高频实验

小信号调谐放大器

实验报告

一实验目的

1．  进一步掌握高频小信号调谐放大器的工作原理和基本电路结构。

2．  掌握高频小信号调谐放大器的调试方法。

3．  掌握高频小信号调谐放大器各项技术参数（电压放大倍数，通频带，矩形系数）的测试。

二、实验使用仪器

1．小信号调谐放大器实验板

2．200MH泰克双踪示波器

3.  FLUKE万用表

4. 模拟扫频仪（安泰信）

5. 高频信号源

三、实验基本原理与电路

1、   小信号调谐放大器的基本原理

小信号调谐放大器是构成无线电通信设备的主要电路， 其作用是有选择地对某一频率范围的高频小信号信号进行放大 。 所谓“小信号”，通常指输入信号电压一般在微伏~毫伏数量级附近，放大这种信号的放大器工作在线性范围内。所谓“调谐”，主要是指放大器的集电极负载为调谐回路（如LC调谐回路）。这种放大器对谐振频率及附近频率的信号具有最强的放大作用，而对其它远离的频率信号，放大作用很差，如图1-1所示。

图1.1 高频小信号调谐放大器的频率选择特性曲线

小信号调谐放大器技术参数如下：

1.增益:表示高频小信号调谐放大器放大微弱信号的能力

2.通频带和选择性

：通常规定放大器的电压增益下降到最大值的0.707倍时，所对应的频率范围为高频放大器的通频带，用B0.7表示。衡量放大器的频率选择性，通常引入参数——矩形系数K0.1，它定义为

式中，B0.1为相对放大倍数下降到0.1处的带宽，如图1.1所示。显然，矩形系数越小，选择性越好，其抑制邻近无用信号的能力就越强。

3稳定性：电路稳定是放大器正常工作的首要条件。不稳定的高频放大器，当电路参数随温度等因素发生变化时，会出现明显的增益变化、中心频率偏移和频率特性曲线畸变，甚至发生自激振荡。由于高频工作时，晶体管内反馈和寄生反馈较强，因此高频放大器很容易自激。因此，必须采取多种措施来保证电路的稳定，如合理地设计电路、限制每级的增益和采取必要的工艺措施等。

噪声系数：为了提高接收机的灵敏度，必须设法降低放大器的噪声系数。高频放大器由多级组成，降低噪声系数的关键在于减小前级电路的内部噪声。因此，在设计前级放大器时，要求采用低噪声器件，合理地设置工作电流等，使放大器在尽可能高的功率增益下噪声系数最小。

2.实验电路

如下

电路分析

In1是高频信号输入端，当信号从In1输入时，需要将跳线TP1的上部连接起来。In2是从天线接收空间中的高频信号输入，电感L1和电容C1,C2组成选频网络，此时，需要将跳线TP1的下部连接起来。电容C3是隔直电容，滑动变阻器RW2和电阻R2,R3是晶体管基极的直流偏置电阻，用来决定晶体管基极的直流电压，电阻R1是射极直流负反馈电阻，决定了晶体管射极的直流电流Ie。晶体管需要设置一个合适的直流工作点，才能保证小信号谐振放大器正常工作，有一定的电压增益。一般来说，工作点电压要满足以下的条件：

1.发射极正偏:，且

2.集电极反偏：

3.（若过小，将导致晶体管饱和导通，此时小信号放大器没有放大倍数）

通常，适当的增加晶体管射极的直流电流Ie可以提高晶体管的交流放大倍数，增大小信号谐振放大器的放大倍数。但Ie过大，输出波形容易失真。一般控制Ie在1-4mA之间。

电容C3是射极旁路电路，集电极回路由电容和电感组成，是一个并联的LC谐振回路，起到选频的作用，其中有一个可变电容可以改变回路总的电容值。电感有初级回路和次级回路组成，中间有铁芯耦合，实验箱上讲电感的初级回路和次级回路封装在中周中，调节中周里的铁芯位置可以改变电感值和耦合强度，从而改变LC谐振回路的谐振频率。滑动变阻器RW1是阻尼电路，可以改变回路的品质因素和电压增益。电阻R4是负载电阻，有跳线J3决定是否连接负载电阻。

