非線性電子電路實驗指導書

1、 非 線 性 電 子 電 路 實實 驗驗 指指 導導 書書 王寶忠 編寫適用專業(yè)：通信工程電子信息工程電子信息科學與技術 南徐學院電子信息工程電工電子實驗中心電工電子實驗中心20072007 年年 7 7 月月江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 1 -前前 言言 非線性電子電路實驗是與非線性電子電路理論課相配的獨立實驗課，也是電子信息各專業(yè)的主要專業(yè)技術基礎課，其目的是通過本實驗，使學生鞏固、深化非線性電子電路的理論知識，培養(yǎng)學生的通信電子線路實驗研究能力，提高學生分析和解決問題的能力。本實驗教學的基本要求可歸納為以下幾個方面：1、 熟練使用常用高頻電子儀器，如高頻信號發(fā)生器

2、、模擬示波器、頻率特性測試儀等。2、 根據實驗要求，能擬定實驗方案、測試方法。掌握電路調試的基本技能，能正確測量、讀取、處理實驗數據，解決實驗中出現的異常現象，并能準確分析原因。3、 根據課題要求，設計并實現基本非線性電子電路，測試其性能指標達到課題的要求。培養(yǎng)學生善于把理論和實際問題相結合的能力。4、 正確撰寫實驗報告。實驗報告的要求在指導書中給出。在本實驗箱中設置了十個實驗，它們是：高頻小信號調諧放大器實驗、二極管開關混頻器實驗、高頻諧振功率放大器實驗、正弦波振蕩器實驗、集電極調幅及大信號檢波實驗、變容二極管調頻實驗、集成模擬乘法器應用實驗、模擬鎖相環(huán)應用實驗、小功率調頻發(fā)射機設計和調頻接

3、收機設計。其中前八個實驗是為配合課程而設計的，主要幫助學生理解和加深課堂所學的內容。后兩個實驗是系統(tǒng)實驗，是讓學生了解每個復雜的無線收發(fā)系統(tǒng)都是由一個個單元電路組成的。江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 2 -目目 錄錄實驗一實驗一 高頻小信號調諧放大器高頻小信號調諧放大器 3 3實驗二實驗二 二極管開關混頻器實驗二極管開關混頻器實驗 1212實驗三實驗三 高頻諧振功率放大器高頻諧振功率放大器 1919實驗四實驗四 正弦振蕩實驗正弦振蕩實驗 3030實驗五實驗五 集電極調幅與大信號檢波集電極調幅與大信號檢波 3939實驗六實驗六 變容二極管調頻變容二極管調頻 4747實驗七實

4、驗七 集成電路模擬乘法器的應用集成電路模擬乘法器的應用 5656實驗八實驗八 模擬鎖相環(huán)應用實驗模擬鎖相環(huán)應用實驗 7272實驗九實驗九 小功率調頻發(fā)射機設計小功率調頻發(fā)射機設計 8080實驗十實驗十 調頻接收機設計調頻接收機設計 8484附錄一：高頻電子線路簡易調試說明書附錄一：高頻電子線路簡易調試說明書 8787附錄二：高頻附錄二：高頻 C4C4 電子實驗箱總體介紹電子實驗箱總體介紹 9797附錄三：實驗電路原理圖附錄三：實驗電路原理圖 9999江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 3 -實驗一實驗一 高頻小信號調諧放大器高頻小信號調諧放大器實驗學時： 2 學時實驗類型：

5、驗證實驗要求： 必修一、實驗目的一、實驗目的小信號調諧放大器是高頻電子線路中的基本單元電路，主要用于高頻小信號或微弱信號的線性放大。在本實驗中，通過對諧振回路的調試，對放大器處于諧振時各項技術指標的測試（電壓放大倍數，通頻帶，矩形系數） ，進一步掌握高頻小信號調諧放大器的工作原理。學會小信號調諧放大器的設計方法。二、實驗內容二、實驗內容1、 調節(jié)諧振回路使諧振放大器諧振在 10.7MHz。2、 測量諧振放大器的電壓增益。3、 測量諧振放大器的通頻帶。4、 判斷諧振放大器選擇性的優(yōu)劣。三、實驗原理三、實驗原理1 1、原理、原理圖 1-1 所示電路為共發(fā)射極接法的晶體管高頻小信號調諧放大器。它不僅

6、要放大高頻信號，而且還要有一定的選頻作用，因此晶體管的集電極負載為 LC 并聯諧振回路。在高頻情況下，晶體管本身的極間電容及連接導線的分布參數等會影響放大器輸出信號的頻率和相位。晶體管的靜態(tài)工作點由電阻 RB1，RB2及 RE決定，其計算方法與低頻單管放大器相同。圖 1-1 小信號調諧放大器江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 4 -放大器在高頻情況下的等效電路如圖 1-2 所示，晶體管的 4 個 y 參數 yie，yoe，yfe及 yre分別為輸入導納 （1-1ebebbbebebiejwcgrjwcgy1）輸出導納 （1-2ebebebbbebbbmoejwcjwcgrjw

7、crgy1）正向傳輸導納 （1-ebebbbmfejwcgrgy13） 反向傳輸導納 （1-4ebebbbebrejwcgrjwcy1） 圖 1-2 放大器的高頻等效回路式中，gm晶體管的跨導，與發(fā)射極電流的關系為 （1- SmAIgEm265） gbe發(fā)射結電導，與晶體管的電流放大系數 及 IE有關，其關系為 （1- SmAIrgEebeb261江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 5 -6） rbb基極體電阻，一般為幾十歐姆；Cbc集電極電容，一般為幾皮法；Cbe發(fā)射結電容，一般為幾十皮法至幾百皮法。由此可見，晶體管在高頻情況下的分布參數除了與靜態(tài)工作電流 IE，電流放大系

