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任务一  高频小信号谐振放大器

任务引入
我们知道，无线通信接收设备的接收天线接收从空间传来的电磁波并感应出的高频信号的电压幅度是（μV）到几毫伏（mV），而接收电路中的检波器（或鉴频器）的输入电压的幅值要求较高，最好在1V左右。这就需要在检波前进行高频放大和中频放大。为此，我们就需要设计高频小信号放大器，完成对天线所接受的微弱信号进行选择并放大，即从众多的无线电波信号中，选出需要的频率信号并加以放大，而对其它无用信号、干扰与噪声进行抑制，以提高信号的幅度与质量。
在此，首先引入应用广泛的高频小信号谐振放大器。
任务分析
高频小信号谐振放大器的作用、电路组成、及工作原理，与低频小信号放大电路是基本一致的。不同的是：一是在高频小信号谐振放大器中，所放大信号的频率远比低频放大电路信号频率高；二是高频小信号谐振放大器的频宽是窄带（要求只放大某一中心频率的载波信号）。因此，首先在电路组成上应将低频放大电路中的低频三极管换成具有更高截止频率的高频三极管，将集电极负载换成了LC选频网络；再是在电路分析与设计中，应重点考虑电路的高频特性与选频特性。高频小信号谐振放大器的核心元件是高频小功率晶体管和LC并联谐振回路。
相关知识
一、高频小功率晶体管与LC并联谐振回路
1．高频小功率晶体管
高频小信号放大电路中采用的高频小功率晶体管与低频小功率晶体管不同，主要区别是工作截止频率不同。低频晶体管只能工作在3MHz以下的频率上，而高频晶体管可以工作在几十到几百兆赫兹，甚至更高的频率上。 目前高频小功率晶体管工的作频率可达几千兆赫，噪声系数为几个分贝。高频小功率晶体管的作用与低频小功率晶体管一样，工作在甲类工作状态，起电流放大作用。
2．LC并联谐振回路
在接收机的各级高频小信号放大器中，利用LC并联谐振回路的选频作用，对谐振点频率的电流信号呈现较大的阻抗，而且是纯电阻性的，将电流信号转换成电压信号输出，而对失谐点频率的电流信号呈现很小的阻抗，抑制失谐点频率电流信号的输出，起到选择出所需接收的信号，抑制无用的信号和干扰的目的。
二、小信号谐振放大器的分类
按调谐回路划分：单调谐回路放大器、双调谐回路放大器和参差调谐回路放大器。
按所用器件划分：晶体管放大器、场效应管放大器和集成电路放大器。
按器件连接方式划分：共基、共射与共集电极放大器或共源、共漏与共栅极放大器。
三、高频小信号谐振放大器的主要性能指标
1．谐振电压增益
放大器的谐振电压增益是指放大器在谐振频率上的电压增益，记为，其值可用分贝(dB）表示。实际应用时，考虑放大器的稳定性问题，单级放大器的增益一般为20～30dB；若增益不够，可采用多级调谐放大器级联实现。
2．通频带
通频带是指放大器的电压增益下降到谐振电压增益的时所对应的频率范围，一般用（或）表示。
由于小信号调谐放大器所放大的一般都是已调信号，包含一定的边频，所以放大器必须有一定的通频带。如：一般调幅广播接收机的中放通频带约为8KHz，调频广播接受机的中放通频带约为200KHz。
3．选择性
选择性是指放大器从各种不同频率的信号中选出有用信号而抑制无用或干扰信号的能力。通常用“抑制比”和“矩形系数”两个技术指标。
（1）抑制比：定义为谐振电压增益与通频带外指定偏离谐振频率处的电压增益之比值，用表示，记为
             （dB）
值越小，即衰减的分贝数越大，则放大器选择性越好。例如：收音机的选择性指标就用抑制比来描述，普通调幅收音机，偏离处，衰减不低于20dB；优质调幅收音机，偏离处，衰减不低于30～40dB；调频收音机，偏离处，衰减不低于30dB。
（2）矩形系数：用于评定实际的谐振曲线偏离（或接近）理想谐振曲线的程度，矩形系数定义为

