高頻 小信號(hào)諧振放大器

1、高頻電路實(shí)驗(yàn)（一） 121180166 趙琛高頻小信號(hào)諧振放大器實(shí)驗(yàn)121180166 趙琛一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的工作原理和基本電路結(jié)構(gòu)。2 掌握高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的調(diào)試方法。3 掌握高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)（電壓放大倍數(shù)，通頻帶，矩形系數(shù)，1dB壓縮點(diǎn)）的測試方法。二、實(shí)驗(yàn)使用儀器1小信號(hào)調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)板2200MH泰克雙蹤示波器3. FLUKE萬用表4. 模擬掃頻儀（安泰信）5. 高頻信號(hào)源6. 高頻毫伏表三、實(shí)驗(yàn)基本原理與電路1、 小信號(hào)調(diào)諧放大器的基本原理小信號(hào)調(diào)諧放大器是構(gòu)成無線電通信設(shè)備的主要電路， 其作用是有選擇地對某一頻率范圍的高頻小信號(hào)信號(hào)進(jìn)行

2、放大 。 所謂“小信號(hào)”，指輸入信號(hào)電壓一般在微伏毫伏數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)，對于這種幅度范圍的輸入信號(hào)，放大器一半工作在線性范圍內(nèi)。所謂“調(diào)諧”，主要是指放大器的集電極負(fù)載為調(diào)諧回路（如LC調(diào)諧回路）。此時(shí)放大器對諧振頻率及附近頻率的信號(hào)具有最大的增益，而對其它遠(yuǎn)離頻率的輸入信號(hào)，增益很小，如圖1-1所示。2、小信號(hào)調(diào)諧放大器技主要技術(shù)指標(biāo)1. 增益：表示高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器對輸入信號(hào)的放大能力 電壓增益的定義： (1_1）其中輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的有效值分別為，。 圖1.1 高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的頻率選擇特性曲線 功率增益的定義： (1_2）其中輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的功率分別為，。在高頻和射頻電路中功率

3、的單位常用dBm表示：dBm和mW之間的換算關(guān)系：，10=10mW (1_3）2. 通頻帶和選擇性：通常將小信號(hào)放大器的電壓增益下降到最大值的0.707倍時(shí)所對應(yīng)的輸入信號(hào)頻率范圍定義為放大器的通頻帶，用B0.7表示。為衡量放大器的頻率選擇性，通常引入?yún)?shù)矩形系數(shù)K0.1，它定義為： (1_4）式中，B0.1為電壓增益下降到最大值的0.1倍處的輸入信號(hào)帶寬，如圖1.1所示。理想的電路頻率選擇性如圖1.1的虛線所示。矩形系數(shù)越小，放大器的選擇性越好，抑制鄰近無用信號(hào)的能力就越強(qiáng)。3 穩(wěn)定性：高頻小信號(hào)諧振放大器能夠穩(wěn)定工作是首要條件。由于高頻放大器的工作頻率較高，根據(jù)晶體管的Y參數(shù)模型，當(dāng)工作頻

4、率較高時(shí)，晶體管本身存在內(nèi)反饋參數(shù)，同樣當(dāng)工作頻率較高時(shí)，需要考慮外電路元器件的引線電感和PCB布線時(shí)的板間分布電容，平行信號(hào)線之間的寄生電容等，此時(shí)這些參數(shù)會(huì)構(gòu)成分布參數(shù)電路，此外如果電源的去耦電路設(shè)計(jì)不好，各級(jí)電源之間還會(huì)有相互串?dāng)_，都很有可能構(gòu)成外部的寄生反饋回路，當(dāng)滿足正反饋的相位條件時(shí)，就構(gòu)成了正反饋，很容易引起高頻放大器的自激。即使沒有引起放大器的自激，由于晶體管內(nèi)反饋參數(shù)和外部分布參數(shù)的不穩(wěn)定，當(dāng)環(huán)境溫度變化，電源電壓的波動(dòng)，直流工作點(diǎn)的漂移，外部的電磁干擾，都有可能使放大器出現(xiàn)明顯的增益變化、中心頻率偏移和頻率特性曲線畸變，甚至發(fā)生部分的自激振蕩。因此，必須采取多種措施來保證放