8、數 有關外，還與工作頻率 有關。晶體管手冊中給出的分布參數一般是在測試條件一定的情況下測得的。如在 f0=30MHz，IE=2mA，UCE=8V 條件下測得 3DG6C 的 y 參數為： mSrgieie21pFCie12mSrgoeoe2501 pFCoe4mSyfe40uSyre350如果工作條件發(fā)生變化，上述參數則有所變動。因此，高頻電路的設計計算一般采用工程估算的方法。圖 1-2 中所示的等效電路中，p1為晶體管的集電極接入系數，即 （1-7211/ NNP ）式中，N2為電感 L 線圈的總匝數。P2為輸出變壓器 T 的副邊與原邊的匝數比，即 （1-8232/ NNP ）式中，N3為副

9、邊（次級）的總匝數。gL為調諧放大器輸出負載的電導，gL=1/RL。通常小信號調諧放大器的下一級仍為晶體管調諧放大器，則 gL將是下一級晶體管的輸入導納 gie2。由圖 1-2 可見，并聯諧振回路的總電導的表達式為g （1-9GjwLjwcgpgpGjwLjwcgpgpgLoeieoe11222122221）式中，G 為 LC 回路本身的損耗電導。諧振時 L 和 C 的并聯回路呈純阻，其阻值等于1/G，并聯諧振電抗為無限大，則 jwC 與 1/（jwL）的影響可以忽略。2 2、調諧放大器的性能指標及測量方法、調諧放大器的性能指標及測量方法表征高頻小信號調諧放大器的主要性能指標有諧振頻率，諧振電

10、壓放大倍數，放ofvoA江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 6 -大器的通頻帶 BW 及選擇性（通常用矩形系數來表示）等。1 . 0rK放大器各項性能指標及測量方法如下：（1）諧振頻率放大器的調諧回路諧振時所對應的頻率稱為放大器的諧振頻率，對于圖 1-1 所示電of路（也是以下各項指標所對應電路） ，的表達式為of （1-10LCf210）式中，L 為調諧回路電感線圈的電感量；為調諧回路的總電容，的表達式為CC （1-ieoeCPCPCC222111）式中， Coe 為晶體管的輸出電容；Cie 為晶體管的輸入電容。 諧振頻率的測量方法是：of用掃頻儀作為測量儀器，用掃頻儀測出

11、電路的幅頻特性曲線，調變壓器 T 的磁芯，使電壓諧振曲線的峰值出現在規(guī)定的諧振頻率點。of（2）電壓放大倍數放大器的諧振回路諧振時，所對應的電壓放大倍數稱為調諧放大器的電壓放大倍數。voA的表達式為voA （1-GgpgpyppgyppuuAieoefefeiV222121210012） 式中，為諧振回路諧振時的總電導。因為 LC 并聯回路在諧振點時的 L 和 C 的并聯電g抗為無限大，因此可以忽略其電導。但要注意的是本身也是一個復數，所以諧振時輸出fey電壓 u0與輸入電壓 ui相位差為（180o+ fe） 。AV0的測量方法是：在諧振回路已處于諧振狀態(tài)時，用高頻電壓表測量圖 1-1 中 R

12、L兩端的電壓 u0及輸入信號 ui的大小，則電壓放大倍數 AV0由下式計算：江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 7 - 或 dB (1-13)iVUUA00ioVUUAlg200（3）通頻帶由于諧振回路的選頻作用，當工作頻率偏離諧振頻率時，放大器的電壓放大倍數下降，習慣上稱電壓放大倍數 AV下降到諧振電壓放大倍數 AV0的 0.707 倍時所對應的頻率偏移稱為放大器的通頻帶 BW，其表達式為 (1-14)LQffBW07 . 02式中，QL為諧振回路的有載品質因數。分析表明，放大器的諧振電壓放大倍數與通頻帶 BW的關系為voA (1-15)CyBWAfeV20上式說明，當晶體

13、管選定即 yfe確定，且回路總電容 C為定值時，諧振電壓放大倍數AV0與通頻帶 BW 的乘積為一常數。這與低頻放大器中的增益帶寬積為一常數的概念是相同的。通頻帶 BW 的測量方法：是通過測量放大器的諧振曲線來求通頻帶。測量方法可以是掃頻法，也可以是逐點法。逐點法的測量步驟是：先調諧放大器的諧振回路使其諧振，記下此時的諧振頻率及電壓放大倍數然后改變高頻信號發(fā)生器的頻率（保持其輸出電壓 uSofvoA不變） ，并測出對應的電壓放大倍數。由于回路失諧后電壓放大倍數下降，所以放大器的voA諧振曲線如圖 1-3 所示。由式（1-14）可得 (1-16)7 . 02 fffBWLH江蘇科技大學電子信息學院

14、 非線性電子電路實驗指導書- 8 -圖 1-3 諧振曲線 通頻帶越寬放大器的電壓放大倍數越小。要想得到一定寬度的通頻寬，同時又能提高放大器的電壓增益，由式（1-15）可知，除了選用 yfe較大的晶體管外，還應盡量減小調諧回路的總電容量 C。如果放大器只用來放大來自接收天線的某一固定頻率的微弱信號，則可減小通頻帶，盡量提高放大器的增益。（4）選擇性矩形系數調諧放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數 Kv0.1 時來表示，如圖（1-3）所示的諧振曲線，矩形系數 Kv0.1 為電壓放大倍數下降到 0.1 AV0時對應的頻率偏移與電壓放大倍數下降到 0.707 AV0時對應的頻率偏移之比，即 （1-17

15、BWfffKV1 . 07 . 01 . 02221 . 0）上式表明，矩形系數 Kv0.1 越小，諧振曲線的形狀越接近矩形，選擇性越好，反之亦然。一般單級調諧放大器的選擇性較差（矩形系數 Kv0.1 遠大于 1） ，為提高放大器的選擇性，通常采用多級單調諧回路的諧振放大器?？梢酝ㄟ^測量調諧放大器的諧振曲線來求矩形系數Kv0.1。3 3、實驗參考電路、實驗參考電路江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 9 -圖 1-4 單級調諧放大器（1）主要技術指標：諧振頻率 fo=10.7MHz，諧振電壓放大倍數 AV010-15 dB，通頻帶BW=1 MHz，矩形系數 Kr0.110。因

