南京大學電子系本科高頻電路實驗實驗箱講義（修改版）

1、目錄前言 實驗一 高頻小信號調(diào)諧放大器實驗-2 實驗二 晶體三極管混頻電路實驗- 17 實驗三 高頻諧振功率放大器實驗-24 實驗四 LC晶體正弦波振蕩電路實驗-37 實驗五 集成乘法器幅度調(diào)制實驗-47 實驗六 調(diào)幅波同步解調(diào)實驗-62 實驗七 二極管大信號包絡(luò)檢波實驗-66實驗八 變?nèi)荻O管調(diào)頻實驗-74實驗九 電容耦合相位鑒頻器實驗-81 實驗十 鎖相環(huán)調(diào)頻實驗（基礎(chǔ)部分）-87 實驗十一 鎖相環(huán)調(diào)頻發(fā)射與接收實驗-98附錄 各個實驗的原理圖和MC1496的PDF實驗一 小信號調(diào)諧放大器實驗一、 實驗?zāi)康? 掌握高頻小信號調(diào)諧放大器的工作原理和基本電路結(jié)構(gòu)。2 掌握高頻小信號調(diào)諧放大器的

2、調(diào)試方法。3 掌握高頻小信號調(diào)諧放大器各項技術(shù)參數(shù)（電壓放大倍數(shù)，通頻帶，矩形系數(shù)，1dB壓縮點）的測試方法。二、實驗使用儀器1小信號調(diào)諧放大器實驗板2200MH泰克雙蹤示波器3. FLUKE萬用表4. 模擬掃頻儀（安泰信）5. 高頻信號源6. 高頻毫伏表三、實驗基本原理與電路1、 小信號調(diào)諧放大器的基本原理小信號調(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信號進行放大 。 所謂“小信號”，指輸入信號電壓一般在微伏毫伏數(shù)量級范圍內(nèi)，對于這種幅度范圍的輸入信號，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載為調(diào)諧回路（如LC調(diào)諧回路

3、）。此時放大器對諧振頻率及附近頻率的信號具有最大的增益，而對其它遠離頻率的輸入信號，增益很小，如圖1-1所示。2、小信號調(diào)諧放大器技主要技術(shù)指標1. 增益：表示高頻小信號調(diào)諧放大器對輸入信號的放大能力 電壓增益的定義： (1_1）其中輸出信號和輸入信號的有效值分別為，。 圖1.1 高頻小信號調(diào)諧放大器的頻率選擇特性曲線 功率增益的定義： (1_2）其中輸出信號和輸入信號的功率分別為，。在高頻和射頻電路中功率的單位常用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：通常將小信號放大器的電壓增益下降到最大值的0.707倍時所對應(yīng)的輸入信號頻率范圍定義為放大

4、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，抑制鄰近無用信號的能力就越強。3 穩(wěn)定性：高頻小信號諧振放大器能夠穩(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，當工作頻率較高時，晶體管本身存在內(nèi)反饋參數(shù)，同樣當工作頻率較高時，需要考慮外電路元器件的引線電感和PCB布線時的板間分布電容，平行信號線之間的寄生電容等，此時這些參數(shù)會構(gòu)成分布參數(shù)電路，此外如果電源

5、的去耦電路設(shè)計不好，各級電源之間還會有相互串擾，都很有可能構(gòu)成外部的寄生反饋回路，當滿足正反饋的相位條件時，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，當環(huán)境溫度變化，電源電壓的波動，直流工作點的漂移，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大器的穩(wěn)定，1. 合理地設(shè)計外部電路的元器件布局和信號線走向、適當?shù)慕档兔考壏糯笃鞯脑鲆妗?. 降低每級放大器初級線圈和次級線圈之間的耦合系數(shù)，減少下一級放大器輸入電阻對本級的影響。3.在每

6、級放大器的輸入端串聯(lián)一個阻值在幾百歐范圍內(nèi)的電阻，對放大器的輸入信號進行適當衰減和限流。4.在某些情況下可以對末級放大器進行負載失配，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行阻抗匹配，使放大器的輸入電阻和信號傳輸線的特征阻抗匹配。（信號傳輸線一般是銅軸線，特征阻抗是50歐）6.各級放大器的電源相互隔離和去耦，引入電壓負反饋穩(wěn)定輸出電壓，對大功率電路和高速信號電路采取電磁屏蔽等必要的工藝措施。4噪聲系數(shù)：為了提高接收機的靈敏度，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組成，降低噪聲系數(shù)的關(guān)鍵在于減小前級電路的內(nèi)部噪聲。因此，在設(shè)計前級放大器時，要求采用低噪聲器件，合理地

7、設(shè)置工作點電流（一般將靜態(tài)工作點電流設(shè)置較小，目的是減少電路的噪聲），適當?shù)南拗戚斎胄盘枎挘康氖菧p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輸入信號的動態(tài)范圍： 輸入信號的動態(tài)范圍定義為：（dB）或者 (1_5）和分別表示小信號放大器正常工作時所允許的輸入信號幅度的最大有效值和最小有效值。 ，分別表示小信號放大器正常工作時所允許的最大輸入信號功率的和最小輸入信號功率。 通常輸入信號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，所允許的輸入信號功率

8、下限就越小。當輸入信號功率較大時，小信號放大器的增益會顯著降低，同時出現(xiàn)比較嚴重的非線性失真，包括諧波失真和非線形失真。非線形失真中的三階交調(diào)失真對輸出信號的影響較大。一般來說，輸入信號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）當小信號放大器的輸入信號功率較小時，放大器工作在線性狀態(tài)，輸出信號和輸入信號之間滿足線性關(guān)系，如式(1_6）。此時輸出信號的頻率和輸入信號的頻率相同，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的幅度和角頻率。當小信號放大器的輸入信號功率增大后，放大器開始工作在非線性狀態(tài)，此時輸入和輸出的關(guān)系

