高频小信号谐振放大器实验121180166 赵琛一、 实验目的1． 掌握高频小信号调谐放大器的工作原理和基本电路结构。
2． 掌握高频小信号调谐放大器的调试方法。
3． 掌握高频小信号调谐放大器各项技术参数（电压放大倍数，通频带，矩形系数，1dB 压缩点）的测试方法。
二、实验使用仪器1．小信号调谐放大器实验板 2．200MH 泰克双踪示波器 3. FLUKE 万用表 4. 模拟扫频仪（安泰信） 5. 高频信号源 6. 高频毫伏表 三、实验基本原理与电路 1、 小信号调谐放大器的基本原理小信号调谐放大器是构成无线电通信设备的主要电路， 其作用是有选择地对某一频率范围的高频小信号信号进行放大 。
所谓“小信号”，指输入信号电压一般在微伏~毫伏数量级范围内，对于这种幅度范围的输入信号，放大器一半工作在线性范围内。
所谓“调谐”，主要是指放大器的集电极负载为调谐回路（如LC 调谐回路）。
此时放大器对谐振频率0f 及附近频率的信号具有最大的增益，而对其它远离0f 频率的输入信号，增益很小，如图1-1所示。
2、小信号调谐放大器技主要技术指标1. 增益：表示高频小信号调谐放大器对输入信号的放大能力 电压增益的定义：01020log ()iU dB U ⨯ (1_1） 其中输出信号和输入信号的有效值分别为0U ，i U 。
相对增益(d B )f图1.1 高频小信号调谐放大器的频率选择特性曲线功率增益的定义： 01010log ()iP dB P ⨯ (1_2） 其中输出信号和输入信号的功率分别为0P ，i P 。
在高频和射频电路中功率的单位常用dBm 表示：dBm 和mW 之间的换算关系：1010log ()1PdBm mW=⨯，10dBm =10mW (1_3）2. 通频带和选择性：通常将小信号放大器的电压增益下降到最大值的0.707倍时所对应的输入信号频率范围定义为放大器的通频带，用B 0.7表示。
为衡量放大器的频率选择性，通常引入参数——矩形系数K 0.1，它定义为：0.10.10.7B K B =(1_4） 式中，B 0.1为电压增益下降到最大值的0.1倍处的输入信号带宽，如图1.1所示。
理想的电路频率选择性如图1.1的虚线所示。
矩形系数越小，放大器的选择性越好，抑制邻近无用信号的能力就越强。
3．稳定性：高频小信号谐振放大器能够稳定工作是首要条件。
由于高频放大器的工作频率较高，根据晶体管的Y 参数模型，当工作频率较高时，晶体管本身存在内反馈参数fe y ，同样当工作频率较高时，需要考虑外电路元器件的引线电感和PCB 布线时的板间分布电容，平行信号线之间的寄生电容等，此时这些参数会构成分布参数电路，此外如果电源的去耦电路设计不好，各级电源之间还会有相互串扰，都很有可能构成外部的寄生反馈回路，当满足正反馈的相位条件时，就构成了正反馈，很容易引起高频放大器的自激。
即使没有引起放大器的自激，由于晶体管内反馈参数fe y 和外部分布参数的不稳定，当环境温度变化，电源电压的波动，直流工作点的漂移，外部的电磁干扰，都有可能使放大器出现明显的增益变化、中心频率偏移和频率特性曲线畸变，甚至发生部分的自激振荡。
因此，必须采取多种措施来保证放大器的稳定，1. 合理地设计外部电路的元器件布局和信号线走向、适当的降低每级放大器的增益。
2. 降低每级放大器初级线圈和次级线圈之间的耦合系数，减少下一级放大器输入电阻对本级的影响。
3.在每级放大器的输入端串联一个阻值在几百欧范围内的电阻，对放大器的输入信号进行适当衰减和限流。
4.在某些情况下可以对末级放大器进行负载失配，尽可能降低内反馈参数fe y 的影响。
5.在放大器的输入端进行阻抗匹配，使放大器的输入电阻和信号传输线的特征阻抗匹配。
（信号传输线一般是铜轴线，特征阻抗是50欧）6.各级放大器的电源相互隔离和去耦，引入电压负反馈稳定输出电压，对大功率电路和高速信号电路采取电磁屏蔽等必要的工艺措施。
4．噪声系数：为了提高接收机的灵敏度，必须设法降低放大器的噪声系数。
前置高频放大器一般由多级组成，降低噪声系数的关键在于减小前级电路的内部噪声。
因此，在设计前级放大器时，要求采用低噪声器件，合理地设置工作点电流（一般将静态工作点电流设置较小，目的是减少电路的噪声），适当的限制输入信号带宽，目的是减少等效噪声带宽等，使放大器在尽可能高的功率增益下噪声系数最小。
5．输入信号的动态范围：输入信号的动态范围定义为：min max 10log 20Vin Vin （dB ）或者minmax10log 10Pin Pin (1_5）max Vin 和min Vin 分别表示小信号放大器正常工作时所允许的输入信号幅度的最大有效值和最小有效值。
max Pin ，max Pin 分别表示小信号放大器正常工作时所允许的最大输入信号功率的和最小输入信号功率。
通常输入信号功率的下限主要由电路的噪声系数决定。
为使输入信噪比不至于过低，以避免输入信号不至于完全淹没在噪声基底下，在一定的噪声系数下，输入信号的功率不能很小。
一般来说噪声系数越小，所允许的输入信号功率下限就越小。
当输入信号功率较大时，小信号放大器的增益会显著降低，同时出现比较严重的非线性失真，包括谐波失真和非线形失真。
非线形失真中的三阶交调失真对输出信号的影响较大。
