实验一高频小信号调谐放大器一、实验目的小信号调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。通过本实验，我们希望同学们能重点掌握以下几方面内容：1.静态工作点（直流工作状态）的调试，小信号调谐放大器必需工作在甲类2.小信号（交流工作状态）的定义.输入信号必需小于5毫伏3．并联谐振回路的特性.谐振曲线，通频带，矩形系数4.放大特性.电压放大倍数，动态特性（输入-—一输出电压特性）.二、实验内容1、调节谐振回路使谐振放大器谐振在10.7MHz。2、测量谐振放大器的电压增益。3、测量谐振放大器的通频带。4、测量谐振放大器的输入---输出电压特性5、判断谐振放大器选择性的优劣。三、实验仪器一台1、20MHz模拟示波器一块2、数字万用表3、高频信号源一台四、实验原理图1-1所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号调谐放大器。它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器输出信号的频率和相位。晶体管的静态工作点由电阻Rel，Rz及Re决定，其计算方法与低频单管放大器相同。+yccRB1ORN3UOCFN2GND1CiUi.RB2RE-CEGND图1-1小信号调谐放大器放大器在高频情况下的等效电路如图1-2所示，晶体管的4个y参数yie，yoe，yf及yre分4
4 实验一 高频小信号调谐放大器 一、实验目的 小信号调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路，主要用于高频小信号或微弱信号 的线性放大。通过本实验,我们希望同学们能重点掌握以下几方面内容: 1. 静态工作点(直流工作状态)的调试.小信号调谐放大器必需工作在甲类. 2. 小信号(交流工作状态)的定义.输入信号必需小于 5 毫伏. 3. 并联谐振回路的特性.谐振曲线,通频带,矩形系数. 4. 放大特性.电压放大倍数,动态特性(输入 - 输出电压特性). 二、实验内容 1、 调节谐振回路使谐振放大器谐振在 10.7MHz。 2、 测量谐振放大器的电压增益。 3、 测量谐振放大器的通频带。 4、 测量谐振放大器的输入 - 输出电压特性 5、 判断谐振放大器选择性的优劣。 三、实验仪器 1、20MHz 模拟示波器 一台 2、数字万用表 一块 3、高频信号源 一台 四、实验原理 图 1-1 所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号调谐放大器。它不仅要放大高频信 号，而且还要有一定的选频作用，因此晶体管的集电极负载为 LC 并联谐振回路。在高频情 况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器输出信号的频率和相 位。晶体管的静态工作点由电阻 RB1，RB2 及 RE 决定，其计算方法与低频单管放大器相同。 图 1-1 小信号调谐放大器 放大器在高频情况下的等效电路如图 1-2 所示，晶体管的 4 个 y 参数 ie y ， oe y ， fe y 及 re y 分
gbe+jwCbeYie别为：输入导纳(1-1)1+r(gbe+jwcbe)gmrobjwCh输出导纳+jwCbe(1-2)Yoe~1+r(s.+ jwc.)gmYfe正向传输导纳(1-3)1+r(gbe+ jwcbe)jwc反向传输导纳Yre2(1-4)1+r(g+jwc)cB++C.GPyoeiiYreUeUiiePiyfeP'gLYgIg1-晶体管信号源负载回路1图1-2放大器的高频等效回路式中，gm一晶体管的跨导，与发射极电流的关系为(I)mACgm26(1-5)发射结电导，与晶体管的电流放大系数β及I，有关，gbe1(I)mAS(1-6)其关系为gbe26βrbe一基极体电阻，一般为几十欧姆：'bC。一一集电极电容，一般为几皮法；C。一一发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。由此可见，晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流I，电流放大系数β有关外，还与工作频率の有关。晶体管手册中给出的分布参数一般是在测试条件一定的情况5
5 别为： 输入导纳 ( ) b b b e b e b e b e ie r g jwc g jwc y ' ' ' ' ' 1+ + + （1-1） 输出导纳 ( ) b e b b b e b e m b b b e oe jwc r g jwc g r jwc y ' ' ' ' ' ' 1 + + + （1-2） 正向传输导纳 ( ) b b b e b e m fe r g jwc g y 1+ ' ' + ' （1-3） 反向传输导纳 ( ) b b b e b e b e re r g jwc jwc y ' ' ' ' 1+ + − （1-4） 图 1-2 放大器的高频等效回路 式中， m g ——晶体管的跨导，与发射极电流的关系为 S I mA g E m 26 = （1-5） b e g / ——发射结电导，与晶体管的电流放大系数 β 及 IE 有关， 其关系为 S I mA r g E be be 26 1 ' ' = = （1-6） b b r / ——基极体电阻，一般为几十欧姆； b c C / ——集电极电容，一般为几皮法； b e C / ——发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。 由此可见，晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流 E I ，电流放大系数 有 关外，还与工作频率 有关。晶体管手册中给出的分布参数一般是在测试条件一定的情况