9、如用式(1_7）表示。 (1_7）將代入(1_7），整理后得到 (1_8） 此時輸出信號包含輸入信號的二次諧波。小信號放大器的輸入信號功率進一步增大，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）顯然輸出信號包含輸入信號的二次諧波和三次諧波。放大器工作在非線性狀態(tài)時，輸出信號將包含輸入信號的各次諧波，以及輸入信號各次諧波之間的交叉混頻項。其中對輸出信號影響較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)輸入信號包含兩個幅度相同，頻率相近的信號， (1_11） 將(1_11）代入(1_9）中進行整理， (1_12）可以看到，輸

10、出信號包含，兩個頻率分量。如下圖所示：假設(shè)小信號放大器輸入兩個頻率相近的信號，當輸入信號功率較高時，輸出信號在頻率的兩側(cè)會出現(xiàn)頻率為，的兩個頻率分量，由于這兩個頻率分量與相隔很近，很難用濾波器濾除，因此三階交調(diào)分量對小信號放大器的輸出信號頻譜純度影響很大，應(yīng)當盡量避免。 圖2 三階交調(diào)失真示意圖 下面以一個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的非線性失真和三階交調(diào)失真，放大器的小信號增益大約為20dB。輸入射頻信號的頻率為3GHz，輸入功率分別為-40dBm，-30dBm，-20dBm，-10dBm，輸出信號頻譜如圖3，4，5，6所示?？梢钥吹捷斎胄盘柟β瘦^小時（-40dBm

11、），放大器工作在線性狀態(tài)，輸出信號幾乎沒有諧波分量。隨著輸入信號功率的增加，輸出信號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時輸出頻譜 圖4 輸入功率為-30dBm時輸出頻譜 圖5 輸入功率為-20dBm時輸出頻譜 圖6 輸入功率為-10dBm時輸出頻譜 輸入兩個頻率相近的信號，頻率分別是3GHz，3.001GHz，輸入信號功率分別是-45dBm，-18dBm，-12dBm，-6dBm，用頻譜儀測量放大器輸出信號

12、的頻譜。 圖7 輸入功率-45dBm，輸出信號頻譜 圖8 輸入功率-18dBm，輸出信號頻譜 圖9 輸入功率-12dBm，輸出信號頻譜 圖10 輸入功率為-6dBm，輸出信號頻譜 可以看到，當輸入雙頻信號的功率較小時，射頻放大器工作在線性狀態(tài)，輸出信號頻率分量和輸入信號頻率分量一致。隨著輸入雙頻信號的功率增加，射頻放大器出現(xiàn)非線性工作狀態(tài)，輸出信號中出現(xiàn)了三階交調(diào)分量。輸入雙頻信號的功率進一步增加，輸出信號中三階交調(diào)分量的功率也進一步增加。當輸入雙頻信號的功率較大時，射頻放大器出現(xiàn)比較嚴重的非線性狀態(tài)，輸出信號中三階交調(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.實驗電路

13、原理分析 小信號調(diào)諧放大器實驗電路如圖1-11。在實驗開始時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，必須將電路的電源斷開后才能測量。 圖1-11 小信號調(diào)諧放大器實驗電路電路原理分析：In1是高頻信號輸入端，當信號從In1輸入時，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輸入，電感L1和電容C1,C2組成選頻網(wǎng)絡(luò)，此時，需要將跳線TP1的下部連接起來。電容C3是隔直電容，滑動變阻器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

14、一個合適的直流工作點范圍，才能保證晶體管工作在放大狀態(tài)，同時盡量選擇直流工作點位于輸入特性曲線中線性度較好的那一段，使小信號諧振放大器盡可能工作在線性狀態(tài)，減少非線性失真，同時保證電路有較高的電壓增益和穩(wěn)定性。一般來說，工作點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，當工作頻率較高時，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?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)，增加小信號諧振放大器的增益。但Ie過大，對于某些具有正向AGC特性的晶體管，也會導(dǎo)致晶體管的電流放大倍數(shù)下降，另外此時輸出波形諧波失真較大，電路的非

15、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，是一個并聯(lián)的LC諧振回路，起到選頻的作用，其中有一個可變電容可以改變回路總的電容值。電感有初級回路和次級回路組成，中間有鐵芯耦合，實驗箱電路中晶體管集電極回路電感的初級回路和次級回路封裝在中周中，調(diào)節(jié)中周里的鐵芯位置可以改變電感值和耦合強度，從而改變LC諧振回路的諧振頻率?；瑒幼冏杵鱎W1是阻尼電阻，可以改變回路的品質(zhì)因素和電壓增益。電阻R4是負載電阻，由跳線J3決定是否連接負載電阻。電容C4是輸出信號的隔直電容，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

16、。四、實驗內(nèi)容 1靜態(tài)工作點與諧振回路的調(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、實驗步驟1.仿真 利用實驗室計算機上提供的Multisim9軟件，參照實驗電路圖，進行仿真（仿真一級放大器即可），晶體管可選擇2N2222A。為模擬9013的模型，晶體管的模型參數(shù)可修改為：MODEL Q9013 NPN (IS=81.2F NF=1 BF=200 VAF=98.6 IKF=0.48 ISE=53.7P NE=2 BR=4 NR=1 VAR=20 IKR=0.72 RE=64.4M RB=0.258 RC=25.8M XTB=1.5+ CJE=22