16、fT比工作頻率 fo大（510）倍，所以選用 3DG12C，選=50，工作電壓為 12V，查手冊得 rbb=70, CbC=3PF，當 IE=1.5mA 時 Cbe為 25PF，取L1.8H，變壓器初級 N2=23 匝，次級為 10 匝。P2=0.43, P1=0（2）確定電路為單級調諧放大器，如上圖 1-4。（3）確定電路參數。a、設置靜態(tài)工作點由于放大器是工作在小信號放大狀態(tài)，放大器工作電流 ICQ一般選取 0.82mA 為宜，現取=1.5mA，=2.25V，=9.75V。EIEQUCEQU則 則=1.5KKIUREEQE5 . 16AR取流過的電流為基極電流的 7 倍，則有：3AR 取

17、18 KKIUIUREBQBQBQA6 .17773則 KWARA40187 . 37 . 31212則取=5.1K WA1 選用 50K 的可調電阻以便調整靜態(tài)工作點。2ARb、計算諧振回路參數 由式（1-6）得 mSSmAIgEeb15.126江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 10 -由式（1-5）得 mSSmAIgEm5826由式（1-1）（1-4）得 4 個 y 參數SjSjwcgrjwcgyebebbbebebie331088.210373.11由于ieieiecjgy則有 =1.373ms ieg7281ieiegrpFwmSCie5 .2288. 2mSjmS

18、jwcjwcgrgcjwcyebebebbbmcbbboe37. 1216. 01因 則有oeoeoecjgy msgoe216. 0pFWmscoe2 .1037. 1c、計算回路總電容，由（1-10）得CpFLfC123108 . 1107 .1014. 3212162620由（1-11） 得ieoeCPCPCC2221pFCPCPCCieoe1192 .1005 .2243. 0120222221則有=119pF，取標稱值 120pF 3ACd、確定耦合電容及高頻濾波電容高頻電路中的耦合電容及濾波電容一般選取體積較小的瓷片電容，現取耦合電容=0.01F，旁路電容=0.1F，濾波電容=0.

19、1F2AC4AC5AC四、實驗組織運行要求四、實驗組織運行要求 采用集中授課形式江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 11 -五、實驗儀器五、實驗儀器1、BT-3（G）型頻率特性測試儀（選項） 一臺2、20MHz 模擬示波器 一臺3、數字萬用表 一塊4、調試工具 一套六、實驗步驟六、實驗步驟本實驗中，用到 BT-3 和頻譜儀的地方選做。參考所附電路原理圖 G6。先調靜態(tài)工作點，然后再調諧振回路。1、按照所附電路原理圖 G6，按下開關 KA1，接通 12V 電源，此時 LEDA1 點亮。2、調整晶體管的靜態(tài)工作點：在不加輸入信號（即 ui=0） ，將測試點 TTA1 接地，用萬用

20、表直流電壓檔（20V 檔）測量三極管 QA1 射極的電壓（即測 P6 與 G 兩焊點之間的電壓，見圖 02 所示） ，調整可調電阻 WA1，使 uEQ=2.25V（即使 IE=1.5mA） ，根據電路計算此時的 uBQ，uCEQ，uEQ及 IEQ值。3、調諧放大器的諧振回路使它諧振在 10.7MHz方法是用 BT-3 頻率特性測試儀的掃頻電壓輸出端和檢波探頭，分別接電路的信號輸入端 TTA1 及測試端 TTA2，通過調節(jié) y 軸，放大器的“增益”旋鈕和“輸出衰減”旋鈕于合適位置，調節(jié)中心頻率刻度盤，使熒光屏上顯示出放大器的“幅頻諧振特性曲線” ，根據頻標指示用絕緣起子慢慢旋動變壓器的磁芯，使中

21、心頻率 f0=10.7MHz 所對應的幅值最大。如果沒有頻率特性測試儀，也可用示波器來觀察調諧過程，方法是：在 TTA1 處由高頻信號源提供頻率為 10.7MHz 的載波（參考高頻信號源的使用） ，大小為 Vp-p-=20100mV 的信號，用示波器探頭在 TTA2 處測試（在示波器上看到的是正弦波） ，調節(jié)變壓器磁芯使示波器波形最大（即調好后，磁芯不論往上或往下旋轉，波形幅度都減?。?。4、測量電壓增益 0vA在有 BT-3 頻率特性測試儀的情況下用頻率特性測試儀測測量方法如下：0vA在測量前，先要對測試儀的 y 軸放大器進行校正，即零分貝校正，調節(jié)“輸出衰減”和“y 軸增益“旋鈕，使屏幕上

22、顯示的方框占有一定的高度，記下此時的高度和此時“輸出衰減”的讀數 N1dB，然后接入被測放大器，在保持 y 軸增益不變的前提下，改變掃頻信號的“輸出衰減”旋鈕，使諧振曲線清晰可見。記下此時的“輸出衰減”的值 N2dB，則電壓增益為dB12NNAVO若用示波器測，則為輸出信號的大小比輸入信號的大小之比。如果 AV01較小，可以通過調靜態(tài)工作點來解決（即增大） 。EI在無 BT-3 頻率特性測試儀的情況下，可以由示波器直接測量。方法如下：用示波器測輸入信號的峰峰值，記為 Ui。測輸出信號的峰峰值記為 Uo。則小信號放大的電壓放大倍數為 Uo/Ui。5、測量通頻帶 BW江蘇科技大學電子信息學院 非線

