高频电教案2小信号选频放大器课件.ppt

第 章 小信号选频放大器,2.1 谐振回路 2.2 小信号谐振放大器 2.3 集中选频放大器 本章小结,第 章 小信号选频放大器 2.1 谐振回路,2.1 谐振回路,作用：选择信号；阻抗变换。应用：调谐放大、高频功放、振荡、调制、混频等,2.1 谐振回路作用：选择信号；阻抗变换。,主要要求：,掌握并联谐振回路的选频特性及其主要参数的计算。,理解回路Q值、信号源、负载等对回路特性的影响。,了解变压器、电感分压器、电容分压器等常用阻抗变换电路及其阻抗变换的关系。,2.1 谐振回路,主要要求： 掌握并联谐振回路的选频特性及其主要参数的计算。理,2.1.1 并联谐振回路的选频特性,一、 LC 并联谐振回路阻抗频率特性,时，回路并联谐振,谐振频率：,谐振阻抗：,2.1.1 并联谐振回路的选频特性一、 LC 并联谐振回,引入品质因数Q ，它反映谐振回路损耗的大小,Q 定义为：,则可得,空载品质因数，固有品质因数,引入品质因数Q ，它反映谐振回路损耗的大小Q 定义为： 定义,因此,通常，谐振回路研究0附近的频率特性，由于十分接近0，故可近似认为：,则可得,令,因此通常，谐振回路研究0附近的频率特性，由于十分接近0,这对曲线说明了并联谐振回路具有怎样的频率特性？,OZ RPw幅频特性曲线wOj90-90相频特性,O,Z ,RP,w,幅频特性曲线,w,O,j,90,-90,相频特性曲线,0,谐振时，回路相移为零，回路阻抗最大且为纯电阻。,失谐时，回路有相移，且回路阻抗下降。,0 时, 回路呈容性，相移为负；0 时, 回路呈感性，相移为正；,-90o j 90o,Q 值增大，曲线变陡,OZ RPw幅频特性曲线wOj90-90相频特性,例2.1.1 L = 180 mH, C = 140 pF, r = 10 W , 试求 （1） f0、 Q、Rp ；（2）f=10kHz 、50kHz 时的 等效阻抗和相移。,解： （1）求f0、Q、Rp,Hz =1MHz,例2.1.1 L = 180 mH, C = 140 p,(2) 求回路失谐时的等效阻抗和相移,当f =10kHz时,当f =50kHz时,-arctan,计算表明：由于该并联谐振回路的Q 值较大，故随着失谐量的增大，回路的等效阻抗明显减小，而相移量增大。,-arctan,(2) 求回路失谐时的等效阻抗和相移当f =10kHz时,二、 并联谐振回路的通频带和选择性,谐振时回路输出电压,回路的绝对失谐量,1、电压谐振曲线,并联回路两端电压,二、 并联谐振回路的通频带和选择性Is.LrCZ+谐振时回,并联谐振回路归一化输出电压的幅频特性曲线,Q值越大，幅频特性曲线越尖锐，相频特性曲线越陡峭。,并联谐振回路归一化输出电压的幅频特性曲线Q值越大，幅频特性曲,2、通频带,占有一定频带的信号在并联谐振回路中传输时，由于幅频特性曲线的不均匀性而不可避免地产生频率失真。通频带实际上是为了限制频率失真的大小而规定的一个值。,值由最大值下降到0.707时，所确定的频带宽度2f 就是回路的通频带BW0.7,该式表明：回路Q越高，幅频特性曲线越尖锐，通频带越窄；回路谐振频率越高，通频带越宽。,2、通频带 占有一定频带的信号在并联谐振回路中,2、选择性,选择性指回路从含有各种不同频率信号总和中选出有用信号、排除无用信号的能力。回路谐振曲线越尖锐,则选择性越好。,正常使用时，谐振回路的谐振频率应调谐在所需信号的中心频率上。