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1、單調(diào)諧高頻小信號(hào)諧振放大器目錄一、實(shí)驗(yàn)原理2二、仿真分析82.1 實(shí)驗(yàn)一82.2 實(shí)驗(yàn)二14三、單調(diào)諧放大電路設(shè)計(jì)實(shí)例223.1電路選擇與參數(shù)計(jì)算233.1.1選定電路形式233.1.2設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)243.1.3諧振回路參數(shù)計(jì)算243.1.4確定耦合電容與高頻濾波電容:24一、實(shí)驗(yàn)原理調(diào)諧放大器的主要特點(diǎn)是晶體管的集電極負(fù)載不是純電阻,而是由 L、C組成的并聯(lián)諧振回路,由于L、C并聯(lián)諧振回路的阻抗隨頻率而變化,在諧振頻率處、其阻抗是純電阻,且達(dá)到最大值。因此,用并聯(lián)諧振回路作集電極負(fù)載的調(diào)諧放大器在回路的諧振頻率上具有最大的放大系數(shù),稍離開此頻率放大系數(shù)就迅速減小。因此用這種放大器就可以只放
2、大我們所需要的某些頻率信號(hào),而抑止不需要的信號(hào)或外界干擾信號(hào)。正因如此,調(diào)諧放大器在無(wú)線電通訊等方面被廣泛地用作高頻和中頻選頻放大器。調(diào)諧放大器的電路形式很多,但基本的電路單元只有兩種:一種是單調(diào)諧放大器,一種是雙調(diào)諧放大器。這里先討論單調(diào)諧放大器。() 單調(diào)諧放大器的基本原理典型的單調(diào)諧放大器電路如圖1.1所示。圖中R1, R2 是直流偏置電阻;LC并聯(lián)諧振回路為晶體管的集電極負(fù)載,Re是為提高工作點(diǎn)的穩(wěn)定性而接入的直流負(fù)反饋電阻, Cb和Ce是對(duì)信號(hào)頻率的旁路電容。輸入信號(hào)Vs經(jīng)變壓器耦合至晶體管發(fā)射結(jié),放大后再由變壓器耦合到外接負(fù)載RL,CL上。為了減小晶體管輸出導(dǎo)納對(duì)回路的影響,晶體管
3、T1采用抽頭接入。圖1.1高頻小信號(hào)諧振放大器電路在低頻電子電路中,我們經(jīng)常采用混合模型來(lái)描述晶體管。把晶體管內(nèi)部的物理過(guò)程用集中元器件RLC表示。用這種物理模型的方法所涉及到的物理等效電路就是所謂的參數(shù)等效電路。混合 參數(shù)是晶體管物理參數(shù),與頻率無(wú)關(guān),物理概念清楚。但是由于輸入輸出相互牽制,在高頻分析時(shí)不太方便。在高頻電子線路的分析中,通常采用Y參數(shù)模型來(lái)描述晶體管。Y參數(shù)是一種網(wǎng)絡(luò)參數(shù),由于它將晶體管的輸入輸出分開,所以便于進(jìn)行高頻分析。Y參數(shù)與頻率有關(guān),但是通常高頻小信號(hào)放大電路屬于窄帶放大電路,所以不影響Y參數(shù)的運(yùn)用。Y參數(shù)本身可以通過(guò)混合 參數(shù)換算,也可以通過(guò)專門的儀器進(jìn)行測(cè)量。晶體
4、管混合模型如下圖所示圖1.2混合模型其中,稱為跨導(dǎo) (1-1)為發(fā)射結(jié)電容,一般為幾十皮法至幾百皮法。為集電結(jié)電容,一般為幾皮法。對(duì)于共發(fā)射極組態(tài)的三極管電路,Y參數(shù)定義如下: (1-2) (1-3)圖1.3 晶體管Y參數(shù)模型根據(jù)晶體管混合參數(shù)模型,可得到 Y參數(shù)如下: (1-4) (1-5)通常情況下較小,一般幾百歐姆,較大,一般幾千歐姆,為了估算方便,進(jìn)一步將得到 Y參數(shù)簡(jiǎn)化如下: (1-6) (1-7)例如,某晶體管的混合參數(shù)為:低頻工作時(shí),忽略,有高頻工作時(shí),設(shè)f=465kHz,代入前面的公式,有結(jié)果是所有的參數(shù)都變成了復(fù)數(shù),其中略有變小,并略有相移。但是變化強(qiáng)烈,并產(chǎn)生了很大相移,表
