高频实验报告（一）——单调谐小信号谐振放大器设计组员座位号16实验时间周一上午目录一、实验目的 (3)二、实验原理 (3)2.1单调谐放大器的基本原理 (4)2.2主要性能指标及测量方法 (9)2.2.1谐振频率的测试 (9)2.2.2电压增益的测试 (10)2.2.3频率特性的测试 (10)三、设计方法 (13)四、实验内容及参数设计 (14)五、实验参数测试及分析 (18)六、思考题............................................................................................... 错误!未定义书签。
一、实验目的1．熟悉小信号谐振放大器的工作原理。
2．掌握小信号谐振放大器的工程设计方法。
3．掌握小信号谐振放大器的调谐方法。
4．掌握小信号谐振放大器幅频特性的测量方法。
5．熟悉放大器静态工作点和集电极负载对谐振放大器幅频特性的影响。
二、实验原理调谐放大器的主要特点是晶体管的集电极负载不是纯电阻，而是由L、C 组成的并联谐振回路，由于LC并联谐振回路的阻抗随频率而变化，在谐振频率处、其阻抗是纯电阻，且达到最大值。
因此，用并联谐振回路作集电极负载的调谐放大器在回路的谐振频率上具有最大的放大系数，稍离开此频率放大系数就迅速减小。
因此用这种放大器就可以只放大我们所需要的某些频率信号，而抑止不需要的信号或外界干扰信号。
正因如此，调谐放大器在无线电通讯等方面被广泛地用作高频和中频选频放大器。
调谐放大器的电路形式很多，但基本的电路单元只有两种：一种是单调谐放大器，一种是双调谐放大器。
这里先讨论单调谐放大器。
2.1单调谐放大器的基本原理典型的单调谐放大器电路如图1.1所示。
图中R 1, R 2 是直流偏置电阻；LC 并联谐振回路为晶体管的集电极负载，R e 是为提高工作点的稳定性而接入的直流负反馈电阻， C b 和C e 是对信号频率的旁路电容。
输入信号V s ’经变压器耦合至晶体管发射结，放大后再由变压器耦合到外接负载R L ，C L 上。
为了减小晶体管输出导纳对回路的影响，晶体管T 1采用抽头接入。
R L LV s ’图1.1高频小信号谐振放大器电路在低频电子电路中，我们经常采用混合π模型来描述晶体管。
把晶体管内部的物理过程用集中元器件RLC 表示。
用这种物理模型的方法所涉及到的物理等效电路就是所谓的π参数等效电路。
混合π 参数是晶体管物理参数，与频率无关，物理概念清楚。
但是由于输入输出相互牵制，在高频分析时不太方便。
在高频电子线路的分析中，通常采用Y 参数模型来描述晶体管。
Y 参数是一种网络参数，由于它将晶体管的输入输出分开，所以便于进行高频分析。
Y 参数与频率有关，但是通常高频小信号放大电路属于窄带放大电路，所以不影响Y 参数的运用。
Y 参数本身可以通过混合π 参数换算，也可以通过专门的仪器进行测量。
晶体管混合π模型如下图所示C μ图1.2混合π模型其中bb r '是基极电阻，b e r '是发射结电阻，b c r '是集电结电阻，m g 称为跨导0'(mA)26(mV)m b e c g r I β== (1-1)C π为发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。
C μ为集电结电容，一般为几皮法。
对于共发射极组态的三极管电路，Y 参数定义如下：b ie b rec coe c fe b i y v y v i y v y v =+⎧⎪⎨=+⎪⎩ (1-2)跨导输入短路时的反向传输跨导输出短路时的正向传输输入短路时的输出导纳输出短路时的输入导纳0========b c b c v cb re v bc fe v c c oe v b b ie v i y v i y v i y v i y (1-3)bc图1.3 晶体管Y 参数模型根据晶体管混合π参数模型，可得到 Y 参数如下：''''''''''''',11,11b eb c m bb ie oe ce b c bb b e bb b e mb cfe re bb b ebb b eC C y y g r y y g y r y r y g y y y r y r y μπ<<≈≈++++≈≈-++在的情况下，近似有 (1-4)''''''''111b e b e b c b c b e b c ce b e b c cey g j C y g j C g g g r r r πμωω=+=+===其中：，，， (1-5)通常情况下'bb r 较小，一般几百欧姆，'b e r 较大，一般几千欧姆，为了估算方便，进一步将得到 Y 参数简化如下：'''''1b eie b e b e bb b ey y y g j C r y πω≈≈=++ (1-6)'''''''1b c m bb oe ce b c bb b ece b c ce b c ce y g r y g y r y g y g g j C g j C μμωω≈+++≈+=++≈+ (1-7) 例如，某晶体管的混合π参数为：pF9,pF 780,k 65,M 6.2,k 1,60,V 6,mA 1'''==Ω=Ω=Ω=Ω===μπC C r r r r V I ce c b e b bb CE EQ 时当低频工作时，忽略μπC C ,，有μS363.0,mS 8.35,μS 4.15,mS 943.0-≈≈≈≈re fe oe ie y y y y高频工作时，设f =465kHz ，代入前面的公式，有οο4.97,μS 6.24||4.7,mS 6.35||,μS )9.816.22(,mS )0.22.1(-=∠=-=∠=+=+=re re fe fe oe ie y y y y j y j y结果是所有的参数都变成了复数，其中fe y 略有变小，并略有相移。
