高频实验：小信号调谐放大器实验报告

实验一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0f及附近频率的信号具有最强的放大作用，而对其它远离0f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：K(f)/K010.7070.10f0B0.7B0.1f1.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。2.实验电路原理图分析：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。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、实验步骤及数据记录分析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。Multisim9仿真电路如下：实验中在实验箱上通过FLUKE万用表测得R1、R2、R3、R4数值如下：R1=0.997KΩ，R2=4.599KΩ，R3=8.0122KΩ，R4=1.990KΩ。仿真：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。此时Ie为3.238mA时,输出为63.100mV，增益为6.31。改变RW2的电阻值，以改变Ie。Ie为2.016mA时，输出为58.827mV，增益为5.88。可见，当Ie增大时，小信号放大器的电压增益也增大。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。通过改变可变电容CV2来改变中心频率。CV2=10pF时，增益为6.31。CV2=20pF，增益为6.85。而LCf210,CV2增加时，中心频率变小，增益变大。即中心频率增大时，放大器电压增益变小。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。RW1=10KΩ时，中心频率10.7MHz输出为308.677mV,13.61MHz时，输出为218.8mV。通频带为5.82MHz。RW1=50KΩ时，中心频率10.7MHz输出为312.041mV,13.48MHz时，输出为220.0mV。通频带为5.56MHz。所以，阻尼电阻变大时，放大器增益变大，而通频带变小。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。反馈电阻Rf=1KΩ时，输出增益为12.4。通频带B=10.86MHz-10.54MHz=0.32MHz。反馈电阻Rf=50Ω时，输出增益为30.9。通频带B=11.28MHz-10.12MHz=1.16MHz。由仿真可得，随着反馈电阻阻值的增加，输出增益下降，通频带变窄。2．静态工作点与谐振回路的调整⑴接通实验箱上电源开关电源指标灯点亮。由IN1端接入小信号调谐放大器实验电路，幅度在10mV左右。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：0iUAU实验测得TP1端电压Ui=10.02mV，OUT端电压Uo=316mV。放大倍数为：0iUAU=31.54。(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：0iUAU实验测得TP1端电压Ui=9.88mV，OUT端电压Uo=296mV。放大倍数为：0iUAU=29.96。比较空载和有载放大倍数的变化，并思考原因。可以看出空载放大倍数31.54有载放大倍数29.96。晶体管输出端两点之间的负载网络等效电路图为：本实验电路中没有下级放大器，故等效部分不存在，由负载电导代替。结合高频电路知识可知放大器电压增益为LoefeoYyyViVA'-11v，其中011Cjgyyooeoe为晶体管的输出导纳。LY'为晶体管在输出端两点之间看来的负载导纳。无论空载还是负载电路中，oey和fey的值是恒定的，是常数。空载电路相当于晶体管输出端两点间连接的是无穷大的电阻，而有载电路晶体管输出端两点间连接了阻值为1.99K的电阻R4，故空载相比于有载LY'更小，所以空载的增益比有载更大。（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。f0MHzf1MHzf2MHZ10.7311.710.10.721Bff=11.7-10.1=1.6MHZ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。f0MHzf3MHzf4MHZ10.7316.74.20.143Bff=16.7-4.2=12.5MHZ矩形系数：0.10.7BKB=6.15.12=7.81253．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。当RW1取3.12KΩ时，测得幅频特性如下：输入信号频率f(MHz)1.14.68.7510.110.711.212.716.619.6输出电压幅值U0（mV）19.254.415019621218615046.220.8此时谐振放大倍数0iUAU=21.2倍。f1=12.7MHz,f2=8.75MHz。通频带0.721Bff=12.7-8.75=3.95MHz。幅频特性曲线如下：（以中心频率幅值212mV为1）矩形系数0.10.7BKB=3.9518.5=4.68当RW1取84.9KΩ时，测得幅频特性如下：输入信号频率f(MHz)4.26.69.510.110.711.211.714.616.7输出电压幅值U0（mV）30601522103002942145530.2此时谐振放大倍数0iUAU=30倍。f1=11.7MHz,f2=10.1MHz。通频带0.721Bff=11.7-10.1=1.6MHz。幅频特性曲线如下：（以中心频率幅值300mV为1）矩形系数0.10.7BKB=1.612.5=7.81由数据和图表可明显看出，阻尼电阻RW1增大时，放大倍数由21.2倍变为30倍，放大倍数增大。当RW1取3.12KΩ时，品质因数71.295.37.1027.001ffQ。当RW1取84.9KΩ时，品质因数6.691.67.1027.002ffQ。RW1增大后，品质因数也增大。阻尼电阻RW1增大时，通频带由3.95MHz变为1.6MHz，通频带减小。由实验数据分析品质因数对谐振时放大倍数和通频带的影响：由上面数据可见，当品质因数增大时，放大倍数增大，通频带减小。品质因数LGQP'1，而放大倍数即电压增益Y'yfe21ppA，其中)1-(''1LCjGYP，可见品质因数与'PG、、L呈负相关，而放大倍数与也'PG、、L呈负相关。所以品质因数增大时放大倍数也增大。通频带Qf07.0B，所以当品质因数Q增大时，通频带减小。由实验数据分析阻尼电路对品质因数的影响：品质因数LGQP'1，阻尼电阻RW1增加时，会使得等效的总电导'PG变小，因而使得品质因数Q变大。所以阻尼电路对品质因数的影响是当阻尼电路RW1变大时，品质因数变大。反之，变小。六、实验体会总结。1.在进行电路调谐的过程当中，需要调整电位器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。要调整RW2、电容CV2和中周铁芯三个元件来使得电路调谐，很难掌握调整的幅度和先后次序，通过观察示波器上输出信号来反映是否已调谐并不是很直接的观察方法，最终的调谐结果很可能也不是最理想的电路状态。如果使用扫频仪来帮助调谐可能效果会更理想，操作时间也会大大缩短。2.实验过程中因为时间紧迫是先做实验测得实际数据，在回去之后再仿真，这样仿真当中发现实验过程中某些操作失误时已经没有调整的机会了。应该先做仿真得到仿真数据，再进行实验得到实际数据，那样发现与仿真的不同之处时，还可以加做一些附加实验来辅助检验分析产生仿真与实际数据不同的原因。3.画幅频特性曲线图时发现实际图形不如理性图形那么顺滑，一方面可能是实际电路元件参数不理想，某些点处放大器并非工作在理想工作区造成。也有可能是由于测量取样点不够多，使得个别误差数据对整体曲线的影响程度增加。以后对于类似情况应采取多测点数来使得特性曲线更加准确。4.根据实验要求以及受实验时间限制，在测量品质因数对放大器的幅频特性及通频带的影响时，只取了一大一小两个RW1的值。如果有时间多做几组实验，多测几个RW1的值，对于进行分析所引用的数据就会更有说服力，尤其是对于品质因数增大，则放大倍数增大这类线性性质的分析中，多几组RW1阶梯增长的实测数据会显得更有说服力。5.在测量TP1处输入信号时，因为信号较小，有时会在示波器上看不到，此时不一定是电路有问题，应该先调整示波器显示范围，如果仍然看不到，再检查电路。6.测量电阻和可变电阻阻值时，因为万用表是自动调节量程的，所以引入较多接触电阻时并不容易发现。很容易一看到示数出来不再变化就做记录了。应该压紧探笔触头，多测几次，以尽可能减少接触电阻来带的误差。7.小信号调谐放大器实验电路模块上元件排布较密，要注意探头或鳄嘴钳不要触碰到周围元件的引脚，不然可能会造成测量数据有较大误差。