23、性電子電路實驗指導書- 12 -用掃頻儀測量 BW：先調節(jié)“頻率偏移” （掃 頻寬度）旋鈕，使相鄰兩個頻標在橫軸上占有適當的格數，然后接入被測放大器，調節(jié)“輸出衰減”和 y 軸增益，使諧振特性曲線在縱軸占有一定高度，測出其曲線下降 3dB 處兩對稱點在橫軸上占有的寬度，根據內頻標就可以近似算出放大器的通頻帶寬度KHZBBW1007 . 06、測量放大器的選擇性放大器選擇性的優(yōu)劣可用放大器諧振曲線的矩形系數 Kr0.1表示用 5）中同樣的方法測出 B0.1即可得： 7 . 01 . 07 . 01 . 01 . 022ffBBKr由于處于高頻區(qū)，分布參數的影響存在，放大器的各項技術指標滿足設計要

24、求后的元件參數值與設計計算值有一定的偏差，所以在調試時要反復仔細調整才能使諧振回路處于諧振狀態(tài)。在測試要保證接地良好。七、思考題七、思考題1引起小信號諧振放大器不穩(wěn)的原因是什么？2如果實驗中出現自激現象，應該怎樣消除？八、實驗報告八、實驗報告整理好實驗數據，用方格紙畫出幅特性曲線并回答思考題。江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 13 -實驗二實驗二 二極管開關混頻器實驗二極管開關混頻器實驗實驗學時： 2 學時實驗類型： 驗證實驗要求： 必修一、實驗目的一、實驗目的進一步掌握變頻原理及開關混頻原理。掌握環(huán)形開關混頻器組合頻率的測試方法。了解環(huán)形開關混頻器的優(yōu)點。二、實驗內容二、

25、實驗內容1、 觀察環(huán)形混頻器輸出和陶瓷濾波器輸出各點的波形。2、 測量輸出回路。3、 觀察混頻器的鏡像干擾。三、實驗原理三、實驗原理1 1、環(huán)形開關混頻器的工作原理、環(huán)形開關混頻器的工作原理變頻器的原理方框圖如圖 21 所示。圖 21 變頻原理方框圖圖中 i 為信號電壓，L 為本地振蕩電壓。當這兩個不同頻率的正弦電壓，同時作用到一個非線性元件上時，就會在它的輸出電流中，產生許多組合頻率分量，選用適當的濾波器取出所需的頻率分量 o ，此時就完成了頻率變換，這就是變頻原理。根據所選用的非線性器件不同，可以組成不同的混頻器。如二極管混頻器、晶體管混頻器、場效應管混頻器和差分對管混頻器等。這些混頻器各

26、有其優(yōu)缺點。隨著生產和科學技術的發(fā)展，人們逐漸認識到由二極管組成的平衡混頻器和環(huán)形混頻器較之晶體管混頻器具有：動態(tài)范圍大、噪聲??；本地振蕩無輻射、組合頻率少等優(yōu)點，因而目前被廣泛采用。如果把本振電壓取得較大（約 0.61 伏） ，使二極管工作在導通、截止的開關狀態(tài)，則這種由二極管組成的混頻器性能會更好。二極管的開關作用可用以下單位開關函數式來描述：VVVVtS6.006.01)(00則二極管的電流可表示成：江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 14 -DDtsgig D 為二極管的導通電導，D 為加在二極管上的電壓。下面就以圖 22 所示的環(huán)形混頻器為例，分析它工作在開關狀態(tài)的

27、原理。圖 2-2 環(huán)形混頻原理圖把本圖與典型的環(huán)形混頻器電路相比，本振輸出與中頻輸出的位置互換了；D1 D4 是經挑選具有相同參數的二極管,則認為它們都有相同跨導 g D ；兩個高頻變壓器線圈匝數均為 12，所以次級電壓為初級電壓的兩倍。由于本振電壓起著開關作用，在本振電壓的正半周，D2、D3導通；負半周，D1、D4 導通，其等效電路如圖 23 所示。 （a）正半周 （b）負半周圖 2-3 工作原理圖在本振電壓正半周的輸出電流為： Dsgtsiii0322負半周的輸出電流為：江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 15 - DSgtsiii*0142 所以，總的輸出電流為： （2

28、-tstsgtstsgiiiDoD*22 1）式中的 S*（t）也是受本振電壓控制的單位開關函數，只是 S*（t）的時間比 S（t）落后 T0/2（相位落后 ） 。它們的變化周期就是本振電壓 L的周期，如圖 24 所示。圖 2-4 與的關系)(tS)(*tS設 s = Vsmsinst L = VLmsinLt (2-2) 則和 可用付里葉級數展開為：)(tS)(*tS (2-3)ttttsLLL5sin523sin32sin221江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 16 - （2-tttttttsLLLLLL5sin523sin32sin2212155sin5233sin3

29、2sin221*4）由（2-3） 、 （2-4）式可得： （2-1*tsts5） （2-為奇整數ntnttttstsLnLLLsin45sin543sin34sin41*6）將（2-5） 、 （2-6）式代入（2-1）式得： (2-7)tVgttVgttVgttVgntVgtntVgioomDSLSLsmDSLSLsmDSLSLsmDoomDLnssmDsin2coscos543cos3cos34coscos4sin2sin4sin21為奇整數從（2-7）式可以看出：環(huán)形開關混頻器工作在開關狀態(tài)時，輸出電流中的組合頻率只有本振電壓的奇次諧波與信號電壓頻率的基波的組合，用一通式表示組合頻率為其中

30、 p=0、1、2、。LP12即使環(huán)形混頻器不工作在開關狀態(tài)時，它的輸出電流也只含有本振電壓的奇次諧波與信號電壓的奇次諧波的組合，也可用通式來表示，其中 p=1、2、3、。較之其他的混頻器，組合頻sLqP1212率干擾少是其突出的優(yōu)點之一。從（2-7）式，我們還可以找出中頻電流分量為： (2-8)tgVtVgiiDimsLsmDisin2cos4式中第二項是負載電壓反作用所引起的中頻電流。同理，我們還可以從圖 23 中分析知道，總的輸入信號電流為：江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 17 - tstsggiiiiDDsrrr*022 從而可以得出信號電流成分為： (2-9)tV