17、PF VJE=1.1 MJE=0.5 CJC=7PF VJC=0.3 MJC=0.3 TF=411P TR=368N) 實際仿真時，影響晶體管在高頻時放大性能的主要參數(shù)為BF（表示晶體管的直流電流放大倍數(shù)），CJE（表示晶體管的板間分布電容） 、CJC（表示晶體管的板間分布電容，該參數(shù)越小越好），TF（載流子從基極跑到集電極，形成集電極電流需要的渡越時間，TF數(shù)值與晶體管的截止頻率成反比，越高，晶體管的最高工作頻率越高）。仿真時：1. 改變直流電流Ie，研究Ie逐漸增大時小信號放大器電壓增益的變化。2. 改變諧振回路的中心頻率，觀察小信號放大器電壓增益的變化情況。3. 改變集電極回路中阻尼電阻

18、的阻值，觀察小信號放大器電壓增益的變化情況，通頻帶的變化情況。4. 在晶體管的射極增加一個交流負反饋電阻，然后改變負反饋電阻阻值，觀察小信號放大器電壓增益的變化情況，通頻帶的變化情況。（選做）2靜態(tài)工作點與諧振回路的調(diào)整（1）在實驗箱主板上插上小信號調(diào)諧放大器實驗電路模塊。接通實驗箱上電源開關(guān)電源指標燈點亮。建議直接使用實驗桌上的高頻信號源，產(chǎn)生10.7MHz的輸入信號直接從TP1處輸入，信號幅度的有效值在50mV左右。（2）斷開J2，J3，連接J1，在OUT端用示波器觀測放大后的輸入信號，調(diào)整電位器RW2，微調(diào)可變電容CV2，調(diào)節(jié)中周中鐵芯的位置（注意調(diào)節(jié)中周時不要太用力，否則容易損壞中周里

19、的鐵芯，造成中周損壞），使輸出信號幅度最大且失真最小，說明此時諧振回路處于電路調(diào)諧狀態(tài)。要注意為減小示波器探頭輸入電容的影響，示波器的輸入探頭要處于乘10檔。由于此時示波器探頭的輸入電容大約為十幾pF與小信號諧振放大器的諧振回路電容構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，使諧振回路的總電容增加，因此小信號諧振放大器的實際諧振頻率要略高于用示波器測量到的諧振頻率。 因此最精確的測量中心頻率應(yīng)該使用帶掃頻功能的頻譜儀或者網(wǎng)絡(luò)分析儀，并且信號諧振放大器的輸出端要通過無電容的同軸電纜線和頻譜儀或者網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入端相連。3放大器的放大倍數(shù)及通頻帶的測試 (1)空載放大倍數(shù)測試 斷開J2，J3，連接J1，用示波器雙通道同時觀察輸

20、入和輸出信號。用高頻毫伏表分別測出TP1端電壓和OUT端電壓，放大倍數(shù)為： (2)有載放大倍數(shù)測試 斷開J2，連接J1，J3，用高頻毫伏表分別測出TP1端電壓和OUT端電壓，放大倍數(shù)為：比較空載和有載放大倍數(shù)的變化，并思考原因。 (3)通頻帶測量 斷開J2,J3，連接J1，保持輸入信號幅值不變，改變輸入信號的頻率，輸入信號的頻率逐漸上升，輸出信號的幅度將下降，當輸出幅度下降到f0時輸出幅值的0.707倍時，所對應(yīng)的輸入信號頻率計為f1。同樣，減小輸入信號的頻率得到f2，填到下面的表格中；f0 MHzf1 MHzf2 MHZ 保持輸入信號幅值Ui不變，改變輸入信號的頻率，輸入信號的頻率逐漸上升，

21、輸出信號的幅度將下降，當輸出幅度下降到f0時的輸出幅值的0.1時，所對應(yīng)的輸入信號頻率計為f3。同樣，減小輸入信號的頻率得到f4，填到下面的表格中；f0 MHzf3 MHzf4 MHZ矩形系數(shù)： 4測試品質(zhì)因數(shù)對放大器的幅頻特性及通頻帶的影響斷開J3，連接J1，J2，調(diào)整RW1取兩個不同的數(shù)值，比如RW1=50K，RW1=1K時，分別測量此時的放大倍數(shù)和通頻帶。根據(jù)測量的放大倍數(shù)和通頻帶數(shù)值，分析當阻尼電阻RW1增加時，諧振放大器的電壓增益，回路品質(zhì)因數(shù)和通頻帶是如何變化的。矩形系數(shù)大約為8.85，與理論值9.95基本符合。圖1-12 掃頻儀上測量的諧振放大器幅頻響應(yīng) 圖1-13 網(wǎng)絡(luò)分析儀測

22、量的諧振放大器幅頻響應(yīng)當小信號放大器的射極直流電流分別取3.32mA ，4.21mA ，6mA ，8.21mA時，對應(yīng)的小信號諧振放大器的頻率響應(yīng)曲線如下圖1-14所示。當射極直流電流增加時，小信號放大器中心頻率處的增益分別是27.9dB，29.9dB，32.1dB，35.1dB，中心頻率在10.70MHz幾乎保持不變，3dB帶寬分別為1.03MHZ，0.96MHz，0.9MHZ，0.81MHZ。增加射極的靜態(tài)電流可以增加小信號諧振放大器的電壓增益，但同時由于基極靜態(tài)工作點的升高，容易使小信號諧振放大器出現(xiàn)較大的非線性失真，輸出波形的諧波失真會有所增加。 圖1-14 當射極的直流電流逐漸增加時

