高频电路实验指导书新资料.docx

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高频电路实验指导书新资料

高频电路实验

第5章高频电路实验

5.1高频小信号调谐放大器实验

5.1.1实验目的

1、掌握小信号调谐放大器的基本工作原理；

2、掌握谐振放大器电压增益、通频带及选择性的定义、测试及计算；

3、了解高频小信号放大器动态范围的测试方法；

5.1.2实验内容

1、测量单调谐、双调谐小信号放大器的静态工作点

2、测量单调谐、双调谐小信号放大器的增益

3、测量单调谐、双调谐小信号放大器的通频带

5.1.3实验仪器

1、高频信号发生器1台

2、高频毫伏表1台

3、高频小信号调谐放大器（2号板）1块

4、双踪示波器1台

5、万用表1块

6、扫频仪1台

5.1.4实验原理

1、单调谐放大器

小信号谐振放大器是通信机接收端的前端电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。

其实验单元电路如图5.1.1所示。

该电路由晶体管Q1、选频回路T1二部分组成。

它不仅对高频小信号进行放大，而且还有一定的选频作用。

本实验中输入信号的频率fS＝10.7MHz。

基极偏置电阻W3、R22、R4和射极电阻R5决定晶体管的静态工作点。

调节可变电阻W3改变基极偏置电阻将改变晶体管的静态工作点，从而可以改变放大器的增益。

表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率f0，谐振电压放大倍数Av0，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1来表示）等。

放大器各项性能指标及测量方法如下：

（1）谐振频率

放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率，对于图5.1.1所示电路（也是以下各项指标所对应电路），f0的表达式为

式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；

为调谐回路的总电容，

的表达式为

式中，Coe为晶体管的输出电容；Cie为晶体管的输入电容；P1为初级线圈抽头系数；P2为次级线圈抽头系数。

图5.1.1单调谐小信号放大电路

谐振频率f0的测量方法是：

用扫频仪作为测量仪器，测出电路的幅频特性曲线，调变压器T的磁芯，使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点f0。

（2）电压放大倍数

放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数AV0称为调谐放大器的电压放大倍数。

AV0的表达式为

式中，

为谐振回路谐振时的总电导。

要注意的是yfe本身也是一个复数，所以谐振时输出电压V0与输入电压Vi相位差不是180º而是为180º+Φfe。

的测量方法是：

在谐振回路已处于谐振状态时，用高频毫伏表测量图5.1.1中输出信号V0及输入信号Vi的大小，则电压放大倍数

由下式计算：

或

dB

（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

下降到谐振电压放大倍数

的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW，其表达式为

BW=2△f0.7=f0/QL

式中，QL为谐振回路的有载品质因数。

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，当晶体管选定即yfe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。

这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。

通频带BW的测量方法：

是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。

测量方法可以是扫频法，也可以是逐点法。

逐点法的测量步骤是：

先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率f0及电压放大倍数

然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压VS不变），并测出对应的电压放大倍数

。

由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的谐振曲线如图5.1.2所示。

可得：

通频带越宽放大器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，除了选用yfe较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量CΣ。

如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号，则可减小通频带，尽量提高放大器的增益。

2、双调谐放大器

为了克服单调谐回路放大器的选择性差、通频带与增益之间矛盾较大的缺点，可采用双调谐回路放大器。

双调谐回路放大器具有频带宽、选择性好的优点，并能较好地解决增益与通频带之间的矛盾，从而在通信接收设备中广泛应用。

在双调谐放大器中，被放大后的信号通过耦合回路加到下级放大器的输入端。

（1）电压增益为（临界耦合时）

（2）通频带

为弱耦合时，谐振曲线为单峰；

为强耦合时，谐振曲线出现双峰；

临界耦合时，双调谐放大其的通频带为：

BW=2△f0.7=

fo/QL

图5.1.3双调谐小信号放大

5.1.5实验步骤

1、单调谐小信号放大器单元电路实验

（1）根据电路原理图熟悉实验板电路，并在电路板上找出与原理图相对应的的各测试点及可调器件（具体指出）。

（2）打开小信号调谐放大器的电源开关，并观察工作指示灯是否点亮，红灯为+12V电源指示灯，绿灯为-12V电源指示灯。

（以后实验步骤中不再强调打开实验模块电源开关步骤）

（3）调整晶体管的静态工作点：

在不加输入信号时用万用表（直流电压测量档）测量电阻R4和R5两端的电压（即VBQ与VEQ），调整可调电阻W3，使VEQ＝1.6V，记下此时的VBQ，并计算出此时的IEQ＝VEQ/R5（R5=470Ω）

