高频电路(仿真)实验指导书..

高频电路（仿真）实验指导书

电子信息系

2016年3月

实验一、共射级单级交流放大器性能分析

一、实验目的

1、学习单级共射电压放大器静态工作点的设置与调试方法。

2、学习放大器的放大倍数（A u）、输入电阻（R i）、输出电阻（R o）的测试方法。

3、观察基本放大电路参数对放大器的静态工作点、电压放大倍数及输出波形的影响。

4、熟悉函数信号发生器、示波器、数字万用表和直流稳压电源等常用仪器的使用方法。

二、实验原理

如图所示的电路是一个分压式单级放大电路。该电路设计时需保证U B>5～10U BE，

I1≈I2>5～10I B，则该电路能够稳定静态工作点，即当温度变化时或三级管的参数变化时，电路的静态工作点不会发生变化。

U B=V CC I C I E

由上式可知，静态工作时，U B是由R1和R2共同决定的，而U BE一般是恒定的，在0.6到0.7之间，所以I C、I E只和有关。

当温度变化时或管子的参数改变时（深究来看，三极管的特性并非是完全线性的，在很多的情况下，必须计入考虑），例如，管子的受到激发而I C欲要变大时，由于R E的反馈作用，使得U BE节压降减小，从而I B减小，I C减小，电路自动回到原来的静态工作点附近。所以该电路不仅有较好的温度稳定性，还可以适应一定非线性的三极管，只要电路设计得当。

调整电阻R1、R2，可以调节静态工作点高低。若工作点过高，使三极管进入饱和区，则会引起饱和失真；反之，三极管进入截止区，引起截止失真。

图1-1 分压式单级放大电路

如图1-1，C1、C2为耦合电容，将使电路只将交流信号传输到负载端，而略去不必要的直流信号。发射极旁路电容C E一般选用较大的电容，以保证对于交流信号完全是短路的，即相当于交流接地。也是防止交流反馈对电路的放大性能造成影响。电路的放大倍数

A U=，输入电阻R i=R1∥R2∥r be，输出电阻R O=R L’，空载时R O=R C。

当发射极电容断开时，在发射极电容上产生交流负反馈，电压的放大倍数为A U=，输入电阻R i=R1∥R2∥[]。输出电阻仍近似等于集电极负载电阻。

三、实验内容

（一）如图1-2所示，建立放大电路，进行静态分析。

图1-2 静态工作点的调整与测试

注意，电路必须工作在放大区，即输出波形必须对称（因为输入信号是正弦波）且和原来的信号保持协调。只有设置好静态工作点才可以进行下一步。此步骤就是要选择合适的R1、R2。

（二）动态分析

动态分析时，实验中一直使用的信号。F=1000HZ,Vpp=28mv。如图1-3所示：

图1-3 函数信号发生器

在原来设置好静态工作点的基础上，接入信号。并按照此图进行测量电压放大倍数。（该电路另接入了一电阻R3，以增大输入电阻）如图1-4所示：

图1-4 放大倍数（加大输入电阻）

计算电压的放大倍数：A U =U O /U i

输入输出电阻的测量：

图1-5 输入电阻的测试

图1-6 输出电阻的测试

计算计算i i i i s i s i s s i ()/()U U U R R I U U R U U =

==-- 和 L o

o

o o R U U U R -'=

（三）若是静态工作点设置不合适，则会引起失真。如图1-7和图1-8所示。

图1-7饱和失真图1-8 截止失真

（四）有无发射极电容C E的影响

图1-9 有无发射极电容的影响

明显看出，在不加发射极电容C E时，交流电压的放大倍数减小了。可见是交流的负反馈作用促成了这一结果。显然，在实际的生产实际中，我们不需要这一反馈，因此一般选择并联上发射极输出电容，可以明显增大电压的放大倍数。但同时也增加了电路的硬件成本。

