高频电子技术实验指导书简本Word下载.docx
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因此，组合电路的整体电流增益和电压增益都比较大。
负反馈法
调节负反馈电路中的某些参数，可以改变反馈深度，从而调节负反馈放大器的增益和频带宽度。
如果以牺牲增益为代价，可以扩展放大器的通频带。
图1.2所示电路是由运算放大器构成的电压并联型负反馈放大电路。
将电路中的A1、A2点分别与A点连接，可以得到不同负反馈电阻的反馈通路，构成“电压并联”型的负反馈放大器。
由于运算放大器内部电路由多级放大电路组成，它的电压放大倍数很高，一般可以达到105以上。
为了在深度负反馈时不产生自激振荡，在运算放大器内电路中通常都加有补偿电容。
对于内接补偿电容的运算放大器，它的开环上截止频率很低（一般只有几赫兹）。
加深度负反馈以后，当输入信号频率较低时，由于内补偿电容呈现的容抗较高，信号输出较大，因此，造成的反馈信号也较大，反馈信号与输入信号在电路的输入端反相合成，互相抵消，使净输入信号明显减小。
因此，在低频工作时，深度负反馈将大大削弱放大器的电压放大倍数。
但是，当电路工作在高频状态下时，补偿电容呈现很小的容抗，造成反馈信号跟随频率的升高而减小的现象，放大器的净输入信号得到回升，导致输出电压的总增益下降量减小，从而提高了电路的上限频率，即展宽了电路的通频带。
需要说明的是，运算放大器接有补偿电容器时，运算放大器的内部放大级负载不可避免地表现出容性阻抗特征，由于容性负载的阻抗在高频状态下比较小，使得电路的输出电压下降，负反馈量也减小，这将使净输入信号增大到比低频时更大，增大的输出电流弥补了容性负载阻抗下降带来的输出电压降低，使上限截止频率得以提高。
因此，有效地提高负反馈电路的上限截止频率。
本实验中，将运算放大器接成反相输入式的电压并联负反馈放大电路，在不同输入信号幅度下，测量其频率特性，观察上截止频率随输入信号大小不同而产生的变化，了解不同输入信号幅度情况下，器件动态应用范围的富余量。
负反馈深度不同，上限截止频率提高的程度也不同。
测量方法
中频电压放大倍数的测量
电压放大倍数等于经放大器放大输出的电压值与输入电压值之比，该电压值可以是电压有效值，也可以是电压最大值或峰-峰值，它们的比值结果都是一样的，即
本实验中，取中频信号的频率f=10kHz，有效值为10mV左右，用毫伏表测得其读书（毫伏表的读数为有效值），便可以通过上述计算得到电压放大倍数。
实验中，也可以使用双踪示波器同时显示输入输出波形，从示波器上直接读出信号的最大值或峰-峰值，通过上述计算得到电压放大倍数。
放大器的频率特性测量
测量放大器的频率特性主要是为了了解放大器的频带宽度，所以必须测得其频率的上下限。
由于放大器的通频带宽度主要受其上限制约，所以，本实验只要求测量放大器的上限截止频率。
使用毫伏表测量放大器的上限截止频率，只能采用逐点测量法。
测量时，输入信号幅度不宜过小（否则信噪比太低），也不宜过大（否则会产生非线性失真）。
一般来说，选中心频率输出幅度为最大允许输出幅度的三分之一到三分之二，本实验可取输入信号为10mV左右的有效值。
在测得中心频率输入幅度时，保持输入信号幅度不变，逐渐增高其频率，当幅度下降至中心频率幅度的0.707倍时，这一频率即为放大器的上限截止频率。
当负反馈放大器输入大信号时，尽管中心频率信号不出现失真，假若它的净输入信号已经足够大，那么放大器的线性动态应用范围就会被充分利用。
