到 f

17、0 时的输出幅值的 0.707 时，所对应的输入信号频率计为 f1。同样，减小输入信号的频率得到 f2，填到下面的表格中；f0 MHz f1 MHz f2 MHz 10.70MHz 10.07MHz 11.13MHz 那么通频带.=.=.保持输入信号幅值不变，改变输入信号的频率，输入信号的频率逐渐上升，输出信号的幅度将下降，当输出幅度下降到 f0 时的输出幅值的 0.1 时，所对应的输入信号频率计为 f3。同样，减小输入信号的频率得到 f4，填到下面的表格中：f0 MHz f3 MHz f4 MHz 10.7MHz 6.04MJz 16.50MHz 那么.=.=.那么就可得矩形系数：=10.4

18、4 在通频带测量的时候遇到的问题：在测量通频带时，当我们改变输入信号的频率，往高于中心频率的方向调节，在偏离中心频率到了一定程度后我们发现输出波形开始失真（图 1），如果再继续增大频率，凹陷的越来越大，但是如果我们减小输入信号的幅度，而不改变输入频率，那么这样的失真现象就不存在，试分析原因。图 1 答：这是由于三极管的高频特性引起的。随着工作频率升高到一定程度，发射极出现了电流会出现负脉冲的情况，而且这负脉冲的高度会随频率的升高而增加，之所以会出现负脉冲，是由于少数载流子在基区的渡越时间所引起的，或者说是由在基区内的空间电荷存储效应所引起的。由于输入信号的幅度相对而言比较大，所以使得三极管有一

19、段时间工作在了丙类放大的状态，即发射极反偏（截止）时，在基区内存储的非平衡少数载流子来不及扩散到集电极，又被方向偏置所形成的电场重新排斥回发射极，从而形成了负脉冲，于是出现了图 1 的失真。避免这种失真的办法就是减小输入信号幅度。而向小于中心频率的方向减小频率时，波形也会发生失真，其失真形状图 2，试解释产生这些现象的原因。这是因为输出端回路失谐引起的，因为输入信号频率的在逐渐减小，而集电极回路的谐振频率并未改变，回路失谐了，那么晶体管存在的反向传输导纳re的作用就明显了，不能忽略了，即晶体管就不能简单地看作是单向工作，从而整个电路的增益、通频带、选择性以及谐振曲线等都会受到影响，波形发生畸变

20、也就不足为怪了。（4）改变基极的直流电压，使射极的静态电流Ie 发生变化（Ie 取两个不同的数值），测量放大倍数和通频带的变化，并思考原因。IE/mA 3.78 4.01 图 2 放大倍数 7.64 7.85 通频带 1.06MHz 1.02MHz 与实际仿真的结果一致，即射极电流越大，放大倍数越大，通频带越小（原因已在上文仿真部分说明，此处不再赘述）。另外需要说明的一点是本电路中射极电流的测量:测量电流，可以直接用多用表的电流档，但由于电路已连接在实验箱板上，很难断线来测量电流，所以只能通过测量电压和电阻的方法来计算电流（I=UR）。电压的测量小菜一碟，重点是电阻的测量，由于电路已经连接在一

21、起，即使是断电测电阻，但由于其它部分的并联，仍会导致电阻的测量的不准确，所以我采取的是读取色环的方法，读出其阻值为 560 欧姆。5测试品质因数对放大器的幅频特性及通频带的影响（空载）断开 J3，连接 J1，J2，调整 RW1 取两个不同的数值（改变品质因素），分别测量谐振时的放大倍数和通频带，测量幅频特性并画图。RW1 较大时 放大倍数：2260/288=7.85 通频带：RW1 变小后 放大倍数：1.82/288=6.32 通频带：统计整理数据后表格记录：RW1 小 RW2 大 放大倍数 6.32 7.85 f0 MHz f1 MHz f2 MHz 10.7 10.11 11.13 f0

