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小信號調諧放大器仿真實驗報告
小信號調諧放大器同時具有選頻和放大功能，電路由有源器件和無源選頻網絡組成。高頻小信號調諧放大器在通信設備中的主要用途是作為接收機的高頻放大器和中頻放大器。
一、實驗目的 1.熟悉Multisim仿真工具的使用方法，包括： （1）靜態工作點分析方法。根據電路參數設置，判斷晶體管處于放大區，以確保電路正常工作； （2）運用參數掃描的方法研究元件參數改變對電路性能的影響； （3）運用交流分析，或波特儀分析信號的幅頻特性。用示波器觀察時域波形圖。 2.借助于Multisim仿真工具分析研究電路元件參數對放大器交直流特性的影響。包括： （1）掌握諧振放大器的基本工作原理，掌握小信號放大器偏置電路設計方法； （2）分析放大器靜態工作點、集電極等效電阻及發射極電阻對單調諧放大器幅頻特性的影響。包括電壓增益、通頻帶、Q值等； （3）分析耦合電容對雙調諧放大器選頻特性的影響。包括增益特性，帶寬及強耦合狀態下耦合電容變化對雙峰及凹陷點頻率的影響； （4）培養通信電路綜合分析能力，掌握仿真實驗報告撰寫的基本規范。
二、單調諧放大器 1.實驗原理 小信號諧振放大器是通信接收機的前端電路，主要用于高頻小信號或微弱信號的線性放大和選頻。單調諧回路諧振放大器原理電路如圖1-1所示。圖中，R1、W1、RE為偏置電阻，用以保證晶體管工作于放大區域，使放大器工作于甲類。C1是RE的旁路電容，C2、C7是輸入、輸出耦合電容，L2+L3、CT+C3構成放大器諧振回路，R2是集電極可變等效電阻，它對諧振回路Q值、帶寬有重要影響。為了減輕負載對集電極回路Q值的影響，采用部分接入方式。 2.單調諧放大器實驗電路 圖1-1給出單調諧放大器的原理圖。 圖1-1單調諧放大器原理圖
圖中W1為100K可變電位器，回路電感由 “L2（5.6μH）和L3（2.4μH）兩個電感構成，輸出由兩個電感之間引出，實現了負載電阻的部分接入。集電極等效電阻為20K可變電阻，通過改變該阻值研究等效電阻對放大器選頻特性的影響。發射極電阻RE（2K、1K和100Ω）通過開關選擇接入，用以研究該電阻對放大器增益特性的影響。 電路的有源器件采用NPN型的三極管2N2222作為調諧放大器的核心器件。該器件最大集電極電流IC=800mA、集電極-發射極擊穿電壓VCE=30V，工作截止頻率為250MHz，β取值范圍在100-300，導通電壓為 0.7V。
按圖1-1給出的單調諧放大器連接電路
3.仿真研究內容及要求 3.1 靜態工作點分析 取RE為1K，調節可變電阻W1，設置其阻值分別為100K、68K、22K、330Ω，用Multisim中的探針或數字萬用表測量三極管基極、發射極電壓，填寫表1，并判斷三極管工作狀態(截止、飽和、放大)。 表1
3.2 靜態特性研究 （i）將可變電阻W1初值設定為22K使晶體管工作于放大區，取R2=10K，Re=1K，輸入頻率為3MHz，Vop-p=60mV的正弦信號，用示波器觀察輸出波形。調節可變電容CT，使輸出信號幅度最大，以確保選頻回路諧振在3MHz附近，記錄此時可變電容CT的數值36pF，根據諧振回路的L、C值計算放大器中心頻率f03.07MHz 如與3MHz有偏差說明原因。進一步計算并填寫表2第1列。 （ii）將可變電阻W1順時旋轉到底，此時可變電阻阻值最大，記作W1max，用示波器觀察放大器輸出波形。如果沒有輸出信號（因為處于截止區）則緩慢逆時針調整W1直至有輸出波形，記錄此時W1max的阻值，計算并填寫表2第2列。（有波形輸出） （iii）逆時針調整W1使其阻為W1med時，記錄此時的最大不失真輸出信號幅值，及W1med的阻值，計算并填寫表2第3列。 （iv）進一步逆時針調整W1使其阻值為W1min時，輸出信號出現飽和失真，記錄此時的W1min阻值，填寫表2第4列。 表2