此时，若输入信号频率增加而接近放大器的上限截止频率时，输出信号幅度和反馈信号幅度都会下降，使净输入信号幅度反而增加起来。
净输入信号幅度一旦超出动态应用范围的线性区，输出信号波形必定失真。
这时，放大器的上限截止频率定义为输出失真信号的基波分量下降至中心频率不失真信号幅度的0.707倍。
例如，在实验中，当负反馈电路输入大信号时，在上限截止频率处正弦波失真为三角波，而三角波中基波分量的幅度是三角波幅度的8/π2倍，所以，增大信号频率使三角波的幅度下降至中频信号电压最大值的0.707÷
（8/π2）=0.87倍时的频率，即为该放大器的上限截止频率。
三角波幅度的大小，可通过示波器直接读出。
实验内容及步骤
1．正确连接直流电源（±
12V），A点与B点相连，C点与D点相连，B点与E点相连，将双踪示波器接于共射-共基电路的输入和输出端，检测信号的波形。
2．测量单级共射电路和共射-共基电路的中频电压放大倍数
将信号发生器输出端接至电路输入端，输入正弦信号的频率为10kHz，用毫伏表测得输入电压有效值为10mV。
A点与D点相连时，是单级共射电路；
A点与B点相连，C点与D点相连，是共基电路，用毫伏表分别测得输出电压Uo的值，并作记录。
3．测量单级共射电路和共射-共基电路的频率特性
B点与E点之间的连线断开，使电阻R7串入电路，将输入电压保持10mV不变，使频率逐渐增高，按照下表测量输出电压Uo的值，并记录于表1.1中。
将B点与E点连接，使电阻R7短路，重新观察共射-共基电路和上截止频率有何变化。
表1.1
注：
①信号源内阻的改变我们通过在输入端接入不同阻值的电阻8.2k和4.7k等效。
②当输出幅度下降到0.707倍时，求出上限截止频率。
4．测量负反馈电路的频率特性
（1）将负反馈放大电路（参见图1.2）的信号输入端（注有“Ui”的端点）对地短路，调节10k电位器（RP1，该电位器为运算放大器的零点调整电位器，电路在测试前应该将它调零），使输出电压Uo=0V。
（2）将信号接至负反馈电路输入端，按照下表分别设定输入信号的幅度和频率，用示波器监测输入输出波形、读取测量数据，测量输出电压Uo的值，并记录于表1.2中。
注意：
在测量中，改变频率时，应该用毫伏表监测输入信号的大小，使输入电压保持不变。
表1.2
表中输入信号的电压数据为有效值。
预习要求与思考题
预习要求
1．复习主教材中有关章节。
2．熟悉本实验电路的工作原理。
思考题
1．通频带展宽的方法有那几种?
2．为什么共射-共基组态电路比单级共射电路的上截止频率高？
3．为什么容性负载情况下负反馈法展宽通频带的电路在中心频率时器件不能工作于最大动态运用范围。
实验报告要求
1．整理实验记录，并划出它们的频率特性曲线图。
2．分析共射-共基组态电路比单级共射电路的上截止频率高的原因。
3．分析负反馈放大电路的反馈电阻值的大小及输入信号幅度的大小对上截止频率影响的原因。
实验仪器及设备
ECS—3高频实验台1台
双踪示波器1台
高频信号发生器1台
毫伏表1台
小信号谐振放大器
1．了解小信号谐振放大器工作原理及其工作条件。
2．通频带与回路Q值及电路谐振频率的关系。
3．熟悉Q值的物理意义和定义Q值的方法。
4．熟悉小信号谐振放大器通频带与选择性之间的关系。
5．了解小信号谐振放大器自激原理以及防止和消除自激的方法。
6．计算带宽和矩形系数。
实验原理
小信号谐振放大器的工作条件是：
放大器的输入端信号中，含有各种频率成分的信号，除了所需要的信号外，还有不需要的信号。
需要的信号和不需要的信号的频谱往往不同，使得人们可以利用频谱不同将其区分开来，用选频的方法，选取需要的频率分量，抑制不需要的频率分量。