的值越小越好，在接近1时，说明放大器的谐振曲线就越接近于理想谐振曲线，放大器的选择性越好。
4．稳定性
稳定性是指当组成放大器的元件参数变化时，放大器的主要性能——增益、通频带、选择性的稳定程度。
常见不稳定现象：增益变化、中心频率偏移、通频带变化、谐振曲线变形、放大器自激。
5．噪声系数
（1）信噪比：用来表示噪声对信号的影响程度，电路中某处信号功率与噪声功率之比称为信噪比。信噪比大，表示信号功率大，噪声功率小，信号受噪声影响小，信号质量好。
（2）噪声系数：用来衡量放大器噪声对信号质量的影响程度，输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值称为噪声系数。在多级放大器中，最前面一、二级对整个放大器的噪声起决定性作用，因此要求它们的噪声系数尽量接近1。
四、高频小信号谐振放大器的分析与计算
1．单级单调谐放大器
（1）电路组成
如图3-2-1a）所示为一个共发射极单调谐放大器，它是一个超外差接收机中一个典型的中频放大器。图中，Rb1、Rb2和Re组成稳定工作点的分压式偏置电路，Cb、Ce为中频旁路电容，ZL为负载阻抗（或下一级的输入阻抗），Tr1 、Tr2为中频变压器（中周），其中Tr2的初级电感L和电容C组成的并联谐振回路作为放大器的集电极负载，采用变压器耦合使前后级直流电路分开，也能较好地实现前后级的阻抗匹配。

                   a)                                           b)
图3-2-1    单调谐放大器电路
               a)  单调谐放大器电路     b)交流通路
图3-2-1b）分别为共发射极单调谐放大器的交流通路。半导体三极管工作在甲类工作状态，可将高频信号被放大的过程及信号流程扼要的表述为：
输入的高频小信号V的基极基极电流集电极电流
回路谐振电压在负载上产生电压，使输入高频小信号得以放大。
（2）幅频特性曲线
由于LC并联谐振回路具有选频特性，因此，单调谐放大器具有选频放大功能。图3-2-2所示为单调谐放大器的幅频特性曲线，当输入信号频率等于LC谐振频率时，即，其增益最高；一旦，即失谐，放大器的增益将迅速下降。

图3-2-2 单调谐放大器的幅频特性曲线
  1）谐振频率

其中，是回路总电容，为三极管输出电容和负载电容折合到LC回路两端的等效电容与回路电容C之和。改变L和都改变谐振频率，即进行调谐。在实际电路中，常采用调节中周的磁心来改变电感量L，以达到调谐的目的。
2）通频带

其中，为LC回路的有载品质因素。其值与回路自身有关，还与电路特性有关。可表示为

其中，为LC谐振回路的总电阻。由上两式可知，改变的值，就会发生变化，通频带也将随之改变。在实际电路中，常采用在LC回路两端并联电阻的办法，来降低调谐回路的有载品质因素的值，以达到扩展放大器通频带的目的。
3） 选择性
矩形系数定义为：20dB带宽与3dB带宽之比

对于理想谐振回路，其矩形系数为1；但对于实际并联谐振回路，不论其值为多大，也不论其谐振频率高低，它的矩形系数为9.95，即近似为10，远大于1，则说明单个并联谐振回路的谐振曲线与理想谐振特性相差甚远，选择性较差。故单调谐放大器的选择性较差。
    2．多级单调谐放大器
考虑到放大器的通频带和放大器的稳定性等因素，单级调谐放大器的电压增益不能做得很高，当需要较大电压增益时，就需要多级放大器级联来实现。
    （1）多级单调谐放大器的电压增益
    设有n级单调谐放大器级联，且各级的电压增益相同，即