23、，測量的諧振放大器頻率響應(yīng)方法二：如果沒有帶有掃頻信號源功能的頻譜儀，可使用能夠輸出掃頻信號的信號源和普通的頻譜儀測量諧振放大器的頻率響應(yīng)曲線，信號源輸出掃頻信號作為諧振放大器的輸入信號，輸入信號的有效值為5mV，小信號諧振放大器的射極直流電流為6mA，頻率從5MHz增加到15MHz，頻率掃頻的類型為頻率線性增加，頻率掃描一個周期（從5MHz增加到15MHz）所用時間設(shè)置為1ms，用頻譜儀分別測量諧振放大器的輸入信號和輸出信號的頻譜功率，兩者對應(yīng)頻率的頻譜功率相除即為小信號諧振放大器的頻率響應(yīng)曲線。如圖1-15，圖1-16所示。從圖中可測出中心頻率為10.60MHz，中心頻率處的增益分別是29

24、.5dB，3dB帶寬分別為0.9MHZ。與用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果相比較，中心頻率偏小0.1MHz，中心頻率處的增益降低了2.6dB。主要原因是信號源輸出的掃頻信號功率頻率響應(yīng)不均勻，另外頻譜儀的功率測量精度有一定的誤差所致。3dB帶寬和頻率響應(yīng)的形狀與網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果基本一致。如果使用的信號源輸出的掃頻信號功率頻率響應(yīng)均勻，并且進一步減小頻譜儀的中頻濾波器帶寬，可以使該方法測量的諧振放大器中心頻率和增益與網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果基本一致。圖1-15 頻譜儀測量的諧振放大器輸入輸出功率 圖1-16 頻譜儀測量的諧振放大器頻率響應(yīng)6測量諧振放大器的功率增益的1dB壓縮點功率增益1dB壓縮點的定義：當諧振

25、放大器輸入信號幅度較小時，諧振放大器的功率增益是常數(shù)，輸出信號幅度隨著輸入信號幅度的增加而線性增加，如圖1-15所示。當輸入信號的幅度增加到一定大小時，諧振放大器的工作狀態(tài)會出現(xiàn)非線性，此時功率增益將下降，當功率增益下降了1dB時所對應(yīng)的輸入信號功率稱為放大器的1dB壓縮點。如圖1-18所示。 圖1-17 諧振放大器的輸出和輸入功率曲線 圖1-18諧振放大器功率增益的1dB 壓縮點 1dB壓縮點的測量通常使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以用網(wǎng)絡(luò)分析儀對諧振放大器的輸入信號功率進行掃描，同時測量功率增益，完成對諧振放大器1dB壓縮點的測量，當本實驗所用的小信號放大器的射極直流電流分別取6mA，8.21mA時，

26、用VNA測量小信號諧振放大器的1dB壓縮點，功率掃描范圍-35dBm到-20dBm，輸入信號頻率為諧振放大器的中心頻率10.7MHz，對輸入信號的功率進行掃描得到功率增益曲線如圖1-19所示。射極直流電流為6mA時，小信號功率增益為35.5dB，1dB壓縮點為-28dBm。射極直流電流為8.21mA時，小信號功率增益為32.5dB，1dB壓縮點為-27.3dBm。一般放大器的小信號功率增益越大，對應(yīng)的1dB壓縮點也越小。1dB壓縮點與小信號諧振放大器所用的晶體管或者場效應(yīng)管的輸入、輸出特性曲線線性度有關(guān)，和靜態(tài)工作點的設(shè)置也有關(guān)，一般來說小信號諧振放大器的1dB壓縮點越大，輸入信號的動態(tài)范圍也

27、越大。 圖1-19 本實驗所用的諧振放大器1dB 壓縮點的測量7驗證諧振放大器的穩(wěn)定性 一般情況下，單級諧振放大器出現(xiàn)自激的可能性不大，但是多級諧振放大器級聯(lián)后，總電壓增益大大提高，如果各級放大器的電源去耦效果不好，可能使前后級的信號經(jīng)過電源相互串擾，各級放大器級間匹配不佳，本應(yīng)流向下一級的信號可能會發(fā)生反射等原因會使放大器產(chǎn)生自激現(xiàn)象。因此首先要正確判斷放大器是否處于自激狀態(tài)。 初步判斷：將輸入信號接地，用示波器觀察是否有輸出信號，如果示波器上只有噪聲，而沒有明顯的輸出信號，則可以初步判斷放大器基本沒有出現(xiàn)自激現(xiàn)象。同時將輸出信號接頻譜儀，觀察從低頻到2倍中心頻率處，在頻譜儀上是否只有噪聲基

28、底，如果頻譜儀上沒有明顯的信號頻率成分，則可以初步判斷放大器基本沒有出現(xiàn)自激現(xiàn)象。進一步驗證穩(wěn)定性：用掃頻儀或者網(wǎng)絡(luò)分析儀測量諧振放大器的頻率響應(yīng)。掃頻范圍從低頻到2倍的中心頻率，如果幅頻響應(yīng)曲線比較光滑，除了中心頻率之外沒有其它的增益峰，則可以基本判斷諧振放大器沒有出現(xiàn)自激。圖1-20是一個兩級小信號諧振放大器的頻率響應(yīng)，輸入信號的功率為-40dBm，中心頻率為11.234MHz，電壓增益為40dB。3dB帶寬為145K。20dB帶寬為1.02MHz，矩形系數(shù)為7。提高該放大器的電壓增益，并且去掉前后兩級之間的限流電阻，再次測量放大器的頻率響應(yīng)，輸入信號的功率為-50dBm，如圖1-21所示