另外，输入信号除了频率成分多以外，有用信号的幅度往往很小，有时甚至比不需要的信号的幅度还要小。
处理这种信号，必须既要选频，又要放大，而非一般单纯使用滤波器可以完成的。
谐振放大器可以分为选频和放大两部分，作为小信号谐振放大器的放大部分，其基本原理和低频电子技术中的小信号放大器是相同的。
谐振放大器的新问题是放大部分与选频网络联通以后的相互影响。
放大环节的输出、输入阻抗会影响选频网络的选择性。
还有一部分谐振放大器，其选频网络的频响特性又会通过反馈器件改变放大器的放大特性，严重时会造成放大器工作的不稳定——产生自激。
本实验电路采用二级单调谐放大，谐振中心频率为6.5MHz，实验原理电路参见上图。
谐振频率与品质因数Q
描述单调谐回路的谐振特性的参数，也就是描述谐振放大器选频特性的主要参数，是谐振频率f0和品质因数Q。
在单调谐回路中，应该选择回路的元件L和C的值，使谐振频率f0处于所需信号的中心；
另外，回路的品质因数Q决定了幅频特性曲线的形状，Q值越高，曲线形状越尖锐，偏离谐振频率f0时，回路阻抗下降越快。
因此，如果希望将偏离f0的频率抑制得厉害一些，就应该提高谐振电路的品质因数Q。
LC电路发生谐振时，回路的感抗与容抗的绝对值相等，回路表现出纯阻抗的性质，电感和电容在回路中交换能量，信号源的能量全部提供给电阻元件，所以负载上获得最大的输出电压。
在本实验电路中，谐振频率选择在6.5MHz，电感线圈采用电视机中周改制而成，并且可以调节电感量。
提高谐振回路Q值的方法
根据Q值的定义式：
采用减小回路电感量L、加大电容量CΣ、增大与回路并联的电阻RΣ等，都能有效地增加谐振电路的品质因数Q。
通频带与选择性
作为谐振放大电路，一方面需要通过所需的频率成分，因而对其具有通频带的要求，另一方面要抑制不需要的频率成分，使不需要的频率成分处在通频带之外。
谐振放大器对不需要的频率成分的抑制能力称作“选择性”。
一般来说，对于某个具体电路，通频带越宽，选择性越差。
在实际应用中，往往还要求通频带以内，传输系数变化尽可能小，这样，信号的失真就小，对无用信号的抑制能力就强。
由此可见，通频带和选择性是相互矛盾的。
因此，用矩形系数
来衡量选择性的好坏。
显然，一个理性的谐振放大器的频率特性曲线，其矩形系数应该等于1。
矩形系数越接近1，则谐振放大器的选择性和通频带两个指标的兼顾越好。
自激产生的原因及消除方法
放大器的电压放大倍数与放大器的负载阻抗有关，负载阻抗越大，放大器的电压放大倍数越大。
因此，谐振（选频）网络的频率响应（简称“频响”）特性，会通过放大器内部反馈网络改变放大器的放大特性，严重时会招致工作不稳定——产生自激。
为了减小内部反馈的不良影响，消除自激现象，通常采用减小放大器放大倍数或削弱反馈量的两个方法来实现。
具体做法有：
（1）适当选择负载电阻与振荡回路连接时的接入系数，使得放大器的等效负载阻抗不要过大，减小放大器的电压放大倍数；
（2）降低三极管的静态工作点，使IC减小，使用三极管工作在电流放大倍数较小的放大区，从而减小放大器的电压放大倍数；
（3）采用共射-共基组成复合放大器电路，以减小放大器内部反馈量。
测试方法
1．调谐与谐振频率的测试
在小信号谐振放大器的输入端A点接入幅度为20mV、频率为6.5MHz的正弦波信号。
然后分别调谐两级放大器的谐振回路电容器的容量，改变谐振回路的谐振频率，测试谐振频率是否等于6.5MHz。
2．宽带和矩形系数
缓慢减小高频信号输入频率（可采用频率微调），使信号输出幅度分别降低3dB和20dB（与中心频率的输出幅度相比较），记录这两种情况下的频率；
