高頻小信號(hào)單調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

葉春青

天津工業(yè)大學(xué) 天津 300387

高頻電子線路是一門工程性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和無線電技術(shù)的發(fā)展，該課程的教學(xué)內(nèi)容得到不斷充實(shí)和更新。高頻小信號(hào)單調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能讓學(xué)生充分了解高頻小信號(hào)放大器的作用及其增益、通頻帶、選擇性要求和工作穩(wěn)定等指標(biāo)。

高頻放大器的中心頻率一般為幾百千赫茲到幾百兆赫茲，所需通過的頻率范圍(頻帶)和中心頻率相比往往是很小的，或者只工作于某一頻率，有用信號(hào)往往與干擾信號(hào)混雜，我們希望將有用的信號(hào)放大，把干擾信號(hào)抑制掉，高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器便是這樣一種選頻放大器，即有選擇地對(duì)某一頻率的信號(hào)進(jìn)行放大的放大器。

高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器是構(gòu)成無線電通信設(shè)備的主要電路，作用是放大信道中的高頻小信號(hào)。高頻小信號(hào)的電壓一般為微伏至毫伏數(shù)量級(jí)，放大這種信號(hào)的放大器工作在線性范圍內(nèi)。調(diào)諧是指放大器的集電極負(fù)載為調(diào)諧回路(如LC諧振回路)。這種放大器對(duì)諧振頻率 f0信號(hào)具有最強(qiáng)的放大作用，而對(duì)遠(yuǎn)離 f0頻率的信號(hào)放大作用很差，因此放大器不僅具有放大作用，而且還起著濾波或選頻的作用。調(diào)諧放大器的頻率特性如圖1所示。

圖1 調(diào)諧放大器的頻率特性

1 單調(diào)諧放大器工作原理

高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器按照晶體管的連接方式不同，分為共基極、共發(fā)射極和共集電極調(diào)諧放大器等，本設(shè)計(jì)以共發(fā)射極單調(diào)諧放大器為例，其原理電路如圖2所示。

圖2 共發(fā)射極單調(diào)諧放大器原理電路圖

如圖2所示，晶體管Q起放大信號(hào)的作用，Rb1，Rb2，Re為其直流偏置電阻，保證放大器工作于甲類狀態(tài)。Ce是Re的旁路電容，Cb是輸入耦合電容，Cc是輸出耦合電容，L和C是諧振回路作為放大器的集電極負(fù)載，起選頻作用，它采用抽頭接入法，以減輕晶體管輸出電阻對(duì)諧振回路Q值的影響，Rc是集電極(交流)電阻，它決定了回路Q值、帶寬。

2 單調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)電路

本設(shè)計(jì)以南京潤(rùn)眾科技有限公司的RZ8653型“高頻電子線路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”為例，單調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示。

圖3 單調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)電路圖

如圖3所示，2 P01 為信號(hào)輸入鉚孔，實(shí)驗(yàn)時(shí)，高頻信號(hào)由此鉚孔輸入。2T P01 為輸入信號(hào)測(cè)試點(diǎn)。變壓器2T 1 以及電容2C1和2C2組成輸入選頻回路，用來選出所需要的信號(hào)。晶體三極管2 B1G 用于放大信號(hào)，2R1，2R2和2R5為三極管2 B1G 的直流偏置電阻，用以保證晶體管工作于放大區(qū)域，且放大器工作于甲類狀態(tài)。三極管2 B1G 集電極接有LC 調(diào)諧回路，用來諧振于某一工作頻率上。本實(shí)驗(yàn)電路為電容耦合雙調(diào)諧回路，2L1，2L2，2C4和2C5組成了初級(jí)回路，2L3，2L4，2C7和2C9組成了次級(jí)回路，兩個(gè)回路之間被短路合并成單調(diào)諧回路。圖中2D1，2D2，2D3為變?nèi)荻O管，通過改變ADVIN 的直流電壓，即可改變變?nèi)荻O管的電容，達(dá)到對(duì)回路的調(diào)諧。3個(gè)二極管并聯(lián)，其目的是增大變?nèi)荻O管的容量。圖中開關(guān)2 K1 控制2R3是否接入集電極回路，2 K1 接通時(shí)，將電阻2R3并入回路，使集電極負(fù)載電阻減小。圖中2R6，2R7，2R8和三極管2 BG2 組成放大器，用來對(duì)所選信號(hào)進(jìn)一步放大。2T P02 為輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn)，2 P02 為信號(hào)輸出鉚孔。

