高频小信号调谐放大器实验报告.pdf

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1、高频小信号调谐放大器实验报告 高 频电路 期 末课程 设 计 课程名称： 高 频小 信 号 调 谐 放 大器 设 计 学 院： 专 业： 姓 名：SpadesQ 学 号： 任课教师： 2016 年 6 月 12 日 高频小信号调谐放大器实验报告 摘 要 高频小信号调谐放大器是 一种 中心频率在几百 KHZ 到几百 MHZ，频 谱宽度在几 KHZ 到几十 MHZ 的范围内的放大器 。 按照所用器件可分为晶体管，场效应管和集成电路放大器； 按照 通过频谱的宽窄可分为窄带和宽带放大器； 按照电路形式可分为单级和级联放大器； 按照 所用负载性质可分为谐振放大器和非谐振放大器。 调谐 放大器采用谐振回路

2、作负载 ， 根据谐振回路的特性， 谐振放大器对于靠近谐振频率的 信号， 有较大的增益；对于远离谐振频率的信号， 增益迅速下降。 所 以 谐振放大器不仅有 放大作用，而且也起着滤波或选频的作用。 小信号调谐放大器是 构成 无线电通信设备的主要电路 ， 其作用是对信道 中的微弱高频小信 号 进行不失真的放大 。 在无线电接收机中主要 用做高频和中频选频放大 ， 高频调谐放大器 的集电极负载 为可变频率 调谐。 对小信号调谐 放大器的主要 要求有： 有足够高的增益 、 满足选择性和 通频带要求、 稳定性 与噪声系数要好、 动态 范围要宽。 本文以理论分析为依据， 得到 10.7Mhz 中心频率，带宽

3、 3Mhz 的 高频 小信号调谐放大器， 并 用multisim 仿真进行调试， 实际制作来验证 理论分析。 关 键字 ：三极管；LC 谐振回路；高频小信号；放大器 高频小信号调谐放大器实验报告 1 目录 摘 要 II 1 高频小信号调谐放大器的原理分析 . 2 1.1 小信号调谐放大器的主要特点 . 2 1.2 小信号调谐放大器的主要 指标 . 2 1.2.1 谐振频率 . 2 1.2.2 谐振增益（Av ） . 2 1.2.3 通频带 . 3 1.2.4 增益带宽积 . 4 1.2.5 选择性 . 4 1.2.6 噪声系数 . 5 1.3 晶体管高频小信号等效电路 . 5 1.3.1 单级

4、单调谐回路谐振放大器 . 6 1.3.2 多级单调谐回路谐振放大器 . 7 1.4 自激原理 及消除方法 . 8 2 高频小信号调谐放大器的设计与制作 . 10 2.1 技术要求 10 2.2 晶体管 MMBT2222A . 10 2.3 设计过程 10 2.3.1 选定电路形式 . 10 2.3.2 设置静态工作点 . 11 2.3.3 谐振回路参数计算 . 12 2.3.4 确定电感 电容 . 12 3 高频小信号谐振放大器电路仿真实验 . 13 3.1 仿真电路图 . 13 3.2 测量并调整放大器的 静态工作点 . 13 3.3 谐振频率 与技术指标 的测量 . 14 4 高频小信号调

5、谐放大器的电路板制作 . 15 4.1 原理图转换为 PCB. 15 4.2 实物图 16 4.3 示波器测量 16 4.4 误差分析 17 4 总结与心得体会 . 18 高频小信号调谐放大器实验报告 2 高频小信 号谐振放 大器设计 1 高频小信号调谐放大器的原理分析 1.1 小信号调谐放大器 的主要特点 晶体管集电极负载通常是一个由 LC 组成的并 联谐振电路。由于 LC 并联谐振回路的 阻抗是随着频率变 化而变化， 理论上可以分析， 并联谐振在谐振频率处呈现纯阻， 并达到 最大值。 即放大器在回路谐振频率上将具有最大的电压增益。 若偏离谐振频率， 输出增益 减小。 总之， 调谐放大器不仅

6、具有对特定频率信号的放大作用， 同时也起着滤波和选频的 作用。 1.2 小信号调谐放大器的主要质量指标 衡量小信号调谐放大器的主要质量主要包括以下几个方面： 1.2.1 谐振频率 放大器调谐回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，理论上，对于 LC 组成 的并联谐振电路，谐振频率 的表达式为： 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 。 谐振频率的测试方法：放大器的调谐回路谐振时所对应的频率 称为放大器的谐振频 率， 可以用扫频仪测出电路的幅频特性曲线， 另外， 也可以通过点频法改变输入信号频率， 得到输出增益随频率变化的幅频特性曲线，电压谐振曲线的峰值即对应谐振频率

