單調諧小信號放大器


仿真要求

  采用共發射極結構,中心頻率$f_0=20MHz$,電壓增益$G_v \geq 20dB$,帶寬$BW \geq 1MHz$,電源電壓$+12V$,輸入電壓峰值$1mV$。

 

 

參數設計

 

晶體管選型

  本次實驗選擇型號為Q2SC1215的NPN三極管,如下圖所示,該三極管極間電容較小,且具有較高的的上限頻率,適合大多數的高頻電路設計。

 

 

 

 

靜態工作點

  高頻小信號放大電路最佳的工作點:集電極電流$I_c=2mA \sim 4mA$,基極電壓$V_b=\frac{1}{3}V_{cc}$。取$R_{b1}=20k\Omega,R_{b2}=10k\Omega,R_e=1k\Omega$,此時$I_c \approx 3.18mA$。

 

LC參數

  根據要求的中心頻率,可知$L·C=64 \times 10^{-18}F·H$。此外,帶寬$BW=\frac{f_0}{Q_L} \geq 1MHz$,即要求$Q_L=\sqrt{\frac{C}{L}}R_L \leq 20$,取負載$R_L=1k\Omega$,則$\sqrt{\frac{C}{L}} \leq \frac{1}{50}$。綜上,取$C=80pF,L=0.8uF$,理論通頻帶為$2MHz$,品質因數$Q_L=10$。

 

電路圖

 

 

 

 

性能指標觀測

 

中心頻率和通頻帶

  

  根據歸一化的輸出幅頻曲線,測得中心頻率為$f_0=19.78MHz$,主要誤差來源於極間電容對諧振回路的影響;通頻帶大約是$2.02Mhz$,符合理論計算結果。

 

電壓增益

  

 

  由圖可知,放大器在中心頻率處的電壓增益$G_v \approx 40dB$,主要由負載和集電極電流所貢獻。根據Y參數的增益公式$A_u=-\frac{p_1p_2|y_{fe}|}{g_\Sigma}=-\frac{|y_{fe}|}{g_\Sigma}$,可以計算得到放大倍數在110左右($g_\Sigma=Q_L\omega_0 L,y_{fe} \approx \frac{g_m}{1+r_{bb'}(g_{b'e}+j\omega C_{b'e})}$)。

 

負載變化的影響

  下圖分別是通頻帶和最大電壓增益隨負載變化得曲線,可以看到隨着負載的增大,曲線趨於平緩。

  

 

 

傅里葉分析

  首先是集電極的電壓傅里葉分析,主要是直流分量和$20MHz$的分量。

  

  然后是輸出電壓的傅里葉分析,其中的直流分量被隔直電容所過濾。

  

 


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