5、大器的穩(wěn)定，1. 合理地設(shè)計(jì)外部電路的元器件布局和信號(hào)線走向、適當(dāng)?shù)慕档兔考?jí)放大器的增益。2. 降低每級(jí)放大器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的耦合系數(shù)，減少下一級(jí)放大器輸入電阻對本級(jí)的影響。3.在每級(jí)放大器的輸入端串聯(lián)一個(gè)阻值在幾百歐范圍內(nèi)的電阻，對放大器的輸入信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)衰減和限流。4.在某些情況下可以對末級(jí)放大器進(jìn)行負(fù)載失配，盡可能降低內(nèi)反饋參數(shù)的影響。5.在放大器的輸入端進(jìn)行阻抗匹配，使放大器的輸入電阻和信號(hào)傳輸線的特征阻抗匹配。（信號(hào)傳輸線一般是銅軸線，特征阻抗是50歐）6.各級(jí)放大器的電源相互隔離和去耦，引入電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓，對大功率電路和高速信號(hào)電路采取電磁屏蔽等必要的工藝措施。4噪

6、聲系數(shù)：為了提高接收機(jī)的靈敏度，必須設(shè)法降低放大器的噪聲系數(shù)。前置高頻放大器一般由多級(jí)組成，降低噪聲系數(shù)的關(guān)鍵在于減小前級(jí)電路的內(nèi)部噪聲。因此，在設(shè)計(jì)前級(jí)放大器時(shí)，要求采用低噪聲器件，合理地設(shè)置工作點(diǎn)電流（一般將靜態(tài)工作點(diǎn)電流設(shè)置較小，目的是減少電路的噪聲），適當(dāng)?shù)南拗戚斎胄盘?hào)帶寬，目的是減少等效噪聲帶寬等，使放大器在盡可能高的功率增益下噪聲系數(shù)最小。5輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍： 輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍定義為：（dB）或者 (1_5）和分別表示小信號(hào)放大器正常工作時(shí)所允許的輸入信號(hào)幅度的最大有效值和最小有效值。 ，分別表示小信號(hào)放大器正常工作時(shí)所允許的最大輸入信號(hào)功率的和最小輸入信號(hào)功率。 通常輸入信號(hào)

7、功率的下限主要由電路的噪聲系數(shù)決定。為使輸入信噪比不至于過低，以避免輸入信號(hào)不至于完全淹沒在噪聲基底下，在一定的噪聲系數(shù)下，輸入信號(hào)的功率不能很小。一般來說噪聲系數(shù)越小，所允許的輸入信號(hào)功率下限就越小。當(dāng)輸入信號(hào)功率較大時(shí)，小信號(hào)放大器的增益會(huì)顯著降低，同時(shí)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的非線性失真，包括諧波失真和非線形失真。非線形失真中的三階交調(diào)失真對輸出信號(hào)的影響較大。一般來說，輸入信號(hào)功率的上限主要由電路的三階交調(diào)失真決定。 6 非線性失真（諧波失真和三階交調(diào)失真）當(dāng)小信號(hào)放大器的輸入信號(hào)功率較小時(shí)，放大器工作在線性狀態(tài)，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之間滿足線性關(guān)系，如式(1_6）。此時(shí)輸出信號(hào)的頻率和輸入信號(hào)的頻