     则级联后放大器的总电压增益为

     （2）多级单调谐放大器的通频带
     多级放大器级联后的幅频特性曲线如图3-2-3所示，级联后总的通频带要比单级放大器的通频带窄。级数越多，总通频带越窄。

图3-2-3  多级单调谐放大器的幅频特性曲线
     多级放大器的总通频带为

     称为频带缩小因子，表2-2-1列出了几种不同值对应的缩小因子的值。
                        表3-2-1 缩小因子与级数的关系

1
2
3
4
5
…

1
0.64
0.51
0.43
0.39
…
（3）多级单调谐放大器的选择性
由图3-2-3可以看出，放大器的级数越多，曲线的形状越接近于矩形，也就是说矩形系数越接近1，选择性越好。 级相同的单调谐放大器级联后的矩形系数为

表3-2-2列出了不同值时矩形系数的大小。
表3-2-2 矩形系数与级数的关系

1
2
3
4
5
6
…

9.95
4.66
3.75
3.4
3.2
3.1
…
总之，多级放大器中，级联后放大器的总电压增益比单级放大器的电压增益大、选择性好，但总通频带比单级放大器通频带窄。如果要保证总的通频带与单级时一样，则必须通过减小每级回路有载品质因素的值，以加宽各级放大器的通频带的方法来弥补。
3．双调谐放大器
双调谐放大器具有较好的选择性、较宽的通频带，并能较好的解决电压增益与通频带之间的矛盾，广泛应用于高增益、宽频带、选择性要求高的场合。
（1）双调谐放大器的电路组成

                    a)                                         b)
图3-2-4  互感耦合的双调谐放大器
a) 双调谐电路      b)  交流通路
双调谐放大器的负载为双调谐耦合回路，双调谐耦合回路有电容耦合和互感耦合两种类型。图3-2-4所示电路为互感耦合的双调谐放大器，Rb1、Rb2和Re组成分压式偏置电路，Cb、Ce为中频旁路电容，ZL为负载阻抗（或下一级的输入阻抗），Tr1 、Tr2为高频变压器，其中Tr2的初、次级电感、和电容、组成的双调谐耦合回路作为放大器的集电极负载。
（2）双调谐放大器的耦合因素
设初、次级回路元件的参数相同，即，，，为互感系数，为说明回路间的耦合程度，常用耦合系数表示。