29、?？梢钥吹皆摲糯笃髦行念l率處的增益增大到53dB，同時在頻率響應(yīng)曲線上的中心頻率左側(cè)出現(xiàn)了一個明顯的增益峰，而且頻率響應(yīng)在中心頻率附近發(fā)生明顯的畸變，可以判斷該放大器出現(xiàn)了自激現(xiàn)象，自激頻率大約在7.39MHz。圖1-20 兩級諧振放大器的頻率響應(yīng)（無自激）圖1-21 兩級諧振放大器的頻率響應(yīng)（自激）六、實驗報告要求1 整理按實驗步驟所得的數(shù)據(jù)，記錄諧振放大器的增益，通頻帶。2由實驗數(shù)據(jù)分析品質(zhì)因數(shù)對諧振時放大倍數(shù)和通頻帶的影響。3. 由實驗數(shù)據(jù)分析阻尼電阻對品質(zhì)因數(shù)的影響。4利用掃頻儀或者網(wǎng)絡(luò)分析儀測量放大器的幅頻特性曲線和1dB壓縮點，矩形系數(shù)。5. 總結(jié)由本實驗所獲得的體會。6. 制作一

30、個小信號諧振放大器，要求中心頻率大于10MHz，增益大于40dB，矩形系數(shù)小于5，放大器盡量穩(wěn)定不自激。（選做） 實驗二 晶體三極管混頻電路實驗一. 實驗?zāi)康?.理解變頻電路的相關(guān)理論。2.掌握三極管混頻電路的工作原理和調(diào)試方法。3.測量三極管混頻電路的變頻增益。4.了解晶體管的靜態(tài)工作點，本振信號幅度對混頻器性能指標的影響。二. 實驗使用儀器1三極管混頻電路實驗板2200MH泰克雙蹤示波器3 .FLUKE萬用表4. 模擬掃頻儀（安泰信） 5. 高頻信號源 6 . 高頻毫伏表 三、實驗基本原理與電路1. LC振蕩電路的基本原理在通信技術(shù)中，經(jīng)常需要將信號自某一頻率變換為另一頻率，一般用得較多的

31、是把一個已調(diào)的高頻信號變成另一個較低頻率的同類已調(diào)信號。例如：在超外差中波接收機中，將天線接收到的高頻信號(載頻位于535 kHz1605kHz中波波段各電臺的普通調(diào)幅信號) 通過變頻，變換成455KHz的中頻信號；在調(diào)頻廣播接收機中, 把載頻位于88 MHz108MHz的各調(diào)頻臺信號變換為中頻為10.7MHz的調(diào)頻信號。完成這種頻率變換的電路稱變頻器，采用變頻器后，接收機的性能將得到提高。 圖 2-1混頻器的電路模型混頻器的電路模型如圖 2-1所示。混頻器常用的非線性器件有二極管、三極管、場效應(yīng)管和乘法器。其中二極管混頻器又可以分為二極管平衡混頻器和二極管環(huán)形混頻器等，目前二極管混頻器的集成

32、電路已經(jīng)在市面上廣泛使用。二極管混頻電路的主要特點是：1.混頻電路本身沒有增益。2.混頻后出現(xiàn)的非線性分量較少。3.混頻電路的輸入信號線性范圍較大。三極管混頻電路和場效應(yīng)管混頻電路相比：1.具有較大的電壓增益。 2.電路噪聲和非線性分量較多. 3. 場效應(yīng)管混頻電路的工作頻率更高。 模擬乘法器可以實現(xiàn)兩個輸入信號的相乘，模擬乘法器后面加上帶通濾波器對輸出的差頻信號進行濾波就可以形成混頻電路。本振信號是一個等幅的高頻振蕩信號UL ，與輸入信號US經(jīng)混頻器后產(chǎn)生的差頻信號經(jīng)帶通濾波器濾出。目前，高質(zhì)量的通信接收機廣泛采用二極管環(huán)形混頻器和由差分對管平衡調(diào)制器構(gòu)成的混頻器，而在一般接收機（例如廣播收

33、音機）中，為了簡化電路，還是采用簡單的三極管混頻器，本實驗采用晶體三極管作混頻電路實驗。混頻器主要技術(shù)指標有：1. 混頻增益KPc 混頻增益KPc是指混頻器輸出的中頻信號功率Pi與輸入信號功率Ps之比。2.混頻器的1dB壓縮點 混頻器的1dB壓縮點定義：當混頻器的輸入信號功率逐漸增加，混頻器的功率增益會下降，當混頻器的功率增益下降1dB時對應(yīng)的輸入信號功率，稱為混頻器的1dB壓縮點。 圖 2-2混頻器功率增益的1dB壓縮點示意圖 3.噪聲系數(shù)NF混頻器由于處于接收機電路的前端，對整機噪聲性能的影響很大，所以減小混頻器的噪聲系數(shù)是至關(guān)重要的。4.混頻失真與干擾 混頻器的失真有頻率失真和非線性失真

34、。此外，由于器件的非線性還存在著組合頻率干擾。這些組合頻率干擾往往是伴隨有用信號而存在的，嚴重地影響混頻器的正常工作。因此，如何減小失真與干擾是混頻器研究中的一個重要問題。5.頻率選擇性所謂頻率選擇性是指混頻器選取出有用的中頻信號而濾除其他干擾信號的能力。頻率選擇性越好輸出信號的頻譜純度越高。選擇性主要取決于混頻器輸出端的中頻帶通濾波器的性能。6.混頻器的工作電平 混頻器的輸入信號功率過大或者過低，都會導(dǎo)致混頻器的工作性能下降。若混頻器的輸入信號功率過小，混頻器的輸入端信噪比過低，會導(dǎo)致混頻器的輸出差頻信號淹沒在電路本底噪聲中；若混頻器的輸入信號功率過大，會導(dǎo)致混頻器的功率增益大大下降，同時混

