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高频谐振功率放大器实验121180166 赵琛1、实验目的1.进一步掌握高频丙类谐振功率放大器的工作原理。
2.掌握丙类谐振功率放大器的调谐特性和负载特性。
3.掌握激励电压、集电极电源电压及负载变化对放大器工作状态的影响。
4. 掌握测量丙类功放输出功率，效率的方法。
二、实验使用仪器1. 丙类谐振功率放大器实验板2. 200MH泰克双踪示波器3. FLUKE万用表4. 高频信号源5. 扫频频谱仪（安泰信）6 . 高频毫伏表三、实验基本原理与电路1.高频谐振功率放大器原理电路高频谐振功率放大器是一种能量转换器件，它可以将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。
高频谐振功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件，其作用是放大信号，使之达到足够的功率输出，以满足天线发射和其它负载的要求。
高频谐振功率放大器研究的主要问题是如何获得高效率、大功率的输出。
放大器电流导通角θ愈小，放大器的效率η愈高。
如甲类功放的θ＝180，效率η最高为50％，而丙类功放的θ＜90°，效率η可达到80％。
谐振功率放大器采用丙类功率放大器，采用选频网络作为负载回路的丙类功率放大器称为高频谐振功率放大器。
高频谐振功率放大器原理电路如图3-1。
图中U b为输入交流信号，E B是基极偏置电压，调整E B，改变放大器的导通角，以改变放大器工作的类型。
E C是集电极电源电压。
集电极外接LC并联振荡回路的功用是作放大器负载。
放大器工作时，晶体管的电流、电压波形及其对应关系如图3-1所示。
晶体管转移特性如图3.2中虚线所示。
由于输入信号较大，可用折线近似转移特性，如图中实线所示。
图中'B U 为管子导通电压，g m为特征斜率（跨导）。
图3-1 高频谐振功率放大器的工作原理设输入电压为一余弦电压，即u b =U bm cos ωt 则管子基极、发射极间电压u BE 为u BE =E B +u b =E B +U bm cos ωt在丙类工作时，E B <'B U ，在这种偏置条件下，集电极电流iC 为余弦脉冲，其最大值为i Cmax ，电流流通的相角为2θ，通常称θ为集电极电流的通角，丙类工作时，θ<π/2 。
1实验目的高频谐振功率放大器的主要功能是将微弱的电信号以足够大的功率发射出去，由于负载是LC 谐振回路，因此具有滤波的功能。
此外高频谐振功率放大器还可以构成调幅电路、倍频器电路，因此是组成无线发射机的重要电路，是“高频电子线路”课程的重点内容，也是电子信息类学生必须要掌握的知识。
然而这部分的内容理论性较强，涉及到的数学知识较多，教师采用传统的PPT 授课方法，对学生来说晦涩难懂[1]。
实验是检验理论最好的办法，但目前有些高校高频实验仪器单一、设备老旧，很难满足实验的需求。
仿真软件可以帮助我们较好地解决这个问题。
本文选用的Multisim 软件具有强大的仿真功能，除了拥有大量丰富的虚拟元件和多种虚拟测量仪器外，还提供完备的分析方法[2]。
只要将软件安装在电脑上，学生就可以在电脑上完成电路的设计、搭建、运行和测试的仿真练习。
为了帮助学生更好地掌握高频谐振功率放大器的工作过程，笔者总结多年的教学经验，借助Multisim 软件，设计了一套高频谐振功率放大器的仿真实验，包括验证实验和设计实验两部分，验证实验包括高频谐振功放工作状态分析、负载特性分析、调制特性分析，设计实验包括设计滤波匹配网络和倍频器，两部分实验逐渐推进。
希望通过实验仿真，解决理论教学中枯燥难懂的问题，帮助学生更深入地理解这部分知识。
2实验设计步骤2.1创建测试电路并分析电路组成要求学生使用Multisim 软件创建如图1所示的实验电路，引导学生观察分析该电路的组成，可以以填空题形式记录分析结果。
分析：在输入回路，用电感和电阻串联构成基极自偏置电路，保证晶体管Q 1工作在截止区。
而在输出回路，由直流电源V 1、电基于Multisim 的高频谐振功率放大器仿真实验设计【摘要】为了帮助学生更好地学习高频谐振功率放大器工作过程，设计了该电路仿真实验，内容包括工作状态分析、负载特性分析、调制特性分析、设计滤波匹配网络和倍频器。
借助Multisim 软件仿真了实验内容，仿真结果形象直观，与理论结果一致，可以有效调动学生学习积极性和创新主动性。
202X年高频实验报告(一)单调谐回路谐振放大器一、实验目的1. 掌握单调谐回路的工作原理和谐振放大器的特点。
2. 能够熟练测量单调谐回路的谐振频率和带宽，并能够计算回路品质因数。
3. 能够使用单调谐回路组装谐振放大器，并观察其输出波形和增益特性。
二、实验原理1. 单调谐回路单调谐回路由电感L、电容C和电阻R串联而成，如下图所示：当串联谐振回路中的电感L、电容C和电阻R的数值满足以下条件时，回路将在某一频率处产生谐振现象，电压幅度将增大。
