实验一 高频小信号调谐放大器_高频小信号放大器实验

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本科实验报告

高频电子线路

高频小信号调谐放大器

信号与系统及高频电子线路实验室

电科1201班 学号：

2012001614

杨超凡

王耀力

2014年月日

实验一 高频小信号调谐放大器

一、实验目的小信号调谐放大器是高频电子线路的基本单元电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。在本实验中，通过对谐振回路的调试，对放大器处于谐振时各项技术主指标的测试（电压放大倍数，通频带，矩形系数），进一步掌握高频小信号放大器的工作原理。学会小信号调谐放大器的设计方法。

二、实验原理

1、高频小信号调谐放大器

图2-1 小信号调谐放大器

如图2-1所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号调谐放大器。它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器输出信号的频率和相位。晶体管的静态工作点由电阻RB1，RB2及RE决定，其计算方法与低频单管放大器相同。

放大器在高频情况下的等效电路如图2-2所示，晶体管的4个y参数yie，yoe，yfe及yre分别为

输入导纳

yie输出导纳

yoe1rb'bgb'ejwcb'egmrb'bjwcb'egb'ejwcb'e

（1-1）

1rb'bgb'ejwcb'ejwcb'e

（1-2）正向传输导纳

yfegm

（1-3）

1rb'bgb'ejwcb'ejwcb'e1rb'bgb'ejwcb'e反向传输导纳

yre



（1-4）

图2-2 放大器的高频等效回路

式中，gm——晶体管的跨导，与发射极电流的关系为

gm

gb’e——发射结电导，与晶体管的电流放大系数β及IE有关，其关系为

gb'e

rb’b——基极体电阻，一般为几十欧姆； Cb’c——集电极电容，一般为几皮法；

Cb’e——发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。

由此可见，晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流IE，电流放大系数β有关外，还与工作频率ω有关。晶体管手册中给出的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得的。如在f0=30MHz，IE=2mA，UCE=8V条件下测得3DG6C的y参数为：

gie112mS

Cie12pF

goe250mS rieroeIEmAS26

（1-5）

IEmAS1

（1-6）

rb'e26Coe4pF

yfe40mS

yre350uS

如果工作条件发生变化，上述参数则有所变动。因此，高频电路的设计计算一般采用工程估算的方法。图1-2中所示的等效电路中，p1为晶体管的集电极接入系数，即

P1N1/N（17）式中，N2为电感L线圈的总匝数。

P2为输出变压器T的副边与原边的匝数比，即

P2N3/N2（18）式中，N3为副边（次级）的总匝数。

gL为调谐放大器输出负载的电导，gL=1/RL。通常小信号调谐放大器的下一级仍为晶体管调谐放大器，则gL将是下一级晶体管的输入导纳gie2。

由图1-2可见，并联谐振回路的总电导g的表达式为

222gp1goep2giejwc2p1goe1GjwL

（19）

12p2gLjwcGjwL式中，G为LC回路本身的损耗电导。谐振时L和C的并联回路呈纯阻，其阻值等于1/G，并联谐振电抗为无限大，则jwC与1/（jwL）的影响可以忽略。

三、调谐放大器的性能指标及测量方法

表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率fo，谐振电压放大倍数Avo，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1来表示）等。

放大器各项性能指标及测量方法如下：（1）谐振频率

放大器的调谐回路谐振时所对应的频率fo称为放大器的谐振频率，对于图1-1所示电路（也是以下各项指标所对应电路），fo的表达式为

f012LC

（1-10）

式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；

C为调谐回路的总电容，C的表达式为

2CCPCP1oe2Cie（1-11）

式中，Coe为晶体管的输出电容；Cie为晶体管的输入电容。谐振频率fo的测量方法是：

用扫频仪作为测量仪器，用扫频仪测出电路的幅频特性曲线，调变压器T的磁芯，使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点fo。

（2）电压放大倍数

放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数Avo称为调谐放大器的电压放大倍数。Avo的表达式为

AV0

式中，g为谐振回路谐振时的总电导。因为LC并联回路在谐振点时的L和C的并联电抗为无限大，因此可以忽略其电导。但要注意的是yfe本身也是一个复数，所以谐振时输出电压u0与输入电压ui相位差为（180o+ Φfe）。

AV0的测量方法是：在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量图1-1中RL两端的电压u0及输入信号ui的大小，则电压放大倍数AV0由下式计算：

AV0U0Ui 或AV020lgUoUi dB(1-13)（3）通频带

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，习惯上称电压放大倍数AV下降到谐振电压放大倍数AV0的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW，其表达式为

p1p2yfeu0p1p2yfe（1-12）22uigp1goep2gieGBW2f0.7f0QL(1-14)式中，QL为谐振回路的有载品质因数。

分析表明，放大器的谐振电压放大倍数Avo与通频带BW的关系为

AV0BWyfe2C(1-15)上式说明，当晶体管选定即yfe确定，且回路总电容CΣ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。

通频带BW的测量方法：是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。测量方法可以是扫频法，也可以是逐点法。逐点法的测量步骤是：先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率fo及电压放大倍数Avo然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压uS不变），并测出对应的电压放大倍数Avo。由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的谐振曲线如图1-3所示。