再缓慢地增大信号频率，使输出信号的幅度增大到中心频率的输出幅度，然后继续增大输入信号频率，使信号输出幅度再次降低3dB和20dB，记录这两种情况下的信号频率。
这样可以计算出放大器的通频带（带宽）和矩形系数。
3．频率响应曲线
缓慢减小、增大高频输入信号频率，测试输出信号幅度，在坐标纸上记录（X轴代表频率，Y轴代表幅度）频率和输出电压值，至少测试20个不同的坐标点，把各个测试点用光滑曲线连接起来，绘制出频率响应曲线（即幅频特性曲线）。
也可以用扫频仪直接测量频率响应曲线。
4．自激现象与电压放大倍数的测量
增大谐振回路的并联电阻，使放大器的负载电阻增大，从而增大放大器的电压放大倍数，使放大器产生自激现象。
然后再减小电压放大倍数，使电路停止自激，观察总结电压放大倍数与自激现象的关系。
实验内容
把实验箱的+12V和┷点连接至电路。
1．调谐与谐振频率测试
（1）在A点输入高频信号，频率6.5MHz，幅度在20mV，在B点接示波器（或扫频仪），调整第一级放大器的谐振回路的可变电容，使第一级谐振。
（2）用导线连接第二级开关，在C点接示波器（或扫频仪），调节第二级谐振回路可变电容，使第二级谐振。
（3）用频率计测量谐振时的频率值。
2．带宽、矩形系数
按照“测试方法”的第2条，测试带宽、计算矩形系数。
按照“测试方法”的第3条，测试频率响应曲线。
4．自激
（1）改变第一级谐振回路的并联电阻值为51k。
（2）改变第二级谐振回路的并联电阻值为51k，并调节电位器，使输出信号发生自激。
（3）减小第一级、第二级回路的并联电阻，使自激消失，测试电压放大倍数，比较放大倍数与自激的关系。
实验设备
1．ECS-3型高频实验箱1台
2．双踪示波器1台
3．万用表1台
4．扫频仪1台
5．信号源1台
6．高频毫伏表1台
LC振荡电路
1．了解LC三点式振荡器电路的基本工作原理。
2．研究振荡电路的起振条件和影响频率稳定度的因素。
3．比较LC与晶体振荡器的频率稳定度。
本实验采用三点式振荡电路，图3.1是其电路原理示意图。
起振条件
相位平衡条件：
X1和X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗。
并且它们之间满足关系式：
幅度起振条件：
一般来说，幅度起振条件可以表达为：
也可以用放大器的三极管参数表达出来，取三极管的跨导为gm，则gm必须满足如下不等式：
式中：
goe晶体管的输出电导；
gie晶体管的输入电导；
晶体管的等效负载电导；
KF反馈系数。
频率稳定度
1．引起频率不稳定的原因：
外因有温度、电压、负载及机械振动等，内因为决定振荡频率的振荡电路元件参数。
2．稳定频率的措施：
（1）设法减小外界因素的变化。
（2）减小外界因素对电路参量的影响。
（3）使内部参量变化互相抵消，不影响频率。
实验电路
实验电路板电路如图3.2所示，当B点与B1点连接、C点与②点连接，则组成高稳定度的西勒振荡器；
当A点与A1点连接、B点与B1点连接、C点与C1点联接则组成晶体振荡器。
作为石英晶体振荡器，石英晶体等效于一个LC并联电路（但并非工作于它的谐振频率上），C6、C7串联后与C1构成振荡器的正反馈网络（形成电容三点式电路结构），C3为石英晶体串联的负载电容，用来补偿石英晶体的老化影响。
本实验的石英晶体振荡电路实际上也是一种西勒振荡电路。
W1用来调节振荡级V1的静态工作点，控制振荡电压幅度。
调节微调电容器C10和L2可以改变振荡频率。