35、頻器本身會產(chǎn)生大量非線性失真。因此為保證混頻器的性能最佳，混頻器的輸入信號功率有一定的范圍。2. 實驗電路和原理 晶體三極管混頻電路實驗 電路如圖2-3所示。 本振電壓UL頻率為(10.7MHz)從晶體管的發(fā)射極輸入，信號電壓Us(頻率為10.245MHz)從晶體三極管的基極輸入，混頻后的中頻(Fi=FL-Fs)信號由晶體三極管的集電極輸出。輸出端的帶通濾波器必須調(diào)諧在中頻Fi上，本實驗的中頻Fi=FL-Fs=10.7MHZz-10.245MHz=455KHz。 圖2-3 晶體三極管混頻電路實驗電路圖電路基本原理：電容C1是隔直電容，滑動變阻器RW1和電阻R1,R2是晶體管基極的直流偏置電阻，

36、用來決定晶體管基極的直流電壓，電阻R3是射極直流負反饋電阻，決定了晶體管射極的直流電流Ie。晶體管需要設(shè)置一個合適的直流工作點，才能保證混頻器電路正常工作，并有一定的功率增益。通常，適當?shù)脑黾泳w管射極的直流電流Ie可以提高晶體管的交流電流放大倍數(shù)，從而增大混頻器電路的變頻增益。但Ie過大，混頻電路的噪聲系數(shù)會急劇增加。對于混頻器電路，一般控制Ie在0.2-1mA之間。電阻R4是混頻器的負載電阻。電容C3，C4是混頻器直流電源的去耦電容。同時混頻電路的電壓增益還和本振信號的幅度有關(guān)。輸入信號幅度不變時，逐漸增加本振信號的幅度，剛開始由于本振信號的幅度較小，晶體管的變頻跨導(dǎo)較小，此時隨著本振信號

37、幅度的增加，晶體管的變頻跨導(dǎo)也逐漸增加，混頻器的變頻增益逐漸增加。當本振信號幅度達到一定大小時，再增加本振信號的幅度，晶體管工作點的變化更加劇烈，晶體管的變頻跨導(dǎo)就會逐漸下降，混頻器的變頻增益也逐漸下降，并且混頻器的噪聲系數(shù)會大大增加。 當本振信號的幅度一定時，隨著輸入信號幅度的增加，混頻器的變頻增益也會逐漸下降。 要注意的是：混頻器只是實現(xiàn)頻譜的搬移而不會改變原來輸入信號的波形和頻譜，原來輸入的是調(diào)頻波則混頻輸出的還是調(diào)頻波；原來輸入的是調(diào)幅波則混頻輸出的還是調(diào)幅波，只是載波的中心頻率發(fā)生了變化。四、實驗內(nèi)容1.用示波器觀察混頻器的輸入輸出信號的波形；2.用示波器測量混頻器輸入輸出信號的頻率

38、；3.測量混頻器的變頻增益和1dB壓縮點。4.用示波器觀察輸入波形為調(diào)幅波和調(diào)頻波時，混頻器的輸出波形。5.用頻譜儀觀察混頻器的頻率變換特性。 五、實驗步驟1.仿真參照實驗電路原理圖，晶體管選擇9013（模型參數(shù)同實驗一），輸入信號的頻率在10MHz以上，本振信號的頻率也在10MHz以上，兩者的頻率差在455KHz，仿真觀察輸出信號的波形。在仿真過程中增加射極電流Ie的值，觀察混頻器變頻增益的變化，和輸出波形的變化。（噪聲，失真度）在仿真過程中增加本振信號的幅度，觀察混頻器變頻增益的變化，和輸出波形的變化。（噪聲，失真度）在仿真過程中增加輸入信號的幅度，觀察混頻器變頻增益的變化，和輸出波形的變

39、化。（噪聲，失真度）輸入信號換成調(diào)幅波和調(diào)頻波，觀察混頻器的輸出信號波形和輸入已調(diào)信號波形的異同。2.中頻頻率觀測在實驗箱主板上插上晶體三極管混頻電路實驗?zāi)K，接通實驗箱上電源開關(guān)電源指標燈點亮。 將10.7MHz正弦信號（要求輸入信號頻率高度穩(wěn)定， 可由高頻信號源產(chǎn)生），作為本振信號接入晶體三極管混頻電路實驗?zāi)KIN2端，用高頻信號源產(chǎn)生另一路頻率為10.245MHz的輸入信號接入電路的IN1端。調(diào)整兩個信號的大小（本振信號幅度在500mV左右，輸入信號的幅度在50-100mV）和RW1（使晶體管的射極電流在1mA左右），用示波器觀測 TP3點波形并測量OUT端輸出信號的頻率，此時應(yīng)有455

40、KHz的中頻信號輸出。微調(diào)電容CV，使輸出信號幅度最大、失真最小。（當改變高頻信號源的頻率時，輸出中頻 TP3的波形作何變化，為什么？）3.混頻的綜合觀測用高頻信號源產(chǎn)生中心頻率為10.245MHz的調(diào)幅信號，接入晶體三極管混頻電路實驗?zāi)KIN1端，由高頻信號源產(chǎn)生的10.7MHz本振信號接入IN2端。調(diào)整兩個信號的大小和RW1，用示波器觀測 TP3點波形，特別注意觀察TP1和TP3兩點波形的包絡(luò)是否一致。4.觀察靜態(tài)工作點對混頻器增益和輸出波形的影響。 逐步增加射極電流Ie的值，用高頻毫伏表測量輸入高頻信號的功率和輸出中頻信號的功率，記算混頻器變頻增益的變化，同時觀察輸出波形的變化。（重點觀