（4）关闭电源，按下表所示搭建好测试电路。

（连线框图如图5.1.4所示）

图5.1.4单调谐小信号放大连线框图

注：

图中符号

表示高频连接线

源端口

目的端口

连线说明

信号源：

RF1

（Vp-p=200mVf=10.7M）

2号板：

J4

射频信号输入

信号源：

RF2

频率计：

RFIN

频率计实时观察输入频率

（5）按下信号源、频率计和2号板的电源开关，调节信号源“RF幅度”和“频率调节”旋钮，使在TH1处输出信号峰-峰值约为200mV（示波器探头用x10档测量）频率为10.7MHz的高频信号。

测量谐振频率

将示波器探头连接在调谐放大器的输出端即TH2上，调节示波器直到能观察到输出信号的波形，再调节中周磁芯使示波器上的信号幅度最大，此时放大器即被调谐到输入信号的频率点上。

测量电压增益Av0

在调谐放大器对输入信号已经谐振的情况下，用示波器探头在TH1和TH2分别观测输入和输出信号的幅度大小，则Av0即为输出信号与输入信号幅度之比。

测量放大器通频带

调节放大器输入信号的频率，使信号频率在谐振频率附近变化（以20KHz为步进间隔来变化），并用示波器观测各频率点的输出信号的幅度，在如下的“幅度－频率”坐标轴上标示出放大器的通频带特性。

2、双调谐小信号放大器单元电路实验

（1）打开双调谐小信号调谐放大器的电源开关，并观察工作指示灯是否点亮。

（2）调整晶体管的静态工作点：

在不加输入信号时用万用表（直流电压测量档）测量电阻R15和R16两端的电压（即VBQ与VEQ），调整可调电阻W4，使VEQ＝0.4V，记下此时的VBQ，并计算出此时的IEQ＝VEQ/R16（R16=1.5K）

（3）关闭电源，按下表所示搭建好测试电路。

（连线框图如图1.1.5所示）

图1.1.5双调谐小信号放大连线框图

源端口

目的端口

连线说明

信号源：

RF1

（Vp-p=500mVf=465KHz）

2号板：

J5

射频信号输入

信号源：

RF2

频率计：

RFIN

频率计实时观察输入频率

（4）按下信号源、频率计和2号板的电源开关，调节信号源“RF幅度”和“频率调节”旋钮，使在TH1处输出信号峰-峰值约为500mV（示波器探头用x10档测量）频率为465KHz的高频信号。

测量谐振频率

1）将示波器探头连接在调谐放大器的输出端TH7上，调节示波器直到能观察到输出信号的波形。

2）首先调试放大电路的第一级中周，让示波器上被测信号幅度尽可能大，然后调试第二级中周，让示波器上被测信号的幅度尽可能大。

3）重复调第一级和第二级中周，直到输出信号的幅度达到最大。

这样，放大器就谐振到输入信号的频点上。

测量电压增益Av0

在调谐放大器对输入信号已经谐振的情况下，用示波器探头在TH6和TH7分别观测输入和输出信号的幅度大小，则Av0即为输出信号与输入信号幅度之比。

1.1.6实验报告要求

i.写明实验目的。

ii.画出实验电路的直流和交流等效电路。

iii.计算直流工作点，与实验实测结果比较。

iv.整理实验数据，并画出幅频特性。

v.思考题：

（1）高频信号发生器指示幅度与TH1、TH6测试点测得幅度是否相同，为什么？

（2）实验电路是否发生自激现象，如何消除自激？

5.2集成选频放大器

5.2.1实验目的

1、熟悉集成放大器的内部工作原理

2、熟悉陶瓷滤波器的选频特性

5.2.2实验内容

1、测量集成选频放大器的增益。

2、测量集成选频放大器的通频带。

5.2.3实验仪器

1、高频信号发生器1台

2、高频毫伏表1台

3、高频小信号调谐放大器（2号板）1块

4、双踪示波器1台

5、万用表1块

6、扫频仪1台

5.2.4实验原理

1、集成选频放大器的原理图见图5.2.1，由图可知，本实验中涉及到的集成选频放大器

是带AGC（自动增益控制）功能的选频放大器，放大IC用的是Motorola公司的MC1350。

2、MC1350放大器的工作原理

图5.2.2为MC1350单片集成放大器的电原理图。

这个电路是双端输入、双端输出的全差动式电路，其主要用于中频和视频放大。

输入级为共射-共基差分对，Q1和Q2组成共射差分对，Q3和Q6组成共基差分对。

除了Q3和Q6的射极等效输入阻抗为Q1、Q2的集电极负载外，还有Q4、Q5的射极输入阻抗分别与Q3、Q6的射极输入阻抗并联，起着分流的作用。

各个等效微变输入阻抗分别与该器件的偏流成反比。

增益控制电压（直流电压）控制Q4、Q5的基极，以改变Q4、Q5分别和Q3、Q6的工作点电流的相对大小，当增益控制电压增大时，Q4、Q5的工作点电流增大，射极等效输入阻抗下降，分流作用增大，放大器的增益减小。