5、示晶體管產(chǎn)生了強(qiáng)烈的內(nèi)反饋。根據(jù)y參數(shù)模型,得到圖1.1高頻小信號(hào)諧振放大器電路相應(yīng)的等效電路如下:圖1.4 諧振放大器電路等效電路A根據(jù)晶體管的Y參數(shù)等效電路1.4,若忽略晶體管的內(nèi)反饋,并將各元件都折算到回路兩端,就可將圖1.4等效成圖1.5。圖1.5 諧振放大器電路等效電路B其中,為信號(hào)源,為晶體管的集電極接入系數(shù),式中為電感線圈的總匝數(shù),為晶體管的集電極接入電感線圈匝數(shù);為輸出變壓器的副線圈與原線圈的匝數(shù)比,式中為電感副線圈的匝數(shù)。為L(zhǎng)C回路本身的損耗電導(dǎo),為諧振回路電感。其它參數(shù)如下所示: (1-8) (1-9) (1-10) (1-11)為諧振放大器輸出負(fù)載的電導(dǎo),通常小信號(hào)諧振放
6、大器的下一級(jí),仍為晶體管諧振放大器,則將是下一級(jí)晶體管的輸人電導(dǎo)和電容。晶體管在高頻情況下的分布參數(shù)除了與靜態(tài)工作電流、電流放大系數(shù)有關(guān)外,還與工作角頻率有關(guān)。晶體管手冊(cè)中給出的分布參數(shù)一般是在測(cè)量條件一定的情況下測(cè)得的。如在,條件下測(cè)得的Y參數(shù)(二) 主要性能指標(biāo)及測(cè)量方法表征高頻小信號(hào)諧振放大器的主要性能指標(biāo)有諧振頻率,諧振電壓放大倍數(shù),放大器的通頻帶及選擇性(通常用矩形系數(shù)來(lái)表示)等,采用圖1.6所示的測(cè)試電路可測(cè)量各項(xiàng)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)電路被設(shè)計(jì)成多個(gè)實(shí)驗(yàn)通用。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō),電路由晶體管,諧振回路等構(gòu)成。是輸出耦合電容,是負(fù)載電阻。本實(shí)驗(yàn)的諧振頻率由調(diào)節(jié),由于的容量有限,故加固定電容以增大總
7、電容。圖中輸入信號(hào)由高頻信號(hào)發(fā)生器提供,示波器監(jiān)測(cè)輸入端和負(fù)載端的波形。諧振放大器的各項(xiàng)性能指標(biāo)及測(cè)量方法如下。 圖1.6高頻小信號(hào)諧振放大器測(cè)試電路 1諧振頻率的測(cè)試 放大器的諧振回路諧振時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為諧振頻率。圖1.1所示電路的表達(dá)式為 (1-12)式中,為諧振回路電感線圈的電感量,為諧振回路的總電容,為晶體管的輸出電容、為負(fù)載電容。在實(shí)際的諧振放大器設(shè)計(jì)過(guò)程中,常常是根據(jù)上式估算出各電容及電感的數(shù)值,然后在實(shí)際調(diào)試中,通過(guò)改變電感或某個(gè)電容的值,達(dá)到電路諧振在設(shè)計(jì)頻率上的目的。諧振頻率的調(diào)整步驟是,首先使高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率為,輸出電壓為幾毫伏;然后調(diào)諧集電極回路即改變C或電感線
8、圈L的磁芯位置使回路諧振。LC并聯(lián)回路諧振時(shí),示波器顯示的輸出波形幅度最大,且無(wú)明顯失真。這時(shí)回路的諧振頻率就等于高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率。2電壓增益的測(cè)試 放大器的諧振回路諧振時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)稱為諧振放大器的電壓增益(放大倍數(shù))。的表達(dá)式為: (1-13)要注意的是,本身也是一個(gè)復(fù)數(shù),所以諧振時(shí)輸出電壓與輸入電壓的相位差為 ()。只有當(dāng)工作頻率較低時(shí),與的相位差才等于。 的測(cè)量電路如圖1.6所示,測(cè)量條件是放大器的諧振回路處于諧振狀態(tài)。當(dāng)回路諧振時(shí),分別從電源的指示器上記下輸入端電壓的讀數(shù)及示波器上讀出輸出端的讀數(shù),則電壓放大倍數(shù)由下式計(jì)算: (1-14)用分貝表示為3頻率特性的測(cè)試