下测得的。如在f。=30MHz，I=2mA，Uce=8V条件下测得3DG6C的y参数为：11=250mS=2mSCie=12pFgie=goe =roerielyre=350usCoe=4pF[yre| = 40ms如果工作条件发生变化，上述参数则有所变动。因此，高频电路的设计计算一般采用工程估算的方法。图1-2中所示的等效电路中，P,为晶体管的集电极接入系数，即(1-7)P = N,/N2式中，N，为电感L线圈的总匝数。P,为输出变压器T的副边与原边的匝数比，即(1-8)P,=N,/N,式中，N，为副边（次级）的总匝数。8,为调谐放大器输出负载的电导，g1=1/R,。通常小信号调谐放大器的下一级仍为晶体管调谐放大器，则g,将是下一级晶体管的输入导纳gie2。由图1-2可见，并联谐振回路的总电导g，的表达式为g=pigoe+p2gie+jwc+-+GJwL(1-9)1=pigoe+p2gl+jwc+-+GjwL式中，G为LC回路本身的损耗电导。谐振时L和C的并联回路呈纯阻，其阻值等于1/G，并联谐振电抗为无限大，则jwC与1/（jwL）的影响可以忽略。1、调谐放大器的性能指标及测量方法表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率f。，谐振电压放大倍数A。，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr01来表示）等。放大器各项性能指标及测量方法如下：（1）谐振频率放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f称为放大器的谐振频率，对于图1-1所示电路（也是以下各项指标所对应电路），。的表达式为6
6 下测得的。如在 f o = 30MHz， E I =2mA，UCE =8V 条件下测得 3DG6C 的 y 参数为： mS r g ie ie 2 1 = = Cie =12pF mS r g oe oe 250 1 = = Coe = 4pF y fe = 40mS yre = 350uS 如果工作条件发生变化，上述参数则有所变动。因此，高频电路的设计计算一般采用工 程估算的方法。 图 1-2 中所示的等效电路中， 1 p 为晶体管的集电极接入系数，即 1 1 2 P = N / N （1-7） 式中， N2 为电感 L 线圈的总匝数。 2 p 为输出变压器 T 的副边与原边的匝数比，即 2 3 2 P = N / N （1-8） 式中， N3 为副边（次级）的总匝数。 L g 为调谐放大器输出负载的电导， gL =1 RL 。通常小信号调谐放大器的下一级仍为 晶体管调谐放大器，则 L g 将是下一级晶体管的输入导纳 ie2 g 。 由图 1-2 可见，并联谐振回路的总电导 g 的表达式为 G jwL p g p g jwc G jwL g p g p g jwc oe L oe i e = + + + + = + + + + 1 1 2 2 2 1 2 2 2 2 1 （1-9） 式中，G 为 LC 回路本身的损耗电导。谐振时 L 和 C 的并联回路呈纯阻，其阻值等于 1/G， 并联谐振电抗为无限大，则 jwC 与 1/（jwL）的影响可以忽略。 1、调谐放大器的性能指标及测量方法 表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率 o f ，谐振电压放大倍数 Avo ，放 大器的通频带 BW 及选择性（通常用矩形系数 Kr0.1 来表示）等。 放大器各项性能指标及测量方法如下： （1）谐振频率 放大器的调谐回路谐振时所对应的频率 o f 称为放大器的谐振频率，对于图 1-1 所示电 路（也是以下各项指标所对应电路）， o f 的表达式为
(1-10)fo=2元/LC，式中，L为调谐回路电感线圈的电感量：C,为调谐回路的总电容，C,的表达式为C =C+P'Coe + P’Cile(1-11)式中，Coe为晶体管的输出电容：Cie为晶体管的输入电容。谐振频率。的测量方法是：用扫频仪作为测量仪器，用扫频仪测出电路的幅频特性曲线，调变压器T的磁芯，使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点于。。（2）电压放大倍数放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数A称为调谐放大器的电压放大倍数。Ar的表达式为-PiP2feAvo =- uo __PiPayk-(1-12)pigoe+pagie+Gugs式中，g，为谐振回路谐振时的总电导。因为LC并联回路在谐振点时的L和C的并联电抗为无限大，因此可以忽略其电导。但要注意的是yf本身也是一个复数，所以谐振时输出电压uo与输入电压u：相位差为（180+Φfe）。A的测量方法是：在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量图1-1中R两端的电压u及输入信号u；的大小，则电压放大倍数A由下式计算：Ayo=U。/U,或 Avo=20lg(U。/U.)dB(1-13)（3）通频带由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数A.下降到谐振电压放大倍数A的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW，其表达式为BW=2Afo7=fo/Q(1-14)式中，Q为谐振回路的有载品质因数。分析表明，放大器的谐振电压放大倍数A与通频带BW的关系为7