8、率相同，沒有新的頻率分量產(chǎn)生，放大器沒有產(chǎn)生非線性失真。， (1_6） 和分別表示輸入信號(hào)的幅度和角頻率。當(dāng)小信號(hào)放大器的輸入信號(hào)功率增大后，放大器開始工作在非線性狀態(tài)，此時(shí)輸入和輸出的關(guān)系如用式(1_7）表示。 (1_7）將代入(1_7），整理后得到 (1_8） 此時(shí)輸出信號(hào)包含輸入信號(hào)的二次諧波。小信號(hào)放大器的輸入信號(hào)功率進(jìn)一步增大，放大器的非線性狀態(tài)可用式(1_9）表示。 (1_9）將代入(1_9），整理后得到， (1_10）顯然輸出信號(hào)包含輸入信號(hào)的二次諧波和三次諧波。放大器工作在非線性狀態(tài)時(shí)，輸出信號(hào)將包含輸入信號(hào)的各次諧波，以及輸入信號(hào)各次諧波之間的交叉混頻項(xiàng)。其中對輸出信號(hào)影響較

9、大的主要是三階交調(diào)。 下面簡單的推導(dǎo)一下三階交調(diào)產(chǎn)生的原因。 假設(shè)輸入信號(hào)包含兩個(gè)幅度相同，頻率相近的信號(hào)， (1_11） 將(1_11）代入(1_9）中進(jìn)行整理， (1_12）可以看到，輸出信號(hào)包含，兩個(gè)頻率分量。如下圖所示：假設(shè)小信號(hào)放大器輸入兩個(gè)頻率相近的信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)功率較高時(shí)，輸出信號(hào)在頻率的兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)頻率為，的兩個(gè)頻率分量，由于這兩個(gè)頻率分量與相隔很近，很難用濾波器濾除，因此三階交調(diào)分量對小信號(hào)放大器的輸出信號(hào)頻譜純度影響很大，應(yīng)當(dāng)盡量避免。 圖2 三階交調(diào)失真示意圖 下面以一個(gè)商用的寬帶射頻放大器為例，輸出端接頻譜儀來觀察輸出信號(hào)的非線性失真和三階交調(diào)失真，放大器的小信號(hào)增益大

10、約為20dB。輸入射頻信號(hào)的頻率為3GHz，輸入功率分別為-40dBm，-30dBm，-20dBm，-10dBm，輸出信號(hào)頻譜如圖3，4，5，6所示?？梢钥吹捷斎胄盘?hào)功率較小時(shí)（-40dBm），放大器工作在線性狀態(tài)，輸出信號(hào)幾乎沒有諧波分量。隨著輸入信號(hào)功率的增加，輸出信號(hào)的諧波分量逐漸增多，諧波分量的功率也逐漸增加，總諧波失真增減增大，經(jīng)測量總諧波失真分別是0.5%（輸入功率-30dBm），0.98%（輸入功率-20dBm），4.76%（輸入功率-10dBm）。 圖3 輸入功率為-40dBm時(shí)輸出頻譜 圖4 輸入功率為-30dBm時(shí)輸出頻譜 圖5 輸入功率為-20dBm時(shí)輸出頻譜 圖6 輸入

11、功率為-10dBm時(shí)輸出頻譜 輸入兩個(gè)頻率相近的信號(hào)，頻率分別是3GHz，3.001GHz，輸入信號(hào)功率分別是-45dBm，-18dBm，-12dBm，-6dBm，用頻譜儀測量放大器輸出信號(hào)的頻譜。 圖7 輸入功率-45dBm，輸出信號(hào)頻譜 圖8 輸入功率-18dBm，輸出信號(hào)頻譜 圖9 輸入功率-12dBm，輸出信號(hào)頻譜 圖10 輸入功率為-6dBm，輸出信號(hào)頻譜 可以看到，當(dāng)輸入雙頻信號(hào)的功率較小時(shí)，射頻放大器工作在線性狀態(tài)，輸出信號(hào)頻率分量和輸入信號(hào)頻率分量一致。隨著輸入雙頻信號(hào)的功率增加，射頻放大器出現(xiàn)非線性工作狀態(tài)，輸出信號(hào)中出現(xiàn)了三階交調(diào)分量。輸入雙頻信號(hào)的功率進(jìn)一步增加，輸出信號(hào)