W1取值22K、W1max、W1med及W1min時相對應的仿真輸出波形 W1=22kΩ
W1= W1max
W1= W1med
W1= W1min
設置合適的靜態工作點Q，以獲得較大的不失真輸出信號，Q點過高(或過低)會引起輸出信號的飽和(或截止) 失真。
根據仿真分析結果確定最優上偏置電阻W1的阻值（最優指的是放大器輸出最大不失真電壓時所對應W1的阻值）為W1med=20kΩ
從理論上分析輸出波形產生飽和失真的原因，并解釋調諧放大器為何不會出現截止失真。 當W1的值過小，VCE值過小，靜態工作點過高，三極管進入飽和狀態，引起輸出信號的飽和失真；因選頻網絡的選頻特性，無法觀察到截止失真波形。
如何正確設置偏置電路（W1、R1）以滿足 ，并通過仿真分析驗證該方法的正確性。 直流偏置電路的作用在于為晶體管正常工作提供合適的靜態工作點。該電路靜態工作點Q主要由RE、W1、R1、VCC確定。利用W1和R1的分壓固定基極偏置電位VBQ。只有當IW1>>IBQ時，才能獲得恒定的VBQ，故要求IW1=（5~10）IBQ。負反饋越強，電路穩定性越好，故要求 VBQ>>VBE，一般硅管取VBQ=（3~5）VBE。 由于放大電路是工作在小信號放大狀態的，放大電路的工作電路 ICQ一般在0.8~2mA范圍內為宜，設計電路中取VCC=12V，IC=1.5mA，β=100，設發射極電阻 RE=1kΩ，VBEQ=0.7 V VEQ=IEQRE =ICQRE =2mA×1kΩ=2V VBQ= VEQ+ VBEQ=2V+0.7 V=2.7V VCEQ= VCC-VEQ=12 V-2V =10V VBQ=VCC =2.7V  = 設R1=6.2kΩ，則W1=21.4kΩ，所以取W1為22kΩ。 仿真驗證：分別在W1、R1處加入探針測得
3.3 動態特性研究 1.集電極等效電阻對放大器幅頻特性的影響 將W1設置為最優阻值W1med，Re=1K，R2分別設置為20K、10K、2K、470Ω，將頻率范圍設置為1—5MHz，用波特儀或在Multisim中執行“視圖>圖示儀”,打開圖形顯示窗口，觀察放大器的幅頻特性，根據仿真結果計算3dB帶寬、Q值及中心頻率的增益G0，填寫表3。 表3
用參數掃描的方法，觀察集電極等效電阻分別為20K、10K、2K、470Ω時的幅頻特性曲線。請描述實現的方法與步驟。 置集電極電阻為R3 通過 “仿真>分析>參數掃描”打開參數掃描設置界面，掃描參數、待掃描的點等設置如圖所示 設置合理的頻率掃描及點數 在輸出中添加輸出端口V(7)  設置完成后點擊“仿真”按鈕執行分析，得到如圖所示的幅頻特性曲線
根據表3分析結果，說明集電極等效電阻R2對放大器G0、3dB帶寬及Q值產生的影響。 仿真結果表明，R2增大，電壓增益變大、品質因數變大、通頻帶變窄，選擇性變好，意味著L的損耗越小，仿真結果表明提高電感元件的品質因數有利于改善放大器的選頻特性，該結果與理論相符合。
發射極電阻對放大器增益特性的影響。 設置RE分別取100Ω，1kΩ，2kΩ 時，利用參數掃描中的瞬態分析得到如圖所示的輸出波形。 觀察仿真結果可得出以下結論： a.當發射極總電阻RE設置為100Ω時，輸出波形出現幅度衰落，放大電路無法穩定工作，仿真結果與理論相符。 b.當RE分別設置為1kΩ、2kΩ時，輸出波形幅值穩定，RE值增大，輸出波形幅度減小，即電壓增益減小。 綜合上述仿真結果可知，要提高靜態工作點的穩定性，應增加發射極總電阻RE，但RE增加導致放大電路的增益減小。兼顧靜態穩定性和放大電路增益兩個因素，發射極總電阻值設置為 1kΩ。
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2019-1-11 10:24 上傳
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