7 = LC f 2 1 0 （1-10） 式中，L 为调谐回路电感线圈的电感量； C 为调谐回路的总电容， C 的表达式为 C C P Coe P Cie 2 2 2 = + 1 + （1-11） 式中， Coe 为晶体管的输出电容；Cie 为晶体管的输入电容。 谐振频率 o f 的测量方法是： 用扫频仪作为测量仪器，用扫频仪测出电路的幅频特性曲线，调变压器 T 的磁芯，使电 压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点 o f 。 （2）电压放大倍数 放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数 Avo 称为调谐放大器的电压放大倍 数。 Avo 的表达式为 p g p g G p p y g p p y u u A oe i e f e f e i V + + − = − = − = 2 2 2 1 0 1 2 1 2 0 （1-12） 式中， g 为谐振回路谐振时的总电导。因为 LC 并联回路在谐振点时的 L 和 C 的并联电 抗为无限大，因此可以忽略其电导。但要注意的是 fe y 本身也是一个复数，所以谐振时输出 电压 u0 与输入电压 ui 相位差为（180o + fe ）。 Avo 的测量方法是：在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量图 1-1 中 RL 两端 的电压 u0 及输入信号 ui 的大小，则电压放大倍数 Avo 由下式计算： AV 0 =U0 Ui 或 ( ) AV Uo Ui 0 = 20lg dB (1-13) （3）通频带 由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降， 习惯上称电压放大倍数 Av 下降到谐振电压放大倍数 Avo 的 0.707 倍时所对应的频率偏移称 为放大器的通频带 BW，其表达式为 QL BW f f = 2 0.7 = 0 (1-14) 式中，QL 为谐振回路的有载品质因数。 分析表明，放大器的谐振电压放大倍数 Avo 与通频带 BW 的关系为
[yfelAvo·BW(1-15)2元Cz上式说明，当晶体管选定即yre确定，且回路总电容C为定值时，谐振电压放大倍数Av。与通频带BW的乘积为一常数。这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。通频带BW的测量方法：是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。测量方法可以是扫频法，也可以是逐点法。逐点法的测量步骤是：先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率f及电压放大倍数A然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压us不变），并测出对应的电压放大倍数A。由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的谐振曲线如图1-3所示。Av[Avo10.7JLJfU2△fo.1图1-3谐振曲线由式（1-14）可得BW = fH-fi =2Afo.7(1-16)通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频宽，同时又能提高放大器的电压增益，由式（1-15）可知，除了选用y较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量C。如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号，则可减小通频带，尽量提高放大器的增益。（4）选择性一一矩形系数调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kr0，时来表示，如图（1-3）所示的谐振曲线，矩形系数Kr01为电压放大倍数下降到0.1A时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707A。时对应的频率偏移之比，即K,0.1=24fo.1/2Afo.7=24fo./BW(1-17)8
8 • = C y A BW fe V 2 0 (1-15) 上式说明，当晶体管选定即 yfe 确定，且回路总电容 CΣ为定值时，谐振电压放大倍数 Avo 与通频带 BW 的乘积为一常数。这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。 通频带 BW 的测量方法：是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。测量方法可以是扫 频法，也可以是逐点法。逐点法的测量步骤是：先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此 时的谐振频率 o f 及电压放大倍数 Avo 然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压 uS 不变），并测出对应的电压放大倍数 Avo 。由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器 的谐振曲线如图 1-3 所示。 由式（1-14）可得 2 0.7 BW f f f = H − L = (1-16) 通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频宽，同时又能提高放 大器的电压增益，由式（1-15）可知，除了选用 fe y 较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回 路的总电容量 C 。如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号，则可 减小通频带，尽量提高放大器的增益。 （4）选择性——矩形系数 调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数 Kv0.1 时来表示，如图（1-3）所示的谐振 曲线，矩形系数 Kv0.1 为电压放大倍数下降到 0.1 Avo 时对应的频率偏移与电压放大倍数下降 到 0.707 Avo 时对应的频率偏移之比，即 KV 0.1 = 2f 0.1 2f 0.7 = 2f 0.1 BW （1-17） AV 0 Av 0.7 BW 0.1 L f 0 f H f 2△f0.1 图 1-3 谐振曲线