5.2.5实验步骤

1、据电路原理图熟悉实验板电路，并在电路板上找出与原理图相对应的的各测试点及可

调器件。

2、按图5.2.3所示框图搭建好测试电路。

源端口

目的端口

连线说明

信号源：

RF1

（Vp-p=100mVf=4.5M）

2号板：

J2

射频信号输入

信号源：

RF2

频率计：

RFIN

频率计实时观察输入频率

5.2.6实验报告要求

1、写明实验目的。

2、计算集成选频放大器的增益。

3、计算集成选频放大器的通频带。

4、整理实验数据，并画出幅频特性。

图5.2.1集成选频放大器电路原理图

图5.2.2MC1350内部电路图

图5.2.3集成选频放大器测试连接框图

5.3非线性丙类功率放大器实验

5.3.1实验目的

1、了解丙类功率放大器的基本工作原理，掌握丙类放大器的调谐特性以及负载改变时的动态特性。

2、了解高频功率放大器丙类工作的物理过程以及当激励信号变化对功率放大器工作状态的影响。

3、比较甲类功率放大器与丙类功率放大器的特点

4、掌握丙类放大器的计算与设计方法。

5.3.2实验内容

1、观察高频功率放大器丙类工作状态的现象，并分析其特点

2、测试丙类功放的调谐特性

3、测试丙类功放的负载特性

4、观察激励信号变化、负载变化对工作状态的影响

5.3.3实验仪器

1、信号源模块1块

2、频率计模块1块

3、8号板1块

4、双踪示波器1台

5、频率特性测试仪（可选）1台

6、万用表1块

5.3.4实验基本原理

放大器按照电流导通角

的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型。

功率放大器电流导通角

越小，放大器的效率

越高。

甲类功率放大器的

，效率

最高只能达到50%，适用于小信号低功率放大，一般作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。

非线性丙类功率放大器的电流导通角

，效率可达到80%，通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。

特点：

非线性丙类功率放大器通常用来放大窄带高频信号（信号的通带宽度只有其中心频率的1％或更小），基极偏置为负值，电流导通角

，为了不失真地放大信号，它的负载必须是LC谐振回路。

电路原理图如图5.3.1（见P18）所示，该实验电路由两级功率放大器组成。

其中Q3、T6组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态，其中RA3、R14、R15组成静态偏置电阻，调节RA3可改变放大器的增益。

W1为可调电阻，调节W1可以改变输入信号幅度，Q4、T4组成丙类功率放大器。

R16为射极反馈电阻，T4为谐振回路，甲类功放的输出信号通过R13送到Q4基极作为丙放的输入信号，此时只有当甲放输出信号大于丙放管Q4基极－射极间的负偏压值时，Q4才导通工作。

与拨码开关相连的电阻为负载回路外接电阻，改变S1拨码开关的位置可改变并联电阻值，即改变回路Q值。

下面介绍甲类功放和丙类功放的工作原理及基本关系式。

1、甲类功率放大器

1）静态工作点

如图5.3.1所示，甲类功率放大器工作在线性状态，电路的静态工作点由下列关系式确定：

2）负载特性

如图5.3.1所示，甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定，两级间通过变压器进行耦合，因此甲类功放的交流输出功率P0可表示为：

式中，

为输出负载上的实际功率，

为变压器的传输效率，一般为

＝0.75～0.85

图5.3.2为甲类功放的负载特性。

为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点，此时集电极的负载电阻RH称为最佳负载电阻。

集电极的输出功率PC的表达式为：

式中，Vcm为集电极输出的交流电压振幅；Icm为交流电流的振幅，它们的表达式分别为：

式中，VCES称为饱和压降，约1V

如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，则

式中，

为变压器次级接入的负载电阻，即下级丙类功放的输入阻抗。

图5.3.2甲类功放的负载特性

3）功率增益

与电压放大器不同的是功率放大器有一定的功率增益，对于图5.3.1所示电路，甲类功率放大器不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还要将前级输入的信号进行功率放大，功率放大增益Ap的表达式为