12、中三階交調(diào)分量的功率也進(jìn)一步增加。當(dāng)輸入雙頻信號(hào)的功率較大時(shí)，射頻放大器出現(xiàn)比較嚴(yán)重的非線性狀態(tài)，輸出信號(hào)中三階交調(diào)分量的功率很大，并且在三階交調(diào)分量的兩側(cè)還出現(xiàn)了五階交調(diào)分量。3.實(shí)驗(yàn)電路原理分析 小信號(hào)調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)電路如圖1-11。在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)先使用萬用表的電阻檔，測量一下電阻R1,R2,R3,R4的阻值。注意測量電阻時(shí)，必須將電路的電源斷開后才能測量。 圖1-11 小信號(hào)調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)電路電路原理分析：In1是高頻信號(hào)輸入端，當(dāng)信號(hào)從In1輸入時(shí)，需要將跳線TP1的上部連接起來。In2是從天線接收空間中的高頻信號(hào)輸入，電感L1和電容C1,C2組成選頻網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)，需要將跳線TP1的下部連

13、接起來。電容C3是隔直電容，滑動(dòng)變阻器RW2和電阻R2，R3是晶體管基極的直流偏置電阻，決定晶體管基極的直流電壓，電阻R1是射極直流負(fù)反饋電阻，決定了晶體管射極的直流電流Ie。晶體管需要設(shè)置一個(gè)合適的直流工作點(diǎn)范圍，才能保證晶體管工作在放大狀態(tài)，同時(shí)盡量選擇直流工作點(diǎn)位于輸入特性曲線中線性度較好的那一段，使小信號(hào)諧振放大器盡可能工作在線性狀態(tài)，減少非線性失真，同時(shí)保證電路有較高的電壓增益和穩(wěn)定性。一般來說，工作點(diǎn)電壓要滿足以下的條件：1.發(fā)射極正偏:，一般有2.集電極反偏：3.（若是晶體管的飽和壓降，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，一般大于1V，為防止晶體管飽和導(dǎo)通，要求）通常情況下，適當(dāng)?shù)脑黾泳w管射極的

14、直流電流Ie可以提高晶體管的電流放大倍數(shù)，增加小信號(hào)諧振放大器的增益。但I(xiàn)e過大，對于某些具有正向AGC特性的晶體管，也會(huì)導(dǎo)致晶體管的電流放大倍數(shù)下降，另外此時(shí)輸出波形諧波失真較大，電路的非線性效應(yīng)也較明顯。一般情況下，選擇Ie在1-5mA之間。電容C3是射極旁路電路，集電極回路由電容和電感組成，是一個(gè)并聯(lián)的LC諧振回路，起到選頻的作用，其中有一個(gè)可變電容可以改變回路總的電容值。電感有初級(jí)回路和次級(jí)回路組成，中間有鐵芯耦合，實(shí)驗(yàn)箱電路中晶體管集電極回路電感的初級(jí)回路和次級(jí)回路封裝在中周中，調(diào)節(jié)中周里的鐵芯位置可以改變電感值和耦合強(qiáng)度，從而改變LC諧振回路的諧振頻率?；瑒?dòng)變阻器RW1是阻尼電阻，

15、可以改變回路的品質(zhì)因素和電壓增益。電阻R4是負(fù)載電阻，由跳線J3決定是否連接負(fù)載電阻。電容C4是輸出信號(hào)的隔直電容，電容C5,C6是直流電源的去耦電容。按下電源開關(guān)，LED亮說明電路正常上電。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1靜態(tài)工作點(diǎn)與諧振回路的調(diào)整。2放大器的幅頻特性及通頻帶的測試。3測試品質(zhì)因數(shù)對放大器的幅頻特性及通頻帶的影響。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析（注：以下電壓測量均為有效值） 1、空載放大倍數(shù)與有載放大倍數(shù)的測量 空載有載輸入/mv5050輸出/V1.771.63放大倍數(shù)35.632.6分析：由數(shù)據(jù)可見，當(dāng)有載時(shí)，放大倍數(shù)稍微有一點(diǎn)衰減。原因在于，本來空載時(shí)已經(jīng)做到了阻抗匹配，但加上負(fù)載后，改變了電阻值，