      初、次级回路的谐振频率和有载品质因素为

    定义耦合因数为

    （3）双调谐放大器的性能分析
    图3-2-5为双调谐放大器的谐振曲线，其幅频特性与耦合系数有密切的关系：

图3-2-5 双调谐放大器的谐振曲线
当＜1时，称为弱耦合，谐振曲线为单峰，与单调谐放大器相似，通频带窄，选择性差，而且电压增益很低，故一般不采用。
当＞1时，称为强耦合，谐振曲线为双峰，通频带显著增宽，矩形系数变好，但谐振曲线顶部出现凹陷，一般只是在要求放大器的通频带较宽时才采用。
当＝1时，称为临界耦合，临界耦合时的通频带是单调谐放大器的倍；而矩形系数约为3.16，比单调谐放大器更接近于理想的谐振曲线，选择性更好。
总之，与单调谐放大器相比，处于临界临界耦合状态的双调谐放大器具有频带宽、选择性好的优点，但调谐比较麻烦。
4．参差调谐放大器
所谓差调谐放大器是指以二级或三级放大器为一组，每一级放大器只有一个谐振回路，各放大器谐振回路的谐振频率参差错开，因此称为参差调谐放大器。
参差调谐放大器的通频带较宽，矩形系数较好，且调整也比双调谐放大器更方便。在要求相对带宽（）较宽、选择性较好、增益较高的电视接收机和雷达接收机中的中频放大器中，常用多级参差调谐放大器。
五、调谐放大器的稳定性
1．调谐放大器的稳定性晶体管内反馈的影响
在高频调谐放大器中，由于晶体体管集电结电容的内部反馈，形成了放大器的输出电路与输入电路之间的相互影响。它使高频调谐放大器存在工作不稳定的问题，主要表现在以下两种现象：
（１）　当高频调谐放大器装配完毕后，进行输出回路（集电极负载回路）和输入回路（基极信号源一端的前级回路）调整时，由于的内部反馈作用，放大器的输入阻抗和输出阻抗相互影响，使得高频调谐放大器的调谐和阻抗匹配需要反复进行，使得高频调谐放大器的调整变的十分麻烦。
（２）  放大后的输出信号通过内部反馈，把一部分信号电压反馈到输入端。反馈电压反馈到输入端又放大，放大后再反馈，如此循环不已，在一定条件下，放大器也能在某些频率上自激振荡，使得放大器的功能完全破坏，而丧失了放大器的作用。此外，晶体管的内部反馈随频率而不同，在某些频率上是正反馈，在某些频率上是负反馈，正、负反馈的强弱也随频率而异，使得高频调谐放大器的输出电压或增益随频率变化的特性将受到影响。
2．提高放大器稳定性的方法
放大器的不稳定主要是由晶体体管集电结电容引起的，在设计、制作高频晶体管时使尽量小；在选用高频晶体管时，应尽量选用值小的器件。此外，也可在电路上采取措施，以消除三极管内部的反馈作用，常用的方法是失配法和中和法。
（１）失配法：失配法是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配，晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。图3-2-6所示电路为用失配法构成的共发射极-共基极级联的高频调谐放大器。两只晶体管是按共发射极-共基极方式级联的，它们组成一个复合管，见图3-2-7。

图3-2-6 共发射极-共基极级联的高频调谐放大器

图3-2-7 共发射极-共基极级联的复合管
    利用失配法，共发-共基线路的输入阻抗基本上只取决于晶体管的输入阻抗，它的输出阻抗基本只取决于晶体管的输出阻抗，极大地削弱了晶体官内部反馈的影响，实现了晶体管的单向化，使它的稳定性比一般调谐放大器高得多。
（２） 中和法：图3-2-8所示电路为用中和电容构成的中和电路，用代表晶体管内部反馈，是中和电容。当满足下式条件时，能消除引起的内部反馈。

式中、分别是电感L的1、2端与2、3端的线圈匝数。
应当指出，中和电路不能完全消除晶体管的内部反馈的影响，通常只能在较窄的频带内有效。此外，中和电容应采用可调电容，其具体值在实际调整中决定。

图3-2-8   利用中和电容构成的中和电路
任务实施
一、高频小信号谐振放大器的分析与计算
如图3-2-1所示的单调谐大器，若谐振回路的械振频率=10.7MHZ，回路总电容=56，通频带=120KHZ。
1．求谐振回路的电感和有载品质因素。
2．为了把通频带调整到180KHZ，通常在回路两端并联电阻，求的值。
3．若用三级相同放大器级联，求放大器的总通频带。
解：
1．根据谐振频率和通频带的计算公式可得
    ===3.95
    =89
2．先求得调整前回路的总电阻
    ==23.6
  又因为

   所以

3． 将=3代入多级放大器总通频带的计算公式得

二、实用单调谐高频放大器分析
    1．应用实例1：27MHZ单调高频谐放大器
    如图3-2-9所示，它包括天线输入回路和以高频管VT为中心组成的一级单调谐高频放大器。