其中，Pi为放大器的输入功率，它与放大器的输入电压uim及输入电阻Ri的关系为

2、丙类功率放大器

1）基本关系式

丙类功率放大器的基极偏置电压VBE是利用发射极电流的直流分量IEO（≈ICO）在射极电阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。

当放大器的输入信号

为正弦波时，集电极的输出电流iC为余弦脉冲波。

利用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压vc1,电流ic1。

图5.3.3画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。

分析可得下列基本关系式：

式中，

为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；

为集电极基波电流振幅；

为集电极回路的谐振阻抗。

式中，PC为集电极输出功率

式中，PD为电源VCC供给的直流功率；ICO为集电极电流脉冲iC的直流分量。

放大器的效率

为

图5.3.3丙类功放的基极/集电极电流和电压波形

2）负载特性

当放大器的电源电压＋VCC，基极偏压vb，输入电压（或称激励电压）vsm确定后，如果电流导通角选定，则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻Rq。

谐振功率放大器的交流负载特性如图5.3.4所示。

由图可见，当交流负载线正好穿过静态特性转移点A时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降VCES，集电极电流脉冲接近最大值Icm。

此时，集电极输出的功率PC和效率

都较高，此时放大器处于临界工作状态。

Rq所对应的值称为最佳负载电阻，用R0表示，即

当Rq﹤R0时，放大器处于欠压状态，如C点所示，集电极输出电流虽然较大，但集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。

当Rq﹥R0时，放大器处于过压状态，如B点所示，集电极电压虽然比较大，但集电极电流波形有凹陷，因此输出功率较低，但效率较高。

为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临界工作状态。

判断放大器是否为临界工作状态的条件是：

图5.3.4谐振功率放大器的负载特性

5.3.5实验步骤

1、连线框图如图5.3.5所示

图5.3.5非线性丙类功率放大电路连线框图

源端口

目的端口

连线说明

信号源：

RF1

（Vp-p=300mVf=10.7M）

8号板：

J3

射频信号输入

信号源：

RF2

频率计：

RFIN

频率计实时观察输入频率

2、在前置放大电路中输入J3处输入频率

＝10.7MHz（Vp-p≈300mV）的高频信号，调节W1使TP6处信号约为6V。

调谐特性的测试

将S1设为“0000”，以1MHz为步进从9MHz～15MHz改变输入信号频率，记录TP6处的输出电压值，填入表5.3.1。

表5.3.1

fi

9MHz

10MHz

11MHz

12MHz

13MHz

14MHz

15MHz

V0

负载特性的测试

调节中周T4使回路调谐（调谐标准：

TH4处波形为对称双峰）。

将负载电阻转换开关S1（第4位没用到）依次拨为“1110”，“0110”和“0010”，用示波器观测相应的Vc（TH5处观测）值和Ve（TH4处观测）波形，描绘相应的ie波形，分析负载对工作状态的影响。

图5.3.1非线性丙类功率放大

表5.3.2　（Vb＝6Vf＝10.7MHzVCC＝5V）

等效负载

R18//R19//R20//（R21+R22）

R19//R20//（R21+R22）

R20//（R21+R22）

R21+R22

RL（Ω）

8

43

275

1650

VcP-P（V）

VeP-P（V）

ie的波形

3、观察激励电压变化对工作状态的影响

先调节T4将ie波形调到凹顶波形，然后使输入信号由大到小变化，用示波器观察ie波形的变化（观测ie波形即观测Ve波形，ie＝Ve/（R16+R17），用示波器在TH4处观察

