高频电路实验.docx

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高频电路实验

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

4、测量单调谐、双调谐小信号放大器的静态工作点

5、测量单调谐、双调谐小信号放大器的增益

6、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

1、写明实验目的。

2、画出实验电路的直流和交流等效电路。

3、计算直流工作点，与实验实测结果比较。

4、整理实验数据，并画出幅频特性。

5、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

5.3二极管的双平衡混频器

5.3.1实验目的

1、掌握二极管的双平衡混频器频率变换的物理过程。

2、掌握晶体管混频器频率变换的物理过程和本振电压V0和工作电流Ie对中频转出电压大小的影响。

3、掌握集成模拟乘法器实现的平衡混频器频率变换的物理过程。

4、比较上述三种混频器对输入信号幅度与本振电压幅度的要求。

5.3.2实验内容

1、研究二极管双平衡混频器频率变换过程和此种混频器的优缺点。

2、研究这种混频器输出频谱与本振电压大小的关系。

5.3.3实验仪器

1、信号源模块1块

2、频率计模块1块

3、3号板1块

4、7号板1块

5、双踪示波器1台

5.3.4实验原理与电路

3、二极管双平衡混频原理

图5.3.1二极管双平衡混频器

二极管双平衡混频器的电路图示见图5.3.1。

图中VS为输入信号电压，VL为本机振荡电压。

在负载RL上产生差频和合频，还夹杂有一些其它频率的无用产物，再接上一个滤波器（图中未画出）

二极管双平衡混频器的最大特点是工作频率极高，可达微波波段，由于二极管双平衡混频器工作于很高的频段。

图5.3.1中的变压器一般为传输线变压器。

二极管双平衡混频器的基本工作原理是利用二极管伏安特性的非线性。

众所周知，二极管的伏安特性为指数律，用幂级数展开为

（a）

（b）

图5.3.2双平衡混频器拆开成两个单平衡混频器

当加到二极管两端的电压v为输入信号VS和本振电压VL之和时，v2项产生差频与和频。

其它项产生不需要的频率分量。

由于上式中v的阶次越高，系数越小。

因此，对差频与和频构成干扰最严重的是v的一次方项（因其系数比v2项大一倍）产生的输入信号频率分量和本振频率分量。

用两个二极管构成双平衡混频器和用单个二极管实现混频相比，前者能有效的抑制无用产物。

双平衡混频器的输出仅包含（pωL±ωS）（p为奇数）的组合频率分量，而抵消了ωL、ωC以及p为偶数（pωL±ωS）众多组合频率分量。

下面我们直观的从物理方面简要说明双平衡混频器的工作原理及其对频率为ωL及ωS的抑制作用。

在实际电路中，本振信号VL远大于输入信号VS。

在VS变化范围内，二极管的导通与否，完全取决于VL。

因而本振信号的极性，决定了哪一对二极管导通。

当VL上端为正时，二极管D3和D4导通，D1和D2截止；当上端为负时，二极管D1和D2导通，D3和D4截止。

这样，将图5.3.1所示的双平衡混频器拆开成图5.3.2（a）和（b）所示的两个单平衡混频器。

图5.3.2（a）是VL上端为负、下端正期间工作；3-2（b）是VL上端为正、下端为负期间工作。

由图5.3.2（a）和（b）可以看出，VL单独作用在RL上所产生的ωL分量，相互抵消，故RL上无ωL分量。

由VS产生的分量在VL上正下负期间，经D3产生的分量和经D4产生的分量在RL上均是自下经上。

但在VL下正上负期间，则在RL上均是自上经下。

即使在VL一个周期内，也是互相抵消的。

但是VL的大小变化控制二极管电流的大小，从而控制其等效电阻，因此VS在VL瞬时值不同情况下所产生的电流大小不同，正是通过这一非线性特性产生相乘效应，出现差频与和频。

2、电路说明

如图5.3.3所示是四只性能一致的二极管组成环路，具有本振信号VL输入J5和射频信号输VS输入J2，它们都通过变压器将单端输入变为平衡输入并进行阻抗变换，TP6为中频输出口，是不平衡输出。

图5.3.3二极管双平衡混频

在工作时，要求本振信号VL>VS。

使4只二级管按照其周期处于开关工作状态，可以证明，在负载RL的两端的输出电压（可在TP6处测量）将会有本振信号的奇次谐波（含基波）与信号频率的组合分量，即pωL±ωS（p为奇数），通过带通滤波器可以取出所需频率分量ωL+ωS（或ωL—ωS-）。

由于4只二极管完全对称，所以分别处于两个对角上的本振电压VL和射频信号VS不会互相影响，有很好的隔离性；此外，这种混频器输出频谱较纯净，噪声低，工作频带宽，动态范围大，工作频率高，工作频带宽，动态范围大，缺点是高频增益小于1。

C20、C21、L1：

带通滤波器，取出和频分量fLO+fs

Q2、C18、T4：

组成调谐放大器，将混频输出的和频信号进行放大，以弥补无源混频器的损耗（R8为偏置电阻）

5.3.5测试点说明

1、输入点说明

J5：

本振信号输入端（TH2为其测试口）

J2：

射频信号输入端（TH1为其测试口）

2、输出点说明

TP6：

混频器输出测试点

TP7：

带通滤波器输出

J3：

和频信号输出（TH3为其测试口）

5.3.6实验步骤

1、熟悉实验板上各元件的位置及作用；

2、按下面框图（图5.3.4）所示，进行连线

图5.3.4双平衡混频连线框图

源端口

目的端口

连线说明

信号源：

RF1

（Vp-p=300mVf=6.5M）

7号板：

J5

本振信号输入

3号板：

J1

（VSP-P=50mVfS=4.2M）

7号板：

J2

射频信号输入

7号板：

J3

频率计：

RFIN

混频后信号输出

3、将3号板上S1拨为“00”，S2拨为“01”，调节中周T1使J1输出幅度最大，然后调节W2改变输出信号幅度，使J1输出fS=4.2MHz、VSP-P=50mV