其中，L为电感，单位为亨，C为电容，单位为法拉，R为电阻，单位为欧姆。
谐振频率f0为：谐振频率f0与电感L和电容C有关，当L或C的数值改变时，谐振频率f0会相应改变。
谐振频率f0与电阻R有关，当电阻R变化时，谐振频率f0也会发生变化。
带宽BW为：品质因数Q为：品质因数Q与电阻R、电感L、电容C有关，当电阻R、电感L或电容C的数值改变时，品质因数Q也会发生变化。
2. 谐振放大器谐振放大器是一种利用谐振回路进行放大的电子电路，其基本原理为，将输入信号加到谐振回路的输入端，由于回路在谐振频率处有较大的放大，因此放大后的信号输出到输出端将比输入信号增加一个较大的幅度。
三、实验内容四、实验器材与设备1. 示波器2. 汽笛发生器3. 电感L4. 电容C5. 变阻器8. 喇叭9. 电源10. 万用表五、实验步骤1. 使用汽笛发生器产生一个频率为500Hz的信号。
2. 将信号输入到单调谐回路中，同时使用万用表测量回路的电压。
3. 调节变阻器的电阻，找到回路谐振频率。
4. 测量谐振频率f0，并记录下数值。
5. 测量谐振频率两侧的电压幅值，计算出回路的带宽BW，并记录下数值。
6. 计算回路品质因数Q，并记录下数值。
9. 使用示波器观察输出波形，并记录下输出幅度。
10. 测量谐振放大器的增益特性，即输入信号与输出信号之比的对数值，记录下数值。
11. 连接喇叭到谐振放大器输出端，观察喇叭的声音变化。
本次电子线路设计对高频调谐小信号放大器，LC振荡器，高频功放电路设计原理作了简要分析，研究了各个电路的参数设置方法。
并利用其它相关电路为辅助工具来调试放大电路，解决了放大电路中经常出现的自激振荡问题和难以准确的调谐问题。
同时也给出了具体的理论依据和调试方案，从而实现了快速、有效的分析和制作高频放大器，振荡器和功放电路。
高频小信号谐振放大电路是将高频小信号或接收机中经变频后的中频信号进行放大，已达到下级所需的激励电压幅度。
LC振荡器的作用是产生标准的信号源。
高频功放的作用是以高的效率输出最大的高频功率。
三部分都是通信系统中无线电收发信机所用到的技术，所以在现实生活中具有着相当广泛的应用。
关键词：高频小信号放大器；LC振荡器；高频功放电路；放大电路The electronic circuit design of high-frequency tuned small-signal amplifier, LC oscillator, h igh-frequency power amplifier circuit design principles briefly analyzed to study the various circuit parameters to set methods. And to use other related tools to debug the circuit for the auxiliary amplifier circuit solve the amplifier circuit that often appear in self-oscillation problems and difficult to accurately tuning problems. Also given in detail the theoretical basis and debug programs in order to achieve a rapid, effective analysis and production of high-frequency amplifiers, oscillator and power amplifier circuits.High-frequency small-signal amplification circuit is the resonant frequency small-signal or a receiver through the frequency of IF signals, after amplification, has reached the lower the required excitation voltage amplitude. The role of the LC oscillator is to generate a standard signal source. The role of high-frequency power amplifier's efficiency is the largest high-frequency power output. Three parts are the communication systems used by the radio transceiver technology, so in real life, with a fairly wide range of applications.Key words: high-frequency