由式（1-14）可得

BWfHfL2f0.7

(1-16)

图1-3 谐振曲线

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宽，同时又能提高放大器的电压增益，由式（1-15）可知，除了选用yfe较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量CΣ。如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号，则可减小通频带，尽量提高放大器的增益。

（4）选择性——矩形系数

调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kv0.1时来表示，如图（1-3）所示的谐振曲线，矩形系数Kv0.1为电压放大倍数下降到0.1 AV0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707 AV0时对应的频率偏移之比，即

KV0.12f0.12f0.72f0.1BW

（1-17）

上式表明，矩形系数Kv0.1越小，谐振曲线的形状越接近矩形，选择性越好，反之亦然。一般单级调谐放大器的选择性较差（矩形系数Kv0.1远大于1），为提高放大器的选择性，通常采用多级单调谐回路的谐振放大器。可以通过测量调谐放大器的谐振曲线来求矩形系数Kv0.1。

四、实验参考电路

图1-4 单级调谐放大器

（1）主要技术指标：谐振频率fo=10.7MHz，谐振电压放大倍数AV0≥10-15 dB，通频带BW=1 MHz，矩形系数Kr0.1＜10。因fT比工作频率fo大（5—10）倍，所以选用3DG12C，选β=50，工作电压为12V，查手册得rbˊb=70, CbˊC=3PF，当IE=1.5mA时Cbˊe为25PF，取L≈1.8μH，变压器初级N2=23匝，次级为10匝。

P2=0.43, P1=0（2）确定电路为单级调谐放大器，如上图1-4。（3）确定电路参数。a、设置静态工作点

由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流ICQ一般选取0.8—2mA为宜，现取IE=1.5mA，UEQ=2.25V，UCEQ=9.75V。

则 REUEQIE1.5K 则RA6=1.5KΩ 取流过RA3的电流为基极电流的7倍，则有：

RA3UBQ7IBQUBQ7IE17.6K

取18 KΩ

则 RA2WA1123.71840K 3.7则取RA2=5.1K WA1选用50K的可调电阻以便调整静态工作点。b、计算谐振回路参数 由式（1-6）得 gb'eIEmA26S1.15mS

由式（1-5）得 gmIEmA26S58mS

由式（1-1）~（1-4）得4个y参数 yie1rb'bgb'ejwcb'egb'ejwcb'e1.373103Sj2.88103S

由于yiegiejcie

则有gie =1.373ms

rie1gie728

Cie2.88mS22.5pF wyoe1rb'bgb'ejwcb'ejwcb'bcb'cgmjwcb'e0.216mSj1.37mS

因yoegoejcoe 则有

goe0.216ms coe1.37msW10.2pF

c、计算回路总电容CC12，由（1-10）得

1123pF

2f0L23.1410.710621.8106由（1-11）CCCCP12CoeP22Cie得

P12CoeP22Cie1200.43222.50210.2119pF

则有C205=119pF，取标称值120pF d、确定耦合电容及高频滤波电容

高频电路中的耦合电容及滤波电容一般选取体积较小的瓷片电容，现取耦合电容C204=0.01μF，旁路电容C206=0.1μF，滤波电容C203=0.1μF

五、实验内容与结果分析

1.按下开关后，接通12V电源，然后开始调整晶体管的静态工作点。调节可调电阻WA1，使得=2.25V。记下实际测量时晶体管各个点的电流及电压值如右下：

=2.170V，=2.805V，=9.830V，=1.437mA。2.调谐放大器的谐振回路是它的谐振在10.7MHz。

采用BT-3频率测试仪连接到电路的输出和输入端口。如电路中所示。波特仪结果：

中心频率大约为10.7MHz

3.测量电压增益Avo

由图可得电压增益Avo为：Avo=24dB

4.测量通频带BW 根据通频带计算公式

近似算出放大器的通频带BW=B0.7=850KHz

6.测量放大器的选择性

近似测出B0.1=4700KHz 放大器的选择性优劣可以用放大器的谐振曲线的矩形系数表示

K0.1V2f0.12f0.72f0.1BW

如果按照波特仪输出的波形，取得f0.7处的频宽计算结果如下：

K0.1V4700/8505.529

实验原理中已经提及，矩形系数越小谐振曲线的形状越接近矩形，选择性越好，反之亦然。一般单级调谐放大器的选择性较差（矩形系数K0.1V远大于1），为提高放大器的选择性，通常采用多级单调谐回路的谐振放大器。这里计算得到的矩形系数不算非常大。结果还是比较满意的。

六、思考题

1、引起小信号谐振放大器不稳定的原因是什么？如果实验中出现自激现象，应该怎样消除？

答： 在高频调谐放大器中，由于晶体体管集电结电容的内部反馈Cb'c，形成了放大器的输出电路与输入电路之间的相互影响。它使高频调谐放大器存在工作不稳定的问题.克服自激的方法：

由于晶体管由反向传输导纳存在，实际上晶体管为双向器件。为了抵消或减少反向传输导纳的作用，应使晶体管单向化。

单向化的方法有两种：一种是消除反向传输导纳的反馈作用，称为中和法；另一种是使负载电导gL或信号源电导的数值加大，使得输人或输出回路与晶体管失去匹配，称为失配法。

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