高频 小信号谐振放大器

高频小信号谐振放大器实验

121180166 赵琛

一、 实验目的

1． 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，1dB压

缩点）的测试方法。 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 6. 高频毫伏表 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”，指输入信号电压一般在微伏毫伏数量级范围内，对于这种幅度范围的输入信号，放大器一半工作在线性范围内。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）。此时放大器对谐振频率f0及附近频率的信号具有最大的增益，而对其它远离f0频率的输入信号，增益很小，如图1-1所示。

2、小信号调谐放大器技主要技术指标

1. 增益：表示高频小信号调谐放大器对输入信号的放大能力 电压增益的定义：20log10U0(dB) (1_1） Ui其中输出信号和输入信号的有效值分别为U0，Ui。

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0-3dB相对增益(dB)-5-10-15-20-25-20dBf0fB0.7B0.1

图1.1 高频小信号调谐放大器的频率选择特性曲线

功率增益的定义： 10log10P0(dB) (1_2） Pi其中输出信号和输入信号的功率分别为P0，Pi。在高频和射频电路中功率的单位常用dBm表示：dBm和mW之间的换算关系：

PdBm10log10()，10dBm=10mW (1_3）

1mW

2. 通频带和选择性：通常将小信号放大器的电压增益下降到最大值的0.707倍时所对应的输入信号频率范围定义为放大器的通频带，用B0.7表示。为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：

K0.1B0.1 (1_4） B0.7式中，B0.1为电压增益下降到最大值的0.1倍处的输入信号带宽，如图1.1所示。理想的电路频率选择性如图1.1的虚线所示。矩形系数越小，放大器的选择性越好，抑制邻近无用信号的能力就越强。

3．稳定性：高频小信号谐振放大器能够稳定工作是首要条件。由于高频放大器的工作频率较高，根据晶体管的Y参数模型，当工作频率较高时，晶体管本身存在内反馈参数yfe，同样当工作频率较高时，需要考虑外电路元器件的引线电感和PCB布线时的板间分布电容，平

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行信号线之间的寄生电容等，此时这些参数会构成分布参数电路，此外如果电源的去耦电路设计不好，各级电源之间还会有相互串扰，都很有可能构成外部的寄生反馈回路，当满足正反馈的相位条件时，就构成了正反馈，很容易引起高频放大器的自激。即使没有引起放大器的自激，由于晶体管内反馈参数yfe和外部分布参数的不稳定，当环境温度变化，电源电压的波动，直流工作点的漂移，外部的电磁干扰，都有可能使放大器出现明显的增益变化、中心频率偏移和频率特性曲线畸变，甚至发生部分的自激振荡。因此，必须采取多种措施来保证放大器的稳定，1. 合理地设计外部电路的元器件布局和信号线走向、适当的降低每级放大器的增益。2. 降低每级放大器初级线圈和次级线圈之间的耦合系数，减少下一级放大器输入电阻对本级的影响。3.在每级放大器的输入端串联一个阻值在几百欧范围内的电阻，对放大器的输入信号进行适当衰减和限流。4.在某些情况下可以对末级放大器进行负载失配，尽可能降低内反馈参数yfe的影响。5.在放大器的输入端进行阻抗匹配，使放大器的输入电阻和信号传输线的特征阻抗匹配。（信号传输线一般是铜轴线，特征阻抗是50欧）6.各级放大器的电源相互隔离和去耦，引入电压负反馈稳定输出电压，对大功率电路和高速信号电路采取电磁屏蔽等必要的工艺措施。

4．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。前置高频放大器一般由多级组成，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，合理地设置工作点电流（一般将静态工作点电流设置较小，目的是减少电路的噪声），适当的限制输入信号带宽，目的是减少等效噪声带宽等，使放大器在尽可能高的功率增益下噪声系数最小。

