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1、第第2章章 高频谐振放大器高频谐振放大器本章要点：本章要点：本章主要内容有高频谐振放大器的分类与性能指标，LC谐振网络，单调谐回路小信号放大器，双调谐回路放大器，多级调谐回路放大器级联和集中选频放大器。2.1 高频谐振放大器的分类与性能指标高频谐振放大器的分类与性能指标1 高频小信号放大器的分类高频小信号放大器的分类 高频谐振放大器按分类形式的不同，一般常见的有下列几分类。（1）按放大器件分为：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器。（2）按频带分为：窄带放大器、宽带放大器。（3）按电路形式分为：单级放大器、多级放大器。2 高频小信号放大器的主要性能指标高频小信号放大器的主要性能指标 高
2、频小信号放大器的主要性能指标包括电压增益与功率增益、频带宽度、矩形系数、工作稳定性和噪声系数。1)电压增益与功率增益电压增益与功率增益 电压增益等于放大器输出电压与输入电压之比；而功率增益等于放大器输出给负载的功率与输入功率之比。2)频带宽度频带宽度 频带宽度是指放大器的电压增益下降到最大值的 倍时，所对应的频带宽度，常用 来表示。而 ，其中f0为谐振频率；f为放大器的电压增益下降到最大值的倍时所对应的频率。如图2.1（a）所示。3)矩形系数矩形系数 矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量。其定义为:式中，为放大器电压增益下降至最大值的0.707倍时所对应的频带宽度；为放大器的电压增益下降至
3、最大值的0.1倍时所对应的频带宽度。如图2.1（a）所示。图2.1 频带宽度与矩形系数的定义 图2.1（b）所示，这时，。因此，电压增益实际幅度频率特性越接近理想曲线(矩形波)，矩形系数越接近1，放大器选择性越好。这就是“矩形系数”命名的理由。4)工作稳定性工作稳定性 工作稳定性是指放大器的直流偏置、晶体管参数、电路元件参数等在可能发生变化时，放大器主要性能的稳定程度。5)噪声系数噪声系数 噪声系数是用来表征放大器的噪声性能好坏的一个参量。2.2 LC谐振网络谐振网络 LC谐振网络是高频电路中最常用的无源网络，包括串联谐振回路、并联谐振回路、抽头并联谐振回路和耦合谐振回路四种结构。利用LC谐振
4、回路的幅频特性和相频特性，不仅可以进行选频，还可以组成各种形式的阻抗变换电路和匹配电路，还可以在高频放大电路中担任负载的角色。1 串联谐振回路串联谐振回路 1)串联谐振的条件串联谐振的条件电路复阻抗为 所以谐振条件为 或 或 和分别称为电路的谐振角频率和谐振频率。图2.2 RLC串联谐振例题2.1 2)串联谐振的特点串联谐振的特点(1)复阻抗最小，且为纯电阻性(2)串联谐振电路的电流最大，端口电流与电压同相位(3)感抗与容抗相等，且等于电路的特性阻抗 在RLC串联电路中，当电路发生串联谐振时，感抗和容抗相等，将此值称为谐振电路的特性阻抗，用 表示，即定义特性阻抗为 电路的品质因数，即 它是一个
5、无量纲的量，工程上简称Q值(4)电感电压与电容电压远远大于电源电压 3)串联电路的幅频曲线及通频带串联电路的幅频曲线及通频带 图2.4 电流幅频特性 通频带为上式的单位为rad/s。通频带计算公式可变为 上式的单位为Hz。比较式（2.11）与式（2.12）可见，两个通频带计算公式相差 倍，这是因为单位不同而引起的。后面匀用式（2.12）计算通频带。随着Q值的增大，曲线越尖锐，电路的选择性越好。n在实际串联电路中常考虑信号源内阻和负载阻抗,为了区别两种情况下的Q值,不考虑信号源内阻和负载阻抗时回路本身的Q值称为空载Q值,用 表示,考虑信号源内阻和负载阻抗时回路的Q值称为有载Q值,用 表示 在考虑