small-signal amplifier; LC oscillator; high-frequency power amplifier circuit; amplifier circuit目录1 设计任务与总体方案 (1)1.1设计任务 (1)1.2总体方案简述 (2)2 电路的基本原理 (3)2.1电路的基本原理 (3)2.2 主要性能指标及测试方法 (5)3 电路的设计与参数的计算 (8)3.1电路的确定 (8)3.2参数计算 (8)4 电路的仿真 (10)4.1 电路仿真 (10)5实物的制作与调试 (12)5.1元件的焊接 (12)5.2电路板的调试 (12)结束语 (13)致谢 (14)参考文献 (15)附录 A电路原理图 (16)附录B PCB图 (17)附录C 实物图 (18)附录D 元器件清单 (19)1 设计任务与总体方案1．1 设计任务一．设计要求要求有课程设计说明书，并制作出实际电路。
实验１高频小信号放大器幅频特性曲线为:带宽：8.0*0.7=5.6Bw1=6.6-6.1=0.5MHz2、观察集电极负载对单调谐回路谐振放大器幅频特性的影响当放大器工作于放大状态下，运用上步点测法测出接通与不接通1R3的幅频特性曲线。
既令2K1置“on”，重复测量并与上步图表中数据作比较。
f/MHz 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7.0 7.1U/mV 1.7 1.9 2.0 2.4 2.6 3.2 3.6 4.0 5.2 5.6 5.6 5.2 4.4 3.8 3.2 2.6 2.4 2.0幅频特性曲线为：5.6*0.7=3.92；Bw2=6.65-6.1=0.55MHz3、双调谐回路谐振放大器幅频特性测量（保持输入幅度不变，改变输入信号的频率，测出与频率相对应的双调谐放大器的输出幅度，然后画出频率与幅度的关系曲线，该曲线即为双调谐回路放大器的幅频特性。
）2K2往上拨，接通2C6（80P），2K1置off。
高频信号源输出频率6.3MHZ（用频率计测量），幅度300mv，然后用铆孔线接入双调谐放大器的输入端（IN）。
2K03往下拨，使高频信号送入放大器输入端。
示波器CH1接2TP01，示波器CH2接放大器的输出（2TP02）端。
反复调整2C04、2C11使双调谐放大器输出为最大值，此时回路谐振于6.3MHZ。
按照下表改变高频信号源的频率（用频率计测量），保持高频信号源输出幅度峰——峰值为300mv（示波器CH1监视），从示波器CH2上读出与频率相对应的双调谐放大器的幅度值，并把数据填入下表中。
f/MHz 4.8 5.0 5.2 5.4 5.7 5.8 5.9 6.0 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7.0 7.1 U/mV 0.8 1.4 2.6 4.2 8.0 8.8 8.0 8.0 8.0 8.2 8.4 6.4 4.8 3.2 2.0 1.8 1.4 1.2 幅频特性曲线：8*0.7=5.6V；Bw3=6.55-5.5-1.05MHz4、放大器动态范围测量2K1置off,2K2置单调谐，接通2C6.高频信号源输出接双调谐放大器的输入端（IN），调整高频信号源频率为6.3MHz，幅度为100mV。
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。
课程设计报告课程名称: 高频电路设计系别：工程技术系专业班级：电信0901学号：姓名：课程题目：高频谐振放大器设计（电容耦合输出）完成日期：指导老师：设计过程：1.确定电路形式。
2.设置静态工作点。
3.计算谐振回路的参数。
4.确定输入耦合回路及高频滤波电容。
5.电路的安装与调试。
课程设计（论文）课题任务书系：工程技术系专业：电子信息工程设计任务说明一、设计目的1. 了解LC 串联谐振回路和并联谐振回路的选频原理和回路参数对回路特性的影响；2. 掌握高频单调谐放大器的构成和工作原理；3. 掌握高频单调谐放大器的等效电路、性能指标要求及分析设计；4. 掌握高频单调放大器的设计方案和测试方法。
二、主要技术指标及要求1. 技术指标已知：电源电压V V cc 12+=，负载电阻Ω=K R L 1条件下要求： 1) 中心频率MHz f 40= 2) 电压增益：75dB 2. 设计要求1) 设计高频小信号谐振放大电路；2) 根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数； 3) 拟定测试方案和测试步骤； 4) 写出设计报告。
目录第1章简述 (4)1.1 论述 (4)第2章总体方案 (5)2.1 设计要求 (5)2.2总体方案简述 (5)第3章电路的基本原理及电路的设计 (6)3.1主要性能指标及测试方法 (6)3.2电路的设计与参数的计算 (8)3.2.1电路的确定 (11)3.2.2参数计算 (11)第4章电路的仿真与调试 (13)4.1 电路仿真 (13)4.2 电路的安装与调试 (14)第五章心得体会 (15)5.1 心得体会 (15)附录元件清单 (16)第一章简述1.1 论述高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。