41、察輸出波形的噪聲和失真度）Ie(mA)0.20.40.60.8變頻增益dB5.觀察本振信號幅度對混頻器增益和輸出波形的影響。 逐步增加本振信號的幅度，記錄混頻器變頻增益的變化，觀察輸出波形的變化。（重點觀察輸出波形的噪聲和失真度）本振幅度(mV)200400600800100015002000變頻增益dB6.觀察輸入信號幅度對混頻器增益和輸出波形的影響。逐步增加輸入信號的幅度，觀察混頻器變頻增益的變化，和輸出波形的變化。（重點觀察輸出波形的噪聲和失真度）輸入幅度(mV)20406080100150200變頻增益dB7.在IN1端輸入11.155MHz的信號可以觀察鏡像干擾。8.測量混頻器的1d

42、B壓縮點。（本振信號的幅度可取500mV-1000mV）六、實驗報告要求1根據(jù)觀測結(jié)果，繪制混頻后輸出信號的波形圖，并作分析。 2認真完成實驗步驟 4，5，6，7，8并記錄相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，畫圖并總結(jié)出相應(yīng)的結(jié)論。 實驗三 高頻丙類諧振功率放大器實驗1、實驗?zāi)康?. 進一步掌握高頻丙類諧振功率放大器的工作原理。2. 掌握丙類諧振功率放大器的調(diào)諧特性和負載特性。3. 掌握激勵電壓、集電極電源電壓及負載變化對放大器工作狀態(tài)的影響。4. 掌握測量丙類功放輸出功率，效率的方法。二、實驗使用儀器1. 丙類諧振功率放大器實驗板2. 200MH泰克雙蹤示波器3. FLUKE萬用表 4. 高頻信號源 5. 掃頻

43、頻譜儀（安泰信） 6 . 高頻毫伏表 三、實驗基本原理與電路1.高頻諧振功率放大器原理電路高頻諧振功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它可以將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為高頻交流輸出。高頻諧振功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件，其作用是放大信號，使之達到足夠的功率輸出，以滿足天線發(fā)射和其它負載的要求。高頻諧振功率放大器研究的主要問題是如何獲得高效率、大功率的輸出。放大器電流導(dǎo)通角愈小，放大器的效率愈高。如甲類功放的180，效率最高為50，而丙類功放的90，效率可達到80。諧振功率放大器采用丙類功率放大器，采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路的丙類功率放大器稱為高頻諧振功率放大器。高頻諧振功率放大器原理電路如圖

44、3-1。圖中Ub為輸入交流信號，EB是基極偏置電壓，調(diào)整EB，改變放大器的導(dǎo)通角，以改變放大器工作的類型。EC是集電極電源電壓。集電極外接LC并聯(lián)振蕩回路的功用是作放大器負載。放大器工作時，晶體管的電流、電壓波形及其對應(yīng)關(guān)系如圖3-1所示。晶體管轉(zhuǎn)移特性如圖3.2中虛線所示。由于輸入信號較大，可用折線近似轉(zhuǎn)移特性，如圖中實線所示。 圖中為管子導(dǎo)通電壓，gm為特征斜率（跨導(dǎo)）。圖3-1 高頻諧振功率放大器的工作原理設(shè)輸入電壓為一余弦電壓，即 ub=Ubmcost則管子基極、發(fā)射極間電壓uBE為uBE=EB+ub=EB+Ubmcost在丙類工作時，EB，在這種偏置條件下，集電極電流iC為余弦脈沖，

45、其最大值為iCmax，電流流通的相角為2，通常稱為集電極電流的通角，丙類工作時，/2 。把集電極電流脈沖用傅氏級數(shù)展開，可分解為直流、基波和各次諧波iC=IC0+ic1+ic2+=IC0+Ic1mcost+Ic2mcos2t+式中，IC0為直流電流，Ic1m、Ic2m分別為基波、二次諧波電流幅度。 圖3-2高頻諧振功率放大器電壓和電流關(guān)系諧振功率放大器的集電極負載是一高Q的LC并聯(lián)振蕩回路，如果選取諧振回路的諧振角頻率0等于輸入信號ub的角頻率，那么，盡管在集電極電流脈沖中含有豐富的高次諧波分量，但由于并聯(lián)諧振回路的選頻濾波作用，振蕩回路兩端的電壓可近似認為只有基波電壓，即uc=Ucmcost

46、=Ic1mRecost式中，Ucm為uc的振幅；Re為LC諧振回路的諧振電阻。在集電極電路中，LC振蕩回路得到的高頻功率為集電極電源EC供給的直流輸入功率為集電極效率C為輸出高頻功率Po與直流輸入功率PE之比，即 靜態(tài)工作點、輸入激勵信號幅度、負載電阻，集電極電源電壓發(fā)生變化，諧振功率放大器的工作狀態(tài)將發(fā)生變化。如圖3-3所示，當C點落在輸出特性(對應(yīng)uBEmax的那條)的放大區(qū)時，為欠壓狀態(tài)；當C點正好落在臨界點上時，為臨界狀態(tài)；當C點落在飽和區(qū)時，為過壓狀態(tài)。諧振功率放大器的工作狀態(tài)必須由集電極電源電壓EC、基極的直流偏置電壓EB、輸入激勵信號的幅度Ubm、負載電阻Re四個參量決定，缺一不