6、信号源内阻和负载阻抗时回路的Q值降低,回路的通频带变宽,选择性变差2 并联谐振回路并联谐振回路 1)并联谐振条件并联谐振条件电路导纳为 所以谐振条件为 则电路呈电阻性，电路的总电流 与电路的端电压 同相，这种现象称为并联谐振 并联回路的品质因数与串联回路的品质因数的定义相同，即 代入上式得 2)并联谐振的特点并联谐振的特点 并联谐振的特征如下：(1)回路阻抗最大，且为纯电阻性(2)并联电路端电压最大，且与电流同相(3)电感支路电流与电容支路电流近似相等，且为总电流的Q倍（4）激励源内阻Rs和负载阻抗RL对品质因数的影响 考虑到激励源内阻Rs（多为前级放大器的输出阻抗）和负载阻抗RL（多为后级放
7、大器的输入阻抗）之后，实际的并联谐振回路如图2.8所示。为方便讨论，将图中电感线圈的损耗电阻等效为回路的并联电阻，其值等于回路的谐振阻抗Rp，同时将Rs、RL、Rp以电导形式表示为 用G表示接入及后并联回路谐振时的总电导，有图2.8 实际并联电路回路空载品质因数值及有载品质因数值分别为 显然，Rs及RL接入之后，使并联谐振回路品质因数值降低，使选择性变差，从而抑制外界干扰的能力降低。为了减少Rs及RL 对并联回路的影响，要求Rs及RL大一些好。同理，并联谐振回路的通频带为 式中，Q为回路空载品质因数值Q0或有载品质因数值QL。因此分析串联谐振回路时所得的结论，同样适用于并联谐振回路。3 抽头并
8、联谐振回路抽头并联谐振回路几种常用的抽头谐振回路如图几种常用的抽头谐振回路如图2.9所示。所示。抽头系数(又称为接入系数)的定义是 式中，U、U0 分别为输入、输岀信号的有效值。对于图2.9(a)所示电路，抽头系数为同理，对于图2.9(b)所示电路，抽头系数为其他三种抽头谐振回路的抽头系数由读者推导岀来。图2.9 几种常用的抽头谐振回对于图2.9(a)所示电路，其谐振频率为对于图2.9(b)所示电路，其谐振频率为图2.9(c)所示电路，其谐振频率与式(2.20)相同；图2.9(d)所示电路，其谐振频率与式(2.21)相同。图2.9(e)所示电路，其谐振频率为 (2.20)(2.21)(2.22
9、)4 耦合谐振回路耦合谐振回路 1）常用的耦合谐振回路常用的耦合谐振回路在高频电路中，有时要用两个相互耦合的谐振回路，又称为双调谐回路。三种常用的耦合谐振回路如图2.10所示，图2.10(a)、(c)为互感耦合电路；图2.10(b)为电容耦合电路，CX 为耦合电容。图2.10 两种常用的耦合谐振回路 耦合谐振回路具有三个作用，其一，实现谐振回路与信号源更好的阻抗匹配或阻抗变换；其二，实现比单谐振回路更好的频率特性；其三，实现比单谐振回路更好的选择性。应用耦合谐振回路必须具备两个条件，一是两个谐振回路都对输入信号调谐，即两个回路的谐振频率与输入信号频率相同；二是两个谐振回路都是高Q值电路。2 2
10、）耦合系数）耦合系数 为了反映两个谐振回路相互耦合的程度，引入耦合系数的概念。对于图2.10(a)、(c)所示电路，耦合系数为对于图2.10(b)所示电路，耦合系数为3 3）互感耦合双回路谐振曲线互感耦合双回路谐振曲线以图2-10(c)为例,令 ,称为回路广义失谐系数,表示偏离谐振点的程度,为谐振频率,并令,称为回路耦合因数,决定谐振曲线的形状,k为回路的耦合系数,表示了回路的耦合程度,因此双回路的谐振曲线表达式为:双调谐回路的矩形系数为称为临界耦合,谐振曲线为单峰曲线,其谐振峰值达到最大值.2.3 单调谐回路小信号放大器单调谐回路小信号放大器 1、概述、概述 1）定义 用于放大微弱高频信号的
