高频小信号谐振放大器理论_小信号谐振放大器仿真

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2.2 总体方案简述

高频小信号放大器的功用就是无失真的放大某一频率范围内的信号。按其频带宽度可以分为窄带和宽带放大器，而最常用的是窄带放大器，它是以各种选频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波功能。对高频小信号放大器的基本要求是：

（1）增益要高，即放大倍数要大。

（2）频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用Q值来表示，其频率特性曲线如图-1所示,带宽BW=f2-f1= 2Δf0.7，品质因数Q=fo/2Δf0.7.（3）工作稳定可靠，即要求放大器的性能尽可能地不受温度、电源电压等外界因素变化的影响，内部噪声要小，特别是不产生自激，加入负反馈可以改善放大器的性能。

（4）阻抗匹配。

第三章

电路的基本原理及电路的设计

3.1 电路基本原理

图3-1-1所示电路为共发射极接法的晶体管小信号调谐回路谐振放大器。它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数会影响放大器的输出信号的频率或相位。晶体管的静态工作点由电阻RB1和RB2以及RE决定，其计算方法与低频单管放大器相同。

图3-1-1 放大器在谐振时的等效电路如图3-1-2所示，晶体管的4个y参数分别如下：

输入导纳：

输出导纳：

正向传输导纳：

反向传输导纳： 式中，为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为：

为发射结电导，与晶体管的电流放大系数及有关，其关系为

为基极体电阻，一般为几十欧姆；

为集电极电容，一般为几皮法；为发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。

图3-1-2，电流放大系晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作点的电流数有关外，还与工作角频率w有关。晶体管手册中给出了的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得的。

图3-1-2所示的等效电路中，p1为晶体管的集电极接入系数，即

式中，N2为电感L线圈的总匝数；p2为输出变压器Tr0的副边与原边匝数比，即

式中，N3为副边总匝数。

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，则由图3-1-2可见，并联谐振回路的总电导

将是下一级晶体管的输入电导的表达式为

式中，1.谐振频率 为LC回路本身的损耗电导。

放大器的谐振回路谐振时所对应的频率称为谐振频率。的表达式为：

式中，L为谐振放大器电路的电感线圈的电感量；

为谐路的总电容，3的表达式为：

式中，谐振频率为晶体管的输出电容；

为晶体管的输入电容。，输出电的测试步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变电容C或电感L使回路谐振。LC并联谐振时，直流毫安表mA的指示为最小（当放大器工作在丙类状态时），电压表指示值达到最大，且输出波形无明显失真。这时回路谐振频率就等于信号发生器的输出频率。

2.电压增益

放大器的谐振回路所对应的电压放大倍数Avo称为谐振放大器的电压增益.Avo的表达式为：的测量电路如图3-2-1所示，测量条件是放大器的谐振回路处于谐振状态。计算公式如下：

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Av下降到谐振电压放大倍数时所对应的频率范围称为放大器的通频带BW，其表达式为：的0.707倍

式中，为谐振放大器的有载品质因素。

分析表明，放大器的谐振电压放大倍数与通频带BW的关系为：

上式说明，当晶体管

确定，且回路总电容

为定值时，谐振电压放大倍数与通频带BW的乘积为一常数。

通频带的测量电路如图3-2-1所示。可通过测量放大器的频率特性曲线来求通频带。采用逐点法的测量步骤是：先使调谐放大器的谐振回路产生谐振，记下此时的与，然后改变高频信号发生器的频率（保持Vs不变），并测出对应的电压放大倍数Av，由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的频率特性曲线如图3-3-2所示：

图3-2-2 由BW得表达式可知：

通频带越宽的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频带，同时又能提高放大器的电压增益，由式可知，除了选用调谐回路的总电容量。4.矩形系数

较大的晶体管外，还应尽量减少

谐振放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kr0.1来表示，如图3-2-2所示，矩形系数Kr0.1为电压放大倍数下降到0.1Avo时对应的频率范围与电压放大倍数下降到0.707

时对应的频率偏移之比，即

上式表明，矩形系数Kr0.1越接近1，临近波道的选择性越好，滤除干扰信号的能力越强。可以通过测量图3-2-2所示的谐振放大器的频率特性曲线来求得矩形波系数Kr0.1。

