单调谐小信号谐振放大器设计

1、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周一上午实验时间目录一、实验s的3二、实验原理32.1单调谐放大器的基本原理32.2主要性能指标及测量方法72.2.1谐振频率的测试72.2.2屯压增益的测试82.2.3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16六、思考题19->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

2、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，凡达到最大值。因此，用并联谐振冋路作集电极负载的调 谐放人器在回路的谐振频率上具有最人的放人系数，稍离开此频率放人系数就迅 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而被广泛 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，但基木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

3、放大器电路如图1.1所示。图中是直流偏置电阻；并联谘振冋路为品体管的集电极负载，礼是为提高工作点的稳定性而接入的直流 负反馈电阻，q,和是对信号频率的旁路电容。输入信号iv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爪，ca上。为了减小晶体管 输出导纳对回路的影响，品体管7采用抽头接入。vrc图1.1高频小信号谐振放大器电路在低频电子电路屮，我们经常采用混合tt模型来描述晶体管。把晶体管内 部的物理过程用集屮元器件表示。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7t参数等效电路。混合7t参数是品体管物理参数，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

4、频分析时不太方便。在高频电子线路的分析中，通常采用r参数模型來描述晶体管。r参数是一种网络 参数，由于它将晶体管的输入输出分幵，所以便于进行高频分析。r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r参数的运 用。r参数木身可以通过混合yr参数换算，也可以通过专门的仪器进行测量。晶体管混合7t模型如下图所示图1.2混合;r模型其屮&是基极电阻，是发射结电阻，是集电结电阻，心称为跨导sm= a)/k = /.(ma)/26(mv)为发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。c；为集电结电容，一般为几皮法。(1-2对于共发射极组态的三极管电路，k参数定义如下：ic=

5、yoevc + yfevbyie=v-o输出短路时的输入导纳v cyoe=-vh=o输人短路时的输出导纳输出短路时的正向传输跨导1-3yre = va-0输入短路时的反向传输跨导v.根据晶体管混合7t参数模型，可得到r参数如h在q,«c;的情况下,近似有y,eyeyoe1 + w心1 + why,-e1 + w/1+w*其屮:;h，e + x?yc1l1s/fe -，sh，c 一，a =o(er以(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r参数简化如下：y,e1-6yb'chb.1 + w心(1-7心+nd，c + se

6、e+例如，某晶体管的混合tt参数为当/印=1ma，匕£ = 6v时，rhb、= 60q，= lkq, r价=2.6mq, rce = 65kq, c = 780pf, cp = 9pf 低频工作时，忽略q，c/z，有yie - 0.943ms, yoe «15.4gs, y fe - 35.8ms, yre - - 0.363gs高频工作时，设戶465khz,代入前而的公式，有 y/£, =(1.2 + y2.0)ms,=(22.6 +781.9)gs,i yfe 1= 35.6ms, zyfe = -7.4°i yre 1= 24.6(is, zyre

7、 = -97.4结果是所有的参数都变成了复数，其屮略有变小，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r参数模型，得到图l.i高频小信号谐振放人器电路相应的等效电路如下:负载敁体管lcl路 go c lyie yrevce yfevbe y(n4图1.4谐振放大器电路等效电路八rn nrl cl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。晶体管谐振冋路负载一:，-? f-ys | cie gie ioef goe coel go c l

8、| | gl1hi1ij i图1.5谐振放大器电路等效电路b其屮幻凡为信号源，a为晶体管的集电极接入系数，式屮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；为输出变打13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。g。为回路本身的损耗电导，a为谐振回路电感。其它参数如下所示：(1-8)1-91-10(1-11)1sie h'e晶体管在高频情况卜*的分布参数除了与静态工作电流、电流放大系数/?宥 关外，还与工作角频率0)宥关。晶体管手册中给出的分介参数一般是在测量条 件一定的情况下测得的。如在/0 = 30mhz , ie= 2ma, vce = (n条件卜*测得3dg

9、47的y参数 gie = 1.2ms，cie = 12pf, yfe= 58.3ms, goe = 400/5, coe= 9.5pf2.2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 倍数总。，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，电路由品体管谐振冋路c2/4，c2z?，7；等构成。c6是输出耦合电容，/?6是 负载电限。<?5及右侧谐振冋路r2, c1a，c75与本实验无关(<?5断开)。本实验 的谐振频率由c2z?调节，由于c2

10、z?的容量有限，故加固定电容c2a以增大总电容。 图中输入信号由高频信号发生器提供，示波器监测输入端人和负载凡端名的波 形。谐振放大器的各项性能指标及测量方法如下。2.2.1谐振频率的测试放大器的谐振回路谐振吋所对应的频率/0称为谐振频率。图1.1所示电 路的/0表达式为/o= _=,1(1-12)2 兀呵t 2(c + a2qe + a2q)式中，z为谐振回路电感线圈的电感量，g为谐振回路的总电容，c为谐 振冋路的外接电容，为晶体管的输出电容，c£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