47、可，其中任何一個量的變化都會改變C點所處的位置，工作狀態(tài)就會相應(yīng)地發(fā)生變化。 圖3-3 高頻丙類諧振功率放大器的工作狀態(tài)負載特性是指當保持集電極電源電壓EC、基極的直流偏置電壓EB、輸入激勵信號的幅度Ubm不變而改變負載電阻Re時，諧振功率放大器的電流IC0、Ic1m，集電極輸出電壓Ucm，輸出功率Po，集電極損耗功率PC，電源消耗的總功率PE及集電極效率C隨之變化的曲線。從上面動態(tài)特性曲線隨Re變化的分析可以看出，Re由小到大，工作狀態(tài)由欠壓變到臨界再進入過壓。相應(yīng)的集電極電流由余弦脈沖變成凹陷脈沖，如圖3-4(a)所示。圖3-4高頻丙類諧振功率放大器的負載特性 集電極調(diào)制特性是指當保持EB

48、、Ubm、Re不變而改變集電極電源電壓EC時，功率放大器電流IC0、Ic1m，集電極輸出電壓Ucm以及電源消耗的總功率、效率隨之變化的曲線。當EC由小增大時，uCEmin=EC-Ucm也將由小增大，因而由uCEmin、uBEmax決定的瞬時工作點將沿uBEmax這條輸出特性由特性的飽和區(qū)向放大區(qū)移動，工作狀態(tài)由過壓變到臨界再進入欠壓，iC波形由iCmax較小的凹陷脈沖變?yōu)閕Cmax較大的尖頂脈沖，如圖3-5所示。由集電極調(diào)制特性可知，在過壓區(qū)域，輸出電壓幅度Ucm與EC成正比。利用這一特點，可以通過控制EC的變化，實現(xiàn)集電極輸出電壓、集電極輸出電流、集電極輸出功率的相應(yīng)變化，這種功能稱為集電極

49、調(diào)幅，所以稱這組特性曲線為集電極調(diào)制特性曲線。 圖3-5高頻諧振功率放大器的集電極調(diào)制特性 基極調(diào)制特性是指當EC、Ubm、Re保持不變而改變基極的直流偏置電壓EB時，功放電流IC0、Ic1m，集電極輸出電壓Ucm以及電源消耗的總功率、效率的變化曲線。當EB增大時，會引起、iCmax增大，從而引起IC0、Ic1m、Ucm增大。由于EC不變，uCEmin=EC-Ucm則會減小，這樣勢必導(dǎo)致工作狀態(tài)由欠壓變到臨界再進入過壓。進入過壓狀態(tài)后，集電極電流脈沖高度雖仍有增加，但凹陷也不斷加深，iC波形如圖3-6所示。利用這一特點，可通過控制EB實現(xiàn)對電流、電壓、功率的控制，稱這種工作方式為基極調(diào)制，所以

50、稱這組特性曲線為基極調(diào)制特性曲線。圖3-6高頻諧振功率放大器的基極調(diào)制特性 圖3-7高頻諧振功率放大器的放大特性 放大特性是指當保持EC、EB、Re不變，而改變輸入激勵信號的幅度Ubm時，功率放大器電流IC0、Ic1m，集電極輸出電壓Ucm以及電源消耗的總功率、效率的變化曲線。Ubm變化對諧振功率放大器性能的影響與基極調(diào)制特性相似。iC波形及IC0、Ic1m、Ucm、Po、PE、C隨Ubm的變化曲線如圖3-7所示。由圖可見，在欠壓區(qū)域，輸出電壓振幅與輸入電壓振幅基本成正比，即電壓增益近似為常數(shù)。利用這一特點可將諧振功率放大器用作電壓放大器，所以稱這組曲線為放大特性曲線。2.實驗電路 高頻諧振功

51、率放大器實驗電路如圖3-8。圖3-8 高頻諧振功率放大器實驗電路 電容C1是輸入隔直電容，第一級電路是小信號諧振放大器，對輸入信號進行放大，由于丙類功放屬于大信號放大，若輸入信號幅度過小，丙類功放不能夠?qū)?，因此需要先對輸入信號進行前置放大。第二級電路是丙類諧振功率放大器，電阻R7提供自己偏置，靜態(tài)時，基極直流電壓為0V。當輸入信號使晶體管導(dǎo)通后，晶體管的射極有一個直流偏置電壓，所以此時的Vbe0，晶體管工作在丙類狀態(tài)。集電極調(diào)諧回路由固定電容，可變電容和中周組成，調(diào)整可變電容值或者中周的鐵芯位置可改變諧振回路的諧振頻率，調(diào)整滑動變阻器RW2可以改變負載電阻值，從而觀察功放的負載調(diào)制特性。 集電極供電電源部分由三端可調(diào)DC變換器LM317提供，改變滑動變阻器的阻值，可改變集電極的供電電源電壓，從而觀察功放的集電極調(diào)制特性。四、實驗內(nèi)容 1丙類諧振功率放大器實驗電路的調(diào)整。2. 丙類諧振功率放大器的激勵調(diào)制特性測試-激勵電壓變化對放大器工作狀態(tài)的影響測試。3諧振功率放大器的負載特性測試-負載變化對放大器工作狀態(tài)的影響測試。4集電極電源電壓變化對諧振功率放大器工作狀態(tài)的影響（集電極調(diào)制特性）測試。五、實驗步驟1高頻諧振功率放大器實驗電路的調(diào)整（1）在實驗箱主板上插上高頻諧振功率放大器實驗電路模塊。接通實驗箱上電源開關(guān)電源指標燈點亮。 用高頻信號源提供10.7MHz