但是re y 变化强烈，并产生了很大相移，表示晶体管产生了强烈的内反馈。
根据Y 参数模型，得到图1.1高频小信号谐振放大器电路相应的等效电路如下：LC 谐振回路负载信号源图1.4 谐振放大器电路等效电路A为了讨论谐振回路的频率特性，可以将连接在 LC 谐振回路上的所有负载（包括本级晶体管的输出参数和后级的负载）都等效到 LC 谐振回路的两端，就可将图1.4等效成图1.5。
谐振回路负载图1.5 谐振放大器电路等效电路B其中s i ，s y 为信号源，12113n p n =为晶体管的集电极接入系数，式中13n 为电感线圈的总匝数，12n 为晶体管的集电极接入电感线圈匝数；13452n n p =为输出变压器的副线圈与原线圈的匝数比，式中45n 为电感副线圈的匝数。
0G 为LC 回路本身的损耗电导，L 为谐振回路电感。
其它参数如下所示：'1ie b eg r ≈(1-8) ie C C π≈ (1-9)1121''''oe oe fe beoe oeoe oe i p i p y v y p y g j C ω===≈+ (1-10)22112222',''''oe oe oe oe L L L L Lg p g C p C y g j C p g j p C ωω===+=+其中 (1-11)''L L g j C ω+为谐振放大器输出负载的电导，通常小信号谐振放大器的下一级，仍为晶体管谐振放大器，则'L y 将是下一级晶体管的输人电导i g 和电容i C 。
晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流、电流放大系数β有关外，还与工作角频率ω有关。
晶体管手册中给出的分布参数一般是在测量条件一定的情况下测得的。
如在0MHz 30=f ，2mA E I =，6V CE V =条件下测得3DG47的Y 参数1.212pF 58.3ms 4009.5pF ie ie fe oe oe g ms C y g s C μ=====，，，，2.2主要性能指标及测量方法表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率0f ，谐振电压放大倍数0v A ，放大器的通频带BW 及选择性（通常用矩形系数0.1r K 来表示）等，采用图1.6所示的测试电路可测量各项指标。
实验电路被设计成多个实验通用。
对于本实验来说，电路由晶体管1Q ，谐振回路221,,A B C C T 等构成。
6C 是输出耦合电容，6R 是负载电阻。
5C 及右侧谐振回路2T ，7A C ，7B C 与本实验无关（5C 断开）。
本实验的谐振频率由2B C 调节，由于2B C 的容量有限，故加固定电容2A C 以增大总电容。
图中输入信号由高频信号发生器提供，示波器监测输入端1J 和负载L R 端3J 的波形。
谐振放大器的各项性能指标及测量方法如下。
Vcc图1.6高频小信号谐振放大器测试电路2.2.1谐振频率的测试放大器的谐振回路谐振时所对应的频率0f 称为谐振频率。
图1.1所示电路的0f 表达式为0f == (1-12)式中，L 为谐振回路电感线圈的电感量，T C 为谐振回路的总电容，C 为谐振回路的外接电容，oe C 为晶体管的输出电容，L C 为负载电容。
在实际的谐振放大器设计过程中，常常是根据上式估算出各电容及电感的数值，然后在实际调试中，通过改变电感或某个电容的值，达到电路谐振在设计频率上的目的。
谐振频率0f 的调整步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为0f ，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变C 或电感线圈L 的磁芯位置使回路谐振。
LC 并联回路谐振时，示波器显示的输出波形幅度最大，且无明显失真。
这时回路的谐振频率就等于高频信号发生器的输出频率。
2.2.2电压增益的测试放大器的谐振回路谐振时所对应的电压放大倍数v0A 称为谐振放大器的电压增益（放大倍数）。
0v A 的表达式为：0121222012()fe fev Toe L y y A p p p p G G p g p g =-=-++ (1-13)要注意的是，fe y 本身也是一个复数,所以谐振时输出电压o V 与输入电压i V 的相位差为 (180fe ϕ+o )。
只有当工作频率较低时，0fe ϕ≈，o V 与i V 的相位差才等于180o 。