7、点 。 1.2.2 谐振增益（Av ） 放大器的谐振电压增益放大倍数指： 放大器处在在谐振频率 f0 下， 输出电压与输入电 压之比。 高频小信号调谐放大器实验报告 3 Av 的测量方法：当谐振回路处于谐振状态时，用高频毫伏表测量输入信号 Vi 和输出 信号Vo 大小，利用下式 计算： 另外，也可以利用功率增益系数进行估算： 1.2.3 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=Vo/Vi 下降到谐 振电压 放大倍数Avo 的 0.707 倍时所对应的频 率偏移称为放大器的通频带带宽 BW， 通常用 2f0.1 表示，

8、有时也称 2f0.1 为 3dB 带 宽。 通频带带宽： 式中，Q 为谐振回路的有载品质因数。 当晶体管选定后， 回路总电容为定值时， 谐振电压放大倍数 fo 与通频带BW 的乘积为 一常数。 频带BW 的测量方法：根据概念，可以通过测量放大器的谐振曲线来求通频 带。测 量方法主要采用扫频法，也可以是逐点法。 扫频法： 即用扫频仪直接测试。 测试时， 扫频 仪的输出接放大器的输入， 放大器的输 出接扫频仪检波头的输入， 检波头的输出接扫频仪的输入。 在扫频仪上观察并记录放大器 的频率特性曲线，从曲线上读取并记录放大器的通频带。 逐点法： 又叫逐点测量法， 就是测试电路在不同频率点下对应的信号大

9、小， 利用得到 的 数 据 ， 做 出 信 号 大 小 随 频 率 变 化 的 曲 线 ， 根 据 绘 出 的 谐 振 曲 线 ， 利 用 定 义 得 到 通 频 带。 具体测量方法如下： a、用外置专用信号源做扫频源，正弦输入信号的幅度选择适当的大小，并保持不变； 高频小信号调谐放大器实验报告 4 b、示波器同时监测输入、输出波形，确保电路工作正常（电路无干扰、无自激、输出 波形无失真） ； c、改变输入信号的频率，使用毫伏表测量不同频率时输出电压的有效值； d、描绘出放大器的频率特性曲线，在频率特性曲线上读取并记录放大器的通频带。测 试时，可以先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振

10、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，所以放大器的谐振曲线如图 1-1 所示。 图1-1 放大器的通频带和谐振曲线 1.2.4 增益带宽积 增益带宽积 BWG 也是通信电子电路的一个重要指标， 通常， 增益带宽积可以认为是一 个常数。 放大器的总通频带宽度随着放大级数的增加而变窄，BW 越大， 增益越小。 二者是 一对矛盾。 不同电路中， 放大器的通频带差异可能比较大。 如： 在设计电视机和收音机的中频放 大器时， 对带宽的考虑是不同的， 普通的调幅无线电广播所占带宽是 9kH

11、z， 而电视信号的 带宽需要6.5MHz，显然，要获得同样的增益，中频放大器的带宽设计是完全不同的。 1.2.5 选择性 放大器从含有各种不同频率的 信号总和中选出有用信号， 排除干扰信号的能力， 称为高频小信号调谐放大器实验报告 5 放大器的选择性。 选择性的基本指标是矩形系数。 其中， 定义矩形系数 kv 1 . 0 是电压放大倍 数下降到谐振时放大倍数 Av0 的 10所对应的频率偏移和电压放大倍数下降为 0.707 Av0 时所对应的频率偏移 2f0.1 之比，即： 同样还可以定义矩形系数 kr 01 . 0 ，即： 显然，矩形系数越接近 1，曲线就越接近矩形，滤除邻近波道干扰信号的能

12、力愈强。 1.2.6 噪声系数 NF 越接近 1 越好。 1.3 晶体 管高频小信号等效电路与分析方法 高频小信号放大器由于输入信号幅值小， 可以认为晶体管工作在线性区， 经常采用有 源线性四端网络进行分析。如图 1-2，1-3 所示，Y 参数等效电路和混合等效电路是描 述晶体管高频小信号下工作状况的重要模型。 图1-2 混合等效电路图 图 1-3 y 参数等效电路 Y 参数等效电路 与混合等效电路参数的转换，用混合参数表示的 Y 参数： 高频小信号调谐放大器实验报告 6 其中 。 1.3.1 单 级 单 调 谐 回 路 谐 振 放 大 器电 路 原 理 图 1-4 单级单调谐回路谐振放大器