16、從而不再能夠滿足功率匹配，使得輸出功率下降，輸出電壓下降。 通頻帶測量f0 MHzf1 MHzf2 MHZ10.710.5010.88=0.38MHz分析：我們可以看到，頻譜并不是完全的對稱。這個(gè)也符合理論頻譜。 f0 MHzf3 MHzf4 MHZ10.78.9512.37=3.42MHz矩形系數(shù)： =9.00分析：測量的矩形系數(shù)比實(shí)際值要小。忽略次要因素，我認(rèn)為這里產(chǎn)生的測量誤差主要在于鱷魚夾。鱷魚夾并不能夠完全看做理想導(dǎo)線，在高頻時(shí)候頻響并不是不變的，會(huì)隨著頻率而改變，從而導(dǎo)致和理論頻譜的誤差。如果換成同軸線的話，效果會(huì)好很多，在緒論課中也得到了很好的驗(yàn)證。2由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析品質(zhì)因數(shù)對諧振

17、時(shí)放大倍數(shù)和通頻帶的影響。3. 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析阻尼電阻對品質(zhì)因數(shù)的影響。改變RW1，測量放大倍數(shù)與通頻帶RW1輸入電壓/mv輸出電壓峰值放大倍數(shù)f0 MHzf1 MHzf2 MHz通頻帶寬 MHz50k501.7434.810.710.5410.830.291k501.6633.210.710.5210.850.33數(shù)據(jù)分析：阻尼電阻與品質(zhì)因數(shù)有關(guān)，而品質(zhì)因數(shù)又影響了放大倍數(shù)與通頻帶。如電路圖可見，為并聯(lián)諧振回路，則R=QWL，RW1越大，阻尼電阻越大，從而品質(zhì)因數(shù)越大。Q與帶寬近似反比（帶寬增益積一定），從而帶寬越窄。由數(shù)據(jù)可得，RW1=50k時(shí)放大倍數(shù)較大，通頻帶較窄。即阻尼電阻越大，品質(zhì)

18、因數(shù)越高。品質(zhì)因數(shù)Q越大，放大倍數(shù)會(huì)增大，而通頻帶會(huì)減小。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論相符。4改變小信號(hào)射極電流，測量中心頻率增益輸入電壓：50mv射極電流/mA3.324.2168.21輸出電壓/v1.351.672.042.21理論增益/dB27.929.932.135.1實(shí)際增益/dB28.630.532.232.9分析：我們可以看到，隨著射極電流的增加，直流工作點(diǎn)改變，增益發(fā)生了改變。但是，在實(shí)際試驗(yàn)中我也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射極電流達(dá)到6mA時(shí)，出現(xiàn)了很嚴(yán)重的失真。通常情況下，適當(dāng)?shù)脑黾泳w管射極的直流電流Ie可以提高晶體管的電流放大倍數(shù)，增加小信號(hào)諧振放大器的增益。但I(xiàn)e過大，對于某些具有正向AGC特性的晶體管，也會(huì)導(dǎo)致晶體管的電流放大倍數(shù)下降，另外此時(shí)輸出波形諧波失真較大，電路的非線性效應(yīng)也較明顯。另外，在本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際增益變化比理論增益變化要小。原因在于：1由于調(diào)整并非完全精確，導(dǎo)致諧振點(diǎn)并不是在10.7MHz（試驗(yàn)中我認(rèn)為在10.7MHz10.71MHz之間），從而與實(shí)際有一定誤差。根據(jù)頻譜可以