31、gtgVioLimDsDsmScos4sin2把（2-8） 、 （2-9）兩式中的電流電壓寫成復數形式，得： 0002442vgvgivgvgiDsDDsDs與它對應的等效電路如圖（25）所示：圖 2-5 等效電路圖圖中： Dgg221Dgg42網絡特性阻抗 412221210Dggggg根據等效電路，不難求得此混頻器的增益：LsmomVggggVVK2120當環(huán)形混頻器的負載開路時，即 RL，gL0 這時64.0212gggKVC由此可見,環(huán)形混頻器沒有變頻增益，只有衰減，最大的 KVC0.64，這也是它的缺點。在全匹配條件下，即 gL=gc，gs=gc，功率增益最大為：江蘇科技大學電子信息

32、學院 非線性電子電路實驗指導書- 18 -1 . 0)32. 0(222122CVCPCggggKKdBdBKPC10)(2 2、實驗電路原理圖、實驗電路原理圖如附圖 G7，圖中 MIX41 為集成環(huán)形開關混頻器，型號為 HSPL1。其內部電原理如圖2-6。圖 2-6 集成環(huán)形開關混頻器內部電路原理圖封裝外引腳功能如下：其中，1 腳為射頻信號輸入端，8 腳為本振信號輸入端，3 腳、4 腳為中頻信號輸出端，2、5、6、7 接地。本混頻器的本振輸入信號在+3dBm +13 dBm 之間，用高頻信號源輸入本振信號，頻率選為 10.7MHz，而射頻信號是由正弦振蕩部分產生的 10.245 MHz 的信

33、號。輸出取差頻10.7-10.245=455KHz 信號，經過 455KHz 的陶瓷濾波器 FL41 進行濾波，選取中頻信號，因信號較弱，經 Q41 進行放大。此放大電路的靜態(tài)工作電流為 ICQ=7mA(VE=3.36V)。選 R414=RE=470,取 RC=R412=560。R411=3.6K。R410=5.1K。W41=5.1K。其中R41，R42，R43；R45，R44，R46；R48，R47，R49組成隔離電路。因為頻率較高，信號較強，且信號引入較長，存在一定感應，在輸出可能存在一定強度的本振信號和射頻信號。四、實驗組織運行要求四、實驗組織運行要求采用集中授課形式1 3 5 7 2

34、4 6 8江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 19 -五、實驗儀器五、實驗儀器1、頻譜分析儀（選項） 一臺2、20MHz 雙蹤模擬示波器 一臺3、萬用表 一塊4、調試工具 一套六、實驗步驟六、實驗步驟因混頻器是一非線性器件，輸出的組合頻率較多，為了能更好地觀察輸出信號，建議使用頻譜分析儀來對混頻器輸出端的信號進行測試。1、 熟悉頻譜分析儀的使用。2、 調整靜態(tài)工作點：按下開關 K41，調節(jié)電位器 W41 使三極管 Q41 的 UEQ=3.36V（即測 P1 與 G 兩焊點之間的電壓，見圖 02 所示） 。3、 參照附圖 G7，接通射頻信號（從 IN42 輸入） ，射頻信號選用

35、 10.245MHz，此信號由正弦振蕩部分產生（產生的具體方法是：參見正弦振蕩部分的原理圖 G5，連接 J54、J53；其余插鍵斷開，也就是說，由 10.245MHz 晶體產生該信號，信號從 TT51 輸出） 。 4、 輸入本振信號：從 IN41 注入本振信號, 本振信號由信號源部分提供，頻率為10.7MHz 的載波信號（產生的方法參考高頻信號源的使用） ，大小為：用示波器觀測，Vp-p不小于 300mV。5、 驗證環(huán)形開關混頻器輸出組合頻率的一般通式（選做） 。用頻譜儀在 TT41 處觀察混頻器的輸出信號，驗證環(huán)形開關混頻器輸出組合頻率的一般通式為 （p=0、1、2）sffP112同時用示波

36、器在 TT41 處觀察波形。6、測量輸出回路：用頻譜儀在 TT43 處（測量點參看總體測量分布圖 0-1）觀察步驟 5所測到的頻率分量，計算選頻回路對除中頻 455KHz 之外的信號的抑制程度，同時用示波器在 TT42 處觀察輸出波形，比較 TT41 與 TT42 處波形形狀。 （輸出的中頻信號為信號源即IN41 處信號和射頻信號 IN42 處信號的差值，結果可能不是準確的 455KHz，而在其附近） 。7、觀察混頻器的鏡像干擾IN41 處信號不變。由正弦振蕩單元的 LC 振蕩部分產生 11.155MHz 的信號（產生的具體方法參見正弦振蕩部分實驗內容） ，作為 IN42 處的輸入信號。觀察

37、TT42 處的信號是否也為455KHz。此即為鏡像干擾現象。七、思考題七、思考題1、說明鏡像干擾引起的后果，如何減小鏡像干擾？江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 20 -八、實驗報告內容八、實驗報告內容1、整理本實驗步驟 5、6 中所測得的各頻率分量的大小，并計算選頻電路對中頻以外的分量的抑制度。2、繪制步驟 5、6 中分別從 TT41、TT42 處用示波器測出的波形。江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 21 -實驗三實驗三 高頻諧振功率放大器高頻諧振功率放大器實驗學時： 2 學時實驗類型： 驗證實驗要求： 必修一、實驗目的一、實驗目的1、 進一步理解諧振功