13、图 1-4 是一个单级单调谐回路谐振放大器的原理图，理论上分析，谐振时电压增益： 放大器的增益可用带宽表示为： 其中高频小信号调谐放大器实验报告 7 单调谐放大器的选择性用矩形系数来表示为： 所以单调谐放大器的矩形系数比 1 大得多，选择性比较差 。 为了 简化电路板制作 ，本设计是单级单调谐 回路谐振放大器。 1.3.2 多 级 单 调 谐 回 路 谐 振 放 大 器 实际的实验和应用中， 需要把微弱的信号进行多级放大， 这要求电路有较大增益， 因 此， 高频放大器大多是 多级级联 而成， 多级放 大器的电压增益指当放大器有 m 级时， 各 级 的电压增益分别为Av1 、Av2 Avm，则总

14、增益 Av 是各级增益的乘积，即 如果多级放大器是由完全相同的单级放大器组成， 则 对 m 级放大器而言，通频带为： 式中，2 f 7 . 0 为单级放大器的通频带， 称为带宽缩减因子，其物理意义是： 随着级数增加，总通频带变窄。 m 级单调谐回路放大器的矩形系数为： 高频小信号调谐放大器实验报告 8 1.4 自激 在做高频实验时， 经常在测试电路中会出现自激的现象， 特别是在多级放大的情况中。 我们将这种没有外部输入信号， 由于电路内部 正反馈作用而自动维持输出交流信号的现象 称为自激。 它经常和进行高频电路设计相违背， 我们把这种具有自激现象的放大器称为自 激振荡器，它实际上就是一个有足够

15、反馈量的正反馈放大器。 产生自激振荡的条件和振荡电路的原理一致。即满足： （1）相 位平衡条件 放大器的反馈信号与输入信号必须同相位，即相位差是 180( 或)的偶数倍。 （2）振幅平衡条件 指放大器的反馈信号必须有一定的幅度。 在振荡建立的初期， 必须使反馈信号大于原 输入端的信号。 交 流 负 反 馈 能 够 改 善 放 大 电 路 的 许 多 性 能 ， 改 善 的 程 度 由 负 反 馈 的 深 度 决 定 。 但 是 ， 如果电路组成不合理， 反馈过深， 且电路附加相移(高频区或低频区)改变了反馈信号的极 性时， 电路中的负反馈就会变成正反馈。 反而会使放大电路产生自激振荡。 这种自

16、激振荡 是一定要消除的。克服自激的方法在这里介绍以下几种： （1）中和法 ： 在晶体管的输出和输入端之间插入一个外加的反馈电路， 使它的作用 恰好和晶体管的内反 馈互相抵消。 具体线路如图 1-5， CN 为外接电容， 高频小信号调谐放大器实验报告 9 图 1-5 外加的反馈电路克服自激 （2） 失配法： 失 配 法 一 般 采 用 共 发 一 共 基 级 联 放 大 器 实 现 ， 失 配 法 是 用 牺 牲 增 益 换 来 提 高 放 大器 的稳定性。如图 1-6 所示。 图1-6 共发共基级联放大器电路 高频小信号调谐放大器实验报告 10 2 高频小信号调谐放大器的设计与制作 2.1 技

17、术要求 使用MMBT2222A 设计一个高频小信号谐振放大器 技术指标如下： 谐振频率： o f 10.7MHz 谐振电压放大倍数： 10 2.2 晶体管 MMBT2222A 集电极的电流是 mA I CQ 5 . 1 ,此时的放大倍数 大概是 50 到 70 之间，此处的估 计值 设为60 进行静态工作点的计算， 实际情况在仿真和实际调试的时候进行微调即可； 基极和 射极的导通电压大概是 0.7V 左右， 经过查找资料， 集射极电压在放大工作的状态的时候， 大概是4.0v 左右是可以满足条件的 ， 电源供电 V V cc 12 。 2.3 设计过程 高频小信号放大器一般用于放大微弱的高频信号

18、,此类放大器应具备如下基本特性: 只允许所需的信号通过, 即应具有较高的选择性。 放大器的增益要足够大。 放大器工作状态 应稳定且产生的噪声要小。放大器应具有一定的通频带宽度。 2.3.1 选 定 电 路 形 式 依 设 计 技 术 指 标 要 求 ， 考 虑 高 频 放 大 器 应 具 有 的 基 本 特 性, 可 采 用 共 射 晶 体 管 单 调 谐 回路谐振放大器，设计参考电路见图 2-1 所示。 高频小信号调谐放大器实验报告 11 图2-1 单调谐高频小信号放大器电原理图 图中放大管选用 mmbt2222a， 该电路 静态工作点 Q 主要由 1 b R 和 1 w R 、 2 b R