（五）增大输入电阻对电路性能的影响

从示波器中的波形可以看出，输入波形与输出波形的相位相反，频率相同。信号源内阻增大，如图所示：比较可知，增大输入电阻，可以略微地提高电压放大倍数。

四、思考题

1、由实验（一）（二）（三）可知，静态工作点的设置对放大电路有何作用？

2、仿真电路中的电路必须要“接地”，这样做有什么好处？

3、仿真电路中的很多细节都需要注意，某一细节处理不好就会影响电路的正常工作。试结合实验过程举例说明。

实验二高频LC谐振功率放大器性能研究

一、实验目的

1、进一步熟悉EWB仿真软件的使用方法；

2、测试高频谐振功率放大器的电路参数及性能指标；

3、熟悉高频谐振功率放大器的三种工作状态及调整方法。

二、实验内容及步骤

(一)构造实验电路

利用EWB软件绘制如图2-1所示的高频谐振功率放大器实验电路。

图中，各元件的名称及标称值如表2-1所示。

表2-1 各元件的名称及标称值

(二)性能测试

1、静态测试

选择“Analysi”→“DC Operating Point”，设置分析类型为直流分析，可得放大器的直流工作点如图2-2所示。

2、动态测试

（1）输入输出电压波形

当接上信号源Ui时，开启仿真器实验电源开关，双击示波器，调整适当的时基及A、B通道的灵敏度，即可看到如图2-3所示的输入、输出波形。

（2）调整工作状态

1、分别调整负载阻值为5 kΩ、100 kΩ，可观测出输入输出信号波形的差异。

2、分别调整信号源输出信号频率为1MHz、6.5MHz，可观测出谐振回路对不同频率信号的响应情况。

3、分别调整信号源输出信号幅度为100mV、400mV，可观测出高频功率放大器对不同幅值信号的响应情况。

由图2-5可知，工作于过压状态时，功率放大器的输出电压为失真的凹顶脉冲。通过调整谐振回路电容或电感值，可观测出谐振回路的选频特性。

三、思考题

1、变压器T1起什么作用？

2、对照输入波形，说明输出波形有什么特点？

3、负载阻值的改变对输出信号波形有什么影响？

4、当功放的输入信号频率改变时，输出信号波形有什么变化？说明了什么问题？

实验三 正弦波振荡器实验

一、实验目的

1、理解LC 三点式振荡器的工作原理，掌握其振荡性能的测量方法。

2、理解振荡回路Q 值对频率稳定度的影响。

3、理解晶体管工作状态、反馈深度、负载变化对振荡幅度与波形的影响。

4、了解LC 电容反馈三点式振荡器的设计方法。

二、实验原理

三点式振荡器的交流等效电路如图3-1所示。图中，ce X 、be X 、cb X 为谐振回路的三个电抗。根据相位平衡条件可知，ce X 、be X 必须为同性电抗，cb X 与ce X 、be X 相比必须为异性电抗，且三者之间满足下列关系：

)(be ce cb X X X +-= (3-1)

这就是三点式振荡器相位平衡条件的判断准则。在满足式(3-1)的前提下，若ce X 、be X 呈容性,呈感性，则振荡器为电容反馈三点式振荡器；若ce X 、be X 呈感性，cb X 呈容性，则为电感反馈三点式振荡器。下面以“考毕兹”电容三点式振荡器为例分析其原理。

图3-1 三点式振荡器的交流等效电路 图3-2“考毕兹”电容三点式振荡器

1、“考毕兹”电容三点式振荡器工作原理

“考毕兹”电容三点式振荡器电路如图3-2所示，图中L 和C1、C2组成振荡回路，反馈电压取自电容C2的两端，Cb 和Cc 为高频旁路电容，Lc 为高频扼流圈，对直流可视为短路，对交流可视为开路。显然，该振荡器的交流通路满足相位平衡条件。若要它产生正弦波，还必须满足振幅条件和起振条件，即：

1>?uo uo F A (3-2)

式中uo A 为电路刚起振时，振荡管工作状态为小信号时的电压增益；uo F 为反馈系数，只要求出二者的值，便可知道电路有关参数与它的关系。为此，我们画出3-3所示的Y 参数

等效电路。若忽略晶体管的内反馈，即

0=re y ,可得3-4所示的简化等效电路。图3-4中，

oe C C C +=1'1，ie C C C +=2'

2，b ie ie G g g +=，o g 为LC 并联谐振回路折合到晶体管ce

端的等效谐振电导，即o o g P g 21'=，'2'2'11/)(C C C P +=。

图3-3 “考毕兹”电容三点式振荡器Y 参数等效电路 图3-4 简化等效电路

由图3-4可求出小信号工作状态时电压增益uo A 和反馈系数uo F 分别为

∑==

g y U U A fe i o u 0 (3-3)

式中，

)(26)

(mV mA I g y E m fe =

≈，'22ie o oe g P g g g ++=∑，'

2'12/C C P =。

若忽略各个g 的影响，电路的反馈系数为

2

'2

'

10P C C U U F o f

u === (3-4)

由式(3-2)可得起振条件为

1'2

'

100>?=

∑

C C g y F A fe u u (3-5)

故有

∑

>g C C y fe

'1

'2

(3-6)

上式即为振荡器起振的振幅条件。为了进一步说明起振的一些关系，可将式(3-6)变换为

'

'22)(1)(11ie o oe ie o oe fe Fg g g F g P g g F g F y ++=++=>

∑ (3-7)