电容C4是输出信号的隔直电容，电容C5,C6是直流电源的去耦电容。按下电源开关，LED亮说明电路正常上电。

四、实验内容

  1．静态工作点与谐振回路的调整。

2．放大器的幅频特性及通频带的测试。

3．测试品质因数对放大器的幅频特性及通频带的影响。

五、实验步骤

1.仿真

  利用实验室计算机上提供的Multisim9软件，参照实验电路图，进行仿真（仿真一级放大器即可），晶体管可新建一个新的模型.选择模型参数为

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=22PF  VJE=1.1 MJE=0.5 CJC=7PF  VJC=0.3 MJC=0.3 TF=411P TR=368N)

仿真时：

1.       改变直流电流Ie，研究Ie逐渐增大时小信号放大器电压增益的变化。

答：仿真结果表明：Ie增大导致放大倍数降低

2.       改变谐振回路的中心频率，观察小信号放大器电压增益的变化情况。

答：仿真结果表明：中心频率增大导致放大倍数降低

3.       改变集电极回路中阻尼电阻的阻值，观察小信号放大器电压增益的变化情况，通频带的变化情况。

答：仿真结果表明：阻尼变小时，放大倍数降低，而且带宽增加

4.       在晶体管的射极增加一个交流负反馈电阻，然后改变负反馈电阻阻值，观察小信号放大器电压增益的变化情况，通频带的变化情况。

   答：电压增益降低，通频带变窄

2．静态工作点与谐振回路的调整

⑴ 在实验箱主板上插上小信号调谐放大器实验电路模块。接通实验箱上电源开关电源指标灯点亮。可使用实验箱上高频信号源10.7MHz信号（来自LC、晶体振荡电路模块，要求电路规定的谐振频率符合输入信号频率）由IN1端接入小信号调谐放大器实验电路，幅度在100 mV左右。

       也可以直接使用实验桌上的高频信号源，产生10.7MHz的输入信号从IN1处输入，建议使用外部的高频信号源。

⑵ 在OUT端用示波器观测到放大后的输入信号，调整电位器RW2和微调电容CV2,和中周铁芯的位置，使输出信号幅度最大且失真最小。（电路调谐）

3．放大器的放大倍数及通频带的测试

   (1)空载放大倍数测试

      断开J2，J3，连接J1，用示波器分别测出TP1端电压Ui和OUT端电压Uo，放大倍数为：

实测数据：Uo=222mv Ui=10.6mv  所以A=20.9

    (2)有载放大倍数测试

      断开J2，连接J1，J3,用示波器分别测出TP1端电压Ui和OUT端电压Uo，放大倍数为：

实测数据：Ui=122mv   Uo=202mv   所以A=16.8

 （3）调频带测试

   断开J2,J3，连接J1，保持输入信号幅值Ui不变，改变输入信号的频率，输入信号的频率逐渐上升，输出信号的幅度将下降，当输出幅度下降到f0时的输出幅值的0.707时，所对应的输入信号频率计为f1。同样，减小输入信号的频率得到f2，填到下面的表格中；

     实测数据：              =2.05MHz

    保持输入信号幅值Ui不变，改变输入信号的频率，输入信号的频率逐渐上升，输出信号的幅度将下降，当输出幅度下降到f0时的输出幅值的0.1时，所对应的输入信号频率计为f3。同样，减小输入信号的频率得到f4，填到下面的表格中；

      实测数据：              =13.2MHz

矩形系数：   =6.6

   

