高频电子电路小信号谐振放大器素材.ppt

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1、通信电子电路,书山有路勤为径学海无崖苦作舟,第二章 高频小信号谐振放大器,主要内容,2.1 概述,2.2 单调谐小信号谐振放大器,2.3 较理想的小信号选频放大电路模型,2.4 小信号谐振放大器的稳定性问题,2.1概述,一、小信号谐振放大器的特点,1.作用：,选频、滤波,放大：有用信号,选出所需频率（有用）信号,滤除不需要频率（干扰）信号,2.组成：,选频网络,放大部分,LC谐振回路,各种滤波器,单LC谐振回路,双调谐回路,LC集中滤波器,石英晶体滤波器,陶瓷滤波器,声表面波滤波器,三极管放大器,场效应管放大器,集成运放等,二、小信号谐振放大器的性能指标：选频能力和放大能力,增益要高，也就是放

2、大能力要强。频率选择性要好。频带宽度满足信号带宽要求和矩形系数接近1。工作稳定可靠。接收机前级放大器内部噪声要小。,因为放大器本身的噪声越低，接收微弱信号的能力就越强。,第二章 高频小信号谐振放大器,谐振放大器的分类及电路特点,1.小信号谐振放大器,小信号：输入信号vmV,要求：增益足够大，通频带足够宽，选择性好，工作于甲类，多用于接收机,2.谐振功率放大器,大信号：输入信号mV以上,要求：大的功率和效率，工作在丙类，多用于发射机。,采用谐振回路作为放大器的集电极负载,二、电路的特点：,一、谐振放大器的分类,返回,fo=几百kHz几百MHz，B=几kHz几十MHz,第二章 高频小信号谐振放大器

3、,小信号谐振放大器的性能指标,1、谐振电压增益：用来表示对有用信号的放大能力。定义为：,（即在中心频率处的电压增益）,K0.1,谐振放大器的幅频特性,2、通频带BW0.7（取决于谐振回路的形式和回路的Q值。）,定义为：放大器的增益比最大增益下降3dB时的上、下限截止频率fH、fL 之差，,即：BW0.7=2f0.7=fH fL,（要求满足有用信号的频宽）,3、选择性S：,表示放大器从各种干扰中选出有用信号的能力。定义为：,S的值越小放大器的选择性越好。实际上，S和BW0.7是相互制约的，一般情况下，通频带越宽对特定频率信号的选择性越差，理想条件下，谐振放大器应该对通频带内的各种频率分量的信号有

4、相同的放大作用，而对通频带外的信号则完全抑制掉不予放大，所以理想谐振放大器的幅频特性曲线应如左图中的矩形。为了统一表示通频带和选择性的要求，引入矩形系数K0.1,第二章 高频小信号谐振放大器,小信号谐振放大器的性能指标:NF,矩形系数K0.1,显然K0.1 1，K0.1越接近1越好，K0.1越接近1，放大器对频带外的干扰消耗抑制能力越强，选择性越好。,4、稳定性：,综上，对小信号谐振放大器的主要要求是：谐振增益足够大，频带够宽，选择性满足要求，噪声系数小，工作稳定度高。,指放大器的工作状态、管子参数、电子元件参数可能变化时，放大器的主要特性的稳定程度。,5、噪声系数 NF(Noise Figu

5、re),定义为输入信噪比与输出信噪比的比值,即:,是一个大于或等于的数。其值越接近于,则表示该放大器的内部噪声性能越好。,在多级放大器中,各级噪声系数对总噪声系数的影响是不同的,前级的影响比后级的影响大,且总噪声系数还与各级的额定功率增益有关。所以,为了减小多级放大器的噪声系数,必须降低前级放大器（尤其是第一级）的噪声系数,而且增大前级放大器（尤其是第一级）的额定功率增益。,第二章 高频小信号谐振放大器,返回,2.2 单调谐小信号谐振放大器,一、单级单调谐谐振放大器,典型高频小信号谐振放大器实际线路,（1）直流偏置电路,保证三极管工作于线性放大区,第二章 高频小信号谐振放大器,图中谐振回路为L