9、通頻帶BW由于諧振回路的選頻作用,當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時(shí),放大器的電壓放大倍數(shù)下降,電壓放大倍數(shù)隨信號(hào)頻率變化的曲線,叫做放大器的諧振曲線,如圖1.7所示。電壓放大倍數(shù) (1-15)習(xí)慣上稱電壓放大倍數(shù)下降到諧振電壓放大倍數(shù)的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱為放大器的通頻帶,其表達(dá)式為 (1-16)式中為諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù) (1-17)分析表明,放大器的諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積滿足關(guān)系式 (1-18)上式說(shuō)明,當(dāng)晶體管選定即確定,且回路總電容為定值時(shí),諧振電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積為一常數(shù)。這與低頻放大器中的增益帶寬積為一常數(shù)的概念是相同的。由式(1-19)可得通頻帶越寬放大器的電
10、壓放大倍數(shù)越小。要想得到一定寬度的通頻帶,同時(shí)又能提高放大器的電壓增益,由式(1-19)可知,除了選用較大的晶體管外、還應(yīng)盡量減小調(diào)諧回路的總電容量。可通過(guò)測(cè)量放大器的頻率特性曲線來(lái)求通頻帶。測(cè)量方法有逐點(diǎn)法和掃頻法。逐點(diǎn)法測(cè)量步驟是:先使調(diào)諧放大器的諧振回路產(chǎn)生諧振,記下此時(shí)的諧振頻率及電壓放大倍數(shù),然后改變高頻信號(hào)發(fā)生器的頻率(保持其輸出電壓不變),并測(cè)出對(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)。由于回路失諧后電壓放大倍數(shù)下降,所以可以得到如圖1.7所示的諧振特性曲線。掃頻法測(cè)量步驟是調(diào)節(jié)頻響特性測(cè)試儀,產(chǎn)生頻率在某個(gè)范圍內(nèi)變化的信號(hào)(掃頻信號(hào)),此時(shí)儀器自動(dòng)記錄并顯示在該頻率范圍內(nèi)的輸出幅度,即頻率特性曲線。
11、因此,該方法比較方便的測(cè)量出電路的頻率特性。矩形系數(shù) 諧振放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)來(lái)表示,如圖1.7所示。矩形系數(shù) 為電壓放大倍數(shù)下降到0.1 時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍與電壓放大倍數(shù)下降到0.707時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率偏移之比,即 (1-19)矩形系數(shù)越接近1,鄰近波道的選擇性越好,濾除干擾信號(hào)的能力越強(qiáng)。一般單級(jí)單調(diào)諧振放大器的矩形系數(shù)等于固定值10,遠(yuǎn)大于1,與回路參數(shù)無(wú)關(guān),所以選擇性較差。因此,為提高放大器的選擇性通常采用多級(jí)諧振放大器。可以通過(guò)測(cè)量諧振放大器的頻率特性曲線來(lái)求得矩形系數(shù)。二、仿真分析2.1 實(shí)驗(yàn)一仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?)測(cè)試單調(diào)諧放大器的電壓放大倍數(shù)(2)測(cè)試單調(diào)諧放大器的幅頻