38、率放大器的工作原理及負載阻抗和激勵信號電壓變化對其工作狀態(tài)的影響。2、 掌握諧振功率放大器的調諧特性和負載特性。二、實驗內容二、實驗內容1、 調試諧振功放電路特性，觀察各點輸出波形。2、 改變輸入信號大小，觀察諧振功率放大器的放大特性。3、 改變負載電阻值，觀察諧振功率放大器的負載特性。三、實驗原理三、實驗原理1 1、電路的基本原理、電路的基本原理利用選頻網絡作為負載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器，這是無線電發(fā)射機中的重要組成部分。根據放大器電流導通角 的范圍可分為甲類、乙類、丙類及丁類等不同類型的功率放大器。電流導通角 愈小，放大器的效率 愈高。如甲類功放的 =180，效率 最高也只能達

39、到 50%，而丙類功放的 90，效率 可達到 80%，甲類功率放大器適合作為中間級或輸出功率較小的末級功率放大器。丙類功率放大器通常作為末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。圖 3-1 高頻功率放大器圖 3-1 為由兩級功率放大器組成的高頻功率放大器電路，其中晶體管 Q1組成甲類功率放大器，晶體管 Q2組成丙類諧振功率放大器，這兩種功率放大器的應用十分廣泛，下面介紹它們的工作原理及基本關系式。1 1、甲類功率放大器、甲類功率放大器江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 22 - (1）靜態(tài)工作點 如圖 3-1 所示，晶體管 Q1組成甲類功率放大器，工作在線性放大狀態(tài)。其中 R

40、B1、RB2為基極偏置電阻；RE1為直流負反饋電阻，以穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點。RF1為交流負反饋電阻，可以提高放大器的輸入阻抗，穩(wěn)定增益。電路的靜態(tài)工作點由下列關系式確定： 111ECQEFEQEQRIRRIU（3-1） 式中，RF1一般為幾歐至幾十歐。 BQCQII（3-2） （3-3VUUEQBQ7 . 0） （3-4)(11EFCQCCCBQRRIUU） (2）負載特性 如圖 3-1 所示，甲類功率放大器的輸出負載由丙類功放的輸入阻抗決定,兩級間通過變壓器進行耦合，因此甲類功放的交流輸出功率 P0可表示為： （3-BHPP05） 式中，PH為輸出負載上的實際功率，B為變壓器的傳輸效率，一般

41、為B=0.750.85。 江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 23 -圖 3-2 甲類功放的負載特性 圖 3-2 為甲類功放的負載特性。為獲得最大不失真輸出功率，靜態(tài)工作點 Q 應選在交流負載線 AB 的中點，此時集電極的負載電阻 RH稱為最佳負載電阻。集電極的輸出功率 PC的表達式為： (3-6)HCmCmCmCRuIuP22121式中，ucm為集電極輸出的交流電壓振幅，Icm為交流電流的振幅，它們的表達式分別為 ucm = ucc - ICQRE1 - uCES （3-7）式中，uCES稱為飽和壓降，約 1V IcmICQ （3-8）如果變壓器的初級線圈匝數為 N1，次級

42、線圈匝數為 N2，則 (3-9)21HHBRRNN式中，RH為變壓器次級接入的負載電阻，即下級丙類功放的輸入阻抗。（3）功率增益與電壓放大器不同的是功率放大器應有一定的功率增益，對于圖 3.1 所示電路，甲類功率放大器不僅要為下一級功放提供一定的激勵功率，而且還要將前級輸入的信號，進行功率放大，功率增益 Ap的表達式為 （3-ioPPPA 10）其中，Pi為放大器的輸入功率，它與放大器的輸入電壓 uim及輸入電阻 Ri的關系為 (3-11)iiimPRu2 式中，Ri 又可以表示為 (3-12)11FfeieiRhhR式中，hie為共發(fā)接法晶體管的輸入電阻，高頻工作時，可認為它近似等于晶體管的

43、基極體電阻 rbb 。hfe為晶體管共發(fā)接法電流放大系數，在高頻情況下它是復數，為方便起見可取晶體管直流放大系數 。2 2、丙類功率放大器、丙類功率放大器 （1）基本關系式如圖 3-1 所示，丙類功率放大器的基極偏置電壓 uBE是利用發(fā)射極電流的直流分量IEO（ICO）在射極電阻 RE2上產生的壓降來提供的，故稱為自給偏壓電路。當放大器的輸入信號為正弦波時，則集電極的輸出電流 ic為余弦脈沖波。利用諧振回路 L2C3的選頻作用/iu江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 24 -可輸出基波諧振電壓 uc1,電流 ic1。圖 3-3 畫出了丙類功率放大器的基極與集電極間的電流、電壓

44、波形關系。分析可得下列基本關系式： (3-13)oclmclmRIu 式中, 為集電極輸出的諧振電壓即基波電壓的振幅；clmu為集電極基波電流振幅；Ro 為集電極回路的諧振阻抗。mcI1 (3-14)02102111212121RuRIIuPmCmCmCmCC圖 3-3 丙類功放的基極、集電極電流和電壓波形江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 25 -a1式中，PC 為集電極輸出功率 (3-15)coccDIuP 式中，PD 為電源供給的直流功率；ccu ICO 為集電極電流脈沖 ic 的直流分量。電流脈沖 ic經傅立葉級數分解，可得峰值 Icm與分解系數的關系式)(na (3

45、-16) )()(001aIIaIIcmccmcm分解系數與 的關系 na如圖 3-4 所示。 放大器集電極的耗散功率 PC為PC=PD - PC （3-17） 放大器的效率 為 (3-18) 01011011212121aaaaUUIIUUPPCCmccmcCCmcDD式中：稱為電壓利用系數。ccmcUU/1江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 26 -圖 3-5 輸入電壓與集電極電流波形beuci 圖 3-5 為功放管特性曲線折線化后的輸入電壓 ube與集電極電流脈沖 ic的波形關系。由圖可得： （3-19bmBjuuu cos）式中：uj為晶體管導通電壓（硅管約為 0.6