式(3-7)第一项表示输出电导和负载电导(这里未考虑负载电导)对振荡的影响，F 越大，越

容易起振。第二项表示输入电导对振荡的影响，'

ie g 和F 越大，越不容易起振。可见，考虑

到晶体管输入电导对回路的加载作用时，反馈系数F 并不是越大越容易起振。由式(3-7)可知，在晶体管参数ie g 、oe g

、

fe

y 一定的情况下，可以改变

1b R 、2b R 和负载电导L g 及F 来保证

起振。F 一般取0.1~0.5。

2、振荡管工作状态对振荡器性能的影响

对于一个振荡器，在其负载阻抗及反馈系数F 已经确定的情况下，静态工作点的位置对振荡器的起振以及稳定平衡状态（振幅大小，波形好坏）有着直接的影响。工作点偏高，振荡管工作范围易进入饱和区，输出阻抗的降低将会使振荡波形严重失真，严重时甚至使振荡器停振；工作点偏低，避免了晶体管工作范围进入饱和区，对于小功率振荡器，一般都取在靠近截止区，但不能取得太低，否则不易起振。

由式(3-3)可知，实际的振荡电路在uo F 确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值，静态电流越大，输出幅度越大。但是如果静态电流取得太大，不仅会出现波形失真现象，而且由于晶体管的输入电阻变小同样会使振荡幅度变小。实际中静态电流值一般取0.5mA ～1mA 。

三、实验内容

1、利用EWB 仿真软件绘制出如图3-5所示的西勒(Seiler)振荡器实验电路。

图3-5 西勒振荡器实验电路

2、按图3-3设置各元件参数，打开仿真开关，从示波器上观察振荡波形如图3-6所示，读出振荡频率f0 ，并作好记录。

图3-6 西勒振荡器的输出波形

3、改变电容C6的容量，分别为最大或最小（100%或0%）时，观察振荡频率变化，并作好记录。

4、改变电容C4的容量，分别为0.33μF和0.001μF，从示波器上观察起振情况和振荡波形的好坏（与C4为0.033μF时进行比较），并分析原因。

5、将C4恢复为0.033μF，分别调节R P为最大和最小时，观察输出波形振幅的变化，并说明原因。

四、思考题

1、振荡器与一般放大器的主要区别是什么？

2、振荡器中晶体管、振荡回路、反馈网络各起什么作用？对它们应有什么要求？

3、振荡器波形不好与哪些因素有关？如何改善？

实验四调幅和检波电路的设计与性能分析

一、实验目的

（1）在前三个实验的基础上，加强EWB的熟练应用，掌握一些仿真的技巧。

（2）进一步熟悉调幅电路、检波电路的工作原理。

（3）观察调幅电路、检波电路的输出波形。

二、实验内容及步骤

1、普通调幅电路

（1）利用EWB绘制出相应的普通调幅实验电路（图4-1为参考图）。

图4-1 普通调幅实验电路

（2）按图4-1设置U0、U1、U2以及电路中各元件的参数，打开仿真开关，从示波器上观察调幅波的波形以及与调制信号U1的关系，将示波器中观察到的两个波形（普通调幅电路输入、输出波形）画在下方。

（3）改变直流电压U0为4V，观察过调幅现象，做好记录并说明原因。将过调幅时的输入、输出波形画在下方。

2、双边带调制电路

（1）利用EWB绘制出双边带调制仿真电路（图4-2为参考图），接上载波信号U1、调制信号U2以及示波器。

图4-2 双边带调制实验电路

（2）按图2所示设置U1、U2的参数，打开仿真开关，从示波器上可以观察到双边带调制信号，说明双边带信号的特点。将输入调制信号波形及输出双边带信号波形画在下方。也可同时画出其扩展方式的波形。

3、二极管包络检波器

（1）利用EWB绘制出二极管包络检波器的仿真实验电路（图4-3为参考图）。

图4-3 二极管包络检波器仿真实验电路

（2）按图4-3设置U s以及各元件的参数，其中调幅信号源的调幅度M设为0.8。打开仿真开关，从示波器上观察检波器输出波形以及与输入调幅波信号U s的关系。将相应波形图画在下方。

（3）将R P1调到最大（100%），从示波器上可以观察到检波器的输出波形将出现惰性失真，将相应波形图画在下方。试分析其原因。

（4）将R P1恢复为最小（0%），再将R P2调到最小（0%），从示波器上又可以观察到检波器输出将出现负峰切割失真，将相应波形图画在下方。试分析其原因。

4、同步检波器

（1）利用EWB绘制出双边带调制及其同步检波的仿真电路（图4-4为参考图）。其中IC1组成双边带调制电路，IC2以及低通滤波器R1、C1、C2组成同步检波器。

图4-4 双边带调制及其同步检波的仿真实验电路

(2) 按图4-4所示设置调制信号U、载波信号U c、参考信号U r以及各元件的参数，打开仿真电源开关，从示波器上观察同步检波器输入的双边带信号及其输出信号。将相应波形图画在下方。

三、思考题

1、调幅的方式有哪几种？各有什么特点？它们的频谱结构有什么不同？请结合相应的公式和图形进行说明。

2、包络检波和同步检波有什么不同？