3 掃頻法測(cè)量幅頻特性

3.1 掃頻法測(cè)量幅頻特性曲線

掃頻法簡(jiǎn)單直觀，可直接觀察到單調(diào)諧放大特性曲線，用掃頻儀直接測(cè)量放大器電路的幅頻特性曲線，將掃頻儀的輸出端子連接2 P01 信號(hào)輸入鉚孔，掃頻儀的輸入端子連接2 P02 信號(hào)輸出鉚孔，測(cè)出的單調(diào)諧放大器幅頻特性曲線如圖4所示。

圖4 掃頻法測(cè)量的幅頻特性曲線

如圖4所示，諧振頻率 f0為6.298 4 MHz。

3.2 集電極負(fù)載對(duì)特性曲線的影響

品質(zhì)因數(shù)Qp與諧振電阻 Rp的關(guān)系式為：

品質(zhì)因數(shù)Qp與通頻帶2 Δf0的關(guān)系式為：

當(dāng)2 K1 接通時(shí)，將電阻2R3并入回路，集電極負(fù)載電阻減小，回路 Q值降低，放大器增益減小，因此品質(zhì)因數(shù) Qp降低，在 f0不變的情況下，通頻帶變寬，因此幅頻特性曲線變“矮”，變“胖”。接通2K1后，用掃頻儀觀察到的幅頻特性曲線如圖5所示。

圖5 掃頻法測(cè)量集電極負(fù)載增大時(shí)幅頻特性曲線

4 點(diǎn)測(cè)法測(cè)量幅頻特性

將開關(guān)2 K1 置于“OFF”，設(shè)置高頻信號(hào)源輸出頻率為 f0=6.298 4 MHz，幅度(有效值)為100 mv的正弦波，高頻信號(hào)源輸出端連接到調(diào)諧放大器的2P01信號(hào)輸入鉚孔，示波器接調(diào)諧放大器的2P02信號(hào)輸出鉚孔，調(diào)整電容2C5，使放大器的輸出為最大值，此時(shí)輸出信號(hào)幅度(有效值)為538 mv，此時(shí)放大倍數(shù)K為：

按照表1改變高頻信號(hào)源的頻率，保持輸出幅度(有效值)為100 mv，用毫伏表測(cè)量輸出信號(hào)的電壓幅度，并以頻率為橫軸，電壓幅度為縱軸，畫出單調(diào)諧放大器的幅頻特性曲線(如圖6所示)。

表1 頻率與相對(duì)應(yīng)的輸出電壓幅值數(shù)據(jù)表

圖6 點(diǎn)測(cè)法測(cè)量的單調(diào)諧放大器的幅頻特性曲線

5 放大器動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量

將開關(guān)2 K1 置于“OFF”，調(diào)整高頻信號(hào)源輸出信號(hào)頻率為諧振頻率，按照表2改變輸入幅度，用毫伏表讀出輸出信號(hào)的電壓幅度，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放大器的輸入增大到一定數(shù)值時(shí)，放大倍數(shù)開始下降，輸出波形開始失真(如圖7和圖8所示)。

表2 諧振頻率時(shí)輸入電壓與輸出電壓數(shù)據(jù)表

圖7 諧振頻率時(shí)輸入電壓與輸出電壓對(duì)照?qǐng)D

圖8 諧振頻率時(shí)輸入電壓與放大倍數(shù)對(duì)照?qǐng)D

6 結(jié)束語(yǔ)

高頻小信號(hào)單調(diào)諧放大器實(shí)驗(yàn)采用掃頻法和點(diǎn)測(cè)法分別測(cè)量單調(diào)諧放大器的幅頻特性曲線，并且觀察了集電極負(fù)載對(duì)放大器幅頻特性的影響，計(jì)算出放大器的放大倍數(shù)并觀察了放大器的動(dòng)態(tài)范圍，能幫助學(xué)生進(jìn)一步掌握高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的工作原理、基本電路結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)分析。

[1]張肅文.高頻電子線路[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2]侯衛(wèi)周,顧玉宗.高頻小信號(hào)單調(diào)諧放大器的分析與仿真[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011(8):57-59.