5．输入信号的动态范围：

输入信号的动态范围定义为：20log10VinmaxPinmax（dB）或者10log10 (1_5）

VinminPinminVinmax和Vinmin分别表示小信号放大器正常工作时所允许的输入信号幅度的最大有效值和

最小有效值。 Pinmax，Pinmax分别表示小信号放大器正常工作时所允许的最大输入信号功率的和最小输入信号功率。

通常输入信号功率的下限主要由电路的噪声系数决定。为使输入信噪比不至于过低，以

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避免输入信号不至于完全淹没在噪声基底下，在一定的噪声系数下，输入信号的功率不能很小。一般来说噪声系数越小，所允许的输入信号功率下限就越小。当输入信号功率较大时，小信号放大器的增益会显著降低，同时出现比较严重的非线性失真，包括谐波失真和非线形失真。非线形失真中的三阶交调失真对输出信号的影响较大。一般来说，输入信号功率的上限主要由电路的三阶交调失真决定。

6．非线性失真（谐波失真和三阶交调失真）

当小信号放大器的输入信号功率较小时，放大器工作在线性状态，输出信号和输入信号之间满足线性关系，如式(1_6）。此时输出信号的频率和输入信号的频率相同，没有新的频率分量产生，放大器没有产生非线性失真。

Vouta0Vin， VinVcost (1_6）

V和分别表示输入信号的幅度和角频率。

当小信号放大器的输入信号功率增大后，放大器开始工作在非线性状态，此时输入和输出的关系如用式(1_7）表示。

2 Vouta0Vina1Vin (1_7）

将VinVcost代入(1_7），整理后得到 Vout11a1V2a0Vcosta1V2cos2t (1_8） 22此时输出信号包含输入信号的二次谐波。

小信号放大器的输入信号功率进一步增大，放大器的非线性状态可用式(1_9）表示。

23Vouta0Vina1Vina2Vin (1_9）

将VinVcost代入(1_9），整理后得到， Vout1311a1V2(a0Va2V3)costa1V2cos2ta2V3cos3t 2424(1_10）

显然输出信号包含输入信号的二次谐波和三次谐波。

放大器工作在非线性状态时，输出信号将包含输入信号的各次谐波，以及输入信号各次谐波之间的交叉混频项。其中对输出信号影响较大的主要是三阶交调。 下面简单的推导一下三阶交调产生的原因。

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假设输入信号包含两个幅度相同，频率相近的信号f1,f2， VinVcos1tVcos2t

(1_11）

将(1_11）代入(1_9）中进行整理，

99Vouta1V2(a0Va2V3)cos1t(a0Va2V3)cos2t4411a1V2cos21ta2V3cos31t2411a1V2cos22ta2V3cos32t 2 (1_12） 4a1V2(cos(12)tcos(12)t)3a2V3(cos(212)tcos(212)t)23a2V3(cos(221)tcos(221)t)2可以看到，输出信号包含212，221两个频率分量。

如下图所示：假设小信号放大器输入两个频率相近的信号f1,f2，当输入信号功率较高时，输出信号在频率f1,f2的两侧会出现频率为2f1f2，2f2f1的两个频率分量，由于这两个频率分量与f1,f2相隔很近，很难用滤波器滤除，因此三阶交调分量对小信号放大器的输出信号频谱纯度影响很大，应当尽量避免。

三阶交调2f1f2三阶交调f1f22f2f1

图2 三阶交调失真示意图

下面以一个商用的宽带射频放大器为例，输出端接频谱仪来观察输出信号的非线性失真和三阶交调失真，放大器的小信号增益大约为20dB。输入射频信号的频率为3GHz，输入功率分别为-40dBm，-30dBm，-20dBm，-10dBm，输出信号频谱如图3，4，5，6所示。可以看到输入信号功率较小时（-40dBm），放大器工作在线性状态，输出信号几乎没有谐波分量。随着输入信号功率的增加，输出信号的谐波分量逐渐增多，谐波分量的功率也逐渐增加，总谐波失真增减增大，经测量总谐波失真分别是0.5%（输入功率-30dBm），0.98%（输入功率

