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