19、 、Re 与 Vcc 确 定。 利用 1 b R 和 1 w R 、 2 b R 的分压固定基极偏置电位 BQ V ， 如满足条件 BQ I I 1 ： 当温度变化 CQ I BQ V BE V BQ I CQ I ，抑制了 CQ I 变化，从而获得稳定的工作点。 由此可知， 只有当 BQ I I 1 时， 才能获得 BQ V 恒定， 一般取， BQ I I ) 10 5 ( 1 。 只有当负反 馈越强时，电路稳定性越好，故要求 BE BQ V V ，一般取： BE BQ V V ) 5 3 ( 。 2.3.2 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 C

20、Q I 一般在 0.82mA 之间选取 为宜，设计电路中取 mA I c 5 . 1 ，设 K R e 1 。 因为： EQ EQ e V I R 而 EQ CQ I I 所以： 1.5 1 1.5 EQ V mA K V 因为： BQ EQ BEQ V V V (发射结电压 BEQ V 为0.7V) 所以： 1.5 0.7 2.2 BQ V V V V 因为： EQ CC CEQ V V V 所以： V V V V CEQ 8 . 9 2 . 2 12 因为： BQ BQ b I V R ) 10 5 /( 2 而 mA mA I I CQ BQ 025 . 0 60 / 5 . 1 / 高

21、频小信号调谐放大器实验报告 12 则： 2.2V/ 0.25 10K 因为： 2 1 / ) ( b BQ BQ CC b R V V V R 则： 10K 45K 考 虑 调 整 静 态 电 流 CQ I 的 方 便 ， 1 b R 用 50K 电位器与5K 电 阻串联。 2.3.3 谐 振 回 路 参 数 计 算 1 ）回路电感L 取定电感值为 4uH。 2 ）回路中的总电容 C 因为： 1 2 o f LC 则: pf L f C o 3 . 55 ) 2 ( 1 2 3 ）回路电容C 因有 2 1 () oe C C p C （ 为三极管输出电容 ，估计值 7pF） 所以 2 55.3

22、 (1 7 ) 48.3 C pF pF pF 取标称值 33pf 的固定电容为与 30Pf 可调电容并联。 2.3.4 确 定 耦 合 电 容 与 高 频 滤 波 电容 耦合电容C1、C6 的值， 可在 1000 pf0.01uf 之间选择。 旁路电容 C2 、C3、C7 的取 值一般为0.01-1F，滤波电感的取值一般为 220-470uH。 高频小信号调谐放大器实验报告 13 3 高频小信号谐振放大器电路仿真实验 3.1 仿真电路图 用Multisim 仿真软件构建 如图2-1 所示设计实验电路 ，如下所示： 图 3-1 仿真电路总图 3.2 测量并调整放大器的静态工作点 仿真条件： 晶

23、体管用库中的 理想 器件。 电感线圈用固定电感 L1=2.8uH 、L2=1.2uH，中 间抽头。 其余元件参数参见图 2-1。 调整静态工作点的方法是： 不加输入信号， 将 C1 的左 端接地， 将谐振 回路的 电容 C5 开路， 记下此 时电路的 静态工 作点 BQ V ， CEQ V ， EQ V 及 EQ I 。仿真结果表3-1： 表 3-1 静态工作点数据测量 Vc （V ） Vb （V ） Ve （V ） Vce （V ） 12.00 3.45 2.70 9.70 高频小信号调谐放大器实验报告 14 3.3 谐振频率的调测与 技术指标的测量 仿真条件：输入高频信号频率 fo=10.