图3-2-9  27MHZ单调谐高频放大器
由外接天线检拾到的27MHZ高频载波信号经L1、L2电磁耦合后，采用L2中间抽头办法将其加至高频管的VT发射结，目的是改善VT与输入回路间的阻抗匹配。C2容量较大，对高频载波呈短路。VT和调谐回路L3、C5及电阻R1～R3等组成共基极单调谐放大器，R2、R3组成基极偏置分压器，使VT工作在线性放大状态；R1为发射极电阻，用于稳定工作点；C3、C4容量较大，对高频信号旁路。
VT选用高频低噪声小功率管3DG141A，其=100mW,≥15mA，=15V，≥600MHZ；L1、L2采用5mm骨架，用0.23mm漆包线绕制而成，L1平绕4匝，L2绕12匝，在3匝处抽头；L3、L4也采用5mm骨架，也用0.23mm漆包线分别绕12匝和4匝，磁芯均采用5mm的NXO-20高频磁芯。C1选用CC1-63V-20pF型高频瓷介电容器；C2～C4采用CT1-63-0.01μF型瓷介电容器；R1～R4采用RT-1/8W型碳膜电阻器.
2． 3.55MHZ无线测向机用两级单调谐放大器
如图3-2-10所示，这是DF-2型无线测向机的输入调谐回路和其后的两级单调谐高频放大器电路。

                 图3-2-10  测向机用3.55MHZ两级单调谐高频放大器
两级高频放大器的三极管VT1、VT2均采用低噪声高频小功率管3DG56A。VT1和单调谐回路L4、C5等组成第1级高频放大器；VT2和L6、C9等组成第2级高频放大器。两级的偏置均由手控增益控制电路RP、R8分别经R2、R5供给其基极。当电位器RP的抽头上移时，偏压升高，基极电流增大，集电基电流上升，导致电压增益降低；反之，其增益增加。因此，两级高频放大电路具有增益可调的特点，加之3DG56A具有正向增益控制特性，在近区强信号的作用下，高频放大不会饱和，很适用于测向机接收电路。
三、实验技能与训练－高频小信号谐振放大器的调谐与性能测试
1．实验目的
（l）掌握小信号谐振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、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
2．实验内容
(1）单调谐放大器电路的静态工作点的调整
(2）单调谐放大器电路性能指标的测试
(3）双调谐放大器电路的静态工作点的调整
(4）双调谐放大器电路性能指标的测试
3．实验电路与实验原理

图3-2-11  单调谐小信号放大器           图3-2-12 双调谐小信号放大器
（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3-2-11所示。该电路由晶体管Q1、选频回路两部分组成。它不仅对高频小信号进行放大，而且还有选频作用。 基极偏置电阻、、和射极电阻决定晶体管的静态工作点。调节可变电阻 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、谐振电压放大倍数（增益）、放人器的通频带及选择性（通常用矩形系数来表示）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称为放大器的谐振频率。
谐振频率的测量与调谐方法是：
用扫频仪为测量仪器，测出电路的幅频特性曲线，幅频特性曲线的峰值对应的频率即为放大器的谐振频率；若测出的谐振频率与规定的谐振频率不符，可调节变压器的磁芯，使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点上。
2）电压放大增益
放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数称为调谐放大器的电压放大增益。
的测量方法是：在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量图3-2-11中输出信号及输入信号的大小，则电压增益为
 或
 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，放大器的电压增益下降，习惯上称电压增益下降到谐振电压增益的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带。
通频带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。
4）选择性——矩形系数
调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数来表示 矩形系数为电压增益下降到0.1时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707时对应的频率偏移之比。即

(2) 双调谐小信号放大器
双调谐小信号放大器的实验电路如图3-2-12所示。
双调谐小信号放大器具有频带较宽、选择性较好的优点。双调谐小信号放大器是将单调谐回路改用双调谐回路，其原理与单调谐电路基本相同。
4．实验步骤
调谐放大器的实验板图（模块②），如图3-2-13所示。左上部分为单调谐电路,左下部分为双调谐电路。

图3-2-13 调谐放大器的实验板图
（1）单调谐小信号放大器
 1）根据电路原理图熟悉实验板图，并在电路板上找出与原理图相对应的各测试点及可调部件。
2）按图3-2-14所示,搭建好测试电路.