6、C并联单调谐回路，Rb1、Rb2 基极分压式偏置电阻，Re 为射极负反馈偏置电阻，稳定静态工作点；Cb、Ce 为高频旁路电容,为了提高品质因数，负载和三极管的输出端与谐振回路的连接都采用部分接入方式。,交流通路及等效电路,（2）高频交流等效电路,高频交流通路,输入回路,晶体管,输出回路,放大器组成,输入回路：,晶体管：,输出回路：,LC并联谐振回路，输出变压器 及负载YL,由输入变压器构成，隔离信号源与放大器间的直流联系，能耦合交流信号，同时还能实现阻抗的匹配与变换。,放大器的核心，电流控制和放大作用。,用Y参数等效电路等效,第二章 高频小信号谐振放大器,三极管的Y参数等效电路,小信号谐振放大

7、器的放大器件、谐振回路和负载一般是并联的，并联连接的各支路的导纳能直接相加，运算简单，因而分析时，三极管的高频等效电路用Y参数等效电路来等效。三极管的Y参数等效电路可通过测量或由完全混合等效电路推导出来。无论哪种方法都可得到三极管的Y参数等效电路如下：,+vbe-,+vce-,+vbe-,+vce-,代表晶体管内部的反馈作用，会造成电路不稳,代表晶体管正向传输作用,若忽略管子内部的反馈，即Y re=0。,输入电导,输出电导,输入电容,输出电容,其中,输入导纳,输出导纳,三极管的高频参数,第二章 高频小信号谐振放大器,返回,三极管的高频参数,截止频率：,特征频率,返回,fT指(f)下降到1时，对

8、应的频率。,第二章 高频小信号谐振放大器,高频交流等效电路,设负载和谐振回路间采用了变压器耦合，的接入系数为n2：,设晶体管集、射回路与谐振回路间采用了抽头连接的接入系数为n1：,第二章 高频小信号谐振放大器,根据阻抗变换原理：,右边部分同性质元件归一,=v13,二、单级单调谐谐振放大器的性能指标的分析、计算,1、谐振电压增益AVO：,电压增益AV：,谐振电压增益AVO：,2、选择性S：,3、通频带BW0.7：,Qe越大，选择性越好，带宽越窄。在设计谐振放大器时，必须根据选择性和通频带的要求合理选择Qe。,4、矩形系数K0.1：,说明单调谐谐振放大器的通频带和选择性之间的矛盾挺尖锐，为了缓解它

9、们间的矛盾，改善矩形系数，可采用多级单调谐谐振放大器级联。,三、多级单调谐谐振放大器的性能分析,设谐振放大器有n级，且由参数完全相同的单调谐谐振放大器构成，则：,总选择性S：,SnS，即多级级联后，放大器的选择性变好，级数越多，选择性越好。放大器的幅频特性曲线越尖锐。,通频带B0.7：,B0.7 B0.7，即多级级联后，放大器的总频带变窄。若要总频带不变，每级放大器的频带须变宽，这会导致QL下降，谐振电压增益也会下降。这对提高放大器性能极为不利。,矩形系数K0.1,n=1 K0.1=9.95n=2 K0.1=4.7n=K0.1=2.56,第二章 高频小信号谐振放大器,第二章 高频小信号谐振放大

10、器,2.3 较理想的小信号选频放大电路模型,对单调谐放大器当级数增加时，放大器矩形系数减小，即通频带和选择性之间的矛盾有所缓解。但这种减小是有限的，即使n，K0.1也只有2.56，离理想的矩形相差甚远。为了改善谐振放大器的性能，增宽放大器的频带，改善矩形系数，可采用参差调谐和双调谐放大器。,f01,f02,一、参差调谐放大器:,就是将两级单调谐放大器的谐振频率分别调谐在信号中心频率f0附近的两个不同频率点上，其中一级调谐在f 01f 0，另一级调谐在f 02f 0上，如图2-3-1（a）所示。利用两级放大器互补特性来展宽频带。,二、双耦合调谐放大器:,两个谐振回路相互耦合的电路为双耦合回路，相