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-20dBm），4.76%（输入功率-10dBm）。

0-203GHz的基波)m-40dB(-60r ewo-80P-100-1202.55.07.510.012.515.017.520.0Frequency(GHz) 03GHz的基波-20)m-40Bd二次谐波(r-60 ewo-80P-100-1202.55.0Frequency(GHz)7.510.012.515.017.520.0

图3 输入功率为-40dBm时输出频谱 03GHz的基波-20)mB-40二次谐波d(re-60三次谐波 woP-80-1002.55.07.510.012.515.017.520.0Frequency(GHz)页脚内容

134 输入功率为-30dBm时输出频谱图

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200Power(dBm)-20-40-60-80-1003GHz的基波二次谐波三次谐波四次谐波五次谐波 2.55.07.510.012.515.017.520.0Frequency(GHz)

图5 输入功率为-20dBm时输出频谱 图6 输入功率为-10dBm时输出频谱

输入两个频率相近的信号，频率分别是3GHz，3.001GHz，输入信号功率分别是-45dBm，-18dBm，-12dBm，-6dBm，用频谱仪测量放大器输出信号的频谱。

-203GHz-403.001GHzPower(dBm)-60-80-100-120 2.9962.9983.0003.0023.004Frequency(GHz) 0-203GHz3.001GHzPower(dBm)-40-60-80-100-1202.9962.9983.0003.0023.004三阶交调三阶交调 Frequency(GHZ)

图7 输入功率-45dBm，输出信号频谱 图8 输入功率-18dBm，输出信号频谱

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0-203GHz三阶交调3.001GHz三阶交调 Power(dBm)-40-60-80-1002.9962.9983.000 3.0023.004Frequency(GHz)2003GHz三阶交调五阶交调3.001GHz三阶交调五阶交调 Power(dBm)-20-40-60-80-1002.9962.9983.0003.0023.004Frequency(GHz)

图9 输入功率-12dBm，输出信号频谱 图10 输入功率为-6dBm，输出信号频谱

可以看到，当输入双频信号的功率较小时，射频放大器工作在线性状态，输出信号频率分量和输入信号频率分量一致。随着输入双频信号的功率增加，射频放大器出现非线性工作状态，输出信号中出现了三阶交调分量。输入双频信号的功率进一步增加，输出信号中三阶交调分量的功率也进一步增加。当输入双频信号的功率较大时，射频放大器出现比较严重的非线性状态，输出信号中三阶交调分量的功率很大，并且在三阶交调分量的两侧还出现了五阶交调分量。

3.实验电路原理分析

小信号调谐放大器实验电路如图1-11。

在实验开始时先使用万用表的电阻档，测量一下电阻R1,R2,R3,R4的阻值。注意测量电阻时，必须将电路的电源断开后才能测量。

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图1-11 小信号调谐放大器实验电路

电路原理分析：

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，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范围，才能保证晶体管工作在放大状态，同时尽量选择直流工作点位于输入特性曲线中线性度较好的那一段，使小信号谐振放大器尽可能工作在线性状态，减少非线性失真，同时保证电路有较高的电压增益和稳定性。一般来说，工作点电压要满足以下的条件：

1.发射极正偏:VbVe，一般有Vbe0.6V 2.集电极反偏：VbVc

3.VceVcesat（若Vcesat是晶体管的饱和压降，当工作频率较高时，Vcesat一般大于1V，为防止晶体管饱和导通，要求Vce2V）

通常情况下，适当的增加晶体管射极的直流电流Ie可以提高晶体管的电流放大倍数

，增加小信号谐振放大器的增益。但Ie过大，对于某些具有正向AGC特性的晶体管，也

会导致晶体管的电流放大倍数下降，另外此时输出波形谐波失真较大，电路的非线性效应也较明显。一般情况下，选择Ie在1-5mA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，

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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，实验箱电路中晶体管集电极回路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是阻尼电阻，可以改变回路的品质因素和电压增益。电阻R4是负载电阻，由跳线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、实验数据与分析