46、V，鍺管約為 0.3V） ubm為輸入電壓（或激勵電壓）的振幅。 uB為基極直流偏壓。 （3-202ECOBRIU）當輸入電壓 ube大于導通電壓 uj時，晶體管導通，工作在放大狀態(tài)，則基極電流脈沖Ibm與集電極電流脈沖 Icm成線性關系，即滿足 （3-21bmbmfecmIIhI）因此基極電流脈沖的基波幅度 Ib1m及直流分量 Ibo也可以表示為 （3-22)()(0011aIIaIIbmbbmmb）基極基波輸入功率 Pi為江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 27 -圖 3-6 變壓器耦合電路 (3-23)mbmbiIuP1121放大器的功率增益 Ap 為 (3-24)dB

47、PPAPPAipip00lg10或丙類功率放大器的輸出回路采用了變壓器耦合方式，其等效電路如圖 3-6所示，集電極諧振回路為部分接入，諧振頻率為 (3-25)LCfLCw21100或諧振阻抗與變壓器線圈匝數比為 (3-26)LLLmcLQRLwNNRRuRPNN032010132式中，N1 為集電極接入初級匝數。 N2 為初級線圈總匝數。 N3 為次級線圈總匝數。QL為初級回路有載品質因數，一般取 210。兩類功率放大器的輸入回路亦采用變壓器耦合方式，以使輸入阻抗與前級輸出阻抗匹配。分析表明，這種耦合方式的輸入阻抗為iZ江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 28 - (3-27

48、) )()cos1 (1arZbbi式中，為晶體管基極體電阻25。bbrbbr(2）負載特性當功率放大器的電源電壓+ucc，基極偏壓 ub，輸入電壓 C 或稱激勵電壓 usm確定后，如果電流導通角選定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效負載電阻 Rq。諧振功率放大器的交流負載特性如圖 3-7 所示，由圖可見，當交流負載線正好穿過靜態(tài)特性曲線的轉折點 A 時，管子的集電極電壓正好等于管子的飽和壓降 uCES，集電極電流脈沖接近最大值Icm。圖 3-7 諧振功放的負載特性此時，集電極輸出的功率 Pc和效率 都較高，此時放大器處于臨界工作狀態(tài)。Rq所對應的值稱為最佳負載電阻值，用 R0表示，

49、即 (3-28)0202)(PuuRCESCC當 Rq R0時，放大器處于過壓狀態(tài)，如 B 點所示，集電極電壓雖然較大，但集電極電流波形有凹陷，因此輸出功率較低，但效率較高。為了兼顧輸出功率和效率的要求，諧振功率放大器通常選擇在臨界工作狀態(tài)。判斷放大器是否為臨界工作狀態(tài)的條件是： （CEScmccUUU3-29）式中，ucm集電極輸出電壓幅度。uCES晶體管飽和壓降。3 3、主要技術指標及測試方法、主要技術指標及測試方法(1)輸出功率高頻功率放大器的輸出功率是指放大器的負載 RL上得到的最大不失真功率。對于圖 3-1江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 29 -所示的電路中，由

50、于負載 RL與丙類功率放大器的諧振回路之間采用變壓器耦合方式，實現了阻抗匹配，則集電極回路的諧振阻抗 RO上的功率等于負載 RL上的功率，所以將集電極的輸出功率視為高頻放大器的輸出功率，即02102111212121RuRIIuPmCmCmCmCC測量功率放大器的主要技術指標的連接電路如圖 3-8 所示，其中高頻信號發(fā)生器提供激勵信號電壓與諧振頻率，示波器監(jiān)測波形失真，直流毫安表 mA 測量集電極的直流電流，高頻電壓表 V 測量負載 RL的端電壓。只有在集電極回路處于諧振狀態(tài)時才能進行各項技術指標的測量?？梢酝ㄟ^高頻電壓表 V 及直流毫安表 mA 的指針來判斷集電極回路是否諧振，即電壓表 V

51、的指示為最大，毫安表 mA 的指示為最小時集電極回路處于諧振。當然用掃頻儀測量回路的幅頻特性曲線，使中心頻率處的幅值最大也可以。圖 3-8 高頻功放的測試電路放大的輸出功率可以由下式計算： (3-30) LLRuP20式中，uL為高頻電壓表 V 的測量值。(2)效率高頻功率放大器的總效率由晶體管集電極的效率和輸出網絡的傳輸效率決定。而輸出網絡的傳輸效率通常是由電感、電容在高頻工作時產生一定損耗而引起的。放大器的能量轉換效率主要由集電極的效率所決定。所以常將集電極的效率視為高頻功率放大器的效率，用 表示，即 (3-31) DCPP利用圖 3-8 所示電路，可以通過測量來計算功率放大器的效率，集電

52、極回路諧振時， 的值由下式計算：江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 30 - (3-32)CCCLLDCuIRuPP02/式中，uL為高頻電壓表的測量值；ICO為直流毫安表的測量值。(3)功率增益放大器的輸出功率 Po與輸入功率 Pi之比稱為功率增益，用 Ap（單位：dB）表示，見式（3-10）。4 4、電路的確定、電路的確定(1)本實驗由兩級組成：激勵級由甲類功放組成，功放級由丙類功放組成，電源供電為12V，功放管使用 3DG12C。本實驗主要技術指標：輸出功率 P0 125mw，工作中心頻率 f0 = 10.7MHz，負載RL=50。(2)確定電路和參數激勵級 QE1 采

53、用甲類放大，因此基極偏壓采用固定偏壓形式，靜態(tài)工作點 ICQ=7mA。直流負反饋電阻為 300，交直流負反饋電阻為 10，集電極輸出由變壓器耦合輸出到下一級。諧振電容取 120P，根據前面的理論推導，變壓器 TE1 的參數為N初級N次級=2.56， 初級取 18 匝，次級取 7 匝。功放級 QE2 采用丙類放大。導通角為 70，基極偏壓采用發(fā)射極電流的直流分量 IEO在發(fā)射極偏置電阻 Re 上產生所需要的 VBB，其中直流反饋電阻為 30，交直流反饋電阻為10，集電極諧振回路電容為 120P，負載為 50，輸出由變壓器耦合輸出，采用中間抽頭，以利于阻抗匹配。它們的匝數分別為N3=6 匝 N1=