11、路谐振在设计 频率上的a的。谘振频率/（）的调整步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率 为to,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，11无 明显失真。这吋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冋路谐振时所对应的电压放大倍数么0称为谐振放大器的电 压增益（放大倍数）。的表达式为：4-0= -p'p2gt=-pipiy.fe要注意的足，本身也是一个复数，所以谐振吋输出电压匕与输入电压匕的相位差为 （180° +）。只有当工作频率较低时，/t,

12、0 ,匕与6的相位差才等于180°。的测景电路如图1.6所示，测景条件是放人器的谐振m路处于谐振状态。当|叫路谐 振吋，分別从电源的桁示器上圮下输入端电压f的读数及示波器上读岀输岀端的读数匕， 则屯压放大倍数次。由下式计算：（1-14）用分w表示为 4o=2oig（r/p;.）db2.2.3频率特性的测试1）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， 电压放大倍数随信号频率/变化的曲线，叫做放人器的谐振曲线，如图1.7所示。电压放人倍数4.一1（14 o 7|+（2a.v/o）2-习惯上称电压放人倍数4 k降到谐振电压放人倍数心的0.707倍吋

13、所对应的频率范 围称为放人器的通频带其表达式为5ff = 2<7=/0/gl（1-16）式屮为谐振回路的奋载品质因数ql(olgt 69o£(go + p goe p2sl)a11+a2，”2,go go，(其屮2o(1-17)分析表明，放人器的谐振电压放人倍数zv()与通频带的乘积满足关系式gbp = av0b = pp2l/el agt qlpp2gt o)qct i gtppii i2cr(1-18)上式说明，当晶体管选定即确定，且冋路总电界cf为定值吋，谐振电压放人倍数心与 通频带的乘积为一常数。这与低频放人器屮的增益带宽积为一常数的概念足相同的。 由式(1-18)可得

14、通频带越宽放人器的电压放人倍数越小。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，除了选用较人的晶体管外、还应尽量减图1.7谐振放大器的频率特性曲线可通过测s放人器的频率特性曲线来求通频带sw。测s方法冇逐点法和扫频法。逐 点法测fi电路如图1.6,测g步骤足：先使调谐放大器的谐振回路产生谐振，记下此时的谐 振频率人及电压放人倍数/，然后改变高频信号发生器的频率(保持其输出电压v,不变)， 并测出对应的电压放大倍数jv。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s电路如图1.8,图中频响特性测试仪代替丁图1.6中的信

15、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)，此时仪器肖动记录并敁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景出电路的频率特性。±1r1丄3 12a gb尺4频响特性测试仪r,| gorsrgrivccled vt/图1.8频响特性测试仪测试电路2)矩形系数0.|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0.7074吋对应的频率偏移之比，即0j=2a/0j/2<7(1-19)矩形系数越接近1,邻近波

16、道的选择性越好，滤除干扰信号的能力越 强。一般单级争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，为提高放人器的选择性通常釆用多级谐振 放大器。讨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今技术指标：中心频率/。，通频带增益4。，品质因数込。今已知条件：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2（）。今设计步骤：1. 确定电路形式。见图1.9。2. 选择品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q小）的晶体管。（2）频率特性要好，应选人高的晶体管，一般至少取

17、人2（45）/0。（3）为使放大器攒益大应选，大，（般为下一级电路晶体管 的输入导纳g,）小的晶体管。3. 根据频率要求计算负载电导ct。4. 试探静态工作点，计算y参数。由于和工作点电流冇关，所以不 宜太小，但太大则造成c；増加，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。已知条件匕二+9v，静态工作点电流在0.52ma之问选収。晶体管为q2n3904, rbb. = 70q , c/z =

18、4pf, c； = 8pf。屮频变压器参数厶4/z"，00-80, hfe、p、=80, hce =10/s。技术指标：谐振频率/0= 10.7mhz，谐振电压放人倍数dv022odb ,通频带 經=0.2mhz o解：电路如閔1.9所乐：放大也路采用分压式屯流负反馈偏胥电路 1.根据频率要求计算负载电导gt:由于5妒=0.2mhz, /0= 10.7mhz,可得有载品质因数q=- = 53.5 l bw巾込一 %lgt得：gr = 0.07ms2. 试探静态工作点，计算y参数：选取/eq=lma时:1ma26mv38.5ms= 0.32ms估算y参数如下：rbb，gb'e

19、= 10x0.26x10"' =0.003269 = 2x10.7x10° = 67.2;wrad/s = 2xl0.7xl06x8xl0-2=0.54msyie心二z 二二二 w 释s从而gje = 0.32mslesie3125q, c.e = 8pf凡eha +灭/am”bb，1+w心这里忽略了，gce=10us,引入了误差大概15%,实际电路计算中，一般不能忽略ja)c,smy =g +yr +hdhh 二 jcoc h"一 l k 1 +叫九+./0= 1ox1p巧67.2xw6x4xw-'m脱 2xw6x4xl(fi2xl()x38.3