图3-2-14  高频小信号调谐放大器测试连接图
3）打开小信号调谐信号放大器的电源开关，并观察工作指示灯是否点亮，红灯为＋l2V电源指示灯，绿灯为－l2V电源指示灯。
4）调整晶体管的静态工作点：
在不加输入信号时用万用表（苴流电压测量档）测量电阻两端的电压（以）和两端的电压（即），调整可调电阻，使＝4.8V，记下此时的、，并计算出此时的＝／。
5）打开信号源和频率计的电源开关，此时开关下方的工作指示灯点亮。
6）调节信号源“RF幅度”和“频率调节”旋钮，使输出端口“RF1”和“RF2”输出频率为l2的高频信号。将信号输入到实验板的J4口。在TH1处观察信号，峰－峰值应约为50mV。
7）高频小信号谐振放大器的调谐
① 用扫频仪为测量仪器，测出电路的幅频特性曲线，调节谐振回路（变压器或中周线圈）的磁芯，使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点处。扫频仪测量电路如图3-2-15所示。

                   图3-2-15   扫频仪测试连接图
② 用高频信号源、频率计与示波器为测量仪器，将高频信号源的RF1输出信号端与放大器电路的输入端相连，将RF2输出端与频率计相连，放大器电路的输出端与示波器的测量输入端相联，测量图如图3-2-14所示；用频率计监测高频信号源的输出频率，调节在规定的谐振频率点处；用示波器监测放大器输出信号的波形，调节高频信号源的RF幅度，直到观察到不失真的波形为止；再调节谐振回路（变压器或中周线圈）的磁芯，在保证不失真的情况下使示波器观察到的信号幅度最大，此时放大器即被调谐在输入信号的频率点上。
8）高频小信号谐振放大器谐振频率的测试
用扫频仪为测量仪器，测出已调谐电路的幅频特性曲线，电压谐振曲线的峰值对应的频率点即为谐振频率。
9）高频小信号谐振放大器谐振电压增益的测量
采用如图3-2-14所示电路为测量电路，在已调谐的基础上，可用两种方法测量。一是用示波分别测量出输入、输出信号的幅度，再用公式计算；二是用高频毫伏表分别测量输入、输出信号电压，再用公式计算。
10）高频小信号谐振放大器通频带的测量
① 用扫频仪为测量仪器，测出已调谐电路的幅频特性曲线，分别读出电压增益下降为0.7时对应的上、下频率点值，其差值即为通频带。
② 用高频信号源、示波器为测量仪器，采用电频法测量。通过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或500KHZ为步进间隔），并用示波器测量各频率点的输出信号幅度，然后作出幅频特性曲线，再分析、计算通频带。
12）高频小信号谐振放大器选择性（矩形系数）的测量
在测量通频带的基础上，继续利用幅频特性曲线分析、计算出电路放大增益下降为0.1处的带宽，与之比即为放大器电路矩形系数。
（2）双调谐小信号放大器
双调谐小信号放大器的性能指标、测试方法和测试步骤与单调谐放大电路基本相同，只是在以下两个方面稍作改动：
其一是输入信号的频率改为465KHz（峰一峰值200mV）：
其二是在谐振回路的调试时，对双调谐回路的两个中周要反复调试才能最终使谐振回路谐振在输入信号的频点上，具体方法是，按图3-2-14连接好测试电路并打开信号源及放大器电源之后，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，也是让示波器上被测信号的幅度尽可能大，这之后再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，放大器就已经谐振到输入信号的频点上了。
同单调谐实验，做双调谐实验，并将两种调谐电路进行比较。
4．实验报告要求
(l）画出实验电路的直流和交流等效电路。
(2）计算直流工作点，与实验实测结果比较。
(3）整理与分析、计算实验数据，并画出幅频特性，总结通频带与选择性之间的关系。
(4）单调谐与双调谐放大器性能特性的对比分析。
课外实践
收集身边的各种型号的收音机，试确定收音机各波段的频率范围，通过试听比较各收音机的通频带与选择性。