54、9 匝 N2=23 匝最終電路如附圖 G1 所示。四、實驗組織運行要求四、實驗組織運行要求采用集中授課方式五、實驗儀器五、實驗儀器1、BT-3 頻率特性測試儀（選項） 一臺2、高頻電壓表（選項） 一臺3、20MHz 雙蹤模擬示波器 一臺4、萬用表 一塊5、調試工具 一套江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 31 -六、實驗步驟六、實驗步驟參看附圖 G11、按下開關 KE1，調節(jié) WE1，使 QE1 的發(fā)射極電壓 VE=2.2V （即使 ICQ=7mA，通過測量P5 與 G 兩焊點之間的電壓，見圖 02 所示） 。2、連接 JE2、JE3、JE4、JE5。3、使用 BT3 型頻率

55、特性測試儀，調整 TE1、TE2，使得 TE1 初級與 CE7，TE2 初級與CE4 諧振均在 10.7MHz，同時測試整個功放單元的幅頻特性曲線，使峰值在 10.7MHz 處（如果沒有 BT-3 型頻率特性測試儀，則這一步不作要求） 。4、從 INE1 處輸入 10.7MHz 的載波信號（此信號由高頻信號源提供，參考高頻信號源的使用） ，信號大小為 VP-P=250mV 左右。用示波器探頭在 TTE1 處觀察輸出波形，調節(jié)TE1、TE2，使輸出波形不失真且最大。5、從 INE1 處輸入 10.7MHz 載波信號，信號大小從 VP-P=0mV 開始增加,用示波器探頭在TTE2 上觀察電流波形，

56、直至觀察到有下凹的電流波形為止（此時如果下凹的電流波形左右不對稱，則微調 TE1 即可） 。如果再繼續(xù)增加輸入信號的大小，則可以觀測到下凹的電流波形的下凹深度增加。 （20Mhz 示波器探頭，如果用1 檔看下凹不明顯，則用10 檔看。 ）6、觀察放大器的三種工作狀態(tài)輸入信號為 Vp-p=250mV 左右 （由高頻信號源提供的載波） 。調中周10.7MHzTE1、TE2（此時負載應為，JE3、JE4、JE5 均連上） ，使電路諧振在上（此時5110.7MHz從 TTE1 處用示波器觀察，波形應不失真，且最大） 。微調輸入信號大小，在 TTE2 處觀察，使放大器處于臨界工作狀態(tài)。改變負載（組合 J

57、E3、JE4、JE5 的連接）使負載電阻依次變?yōu)?。用示波器?TTE2 處能觀察到不同負載時的電流5175168240560 波形（由臨界至過壓） 。在改變負載時，應保證輸入信號大小不變（即在最小負載時處51于臨界狀態(tài)） 。同時在不同負載下，電路應處于最佳諧振（即在 TTE1 處觀察到的波形應最大且不失真。20Mhz 示波器探頭，如果用1 檔看下凹不明顯，則用10 檔看。 ）7、改變激勵電壓的幅度，觀察對放大器工作狀態(tài)的影響。使 RL =50（連 JE5、JE4、JE3） ，用示波器觀察 QE2 發(fā)射極上的電流波形（測試點為TTE2） ，改變輸入信號大小，觀察放大器三種狀態(tài)的電流波形。七、思考

58、題七、思考題1、計算當 RL=51 和 560 時，放大器的輸出功率和效率。八、實驗報告八、實驗報告1、畫出放大器三種工作狀態(tài)的電流波形。2、繪出負載特性曲線。江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 32 -實驗四實驗四 正弦振蕩實驗正弦振蕩實驗實驗學時： 2 學時實驗類型： 驗證實驗要求： 必修一、實驗目的一、實驗目的1、掌握晶體管（振蕩管）工作狀態(tài)、反饋大小對振蕩幅度與波形的影響。2、掌握改進型電容三點式正弦波振蕩器的工作原理及振蕩性能的測量方法。3、研究外界條件變化對振蕩頻率穩(wěn)定度的影響。4、比較 LC 振蕩器和晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度，加深對晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度高的原因理解。

59、二、實驗內容二、實驗內容1、 調試 LC 振蕩電路特性，觀察各點波形并測量其頻率。2、 觀察振蕩狀態(tài)與晶體管工作狀態(tài)的關系。3、 觀察反饋系數對振蕩器性能的影響。4、 比較 LC 振蕩器和晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度。5、 觀察溫度變化對振蕩頻率的影響。三、實驗原理三、實驗原理正弦波振蕩器是指振蕩波形接近理想正弦波的振蕩器，這是應用非常廣泛的一類電路，產生正弦信號的振蕩電路形式很多，但歸納起來，不外是 RC、LC 和晶體振蕩器三種形式。在本實驗中，我們研究的主要是 LC 三端式振蕩器及晶體振蕩器。LC 三端式振蕩器的基本電路如圖（4-1）所示：根據相位平衡條件，圖中構成振蕩電路的三個電抗中間，X1、X

60、2必須為同性質的電抗，X3必須為異性質的電抗，且它們之間應滿足下列關系式：X3 = （X1+X2） （4-1） 這就是 LC 三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準則。若 X1和 X2均為容抗，X3為感抗，則為電容三端式振蕩電路；若 X1和 X2均為感抗，X3為容抗，則為電感三端式振蕩器。下面以電容三端式振蕩器為例分析其原理。圖 4-1 三端式振蕩器的交流 等效電路江蘇科技大學電子信息學院 非線性電子電路實驗指導書- 33 -1 1、電容三端式振蕩器、電容三端式振蕩器共基電容三端式振蕩器的基本電路如圖 4-2 所示。圖中 C3 為耦合電容。由圖可見：與發(fā)射極連接的兩個電抗元件為同性質的容抗元件 C1