3.3 电路的设计与参数计算

3.3.1 电路的确定

电路形式如图3-3-1所示。

图 3-3-1

3.3.2参数计算

已知参数要求与晶体管3DJ6参数。

(1)设置静态工作点

取

IEQ=1mA, VEQ=1.5V, VCEQ=7.5V, 则

REVEQIEQ1.5K

RB2VBQ6IBQVBQ6ICQ18.3K ,取标称值18KΩ

RB1VCCVBQVBQRB255.6K

RB1可用30kΩ电阻和100kΩ电位器串联,以便调整静态工作点。

(2)计算谐振回路参数 {gbe}mS{IE}mA0.77mS

26mV

{gm}mS{IE}mA38mS 26mV

下面计算4个y参数，yiegbejCbe0.96mSj1.5mS

1rbb(gbejCbe)

因为yiegiejCie, 所以

gie0.96mS，rie11.5mS1k，Cie2.2pF gie

yoejCbcrbbgmjCbc0.06mSj0.5mS

1rbb(gbejCbe)

因为yoegoejCoe，所以

goe0.06mS，Coe

yfe0.5mS7pF

gm37mSj4.1mS

1rbb(gbejCbe)

故模

|yfe|3724.12mS37mS

回路总电容为

C

再计算回路电容

2CCp1Coep2Cie53.3pF，取标称值51pF

152.2pF

(2f0)2L输出耦合变压器Tr0的原边抽头匝数N1及副边匝数N3,即

N1p1N25匝，N3p2N25匝

(3)确定输入耦合回路及高频滤波电容

高频小信号谐振放大器的输入耦合回路通常是 指变压器耦合的谐振回路。由于输入变压器Tri原边谐振回路与放大器谐振回路的谐振频率相等，也可以直接采用电容耦合，高频耦合电容一般选择瓷片电容

⑴在无信号输入，仅有直流激励的情况下用电流表测量三极管发射极极电流，测得IEQ约为1mA。

⑵接入信号发生器，观察示波器输入输出波形，按照设计要求调节中周。利用仪器测得各指标如下：

f0=10MHz Ａvo＝34dB 仿真数据分析：在误差允许范围里，仿真测量所得数据与理论值相等。

4.2电路的安装与测试

将上述设计的元器件参数值按照图2-1所示电路进行安装。先调整放大器的静态工作点，然后再调谐振回路使其谐振。

调整静态工作点的方法是，不加输入信号（Vi=0），将C1的左端接地，将谐振回路的电容C开路，这时用万用表测量电阻Re两端的电压，调整电阻Rb1使Veq=1.5V(Ie=1mA)。记下此时电路的Rb1值及静态工作点Vbq、Vceq、Veq、及Ieq。

调谐振回路使其谐振的方法是，按照图5-1所示的测试电路接入高频电压表V1、V2，直流毫安表mA及示波器。再将信号发生器的输出频率置于fi=10MHZ，输出电压Vi=5mV。为避免谐振回路失谐引起的高反向电压损坏晶体管，可先将电源电压+Vcc降低，如使+Vcc=+6V。调输出耦合变压器的磁芯使回路谐振，即电压表V2的指示值达到最大，毫安表mA为最小且输出波形无明显失真。回路处于谐振状态后，再将电源电压恢复至+12V。

实验数据：

f0=9.7MHz Ａvo＝28dB

数据分析：

在误差允许范围内，中心频率的理论值与实际值一致，在放大器处于谐振状态下，电压放大倍数Avo放大倍数与理论值有一定的差距，导致误差的原因有如下几点：

（1）实物的实际值与理论值有一定的差距。如电阻电容的理论值与标称值不一致，并且电阻电容的标称值也有一定的误差。

（2）由于分布参数的影响，晶体管手册中给出的分布参数一般都是在测试条件一定 的情况下测得的。且分布参数还与静态工作电流及电流放大系数有关。放大器的各项技术指标满足设计要求后的元器件参数值与设计计算值有一定的偏离。（3）性能指标参数的测量方法存在一定的误差。如在调谐过程中，我们通过直接观察波形的输出值的大小来确定电路是否调谐。这样调谐频率的测量值存在误差的同时，放大倍数的测量值也会产生误差。

（4）实验仪器设备的老化等也会导致电路调试过程中出现一定的误差。

（5）由于工作频率较高，高频小信号放大器容易受到外界各种信号的干扰，特别是射频干扰。通常采取的措施是把放大器装入金属屏蔽盒内（屏蔽盒与地线应接触良好）。但电路调试环境条件有限。