1、高頻電路實驗（一） 121180166 趙琛高頻小信號諧振放大器實驗121180166 趙琛一、 實驗目的1 掌握高頻小信號調諧放大器的工作原理和基本電路結構。2 掌握高頻小信號調諧放大器的調試方法。3 掌握高頻小信號調諧放大器各項技術參數（電壓放大倍數，通頻帶，矩形系數，1dB壓縮點）的測試方法。二、實驗使用儀器1小信號調諧放大器實驗板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、 小信號調諧放大器的基本原理小信號調諧放大器是構成無線電通信設備的主要電路， 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

2、放大 。 所謂“小信號”，指輸入信號電壓一般在微伏毫伏數量級范圍內，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。所謂“調諧”，主要是指放大器的集電極負載為調諧回路（如LC調諧回路）。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、小信號調諧放大器技主要技術指標1. 增益：表示高頻小信號調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

3、的單位常用dBm表示：dBm和mW之間的換算關系：，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倍時所對應的輸入信號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，通常引入參數矩形系數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 穩定性：高頻小信號諧振放大器能夠穩定工作是首要條件。由于高頻放大器的工作頻率較高，根據晶體管的Y參數模型，當工作頻

4、率較高時，晶體管本身存在內反饋參數，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，此時這些參數會構成分布參數電路，此外如果電源的去耦電路設計不好，各級電源之間還會有相互串擾，都很有可能構成外部的寄生反饋回路，當滿足正反饋的相位條件時，就構成了正反饋，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，由于晶體管內反饋參數和外部分布參數的不穩定，當環境溫度變化，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、大器的穩定，1. 合理地設計外部電路的元器件布局和信號線走向、適當的降低每級放大器的增益。2. 降低每級放大器初級線圈和次級線圈之間的耦合系數，減少下一級放大器輸入電阻對本級的影響。3.在每級放大器的輸入端串聯一個阻值在幾百歐范圍內的電阻，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，盡可能降低內反饋參數的影響。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

6、聲系數：為了提高接收機的靈敏度，必須設法降低放大器的噪聲系數。前置高頻放大器一般由多級組成，降低噪聲系數的關鍵在于減小前級電路的內部噪聲。因此，在設計前級放大器時，要求采用低噪聲器件，合理地設置工作點電流（一般將靜態工作點電流設置較小，目的是減少電路的噪聲），適當的限制輸入信號帶寬，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最小。5輸入信號的動態范圍： 輸入信號的動態范圍定義為：（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

7、功率的下限主要由電路的噪聲系數決定。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，在一定的噪聲系數下，輸入信號的功率不能很小。一般來說噪聲系數越小，所允許的輸入信號功率下限就越小。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失真決定。 6 非線性失真（諧波失真和三階交調失真）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，輸出信號和輸入信號之間滿足線性關系，如式(1_6）。此時輸出信號的頻率和輸入信號的頻

8、率相同，沒有新的頻率分量產生，放大器沒有產生非線性失真。， (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，此時輸入和輸出的關系如用式(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

9、大的主要是三階交調。 下面簡單的推導一下三階交調產生的原因。 假設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，輸出信號包含，兩個頻率分量。如下圖所示：假設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會出現頻率為，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，因此三階交調分量對小信號放大器的輸出信號頻譜純度影響很大，應當盡量避免。 圖2 三階交調失真示意圖 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失真，放大器的小信號增益大

10、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），放大器工作在線性狀態，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

11、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，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，射頻放大器出現非線性工作狀態，輸出信號中出現了三階交調分量。輸入雙頻信號的功率進一步增加，輸出信號

12、中三階交調分量的功率也進一步增加。當輸入雙頻信號的功率較大時，射頻放大器出現比較嚴重的非線性狀態，輸出信號中三階交調分量的功率很大，并且在三階交調分量的兩側還出現了五階交調分量。3.實驗電路原理分析 小信號調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組成選頻網絡，此時，需要將跳線TP1的下部連

13、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。晶體管需要設置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，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，減少非線性失真，同時保證電路有較高的電壓增益和穩定性。一般來說，工作點電壓要滿足以下的條件：1.發射極正偏:，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通，要求）通常情況下，適當的增加晶體管射極的

14、直流電流Ie可以提高晶體管的電流放大倍數，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，也會導致晶體管的電流放大倍數下降，另外此時輸出波形諧波失真較大，電路的非線性效應也較明顯。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，調節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，

15、可以改變回路的品質因素和電壓增益。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，LED亮說明電路正常上電。四、實驗內容 1靜態工作點與諧振回路的調整。2放大器的幅頻特性及通頻帶的測試。3測試品質因數對放大器的幅頻特性及通頻帶的影響。五、實驗數據與分析（注：以下電壓測量均為有效值） 1、空載放大倍數與有載放大倍數的測量 空載有載輸入/mv5050輸出/V1.771.63放大倍數35.632.6分析：由數據可見，當有載時，放大倍數稍微有一點衰減。原因在于，本來空載時已經做到了阻抗匹配，但加上負載后，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。這個也符合理論頻譜。 f0 MHzf3 MHzf4 MHZ10.78.9512.37=3.42MHz矩形系數： =9.00分析：測量的矩形系數比實際值要小。忽略次要因素，我認為這里產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線，在高頻時候頻響并不是不變的，會隨著頻率而改變，從而導致和理論頻譜的誤差。如果換成同軸線的話，效果會好很多，在緒論課中也得到了很好的驗證。2由實驗數據分析品質因數對諧振

17、時放大倍數和通頻帶的影響。3. 由實驗數據分析阻尼電阻對品質因數的影響。改變RW1，測量放大倍數與通頻帶RW1輸入電壓/mv輸出電壓峰值放大倍數f0 MHzf1 MHzf2 MHz通頻帶寬 MHz50k501.7434.810.710.5410.830.291k501.6633.210.710.5210.850.33數據分析：阻尼電阻與品質因數有關，而品質因數又影響了放大倍數與通頻帶。如電路圖可見，為并聯諧振回路，則R=QWL，RW1越大，阻尼電阻越大，從而品質因數越大。Q與帶寬近似反比（帶寬增益積一定），從而帶寬越窄。由數據可得，RW1=50k時放大倍數較大，通頻帶較窄。即阻尼電阻越大，品質

18、因數越高。品質因數Q越大，放大倍數會增大，而通頻帶會減小。實驗數據和理論相符。4改變小信號射極電流，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，直流工作點改變，增益發生了改變。但是，在實際試驗中我也發現，當射極電流達到6mA時，出現了很嚴重的失真。通常情況下，適當的增加晶體管射極的直流電流Ie可以提高晶體管的電流放大倍數，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，也會導致晶體管的電流放大倍數下降，另外此時輸出波形諧波失真較大，電路的非線性效應也較明顯。另外，在本實驗中，實際增益變化比理論增益變化要小。原因在于：1由于調整并非完全精確，導致諧振點并不是在10.7MHz（試驗中我認為在10.7MHz10.71MHz之間），從而與實際有一定誤差。根據頻譜可以