高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。
高频小信号放大器的分类：按元器件分为：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器;按频带分为：窄带放大器、宽带放大器;按电路形式分为：单级放大器、多级放大器;按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器;其中高频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。
高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。
其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。
本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。
第2章 总体方案2.1 设计要求已知条件：电源电压V V cc 12+=，负载电阻Ω=K R L 1，高频三极管9013 主要技术指标：中心频率MHz f 40=，电压增益)75(75倍dB A u =∑，通频带MHz f 820=∆。
课程设计要求：要求有课程设计说明书，并制作出实际电路。
2.2 总体方案简述高频小信号放大器的功用就是无失真的放大某一频率范围内的信号。
按其频带宽度可以分为窄带和宽带放大器 ，而最常用的是窄带放大器，它是以各种选频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波功能。
对高频小信号放大器的基本要求是：（1）增益要高，即放大倍数要大。
（2）频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用Q 值来表示，其频率特性曲线如图-1所示,带宽BW=f2-f1= 2Δf0.7，品质因数Q=fo/2Δf0.7.（3）工作稳定可靠，即要求放大器的性能尽可能地不受温度、电源电压等外界因素变化的影响，内部噪声要小，特别是不产生自激，加入负反馈可以改善放大器的性能。
（4）阻抗匹配。
第三章电路的基本原理及电路的设计3.1 电路基本原理图3-1-1所示电路为共发射极接法的晶体管小信号调谐回路谐振放大器。
它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。
在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数会影响放大器的输出信号的频率或相位。
晶体管的静态工作点由电阻RB1和RB2以及RE决定，其计算方法与低频单管放大器相同。
图3-1-1放大器在谐振时的等效电路如图3-1-2所示，晶体管的4个y参数分别如下：输入导纳：输出导纳：正向传输导纳：反向传输导纳：式中，为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为：为发射结电导，与晶体管的电流放大系数及有关，其关系为为基极体电阻，一般为几十欧姆；为集电极电容，一般为几皮法；为发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。
图3-1-2晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作点的电流，电流放大系数有关外，还与工作角频率w有关。
晶体管手册中给出了的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得的。
图3-1-2所示的等效电路中，p1为晶体管的集电极接入系数，即式中，N2为电感L线圈的总匝数；p2为输出变压器Tr0的副边与原边匝数比，即式中，N3为副边总匝数。
为谐振放大器输出负载的电导，。
通常小信号谐振放大器的下一级仍为晶体管谐振放大器，则将是下一级晶体管的输入电导。
由图3-1-2可见，并联谐振回路的总电导的表达式为式中，为LC回路本身的损耗电导。
3.2主要性能指标及测量方法表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率，谐振电压放大系数Avo，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1），采用电路可以粗略测各项指标。
输入信号由高频小信号发生器提供，高频电压表，分别用于测量输入信号与输出信号的值。
直流毫安表mA用于测量放大器的集电极电流的值，示波器监测负载两端输出波形。