22、MHz f1 MHz f2 MHz 10.7 10.05 11.27 通频带 1.22MHz 1.02MHz RW1 较大时 幅频特性：Ui：50mV（实际输入电压时 28.8mV)输入信号频率f(MHz)8M 9M 9.5M 10M 10.7M 11M 11.5M 12M 12.5M 13M 13.5M 输出电压幅值U0(mV)40.0 61.6 79.2 122 226 176 112 76.0 56.0 44.0 38.0 放大倍数（dB）2.85 6.6 8.79 12.5 17.9 15.7 11.8 8.4 5.8 3.7 2.4 RW1 较小时 幅频特性：Ui：50 mV 输入信

23、号频率f(MHz)8M 9M 9.5M 10M 10.7M 11M 11.5 12 12.5 13 13.5 输出电压幅值U0(mV)42.0 60.0 80.0 116 182 150 100 72.0 54.0 46.0 38.0 放大倍数（dB）3.3 6.4 8.9 12.1 16 14.3 10.8 8.0 5.5 4.1 2.4 数据分析:根据测量的放大倍数和通频带数值，分析阻尼电阻 RW1 增加时，谐振放大倍数，回路品质因数和通频带是如何变化的。答:分析数据记录可知 RW1 增加即并联电阻的阻值变大时，放大倍数变大，通频带变小，与仿真所得的结果一致。原因解释：因为放大电路的通频带

24、可通过推导得公式 B0.7=2f0.707=f0/Qp，由于Qp=，RW1 变大，说明Qp变大，而f0不变，所以通频带变小，然而由增益带宽积不变的理论知方法倍数自然减小。六、实验回顾:1为什么该放大电路的集电极电路中采用的是自耦变压器而不是直接的电感？答：LC 回路与本级集电极电路的联接采用自耦变压器形式，与下级负载YL的联接采用变压器耦合。采用这种自耦变压器-变压器耦合形式，可以减弱本级输出导纳与下级晶体管输入导纳YL对 LC 回路的影响，同时，适当的选择初级线圈抽头位置与初次级线圈的匝数比，可以使负载导纳与晶体管的输出导纳相匹配，以获得最大的功率增益。2.本实验电路中，为什么谐振回路中的C

25、是由一个固定电容和一个可调电容并联组成，而且两者的并联值要比计算值取得小些？答：这是因为实际的电感、电容元件值和标称值之间是有误差的，并且晶体管极与极之间存在分布电容，所以在实际电路中，这里的电容C应该有一个固定电容和一个可调电容并联组成。两者并联后的电容值接近计算得到的电容C值，但要比它小，因为实际电路中的总电容C值是等于并联电容值与晶体管极与极之间存在的分布电容之和，所以C并 C。附录：补充知识：抑制比：或称抗拒比，通常说明某些特定频率，如中频、象频等选择性的好坏。例如，谐振点f0的放大倍数Av0，若有一干扰，其频率为fn，则电路对此干扰的放大倍数为Av，我们就用d=Av0Av 表示放大器

26、对该干扰的抑制能力。稳定裕度：为使电路具有足够的稳定性，必须让它远离自激振荡状态，其远离程度可用稳定裕度表示。稳定裕度包括增益裕度和相位裕度。增益裕度Gm的表达式Gm=20lg|AF|,稳定的负反馈放大电路的Gm 0，一般要求m45 度，保证电路有足够的相位裕度。增益带宽积：英文：Gain Bandwidth Product（简称 GBP）。这是用来简单衡量放大器的性能的一个参数。就像它的名字一样，这个参数表示增益和带宽的乘积。按照放大器的定义，这个乘积是一定的。它是用来表征在外接负反馈网络控制增益的电路中使 用一个运算放大器时、增益与有效带宽之间的协调关系。在宽量程内，增益与带宽（单位为赫兹）的乘积基本保持不变。通过使用增益带宽积，设计人员可以无需进行详细计算，就能凭经验快速判断出给定的运算放大器所能达到的最高性能