12、特性和相頻特性(3)測(cè)試單調(diào)諧放大器的回路諧振曲線仿真電路圖: (1)調(diào)整電路靜態(tài)工作點(diǎn)。通過(guò)調(diào)整Rp,調(diào)節(jié)電路的靜態(tài)工作點(diǎn),使V(6)=1V。電路靜態(tài)工作點(diǎn)分析如圖(2)設(shè)置信號(hào)源在輸入點(diǎn)A接入虛擬函數(shù)發(fā)射器,設(shè)置為10.7MHZ、峰值電壓為20mV的正弦波。(3) 調(diào)試諧振狀態(tài)在輸出點(diǎn)B接入虛擬萬(wàn)用表,設(shè)置為交流電壓模式。開啟仿真開關(guān),調(diào)節(jié)可調(diào)電容C2,同時(shí)觀察虛擬萬(wàn)用表輸出,將輸出交流電壓調(diào)整至最大值。(4)交流分析得到諧振曲線設(shè)置交流分析參數(shù),輸出為V(5),即B點(diǎn)的輸出電壓。點(diǎn)擊仿真,可以得到諧振曲線,(5)分析發(fā)射極電阻R3對(duì)電路的影響。設(shè)置參數(shù)掃描,交流分析參數(shù)與輸出設(shè)置與步驟(
13、4)相同點(diǎn)擊仿真,可以得到:由于單調(diào)諧放大器在諧振時(shí)的電壓放大倍數(shù)與yfe 有直接關(guān)系,即與gm 有直接關(guān)系,而 。因此,在發(fā)射極靜態(tài)電壓不變時(shí),改變發(fā)射極電阻的大小,可以改變跨導(dǎo),進(jìn)而改變輸出電壓的大小。在輸入電壓幅值不變的情況下,發(fā)射極電阻越大,電壓放大倍數(shù)越小。(6)帶寬的測(cè)量 根據(jù)交流分析圖,測(cè)得諧振時(shí)峰值電壓,然后下降3db,測(cè)得帶寬4.96MHZ根據(jù)諧振時(shí)的交流分析圖可以看到,在諧振頻率為10.7MHZ時(shí),相位角約為180度,說(shuō)明輸出電壓極性與輸入電壓極性相反。2.2 實(shí)驗(yàn)二為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)電路及方便元器件采買,結(jié)合理論分析,初步設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)電路如圖:Rb1采用一個(gè)固定電阻Rb1A 一
14、個(gè)可變電阻Rb1B負(fù)載RL采用一個(gè)固定電阻,一個(gè)可變電阻電容C采用一個(gè)電容,一個(gè)可變電容發(fā)射極電阻有三種選擇,用開關(guān)進(jìn)行切換(1) 調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。調(diào)整RLB,使RLB=5K。閉合開關(guān)S1,在三極管發(fā)射極放置一個(gè)虛擬探針。啟動(dòng)仿真開關(guān),觀察虛擬探針直流電流參數(shù),調(diào)整Rb1B,使電流為1MA。當(dāng)Rb1B調(diào)整至26.2%附近時(shí),虛擬探針結(jié)果:直流工作點(diǎn)分析如圖:(2) 添加信號(hào)源在電路輸入點(diǎn)A出,添加虛擬信號(hào)源,設(shè)置如下(3) 調(diào)整諧振狀態(tài)為電路添加虛擬示波器與虛擬萬(wàn)用表,將萬(wàn)用表設(shè)置為交流電壓模式。啟動(dòng)仿真開關(guān),不斷調(diào)整C2B,使萬(wàn)用表電壓輸出為最大值,此時(shí)電路達(dá)到諧振狀態(tài)。當(dāng)C2B為45.4%
15、時(shí),輸出電壓為2V,達(dá)到最大值,電路達(dá)到諧振狀態(tài)。(4) 交流分析得到諧振曲線交流分析參數(shù)如圖,本例中的輸出選擇為V(11)由圖可以看出,諧振頻率點(diǎn)在10.7MHZ,相位角大約為180,說(shuō)明輸入與輸出極性相反。將示波器的B通道連接至信號(hào)源,將B通道顯示的顏色設(shè)置為藍(lán)色,啟動(dòng)仿真開關(guān)。觀察示波器說(shuō)明輸出輸出正好極性相反。(5) 帶寬測(cè)量利用交流分析結(jié)果,測(cè)量帶寬可以看到帶寬為474KHZ。(6) 分析發(fā)射極電阻對(duì)電路的影響。對(duì)R3進(jìn)行參數(shù)掃描,設(shè)置如圖,輸出為V(11)分析結(jié)果如圖由于單調(diào)諧放大器在諧振時(shí)的電壓放大倍數(shù)與yfe 有直接關(guān)系,即與gm 有直接關(guān)系,而 。因此,在發(fā)射極靜態(tài)電壓不變時(shí)