,BW0.1 = 10 f 0 / Q,通带与选择性的综合评价计算矩形系数K 0.1,计算选择性,矩形系数越接近1，选择性越好,2、选择性 选择性指回路从含有各种不同频率信号总,2.1.2 阻抗变换电路,一、 信号源及负载对谐振回路的影响,Re=Rs/RP/RL,有载品质因数：,空载品质因数：,信号源及负载使回路品质因数下降, 通频带变宽，选择性变差。,2.1.2 阻抗变换电路一、 信号源及负载对谐振回路的影,例2.1.2 下图中，L = 586 mH, C = 200 pF, r = 12 W , RS = RL= 100 kW ，试分析信号源及负载对谐振回路特性的影响。,解：,1. 计算不考虑 RS、 RL时的回路固有特性：f0、Q、RP、BW0.7,例2.1.2 下图中，L = 586 mH, C,2. 计算考虑 RS、 RL时的回路特性：f0、Qe、Re、BW0.7,Re=Rs/RP/RL,由于L、C 基本不变，故谐振频率 f0 仍为465kHz。,等效负载电阻,有载品质因数,通频带,可见：信号源内阻及负载电阻使回路品质因数下降, 导致回路通频带变宽，选择性变差。应采取措施减小信号源和负载的影响。,2. 计算考虑 RS、 RL时的回路特性：f0、Qe、Re、,二、 常用阻抗变换电路,1. 变压器阻抗变换电路,设变压器为无耗的理想变压器,可变大，也可变小，取决于n,常用的有：变压器、电感分压器和电容分压器,二、 常用阻抗变换电路1. 变压器阻抗变换电路设变压器为无耗,2. 电感分压器阻抗变换电路,若将RL 接在1、3端，输入电压加在2、3端，则,设L1 、L2无耗且 ， 则,2. 电感分压器阻抗变换电路大变小小变大若将RL 接在1、3,3. 电容分压器阻抗变换电路,设C1 、C2无耗，由功率相等可得,当RL 1/ w C2, 可忽略RL 的分流,则得,3. 电容分压器阻抗变换电路设C1 、C2无耗，由功率相等可,例2.1.3 下图中，线圈匝数 N12 = 10 匝， N13 = 50 匝，N45 = 5 匝，L13= 8.4 mH, C = 51 pF, Q =100, Is = 1 mA , Rs =10 kW, RL= 2.5 kW, 求有载品质因数Qe、通频带BW0.7、谐振输出电压Uo。,= 250 kW,= 250 kW,解：将Is 、RS 、 RL均折算到并联谐振回路1-3两端,kW = 40.6 kW,例2.1.3 下图中，线圈匝数 N12 = 1,Re = Rs / Rp /RL,= 30.6 kW,由折算前后信号源输出功率相等，可得,作业：,Re = Rs / Rp /RL= 30.6 kW由,1. LC并联谐振回路有何基本特性?说明Q对回路特性的影响。,思考讨论题,解：并联谐振回路具有谐振特性，当外加信号频率与回路谐振频率相等，即回路调谐时，回路两端输出电压为最大，且相移为零；当外加频率与回路谐振频率不相等时，即回路失谐时，回路两端输出电压迅速下降，相移值增大。 利用回路的谐振特性，通过调谐，可以从各种不同信号频率的信号总和中选出有用信号、滤除无用信号，这称为谐振回路的选频作用。 当谐振回路Q值越大，回路谐振频率越尖锐，其选频作用越好，但通频带将会变窄。,1. LC并联谐振回路有何基本特性?说明Q对回路特性的影响。,思考讨论题,2.并联谐振回路的品质因数是否越大越好？说明如何选择并联谐振回路的有载品质因数Qe的大小。,解：并联谐振回路的品质因数不是越大越好。因为Qe值增大后虽然抑制带外干扰信号能力增强，但通频带也随之变小，因此，在实际应用中，为了保证有良好的选择性，应在满足通频带的要求下，力求增大回路的有载品质因数，即可按Qe f0/BW0.7来选择回路的有载品质因数。,思考讨论题2.