11、应的放大器也称双调谐回路放大器。,两类电路的技术指标类似。,（1）在较大时，Av(j)将在O附近出现下凹现象；,当=fo/2Qe时，Av()在O处刚好不下凹，常称这时的Av()为最平坦特性。,（2）在较小时，Av()将在0频率出现最大值。,参差调谐放大器的性能分析：,第二章 高频小信号谐振放大器,对参差调谐放大器而言，每级的谐振频率不是在=0处，而是分别在1=0和2=0。,同样可计算出矩形系数K0.13.159.95，即参差调谐放大器的矩形系数比单调谐放大器的矩形系数小得多，即选择性与通频带之间的矛盾得到很大的改善，同时，参差调谐放大器的两个选频回路的独立性，使得电路调试和指标控制更为容易。,

12、当m增加时，通频带变窄,第二章 高频小信号谐振放大器,三、m组（2m级）参差调谐放大器的性能分析：,结论：临界耦合双调谐回路谐振放大器的矩形系数与参差调谐放大器相同，其选择性比单调谐回路谐振放大器好。无论哪种调谐放大器，多级级联后总的选择性会变好，通频带变窄。,当m增加时，带宽的衰减没有单调谐放大器那么明显（见表2-3-1）。,第二章 高频小信号谐振放大器,四、其他选频放大器,随着技术的进步，由其它材料构成的选频性能优异的选频元件被用于选频电路中。,具体有：晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器。,正因为如此，我们常采用集中选频放大的单元电路组成方案，即用多级放大来构成选频单元电路中的放大电路

13、部分。,在研究中发现石英晶体材料和陶瓷材料都具有压电效应，即在材料发生机械变形时，它们的表面就会出现电荷；反之，当加有外电压作用时，它们也会产生机械变形。,将石英晶体材料制作的元件称作石英晶体，陶瓷材料制作的元件称作陶瓷滤波器。,第二章 高频小信号谐振放大器,若放大部分采用以多级放大为基础如图2-2-4所示，则称这类电路为LC集中选频式谐振放大器。,滤波元件在内部的信号传递过程中，利用了声表面波，因此称为声表面波滤波器。图2-3-5是声表面波滤波器的结构图。,若在叉指电极A组上加入交流信号，则会在材料表面上产生与外加信号同频率的周期振动，即为表面波。,返回,稳定性分析,第二章 高频小信号谐振放

14、大器,1.4 小信号谐振放大器的稳定性,1.放大器的稳定性,谐振放大器不稳定原因：,因为晶体管Cbc 的反馈，使放大器引起自激！,在前面讨论中，为了分析方便，我们没考虑反向传输导纳Yre的影响，即认为Yre 0。但在一般情况下，晶体管在高频应用时，其极间电容CbC不能忽略，而Yre的大小主要取决于CbC，因CbC的存在，使晶体管内部存在反馈，从而导致晶体管工作不稳定，在一定工作频率和特定负载性质的情况下会使放大器产生自激，这会严重影响选频放大器的性能，应尽量避免。,2、稳定措施,理论分析表明，放大器的稳定性与三极管Y参数Yre有关，还与负载导纳YL 有关，要提高放大器的稳定性，应减小Yre 或

15、增大YL，对应的措施就有两种方法：中和法、失配法。实际应用中两者结合着用。,中和法（减小Yre）：采用中和电路，用来抵消的影响，使Yre 0,失配法（增大YL）：在输出回路上加接稳定电导，使加大YL。如采用 共发-共基连接。,第二章 高频小信号谐振放大器,稳定措施：中和 法,（1）中和法,中和条件：,中和法的局限性：,中和电容Cn只能在某一个频率点起到完全中和的作用，对其它频率只能有部分中和作用。,如果再考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响，则中和电路的效果是很有限的。,中和法应用较少，一般用在某些收音机电路中。,某收音机实际电路,中和法的应用,第二章 高频小信号谐振放大器,稳定措施：失