20、5xl0-3 1 + 10(0.32 + /b.54)xl0 一3=10.555ws + y0.37ms从而，检杳数裾hh'goc = 10.555i/s, c =0.37ms = 5 53pfc6y.fe38.4ms- /0.2ms3.计算接入系数：谐振冋路本5固有导纳g= = 4.65xl0 = 46.5ws则在功率匹配的情况p满足：psoe+ pisl+g=gt phoe plsl般为后级放人器的输入电异，这里g£=lms 则可以得到接入系数p,= gt-g/(2gj = v(70-46.5)xl0-6/(2x60xl0-6) =0.52 p2=执-g0)/(2gl)

21、= v(70-46.5)xl0-6/(2xlxl0-3) =0.11ll3ll2l34电感值4.02uh2.33 uh0.56 uh实验屮取:即：pl = 0.58 p2 = ga44. 验算增益是否满足要求：要求/lv（） 2 20db ,换算成电乐放人倍数为v（> 2 10倍ao =_p'p2«-0.58x0.14x = 44.54>10 0.07可见增益满足设计耍求，选取的丄作点合适。否则，需耍根据210重新选择工作点。5. 计算偏置电阻：要求流经偏置电阻仏，/?2的电流/： 1bq，才能保证恒定，一般取<=510/ （硅管）。这里取/1=6/电路静态

22、工作点由下式确定：r = -vr= = 113.4kq1 i，实验吋，取/?2=43kq, 7?3=1.5kq,尺由llokq电阻和10 kq电位器串连，以便调整静态丄作点。6. 计算谐振回路电容：根裾频率要求计算回路总电容:tobe _ veq印ieq对于小信号放大器，一般取= （0.20.5）ke，e ,这里取r%=1.5k,r卿=7.5vbq = veqvbe=22n= veqe-vc(.=227?1+7?2v v尺=1 = = 43.921a61 bq61eqcj?22 =20x0.142 =0.39pf,ct（p,2 = 10x0.582 =3.36pf由此，c2 4 +c2/?=5

23、1.25pf 取 c2z, = 20 pf 可调电容,c2=33/?f7. 确定高频滤波电路及耦合电容：7. 1、耦合电容取c, =c3=c4= 0. l|ifo对于10mhz的信号，肌抗约为0. 16q，而对于直流信兮阻抗则很大。7.2、高频滤波电路这里采用兀型滤波电路来去除电源干扰。耍求jvy&o ，电感采jcoc（）jcoc用色环电感即可，电容一般采用高频瓷片电容。取 = 1 0|lh , cg = c10 = 0.0 lgf2. 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

24、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a阻7?s=5oq衰减器满足a 7?s , /?2 z,.,则g代 +7?2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、 探尖衰减设置，选择x10衰减，uj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.静态工作点参数匕二 9.oo r_1.72印=t?= 1.15/?ia基本满足工作条件。2. 屮心频率：乂二 10.70mhz3. 当输入电压吋，输出电压厂増益：4 = = 16.8>10 20当 v; = 0.707k響=33

25、6 x 0.707 = 237.6m r 吋， 测得：fl =10.59mhz带宽：fi = 10.81-10.59 = 0.22wz带宽基本能满足实验要求。1 1 70-9 704. 矩形系数：；c01=u人川=9.090.225. 幅频特性曲线：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)12314217220

26、8244264286306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)80.068.059.247.23

27、4.425.621.617.6实验中一共测得了 40组数据，频率范围从8.0mh7/14.0mhz。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)下图为matlab拟合曲线，其屮横轴为输入信号频率，纵轴为vipp=20mv吋测得 的输出电压峰-峰值，可以代表电路增益：500891011121314f/mhzoo3o52o20o5oo>e/ddo>分析：1. 带宽不能进一步减小的原因：ql过小，影响么的为l和,影响的冇接入系数以及晶体管参数。 实验中未取电感4uh,实际

28、取的是5.2uh，另外q值也没冇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屮的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冇较人影响，从而也会影响bw实验中耍能够达到所需带宽，可釆取的措施有：(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索，不吋避免与理论值冇出入。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。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：

29、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，如果在屮心频率fo处输出的峰峰值vopp为最大值, 那么电路工作在谐振状态。冋路的谐振频率主要由电感l和电容ca, cb的值 来决定：/o1 12 兀阮27l(c + pfc，plcl)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：从实验原理屮的分析可以得到，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：gbp = avqb = pp2lm agt qlpxpli yfe i cojik gt 690cr / gtii27rct上式说明，当晶体管选

30、定即yfc确定，且回路总电容ct为定值时，谐振电压放 大倍数avo与通频带bw的乘积为一常数。这与低频放大器中的堉益带宽积为一 常数的概念是和同的。因而，提高电压放大倍数avo时，通频带bw会减小。如 果想要不减小带宽bw 乂调高增益av，可以采用多级放大器级联的方法。但是在实验中，我们发现单纯増大増益并不能解决带宽过大的闷题，主要 原因是，首先，如果接入系数p2太大，盾级反射阻抗增加，回路q值卜*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