并联谐振回路的品质因数是否越大越好？说明如何选,2.2 小信号谐振放大器,指以谐振回路为选频网络的高频小信号放大器，也称小信号调谐放大器。,2.2 小信号谐振放大器 指以谐振回路为选,2.2 小信号谐振放大器,主要要求：,掌握单调谐回路谐振放大器的组成、工作原理和性能特点，了解其主要性能指标。,了解多级单谐振回路谐振放大器。,了解谐振放大器的稳定性。,2.2 小信号谐振放大器主要要求： 掌握单调谐回路谐振,2.2.1 单调谐回路谐振放大器,保证晶体管工作在甲类状态,晶体管的输出及负载电阻均通过阻抗变换电路接入。,一、 工作原理,2.2.1 单调谐回路谐振放大器保证晶体管工作在甲类状态,Gie,Cie,Goe,Coe,自耦变压器匝比,变压器初次级匝比,小信号电路模型,gmIEQmA/26mV,变换后电路模型,Cie,Gie,GieCieGoeCoe自耦变压器匝比变压器初次级匝比小信号,回路的有载谐振电导,当LC并联谐振回路调谐在输入信号频率上时，回路产生谐振，放大器输出电压最大，电压增益也最大，谐振电压增益为,放大器的增益频率特性,增益频率特性曲线,BW0.7=f0/Qe，K0.1=10，选择性较差。,作业：,回路的有载谐振电导当LC并联谐振回路调谐在输入信号频率上时，,二、单调谐放大器稳定性的提高,谐振回路阻抗随频率剧烈变化的特性使这种内反馈随频率变化而剧烈变化，使放大器的幅频特性发生变形，增益、通频带、选择性等都发生变化，严重时会在某频率点满足自激条件，产生自激振荡。因此会导致放大器工作不稳定。,为减小内反馈的影响，提高谐振放大器工作稳定性，常采用共射-共基组合电路构成调谐放大器。,共基电路输入阻抗很小，使共射电路的输出小，因此通过内反馈对输入端产生的影响小，故可提高稳定性。,二、单调谐放大器稳定性的提高谐振回路阻抗随频率剧烈变化的特性,2.2.2 多级单调谐回路谐振放大器,一、同步调谐放大器,每级谐振回路均调谐在同一频率上,各级谐振回路调谐在不同频率上,总电压放大倍数,谐振时总电压放大倍数,以分贝表示谐振时总电压增益，则,2.2.2 多级单调谐回路谐振放大器一、同步调谐放大器每级谐,多级同步调谐放大器增益特性曲线,级数越多，则谐振增益越大，选择性越好，通频带越窄。,每级的通频带比总的通频带宽。,多级同步调谐放大器增益特性曲线级数越多，则谐振增益越大，选择,二、双参差调谐放大器,单级幅频特性,合成幅频特性,调谐到略高于信号中心频率,调谐到略低于信号中心频率,f1= f0 + f,f2= f0 - f,总幅频特性更接近于矩形，选择性比单调谐放大器好。,每两级为一组，组内各级调谐在不同频率上，如此级联组成的多级放大器称为双参差调谐放大器。,二、双参差调谐放大器单级幅频特性合成幅频特性调谐到略高于信号,2.3 集中选频放大器,主要要求：,了解集中选频放大器的组成和性能特点,了解陶瓷滤波器和声表面波滤波器的工作原理,2.3 集中选频放大器主要要求： 了解集中选频放大器的组,2.3.1 集中选频滤波器,一、 陶瓷滤波器,工艺：陶瓷焙烧 片状 两面涂银直流高压极化,具有压电效应,当陶瓷片发生机械变形时，其表面会产生电荷，两电极间产生电压；而当陶瓷片两电极间加上电压时，它会产生机械变形。,当外加交变电压的频率等于陶瓷片固有频率时，机械振动幅度最大，陶瓷片表面产生电荷量的变化也最大，在外电路中产生的电流也最大，其作用类似于串联谐振回路。,材料：由锆钛酸铅陶瓷材料制成,2.3.1 集中选频滤波器一、 陶瓷滤波器工艺：陶瓷焙烧,电路符号和等效电路,Co 压电陶瓷片的固定电容,Lq 机械振动时的晶体的等效质量,Cq 机械振动时的等效弹性系数,rq 机械振动时的等效阻尼,阻抗频率特性,串联谐振频率,并联谐振频率,等效阻抗 20 ，最小。