接通12V电源，将B点与B2点连接、C点与②点连接，使电路组成LC振荡器电路。
1．调整静态工作点，观察振荡情况
短接插孔④、⑤，破坏振荡条件，使振荡器停振，然后调节W1，用万用表测量C点对地的静态直流电压UEQ，使其为5V。
这时振荡管的静态工作点电流IEQ=UEQ/R6=5mA，然后拆除短路线，振荡器应该恢复正常起振工作状态。
在⑥端观察振荡波形，并测量振荡频率。
此时，在C点测量C点对地电压Ue，比较Ue和UEQ。
2．观察反馈系数KF对振荡电压的影响
保持IEQ=5mA，改变C1或C7，从而改变反馈系数KF，用毫伏表在⑥端测量振荡电压UL，记入表3.1中。
另外，用频率计在输出端检测频率，一并记入表3.1中。
表3.1
3．测量振荡电压UL和振荡频率f之间的关系计算波段覆盖系数
用高频毫伏表接⑥端，频率计接Uo端（即输出端），保持IEQ=5mA，改变C10，测量振荡频率和相对应的电压UL，记入表3.2中，找出fmax和fmin，计算fmax和fmin波段覆盖系数。
做f～UL关系曲线。
表3.2
为精确起见，应避免两仪器同时测量，互相干扰。
4．观察直流工作点对振荡电压UL的影响
调节C10，使振荡频率最低，用调整静态工作点的方法改变IEQ，测量相对应的电压UL，并记入表3.3中，做出IEQ～UL曲线。
表3.3
5．观察外界因素变化对振荡频率稳定度的影响
（1）将V1的静态工作电流调整到IEQ=5mA的基础上，频率计接Uo端，调整振荡频率到最低值，改变电源电压按照表3.4进行实验，计算频率变化的相对值。
（2）保持IEQ=5mA、振荡频率为fmin，在插空④、⑤之间接R=4.7kΩ电阻，减小回路品质因数，重复上条实验，并将测量数据记入表3.5中。
比较两次测量结果。
表3.4
表3.5
6．比较LC振荡器和晶体振荡器的频率稳定度
将A点接A1点、B点接B1点、C点接C1点，使电路电路组成晶体振荡器。
按照本实验步骤3和5的第1项内容，观察电源电压对振荡频率的影响，并将测量数据记入表3.6和表3.7中。
计算相对频率稳定度，并比较LC振荡器和晶体振荡器的频率稳定度差异，分析原因。
表3.6
表3.7
实验报告
1．整理试验结果，绘制振荡电压UL随振荡频率和直流工作点电流变化的曲线。
2．用所学理论，分析各项实验结果。
实验注意事项
1．正确连接电源到实验板，防止接反。
2．用仪表对电路进行测量时，正确连线，避免引起较大的测量误差。
预习实验内容
1．理解振荡器起振应该满足的相位条件和振幅条件，熟悉各种振荡器电路，并讨论各种振荡器电路的优劣特点。
2．分析各种因素（内外）对频率稳定度的影响，以及预防措施。
3．讨论晶振稳频的原理，对振荡器进行理论分析计算。
ECS——3型高频实验箱1台
信号发生器1台
思考体与习题
1．振荡器起振后，Ue为什么不再等于静态工作点的UEQ？
在什么情况下Ue＜UEQ？
在什么情况下Ue＞UEQ？
2．调整C10改变振荡频率时，振荡为什么变化？
应如何变化？
3．振荡回路Q值高时，为什么振荡频率的稳定度也高？
为什么晶体振荡比一般的LC振荡器频率稳定度高？
4．若用电容量变化范围更大的可变电容器替代C10，能否进一步提高波段覆盖系数？
5．为什么负载的变化会引起振荡幅度、频率的变化？
实际应用中如何减小这种变化？
高频谐振功率放大器
1．加深对高频功率放大器工作原理的理解。
2．掌握高频功率放大器的一般调谐方法。
3．掌握负载阻抗、激励电压和集电极电源电压变化对电路工作状态的影响。
实验原理及实验板说明
本实验电路由振荡器、推动级和末级谐振功率放大器三部分电路所组成，如下图4.1所示。