一般来说，输入信号功率的上限主要由电路的三阶交调失真决定。
6．非线性失真（谐波失真和三阶交调失真）当小信号放大器的输入信号功率较小时，放大器工作在线性状态，输出信号和输入信号之间满足线性关系，如式(1_6）。
此时输出信号的频率和输入信号的频率相同，没有新的频率分量产生，放大器没有产生非线性失真。
0out in V a V =， c o sin V V t ω= (1_6） V 和ω分别表示输入信号的幅度和角频率。
当小信号放大器的输入信号功率增大后，放大器开始工作在非线性状态，此时输入和输出的关系如用式(1_7）表示。
201out in in V a V a V =+ (1_7）将cos in V V t ω=代入(1_7），整理后得到 2210111cos cos 222out V a V a V t a V t ωω=++ (1_8） 此时输出信号包含输入信号的二次谐波。
小信号放大器的输入信号功率进一步增大，放大器的非线性状态可用式(1_9）表示。
23012out in in in V a V a V a V =++ (1_9）将cos in V V t ω=代入(1_9），整理后得到， 2323102121311()cos cos 2cos32424out V a V a V a V t a V t a V t ωωω=++++ (1_10）显然输出信号包含输入信号的二次谐波和三次谐波。
放大器工作在非线性状态时，输出信号将包含输入信号的各次谐波，以及输入信号各次谐波之间的交叉混频项。
其中对输出信号影响较大的主要是三阶交调。
下面简单的推导一下三阶交调产生的原因。
假设输入信号包含两个幅度相同，频率相近的信号21,f f ， 12cos cos in V V t V t ωω=+(1_11）将(1_11）代入(1_9）中进行整理，233102102223112123122221121232121232212199()cos ()cos 4411cos 2cos32411cos 2cos324(cos()cos())3(cos(2)cos(2))23(cos(2)cos(2)2out V a V a V a V t a V a V t a V t a V t a V t a V t a V t t a V t t a V t t ωωωωωωωωωωωωωωωωωω=+++++++++++-+++-+++-) (1_12） 可以看到，输出信号包含122ωω-，212ωω-两个频率分量。
如下图所示：假设小信号放大器输入两个频率相近的信号21,f f ，当输入信号功率较高时，输出信号在频率21,f f 的两侧会出现频率为212f f -，122f f -的两个频率分量，由于这两个频率分量与21,f f 相隔很近，很难用滤波器滤除，因此三阶交调分量对小信号放大器的输出信号频谱纯度影响很大，应当尽量避免。
122112图2 三阶交调失真示意图下面以一个商用的宽带射频放大器为例，输出端接频谱仪来观察输出信号的非线性失真和三阶交调失真，放大器的小信号增益大约为20dB 。
输入射频信号的频率为3GHz ，输入功率分别为-40dBm ，-30dBm ，-20dBm ，-10dBm ，输出信号频谱如图3，4，5，6所示。
可以看到输入信号功率较小时（-40dBm ），放大器工作在线性状态，输出信号几乎没有谐波分量。
随着输入信号功率的增加，输出信号的谐波分量逐渐增多，谐波分量的功率也逐渐增加，总谐波失真增减增大，经测量总谐波失真分别是0.5%（输入功率-30dBm ），0.98%（输入功率-20dBm ），4.76%（输入功率-10dBm ）。
P o w e r (d B m )P o w e r (d B m )Frequency(GHz)图3 输入功率为-40dBm 时输出频谱 图4 输入功率为-30dBm 时输出频谱P o w e r (d B m )Frequency(GHz)P o w e r (d B m )Frequency(GHz)图5 输入功率为-20dBm 时输出频谱 图6 输入功率为-10dBm 时输出频谱输入两个频率相近的信号，频率分别是3GHz ，3.001GHz ，输入信号功率分别是-45dBm ，-18dBm ，-12dBm ，-6dBm ，用频谱仪测量放大器输出信号的频谱。
P o w e r (d B m )P o w e r (d B m )Frequency(GHZ)图7 输入功率-45dBm ，输出信号频谱 图8 输入功率-18dBm ，输出信号频谱P o w e r (d B m )Frequency(GHz)P o w e r (d B m )Frequency(GHz)图9 输入功率-12dBm ，输出信号频谱 图10 输入功率为-6dBm ，输出信号频谱可以看到，当输入双频信号的功率较小时，射频放大器工作在线性状态，输出信号频率分量和输入信号频率分量一致。
随着输入双频信号的功率增加，射频放大器出现非线性工作状态，输出信号中出现了三阶交调分量。
输入双频信号的功率进一步增加，输出信号中三阶交调分量的功率也进一步增加。
当输入双频信号的功率较大时，射频放大器出现比较严重的非线性状态，输出信号中三阶交调分量的功率很大，并且在三阶交调分量的两侧还出现了五阶交调分量。