,等效阻抗最大。,电路符号和等效电路Co 压电陶瓷片的固定电容Lq 机械振,构成四端陶瓷滤波器，Q值比一般LC回路的高，可获得接近矩形的幅频特性。下图分别为由两个和9个陶瓷片组成的四端陶瓷滤波器。,陶瓷滤波器：工作频率为 几百kHz 几十MHz 使用时，其输入阻抗须与信号源阻抗匹配 其输出阻抗须与负载阻抗匹配。,优点：体积小、成本低、受外界影响小。,缺点：频率特性较难控制，生产一致性较差，BW不够宽。,石英晶体滤波器特性与陶瓷滤波器相似，但Q值高很多，因此频率特性好，但价格较高。,构成四端陶瓷滤波器，Q值比一般LC回路的高，可获得接近矩形的,二、 声表面波滤波器,声表面波滤波器优点： 体积小、重量轻、性能稳定、特性一致性好、工作频率高（几MHz几GHz）、通频带宽、抗辐射能力强、动态范围大等。 实用的声表面波滤波器的矩形系数可小于1.2，相对带宽可达50%。,声表面波滤波器是声表面波（用SAW 表示）器件的一种。 SAW 器件是一种利用弹性固体表面传播机械振动波的器件。,二、 声表面波滤波器 声表面波滤波器优点：,它以铌酸锂、锆钛酸铅和石英等压电材料为基片，利用真空蒸镀法，在基片表面形成叉指形金属膜电极，称为叉指电极。,加输入信号时，叉指电极间便产生交变电场，由于压电效应的作用，使基片表面产生弹性形变，激发出与输入信号同频率的声表面波，它沿基片表面传播至收端，由于压电效应的作用，在收端的叉指电极间得到电信号，并传送给负载。,声表面波滤波器的结构与工作原理,它以铌酸锂、锆钛酸铅和石英等压电材料为基片，,2.3.2 集中选频放大器应用举例,输入端变压器耦合,射极输出器,实现阻抗匹配,展宽通频带,陶瓷滤波器选频放大器,并联谐振回路调谐在陶瓷滤波器主谐振频率上，以消除陶瓷滤波器通带外出现的小谐振峰。,2.3.2 集中选频放大器应用举例输入端变压器耦合射极输,声表面波滤波器选频放大器,声表面波滤波器选频放大器L1 与分布电容并联谐振于中心频率。,本章小结,LC 谐振回路具有选频作用。回路谐振时，回路阻抗为纯电阻，可获得最大电压输出；当回路失谐时，输出电压迅速减小。回路的品质因数越高，回路谐振曲线就越尖锐，选择性越好，但通频带越窄。,LC并联谐振回路在谐振时阻抗最大且相移为零，呈纯电阻；当 0时，阻抗相移小于零（最大负值趋于-90），回路呈容性。,信号源和负载会使回路的有载品质因数下降，选择性变坏，同时使回路谐振频率产生偏移。为了减小信号源和负载对回路的影响，常采用变压器、电感分压器、电容分压器等阻抗变换电路。,本章小结LC 谐振回路具有选频作用。回路谐振时，回路阻抗为纯,小信号谐振放大器由放大器件和LC 谐振回路组成，具有选频放大作用，工作在甲类。主要技术指标有谐振增益、通频带、选择性。通频带和选择性是互相制约的，用以综合说明通频带和选择性的参数是矩形系数，它越接近1越好。,单调谐放大器的性能与谐振回路的特性有密切关系。回路的品质因数越高，放大器的谐振增益就越大，选择性越好，但通频带会变窄。在满足通频带的前提下，应尽量增大回路品质因数。,由于晶体管结电容的内反馈和电路中的寄生反馈，加之回路阻抗特性随频率的剧烈变化，易使谐振放大器工作不稳定，因此应采用措施保证放大器工作的稳定性，例如不单纯追求最大放大量、采用共射-共基组合电路等。,集中选频放大器由集成宽带放大器、集中选频滤波器构成，它具有接近理想矩形的幅频特性。,小信号谐振放大器由放大器件和LC 谐振回路组成，具有选频放大,