3．测试品质因数对放大器的幅频特性及通频带的影响

断开J3，连接J1，J2，调整RW1取两个不同的数值，分别测量谐振时的放大倍数和通频带，测量幅频特性并画图。

根据测量的放大倍数和通频带数值，分析阻尼电阻RW1增加时，谐振放大倍数，回路品质因数和通频带是如何变化的。

表8-1 RW1较大时幅频特性                                                       Ui：   mV   

表8-2RW1较小时幅频特性                                                       Ui：   mV   

第二篇：小信号调谐(单、双调谐)放大器实验

实验一  高频小信号调谐放大器实验

一、实验目的

1.         掌握小信号调谐放大器的基本工作原理；

2.         掌握谐振放大器电压增益、通频带、选择性的定义、测试及计算；

3.         了解高频小信号放大器动态范围的测试方法；

二、实验原理

（一）单调谐放大器

小信号谐振放大器是通信机接收端的前端电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。其实验单元电路如图1-1（a）所示。该电路由晶体管Q₁、选频回路T₁二部分组成。它不仅对高频小信号进行放大，而且还有一定的选频作用。本实验中输入信号的频率f_S＝12MHz。基极偏置电阻W₃、R₂₂、R₄和射极电阻R₅决定晶体管的静态工作点。可变电阻W₃改变基极偏置电阻将改变晶体管的静态工作点，从而可以改变放大器的增益。

表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率f₀，谐振电压放大倍数A_v0，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数K_r0.1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f₀称为放大器的谐振频率，对于图1-1（a）所示电路（也是以下各项指标所对应电路），f₀的表达式为

                            

式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；

为调谐回路的总电容，的表达式为

                       

式中， C_oe为晶体管的输出电容；C_ie为晶体管的输入电容；P₁为初级线圈抽头系数；P₂为次级线圈抽头系数。

谐振频率f₀的测量方法是：

用扫频仪作为测量仪器，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f₀。

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_V0称为调谐放大器的电压放大倍数。A_V0的表达式为

                         

式中，为谐振回路谐振时的总电导。要注意的是y_fe本身也是一个复数，所以谐振时输出电压V₀与输入电压V_i相位差不是180^º 而是为180^º+Φfe。

A_V0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（a）中输出信号V₀及输入信号V_i的大小，则电压放大倍数A_V0由下式计算：

        A_V0 = V₀ / V_i   或  A_V0 = 20 lg (V₀ /V_i) dB               

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_V下降到谐振电压放大倍数A_V0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= 2△f_0.7 = f₀/Q_L                       

式中，Q_L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_V0与通频带BW的关系为

                         

上式说明，当晶体管选定即y_fe确定，且回路总电容为定值时，谐振电压放大倍数A_V0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f₀及电压放大倍数A_V0然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压V_S不变），并测出对应的电压放大倍数A_V0。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1-2所示。

可得：       

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，除了选用y_fe较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量C_Σ。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K_v0.1时来表示，如图1-2所示的谐振曲线，矩形系数K_v0.1为电压放大倍数下降到0.1 A_V0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707 A_V0时对应的频率偏移之比，即

K_v0.1 = 2△f_0.1/ 2△f_0.7 = 2△f_0.1/BW                  

上式表明，矩形系数K_v0.1越小，谐振曲线的形状越接近矩形，选择性越好，反之亦然。一般单级调谐放大器的选择性较差（矩形系数K_v0.1远大于1），为提高放大器的选择性，通常采用多级单调谐回路的谐振放大器。可以通过测量调谐放大器的谐振曲线来求矩形系数K_v0.1。

（二）双调谐放大器

双调谐放大器具有频带较宽、选择性较好的优点。双调谐回路谐振放大器是将单调谐回路放大器的单调谐回路改用双调谐回路。其原理基本相同。

1.电压增益为

2. 通频带

BW= 2△f_0.7 = fo/Q_L

3.选择性——矩形系数

 K_v0.1 = 2△f_0.1/ 2△f_0.7 =

三、实验步骤

（一）单调谐小信号放大器单元电路实验

1.根据电路原理图熟悉实验板电路，并在电路板上找出与原理图相对应的的各测试点及可调器件（具体指出）。

2.按下面框图（图1-3）所示搭建好测试电路。

图1-3   高频小信号调谐放大器测试连接框图

注：图中符号表示高频连接线

3.打开小信号调谐放大器的电源开关，并观察工作指示灯是否点亮，红灯为+12V电源指示灯，绿灯为-12V电源指示灯。(以后实验步骤中不再强调打开实验模块电源开关步骤)