4、用示波器观察混频器输出点TP6波形以及混频输出TH3处波形（调节中周T4使输出最大），并读出频率计上的频率。

5、调节本振信号电压与输入信号电压相近，重做步骤3~4。

5.3.7实验报告要求

1、写出实验目的和任务

2、计算MIX混频增益

5.4模拟乘法混频

5.4.1实验目的

1、了解集成混频器的工作原理

2、了解混频器中的寄生干扰

5.4.2实验内容

1、研究平衡混频器的频率变换过程

2、研究平衡混频器输出中频电压Vi与输入本振电压的关系

3、研究平衡混频器输出中频电压Vi与输入信号电压的关系

5.4.3实验仪器

1、信号源模块1块

2、频率计模块1块

3、模块31块

4、模块71块

5、双踪示波器1台

5.4.4实验原理及实验电路说明

在高频电子电路中，常常需要将信号自某一频率变成另一个频率。

这样不仅能满足各种无线电设备的需要，而且有利于提高设备的性能。

对信号进行变频，是将信号的各分量移至新的频域，各分量的频率间隔和相对幅度保持不变。

进行这种频率变换时，新频率等于信号原来的频率与某一参考频率之和或差。

该参考频率通常称为本机振荡频率。

本机振荡频率可以是由单独的信号源供给，也可以由频率变换电路内部产生。

当本机振荡由单独的信号源供给时，这样的频率变换电路称为混频器。

混频器常用的非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器。

本振用于产生一个等幅的高频信号VL，并与输入信号VS经混频器后所产生的差频信号经带通滤波器滤出。

图5.4.2混频前后的频谱图

图5.4.3MC1496构成的混频电路

本实验采用集成模拟相乘器作混频电路实验。

因为模拟相乘器的输出频率包含有两个输入频率之差或和，故模拟相乘器加滤波器，滤波器滤除不需要的分量，取和频或者差频二者之一，即构成混频器。

图5.4.1所示为相乘混频器的方框图。

设滤波器滤除和频，则输出差频信号。

图5.4.2为信号经混频前后的频谱图。

我们设信号是：

载波频率为

的普通调幅波。

本机振荡频率为

。

设输入信号为

，本机振荡信号为

由相乘混频的框图可得输出电压

式中

定义混频增益

为中频电压幅度

与高频电压

之比，就有

图5.4.3为模拟乘法器混频电路，该电路由集成模拟乘法器MC1496完成。

MC1496可以采用单电源供电，也可采用双电源供电。

本实验电路中采用＋12V，－8V供电。

R12（820Ω）、R13（820Ω）组成平衡电路，F2为4.5MHz选频回路。

本实验中输入信号频率为

＝4.2MHz（由三号板晶体振荡输出），本振频率

＝8.7MHz。

为了实现混频功能，混频器件必须工作在非线性状态，而作用在混频器上的除了输入信号电压VS和本振电压VL外，不可避免地还存在干扰和噪声。

它们之间任意两者都有可能产生组合频率，这些组合信号频率如果等于或接近中频，将与输入信号一起通过中频放大器、解调器，对输出级产生干涉，影响输入信号的接收。

干扰是由于混频器不满足线性时变工作条件而形成的，因此不可避免地会产生干扰，其中影响最大的是中频干扰和镜象干扰。

5.4.5实验步骤

1、打开本实验单元的电源开关，观察对应的发光二极管是否点亮，熟悉电路各部分元

件的作用。

2、按照下面框图进行连线

图5.4.4模拟乘法器混频连线框图

源端口

目的端口

连线说明

信号源：

RF1

（Vp-p=600mVf=8.7M）

7号板：

J8

本振信号输入

3号板：

J1

（VSP-P=300mVfS=4.2M）

7号板：

J7

射频信号输入

7号板：

J9

频率计：

RFIN

混频后信号输出

3、将3号板上S1拨为“00”，S2拨为“01”，调节T1及W2，使J1输出fS=4.2MHz、

VSP-P=300mV。

4、用示波器对比观察TH8和TH9处波形，并读出频率计上的频率。

5、保持本振电压不变，改变射频信号电压幅度，用示波器观测，记录输出中频电压Vi

的幅值，并填入表5.4.1。

表5.4.1

VSP-P（mV）

100

200

300

400

500

ViP-P（mV）

6、改变本振信号电压幅度，用示波器观测，记录输出中频电压Vi的幅值，并填入表

5.4.2。

表5.4.2

VLp-p（mV）

200

300

400

500

600

700

Vip-p（mV）

5.4.6实验报告要求

1、整理实验数据，填写表格5.4.1和5.4.2。

2、绘制步骤3、4中所观测到的波形图，并作分析。

3、归纳并总结信号混频的过程。

5.5非线性丙类功率放大器实验

5.5.1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。

5.5.2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

5.5.3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

5.5.4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5.5.1（见P30）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7-1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