（注：以下电压测量均为有效值）

1、空载放大倍数与有载放大倍数的测量 输入/mv 输出/V 放大倍数

分析：由数据可见，当有载时，放大倍数稍微有一点衰减。原因在于，本来空载时已经做到了阻抗匹配，但加上负载后，改变了电阻值，从而不再能够满足功率匹配，使得输出功率下降，输出电压下降。

通频带测量

f0 MHz 10.7 f1 MHz 10.50 f2 MHZ 10.88 空载 50 1.77 35.6 有载 50 1.63 32.6 页脚内容

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B0.7f2f1=0.38MHz

分析：我们可以看到，频谱并不是完全的对称。这个也符合理论频谱。。

f0 MHz 10.7 f3 MHz 8.95 f4 MHZ 12.37 B0.1f4f3=3.42MHz

矩形系数： KB0.1=9.00 B0.7分析：测量的矩形系数比实际值要小。忽略次要因素，我认为这里产生的测量误差主要在于鳄鱼夹。鳄鱼夹并不能够完全看做理想导线，在高频时候频响并不是不变的，会随着频率而改变，从而导致和理论频谱的误差。如果换成同轴线的话，效果会好很多，在绪论课中也得到了很好的验证。

2．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。 3. 由实验数据分析阻尼电阻对品质因数的影响。

改变RW1，测量放大倍数与通频带 RW1 输入电压/mv 50k 1k

数据分析：阻尼电阻与品质因数有关，而品质因数又影响了放大倍数与通频带。如电路图可见，为并联谐振回路，则R=QWL，RW1越大，阻尼电阻越大，从而品质因数越大。Q与带宽近似反比（带宽增益积一定），从而带宽越窄。由数据可得，RW1=50k时放大倍数较大，通频带较窄。即阻尼电阻越大，品质因数越高。品质因数Q越大，放大倍数会增大，而通频带

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输出电压峰值 1.74 1.66 放大倍数 f0 MHz f1 MHz f2 MHz 通频带宽 MHz 50 50 34.8 33.2 10.7 10.7 10.54 10.52 10.83 10.85 0.29 0.33 13

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会减小。实验数据和理论相符。

4改变小信号射极电流，测量中心频率增益 输入电压：50mv

射极电流/mA 输出电压/v 理论增益/dB 实际增益/dB 3.32 1.35 27.9 28.6 4.21 1.67 29.9 30.5 6 2.04 32.1 32.2 8.21 2.21 35.1 32.9 分析：我们可以看到，随着射极电流的增加，直流工作点改变，增益发生了改变。但是，在实际试验中我也发现，当射极电流达到6mA时，出现了很严重的失真。通常情况下，适当的增加晶体管射极的直流电流Ie可以提高晶体管的电流放大倍数，增加小信号谐振放大器的增益。但Ie过大，对于某些具有正向AGC特性的晶体管，也会导致晶体管的电流放大倍数下降，另外此时输出波形谐波失真较大，电路的非线性效应也较明显。另外，在本实验中，实际增益变化比理论增益变化要小。原因在于：1由于调整并非完全精确，导致谐振点并不是在10.7MHz（试验中我认为在10.7MHz——10.71MHz之间），从而与实际有一定误差。根据频谱可以看到，调整稍有误差就会使得频谱增益有很大变化。2在高频部分有一定噪声，从而影响了输出的测量精度。3 由于失真，有效者测量产生了误差，导致不准确。

5 用扫频仪绘制频谱 参数： RW1=1K，RW2=10.75k

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分析：如图可见，产生的频谱基本符合理论值。，中心频率基本为10.7MHz，而频谱也和理论波形相符。

实验感想： 本次试验，是第一次高频实验。通过这次试验，我认识到了高频电路与低频电路的不同。在高频时候集中参数模型不再成立，导致电气性能发生了很多变化，也使得实验更加困难。此外，扫频仪的使用也是在低频电路中没有过的，这个仪器能够让我非常方便的看到频率响应。

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