谐振放大器的性能指标及测量方法如下。
1.谐振频率放大器的谐振回路谐振时所对应的频率称为谐振频率。
的表达式为：式中，L为谐振放大器电路的电感线圈的电感量；为谐路的总电容，的表达式为：式中，为晶体管的输出电容；为晶体管的输入电容。
谐振频率的测试步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变电容C或电感L使回路谐振。
LC并联谐振时，直流毫安表mA的指示为最小（当放大器工作在丙类状态时），电压表指示值达到最大，且输出波形无明显失真。
这时回路谐振频率就等于信号发生器的输出频率。
2.电压增益放大器的谐振回路所对应的电压放大倍数Avo称为谐振放大器的电压增益.Avo的表达式为：的测量电路如图3-2-1所示，测量条件是放大器的谐振回路处于谐振状态。
计算公式如下：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Av下降到谐振电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率范围称为放大器的通频带BW，其表达式为：式中，为谐振放大器的有载品质因素。
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。
通频带的测量电路如图3-2-1所示。
可通过测量放大器的频率特性曲线来求通频带。
采用逐点法的测量步骤是：先使调谐放大器的谐振回路产生谐振，记下此时的与，然后改变高频信号发生器的频率（保持Vs不变），并测出对应的电压放大倍数Av，由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的频率特性曲线如图3-3-2所示：图3-2-2由BW得表达式可知：通频带越宽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，由式可知，除了选用较大的晶体管外，还应尽量减少调谐回路的总电容量。
4.矩形系数谐振放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kr0.1来表示，如图3-2-2所示，矩形系数Kr0.1为电压放大倍数下降到0.1Avo时对应的频率范围与电压放大倍数下降到0.707 时对应的频率偏移之比，即上式表明，矩形系数Kr0.1越接近1，临近波道的选择性越好，滤除干扰信号的能力越强。
可以通过测量图3-2-2所示的谐振放大器的频率特性曲线来求得矩形波系数Kr0.1。
3.2.1 电路的确定 3.2.2参数计算已知参数要求与晶体管9013参数。
(1) 设置静态工作点取 EQ I =1mA, EQ V =1.5V , CEQ V =7.5V , 则 =E R Ω=K I V EQEQ 5.1=2B R Ω=∙≈K I V I V CQBQ BQBQ 3.1866β , 取标称值18K Ω=1B R Ω=-K R V V V B BQBQCC 1021B R 可用10K Ω电阻以便调整静态工作点。
(2) 计算谐振回路参数 mS mVI g mAE mS e b 77.026}{}{==''βm S m VI g mAE mS m 3826}{}{==下面计算4个y 参数， mS j mS C j g r C j g y e b e b b b eb e b ie 5.196.0)(1+≈+++='''''ωω因为ie ie ie C j g y ω+=, 所以 mS g ie 96.0=，Ω≈=k g r ie ie 11，pF mS C ie 2.25.1==ωmS j mS C j C j g r g r C j y c b e b e b b b mb bc b oe 5.006.0)(1+≈+++=''''''ωωω因为oe oe oe C j g y ω+=，所以 mS g oe 06.0=，pF mSC oe 75.0==ωmS j mS C j g r g y e b e b b b mfe 1.437)(1-=++='''ω故模 mS mS y fe 371.437||22≈+= 回路总电容为nF Lf C 1)2(120==∑π再计算回路电容nF C p C p C C ie oe 12221=--=∑，取标称值1nF(3) 确定输入耦合回路及高频滤波电容高频小信号谐振放大器的输入耦合回路通常是 指变压器耦合的谐振回路。
由于输入变压器Tri 原边谐振回路与放大器谐振回路的谐振频率相等，也可以直接采用电容耦合，高频耦合电容一般选择瓷片电容。
第4章 电路的仿真与调试4.1电路的仿真(1)利用MULTISIM绘制出如图4-1-1所示的仿真实验电路图4-1 -1 仿真电路(2)按图设置各元件的参数，打开仿真开关，从示波器上两个通道观察输出波形以及与输入信号的关系。
如4-1-2图所示。
图4-2-2 输出波形⑴在无信号输入，仅有直流激励的情况下用电流表测量三极管发射极极电流，测I约为1mA。