4.调整晶体管的静态工作点：

在不加输入信号时用万用表（直流电压测量档）测量电阻R4两端的电压（即V_BQ）和R5两端的电压（即V_EQ），调整可调电阻W₃，使V_eQ＝4.8V，记下此时的V_BQ、V_EQ，并计算出此时的I_EQ＝V_EQ /R5（R5=470Ω）。

5.按下信号源和频率计的电源开关，此时开关下方的工作指示灯点亮。

6.调节信号源“RF幅度”和“频率调节”旋钮，使输出端口“RF1”和“RF2”输出频率为12MHz的高频信号。将信号输入到2号板的J4口。在TH1处观察信号峰-峰值约为100mV以上。

7.调谐放大器的谐振回路使其谐振在输入信号的频率点上：

将示波器探头连接在调谐放大器的输出端即TH2上，调节示波器直到能观察到输出信号的波形，再调节中周磁芯使示波器上的信号幅度最大，此时放大器即被调谐到输入信号的频率点上。

8.测量电压增益A_v0

在调谐放大器对输入信号已经谐振的情况下，用示波器探头在TH1和TH2分别观测输入和输出信号的幅度大小，则A_v0即为输出信号与输入信号幅度之比。

9.测量放大器通频带

   对放大器通频带的测量有两种方式，

 其一是用频率特性测试仪（即扫频仪）直接测量；

 其二则是用点频法来测量：即用高频信号源作扫频源，然后用示波器来测量各个频率信号的输出幅度，最终描绘出通频带特性，具体方法如下：

通过调节放大器输入信号的频率，使信号频率在谐振频率附近变化（以20KHz或500KHz为步进间隔来变化），并用示波器观测各频率点的输出信号的幅度，然后就可以在如下的“幅度－频率”坐标轴上标示出放大器的通频带特性。

 

10.测量放大器的选择性

描述放大器选择性的的最主要的一个指标就是矩形系数，这里用Kr0.1和Kr0.01来表示：

                   

式中，为放大器的通频带；和分别为相对放大倍数下降至0.1和0.01处的带宽。用第9步中的方法，我们就可以测出、和的大小，从而得到和的值

注意：对高频电路而言，随着频率升高，电路分布参数的影响将越来越大，而我们在理论计算中是没有考虑到这些分布参数的，所以实际测试结果与理论分析可能存在一定的偏差。另外，为了使测试结果准确，应使仪器的接地尽可能良好。

（二）双调谐小信号放大器单元电路实验

双调谐小信号放大器的测试方法和测试步骤与单调谐放大电路基本相同，只是在以下两个方面稍作改动：

其一是输入信号的频率应改为465KHz（峰－峰值200mV）；

其二是在谐振回路的调试时，对双调谐回路的两个中周要反复调试才能最终使谐振回路谐振在输入信号的频点上，具体方法是，按图1-3连接好测试电路并打开信号源及放大器电源之后，首先调试放大电路的第一级中周，让示波器上被测信号幅度尽可能大，然后调试第二级中周，也是让示波器上被测信号的幅度尽可能大，这之后再重复调第一级和第二级中周，直到输出信号的幅度达到最大，这样，放大器就已经谐振到输入信号的频点上了。

11.同单调谐实验，做双调谐实验，并将两种调谐电路进行比较。

四、实验报告要求

1．写明实验目的。

2．画出实验电路的直流和交流等效电路。

3．计算直流工作点，与实验实测结果比较。

4．整理实验数据，并画出幅频特性。

五、实验仪器

1.         高频实验箱                       1台

2.         双踪示波器                       1台

3.         万用表                           1块

4.         扫频仪（可选）                   1台