16、配法,（2）失配法,通过增大负载导纳，进而增大总回路导纳，使输出电路失配，输出电压相应减小，对输入端的影响也就减小。,因此，失配法是用牺牲增益来换取电路的稳定。,考虑外部反馈引起的不稳定性！,电磁干扰的耦合途径：,（1）电容性耦合,（2）电感性耦合,（3）公共电阻耦合,（4）辐射耦合,LC并联谐振回路,谐振回路是小信号谐振放大器的组成部分之一，它的特性决定了放大器的选频能力，亦直接影响放大器的选择性和通频带等质量指标。,LC谐振回路是一种常见的选频网络。LC单调谐回路分为并联谐振回路和串联谐振回路两种。,为电感本身的铜耗电阻,串并联转换,QO：为空载品质因数,同性质元件归一,信源内阻,第二章

17、高频小信号谐振放大器,LC并联谐振回路的特性分析1,谐振频率fo主要与L、C有关。改变回路参数L、C以选择不同频率的过程就叫调谐。收音机调台即通过调电容来实现。,并联阻抗为：,2、特性阻抗,1、谐振频率：,3、谐振阻抗,为谐振电阻,谐振时，回路感抗或容抗的绝对值即：,4、品质因数,谐振条件下，回路储存能量与消耗能量之比。,思考：1、串联谐振回路在谐振时的阻抗、谐振频率、品质因数?,第二章 高频小信号谐振放大器,LC并联谐振回路的频率特性分析,并联回路在谐振频率附近的阻抗特性：,并联谐振回路一般用于窄带系统，因而其在中心频率fo附件的特性是我们特别关心的。在fo附近，可近似认为：fof，fo+f

18、 2 fo，,为回路的一般失谐系数,阻抗模值：,阻抗相角：,阻抗的幅频特性曲线：,阻抗的相频特性曲线：,容性,感性,相频特性曲线呈负斜率特性，Q值越高曲线越陡峭。,第二章 高频小信号谐振放大器,LC并联谐振回路的带宽及矩形系数,B0.7,1）通频带B0.7,又称3dB通频带，或半功率点通频带。,2）矩形系数K0.1,理想矩形,并联谐振回路,品质因数越大带宽越窄,单谐振回路的选择性很差。,需要注意：,回路的Q越高，谐振曲线越尖锐，对特定频率的信号的选择性越好，回路的B0.7越窄，但其K0.1并不改变。对于简单并联谐振回路，回路Q对回路的通频带和高的选择性的矛盾不能兼顾。,第二章 高频小信号谐振放

19、大器,LC并联谐振回路的特性总结,由图可知：,1、回路的Q值决定特性曲线的形状，Q越大，曲线越尖锐，通频带越窄，选择性越好。,2、在fo附近的传输阻抗最高，因而选择L、C的值时，应使fo处于所需信号频率的中心。从保证必须的通频带着眼，Q值不能太高；若希望将偏离中心频率的不需要的频率成分抑制得有效些，即选择性要好，应提高谐振回路的Q值。,在选频放大器中，在满足信号带宽的前提下，抑制不需要的频率分量是其主要功能，因而要求Q值高。,提高Q值有两条途径：,1、选择自身损耗小的回路电感和电容；2、减小信源内阻RS和负载电阻RL的耗能与回路储能之比，而RS和RL不能随意改变，但可以采用部分接入的方法实现阻

20、抗变换。,RP与RS和RL都有关：,RP=RS/RL/Ro,第二章 高频小信号谐振放大器,LC阻抗变换网络,1 串、并联阻抗等效互换,等效互换原则:阻抗相等,一般Q1,串联电路转换成等效并联电路后,电抗特性相同,当Q1时 X2=X1 R2=R1Q2,即,由此得:,串并,电容：X,电感：XLL,返回,第二章 高频小信号谐振放大器,2 变压器阻抗变换电路,全耦合(k=1)线圈损耗不记,等效到初级回路的电阻 所消耗的功率与次级负载 所消耗的功率相等,令 称为接入系数,第二章 高频小信号谐振放大器,3 部分接入回路的阻抗变换,并联谐振回路总电容和总电感为,通过改变部分接入抽头位置,可以进行阻抗变换,实现回路与信号源及负载之间的阻抗匹配.,第二章 高频小信号谐振放大器,返回,