16、,改變發(fā)射極電阻的大小,可以改變跨導(dǎo),進(jìn)而改變輸出電壓的大小。在輸入電壓幅值不變的情況下,發(fā)射極電阻越大,電壓放大倍數(shù)越小。(7) 分析電容對(duì)電路的影響對(duì)C2A進(jìn)行參數(shù)掃描,參數(shù)設(shè)置為可以看到,通過(guò)調(diào)整電容,可以調(diào)整電路的諧振頻率。電容越小,諧振頻率越高(8) 分析RL對(duì)電路的影響對(duì)RLA進(jìn)行參數(shù)掃描,設(shè)置參數(shù)可以看到調(diào)整RL負(fù)載,可以調(diào)節(jié)電路的帶寬、矩形系數(shù)、以及品質(zhì)因數(shù)Q。三、單調(diào)諧放大電路設(shè)計(jì)實(shí)例技術(shù)指標(biāo):中心頻率,通頻帶,增益,品質(zhì)因數(shù)。已知條件:電源電壓,輸入信號(hào)幅度,信號(hào)源內(nèi)阻,負(fù)載阻抗,電感線圈空載損耗。設(shè)計(jì)步驟:1確定電路形式。2選擇晶體管選擇晶體管應(yīng)考慮以下原則:(1) 為使
17、放大器穩(wěn)定性好應(yīng)選小(即小)的晶體管。(2) 頻率特性要好,應(yīng)選高的晶體管,一般至少取。(3) 為使放大器增益大應(yīng)選大,和(一般為下一級(jí)電路晶體管的輸入導(dǎo)納)小的晶體管。3試探靜態(tài)工作點(diǎn),計(jì)算Y參數(shù)。由于和工作點(diǎn)電流有關(guān),所以不宜太小,但太大則造成增加,所以一般常取(0.53)mA。4計(jì)算偏置電阻:5計(jì)算諧振回路電容:6確定高頻濾波電路及耦合電容7、設(shè)計(jì)仿真電路,進(jìn)行仿真與分析8、通過(guò)仿真分析對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整9、根據(jù)仿真電路圖進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)與焊接10、實(shí)際電路測(cè)試,并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)。設(shè)計(jì)目標(biāo):諧振頻率:10.7MHz,諧振電壓放大倍數(shù):,通頻帶:,矩形系數(shù):。
18、RL=30K3.1電路選擇與參數(shù)計(jì)算3.1.1選定電路形式依設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求,考慮高頻放大器應(yīng)具有的基本特性,可采用共射晶體管單調(diào)諧回路諧振放大器高頻小信號(hào)放大器一般用于放大微弱的高頻信號(hào),此類放大器應(yīng)具備如下基本特性:只允許所需的信號(hào)通過(guò),即應(yīng)具有較高的選擇性。放大器的增益要足夠大。放大器工作狀態(tài)應(yīng)穩(wěn)定且產(chǎn)生的噪聲要小。放大器應(yīng)具有一定的通頻帶寬度。 圖2-1 單調(diào)諧放大器電路 典型的單調(diào)諧諧振放大器原理如圖2-1,圖中,RB1,RB2,RE用以保證晶體管工作于放大區(qū)域,從而放大器工作于甲類,CE是RE的旁路電容,C1,C2是輸入輸出耦合電容,L,C是諧振電路,R是集電極(交流)電阻,他決定了回路的Q值,帶寬。為了減輕負(fù)載對(duì)回路的的影響,輸出采用了部分接入的方式。該電路靜態(tài)工作點(diǎn)Q主要由Rb1、Rb2、Re與Vcc確定。利用和的分壓固定基極偏置電位,如滿足條件:當(dāng)溫度變化,抑制了變化,從而獲得穩(wěn)定的工作點(diǎn)。由此可知,只有當(dāng)時(shí),才能獲得恒定,故硅管應(yīng)用時(shí), 。只有當(dāng)負(fù)反饋越強(qiáng)時(shí),電路穩(wěn)定性越好,故要求,一般硅管取
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