24、7MHz, 幅度（峰-峰值）15mV。 使用波特仪分析谐振电路的幅频特性，谐振频率和通频带与矩形系数等 ： 图 3-2 波特测试仪 测中心频率与增益 图 3-3 波特测试仪测通频带 高频小信号调谐放大器实验报告 15 图 3-4 波特测试仪测矩形系数 1) 电压增益 由图3-2 可知，放大倍数为 43dB，满足设计要求。 2) 中心频率 由图3-2 可知，中心频率为 10.743Mhz， 非常接近设计要求。 3) 通频带 测量的方法是： 根据通频带的定义， 只需要在谐振频率的放大倍数 43dB 的基础上减去 3dB ，读出相应的频率减去 fo 再 成 2 即 2f （通频带 Bw ） 。由图

25、3-3 可知 ，B w3Mhz 。 4) 矩形系数 测量的方法是： 根据矩形系数的定义， 只需要在谐振频率的放大倍数 43dB 的基础上减 去 20dB ，读出相应的 频率 减去 fo 再成 2 即 2f 0.1 ， 最后除以 Bw （Bw 0.1 /Bw ） 。由图 计算 得，Kr 0.1 =5.6 矩形系数比较小是由于图 3-3 ，图 3-4 波特图 测量 有误差 。 4 高频小信号调谐放大器的电路板制作 4.1 原理图转换为 PCB 高频小信号调谐放大器实验报告 16 为了 简化制作，去掉了 开关和可变电阻，可变电容仍然保留，因为 中心 频率较为难调。 4.2 实物图 图中红色的为可变电

26、 容。 4.3 示波器测量 输入高频信号频率fo=10.7MHz, 幅度（峰-峰值）50mV 的正弦波。 图 4-1 示波器 测量中心 频率 高频小信号调谐放大器实验报告 17 图 4-2 示波器 测量通频 带 1 ）电压增益 A v=1 .24 1V / 0.0 50 V = 24 .8 2 90 d B ， 满足设计要求 2 ） 中心频率 由图 4-1 可知中心频率 为 10.75Mhz, 满足设计 要求。 3 ）通频带 只需要在谐振频率 时的峰峰值 X0.707 ，读出相 应的频率减去 fo 再成 2 即 2f （通频带 Bw ） 。由图 4-2 可知，Bw 5Mhz。 4.4 误差分析

27、 分析设计总结导致误差的原因如下： 1 ） 实物的实际值与理论值有一定的差距。 如电阻电容电感的理论 值与标称值存在一些差异， 并且电阻电容电感的标称值也有一定的误差。 2 ） 晶体管数据为查数 据手册所得， 而由于分 布参数的影响， 晶体管 手册中给出的分布参 数 一般都是在测试条件一定的情况下测得的。 且 分布参数还与静态工作电流及电流放大系数 有 关 。 放 大 器 的 各 项 技 术 指 标 满 足 设 计 要 求 后 的 元 器 件 参 数 值 与 设 计 计 算 值 有 一 定 的 偏 离。 高频小信号调谐放大器实验报告 18 放大倍数 差距比较大， 是由于 在实际电路板制作时 为

28、了得到较高的增益， 在不超过 Icm 的 前提下，尽可能提高了静态工作点。 3）性能指标参数的测量方法存在一定的误差。如在调谐过程中，我们通过直接观察波形 的输出值的大 小来确定电路是否调谐， 并没有使用波特仪 。这样调谐频率的测量值存在 误差的同时，放大倍数的测量值也会产生误差。 4）由于增加了 可变电容，所以很容易使得谐振频率 fo 在10.7Mhz， 没有很大误差。 5）实验仪器设备的老化等也会导致电路调试过程中出现一定的误差。 4 总 结（心 得体 会 ） 通过这一课程设计，我掌握了独立 查找资料、思考分析问题的能力和独立学习的能 力。通过 对电路设计的 仿真和实际制作，对书 本的理论

29、知识有了更深刻的了解。 完成这一课设后，我对 高频小信号放大器 也有了更深刻地理解。 高频小信号放大器 广泛用于广播,电视,通信,测量仪器等设备中.高频小信号放大器可分为两类:一类是以谐 振回路为负载的谐振放大器;另一类是以滤波器为负载的集中选频放大器.它们的主要功 能都是从接收的众多电信号中,选出有用信号并加以放大,同时对无用信号,干扰信号,噪 声信号进行抑制,以提高接收信号的质量和抗干扰能力. 电路板 实物制作的 过程中，从电路的布局 、元件的选择、电路板的制作到电路板的 调试我都尽心尽力。 尽管 电路简单，仍然遇到了 很多问题，比如第一次 制的板铜线很多 断开了 ，第二次制版有些 孔是焊完元件才打的 可能导致接触不良，所幸 调试一天后电路 仍能正常 工作。高频小信号调谐放大器实验报告 19 参 考 文献 1于洪珍.通信电子电路 第2 版. 清华 大学出版社 2杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计. 哈尔滨工程大学出版社 3张肃文.高频电子线路第三版. 高教出版社 4曾兴雯 陈健 刘乃安.高频电子线路辅导.西安电子科技大学