振荡器由三极管V1及其周围电路组成，为克拉泼振荡电路，输出频率为6.5MHz的高频信号。
V1的静态工作点可以通过电位器W1进行调整，当其集电极静态电流调整为2～3mA时，输出高频信号的振幅约为1V。
在谐振时调整上偏置电位器W1，能够改变振荡器的输出信号振幅。
推动级由三极管V2及其周围电路组成，其功能是对振荡器输出的高频信号进行放大，使末级功率放大器能够得到足够强大的信号功率（也叫做功率放大器所需的“激励功率”）。
静态时，V2的集电极电流调整到5mA左右，其集电极耗散功率相对振荡器（V1管）较大，这样，该级放大器相当于一个输出功率很小的甲类功率放大器，推动末级功率放大器工作。
末级功率放大器由三极管V3及其外围电路构成，工作于丙类状态。
在V3的集电极，由C12、C13、L4、L5组成了一个并联谐振回路，并且可以在C13两端并联不同的负载电阻RL（利用不同的插接孔，短路不同的电阻，可改变RL的大小），这样做可以改变等效到V3集电极的谐振阻抗，改变电路的交流工作参数。
为了使电流通角（即导通角）有较合适的取值，本放大器采用了分压式偏置电路，给V3提供了一个很小的正向偏置电压（约0.3V，静态时，三极管仍然处于截止状态）。
在图4.1中，电阻R12为取样电阻，在它的两端并接示波器输入电路，可以观察V3三极管的集电极电流波形。
在V3集电极谐振回路上方连接了一个电流表，用来测量末级放大器集电极电流的直流分量IC0；
在电流表的两端并联高频瓷片电容C14，以滤除高频分量；
同时，电流表通路也是三极管V3的集电极直流通路。
调谐特性
所谓调谐特性，是指谐振功率放大器集电极回路调谐时，集电极平均电流IC0的变化特性。
如图4.2所示。
当回路谐振时（ω=ω0），并联谐振电路的阻抗很大，IC0最小，Ib0最大。
当回路偏离谐振时（ω≠ω0），回路阻抗变小，由于谐振电路还同时表现出容性或感性电抗，使输入信号电压的相位与输出信号电压相位出现偏离反相的现象（即输入电压的最小值与输出电压的最大值不在同一时刻出现）。
因此，当ω接近ω0时，放大器向欠电压方向变化，IC0最小，Ib0最大；
而当ω远离ω0时，放大器向过电压方向变化，IC0最大，Ib0最小。
理论上，发生谐振时，回路两端的电压达到最大，因此，测量回路电压可以确定回路的谐振情况。
但是，实际上电路的Q值很低，电路通频带过宽，测得的电压包括了高次谐波成分，并不能真实地反映高频电压的大小，所以，测试电压的方法并不够准确。
因此，本电路中利用电流表测量IC0大小的方法，在判定电路谐振状态时，是比较好的测量方法。
谐振功率放大器的负载特性
选择不同的负载电阻RL，由于放大器等效负载阻抗变化，集电极电流波形将发生变化。
例如，RL由小变大时，等效到集电极回路对基波电流呈现的谐振阻抗也将由小变大，相应
地，集电极电流ic的波形也必将由尖端脉冲变为凹陷脉冲，如图4.3所示。
因此，放大器的工作状态将由欠电压状态逐渐过渡到过电压状态。
由于等效谐振阻抗不同时集电极电流波形不同，所以RL不同时，Ic0、Ic1m、Ucm的取值也受影响。
不同等效谐振阻抗条件下各电量的变化特性，称为放大器的负载特性。
1．调节振荡器，观察高频功率放大器的工作状态
取出高频功率放大器实验板，利用稳压电源给高频功率放大器接通+12V电源（晶体管V1、V2电路不要接通电源），这是观察电流表读数，Ic0应该为零，表明高频功率放大器已经被调试在丙类工作状
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