5.3.6实验报告要求

1、整理实验数据，并填写表5.3.1、表5.3.2。

2、对实验参数和波形进行分析，说明输入激励电压、负载电阻对工作状态的影响。

3、分析丙类功率放大器的特点。

5.4线性宽带功率放大器

5.4.1实验目的

了解线性宽带功率放大器工作状态的特点

5.4.2实验内容

1、了解线性宽带功率放大器工作状态的特点

2、掌握线性功率放大器的幅频特性

5.4.3实验仪器

1、信号源模块1块

2、频率计模块1块

3、8号板1块

4、双踪示波器1台

5、频率特性测试仪（可选）　　　　　　　1台

6、万用表　　　　　　　　　　　　　　　1块

5.4.4实验原理及实验电路说明

1、传输线变压器工作原理

现代通信的发展趋势之一是在宽波段工作范围内能采用自动调谐技术，以便于迅速转换工作频率。

为了满足上述要求，可以在发射机的中间各级采用宽带高频功率放大器，它不需要调谐回路，就能在很宽的波段范围内获得线性放大。

但为了只输出所需的工作频率，发射机末级（有时还包括末前级）还要采用调谐放大器。

当然，所付出的代价是输出功率和功率增益都降低了。

因此，一般来说，宽带功率放大器适用于中、小功率级。

对于大功率设备来说，可以采用宽带功放作为推动级同样也能节约调谐时间。

图5.46.1传输线变压器连接示意图图5.4.2传输线变压器等效电路图

最常见的宽带高频功率放大器是利用宽带变压器做耦合电路的放大器。

宽带变压器有两种形式：

一种是利用普通变压器的原理，只是采用高频磁芯，可工作到短波波段；另一种是利用传输线原理和变压器原理二者结合的所谓传输线变压器，这是最常用的一种宽带变压器。

传输线变压器它是将传输线（双绞线、带状线或同轴电缆等）绕在高导磁芯上构成的，以传输线方式与变压器方式同时进行能量传输。

图5.4.1为4：

1传输线变压器。

图5.4.2为传输线变压器的等效电路图。

普通变压器上、下限频率的扩展方法是相互制约的。

为了扩展下限频率，就需要增大初级线圈电感量，使其在低频段也能取得较大的输入阻抗，如采用高磁导率的高频磁芯和增加初级线圈的匝数，但这样做将使变压器的漏感和分布电容增大，降低了上限频率；为了扩展上限频率，就需要减小漏感和分布电容，如采用低磁导率的高频磁芯和减少线圈的匝数，但这样做又会使下限频率提高。

把传输线的原理应用于变压器，就可以提高工作频率的上限，并解决带宽问题。

传输线变压器有两种工作方式：

一种是按照传输线方式来工作，即在它的两个线圈中通过大小相等、方向相反的电流，磁芯中的磁场正好相互抵消。

因此，磁芯没有功率损耗，磁芯对传输线的工作没有什么影响。

这种工作方式称为传输线模式。

另一种是按照变压器方式工作，此时线圈中有激磁电流，并在磁芯中产生公共磁场，有铁芯功率损耗。

这种方式称为变压器模式。

传输线变压器通常同时存在着这两种模式，或者说，传输变压器正是利用这两种模式来适应不同的功用的。

当工作在低频段时，由于信号波长远大于传输线长度，分布参数很小，可以忽略，故变压器方式起主要作用。

由于磁芯的磁导率很高，所以虽然传输线段短也能获得足够大的初级电感量，保证了传输线变压器的低频特性较好。

当工作在高频段时，传输线方式起主要作用，由于两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处的线间电容在整个线长上是均匀分布的，如图5.4.3所示。

也由于两根等长的导线同时绕在一个高μ磁芯上，所以导线上每一线段

的电感也是均匀分布在整个线长上的，这是一种分布参数电路，可以利用分布参数电路理论分析，这里简单说明其工作原理。

如果考虑到线间的分布电容和导线电感，将传输线看作是由许多电感、电容组成的耦合链。

当信号源加于电路的输入端时，信源将向电容C充电，使C储能，C又通过电感放电，使电感储能，即电能变为磁能。

然后，电感又与后面的电容进行能量交换，即磁能转换为电能。

再往后电容与后面的电感进行能量交换，如此往复不已。

输入信号就以电磁能交换的形式，自始端传输到终端，最后被负载所吸收。

由于理想的电感和电容均不损耗高频能量，因此，如果忽略导线的欧姆损耗，和导线间的介质损耗，则输出端能量将等于输入端的能量。

即通过传输线变压器，负载可以取得信源供给的全部能量。

因此，传输线变压器有很宽的带宽。

2、实验电路组成

本实验单元模块电路如图5.4.4所示。

该实验电路由两级宽带、高频功率放大电路组成，两级功放都工作在甲类状态，其中Q1、L1组成甲类功率放大器,工作在线性放大状态，RA1、R7、R8组成静态偏置电阻，调节RA1可改变放大器的增益。

R2为本级交流负反馈电阻，展宽频带，改善非线性失真，T1,T2两个传输线变压器级联作为第一级功放的输出匹配网络，总阻抗比为16：

1，使第二级功放的低输入阻抗与第一级功放的高输出阻抗实现匹配,后级电路分析同前级。

图5.4.4线性宽带功率放大

5.4.5实验步骤

1、连线框图