11、选频放大器，多用于接收机中作为射频和中频电压放大。2）“小信号”的概念 信号幅度足够小，使得所有有源器件（晶体管、场效应管或IC）都可采用二端口Y参数或线性等效电路来模型化，并且能使得放大器的输出信号与输入信号呈线性比例关系的信号3）等效电路分析法l认识电路，包括认清组态、各元件的作用；l分析电路的直流偏置和交流通路；l画出交流等效电路；l根据定义计算放大电路的各参数；l最后分析电路特性、技术性能和频率响应等。4）主要性能要求l电压增益足够大;l通频带宽足够宽；l选择性满足要求；l工作稳定性好;2.单调谐回路放大器的工作原理单调谐回路放大器的工作原理 使用一个LC调谐回路作为集电极负载的调谐放
12、大器，称为单调谐放大器。直流工作状态的分析方法与模拟电子技术课程所介绍的分析方法相同。图2.12 单调谐放大器3.单调谐回路放大器的性能分析单调谐回路放大器的性能分析 1）晶体管高频小信号等效电路）晶体管高频小信号等效电路 小信号谐振放大器常用到Y参数等效电路，因为它电路简单，运算方便。将晶体管视为四端网络可得到其Y参数等效电路如图2.13（b）所示。Y参数方程组为 (a)(b)图2.13 晶体管的Y参数等效电路对于共发组态的晶体管可写成令,即令输出端对交流短路,可得分别称为晶体管输出交流短路时输入导纳和正向传输导纳令,即令输入端对交流短路,可得分别称为晶体管输入交流短路时反向传输导纳和输出导
13、纳2）单调谐放大器等效电路）单调谐放大器等效电路 图2.14是图2.12的Y参数等效电路，图2.14中yS表示信号源内导纳；yb表示Rb1和Rb2并联后的总的电导；y0表示空载回路的损耗电导；yL为负载的导纳。是初级回路自耦变压器的接入系数，；是初、次级之间变压器耦合的接入系数，。图2.14 单调谐放大器等效电路3）电压放大倍数）电压放大倍数当回路谐振时,可以忽略且则4）通频带）通频带单调谐放大器随频率变化的曲线,称为放大器的谐振曲线幅频特性曲线和相频特性曲线图形见书图2-15通频带为5）矩形系数）矩形系数所以单调谐放大器的矩形系数远大于1,其选择性不好,抑制邻道干扰的能力较差4.高频谐振放大
14、器的稳定性高频谐振放大器的稳定性由于的存在,在晶体管的集-基间构成了一个正反馈,引起电路不稳定,产生自激振荡.另外,电源也会串入干扰信号,使电路性能变坏.1、解决引起电路不稳定的措施1）中和法2）失配法2、解决引起电路不稳定的措施接入电容，其作用是滤去直流电源中的高频干扰信号。2.4 双调谐回路放大器双调谐回路放大器 前面所讨论的单调谐回路具有选频作用和阻抗变换作用，其优点是结构简单，易于调整。但是，单调谐回路的谐振曲线在通频带内不够平坦，选频特性不理想，阻抗变换也不灵活。因此，在实际电路中，为了进一步改善回路的选频特性和阻抗变换性能，广泛采用两个或两个以上的单调谐回路，通过各种耦合方式传输信
15、号，如电感耦合，互感耦合，电容耦合及混合耦合等方式，通常称它们为耦合回路。最常用的是互感耦合和电容耦合。2.4.1 双调谐谐振放大器的工双调谐谐振放大器的工作原理及等效电路作原理及等效电路 双调谐共发射极谐振放大器的负载是由两种互相耦合的谐振回路组成的，如图2.17所示。为了生产方便，两个回路的L、C和Q通常都相同，两个回路通常都调谐于中频，回路的调谐一般是通过电感的磁粉芯来实现的。图2.17小信号双调谐放大器 2.4.2 双调谐回路放大器的性双调谐回路放大器的性能分析能分析1.放大器的电压放大倍数放大器的电压放大倍数 经过对图2.18所示双调谐放大器的Y参数等效电路的分析，放大器的电压放大倍
16、数为 式中 ，令 ，为耦合系数，代表初次级回路的耦合程度；，代表回路的有载质因数令 ，称为耦合参数。显然 即反映了两回路的耦合特性，也反映了两回路本身的电路特性，我们在分析回路时，常用耦合参数来表示两回路的耦合程度。2.通频带通频带 双调谐放大器的通频带为 因此，若两个回路各自的有载QL与工作频率均相同时，双调谐放大器的通频带是单调谐放大器的 倍3.矩形系数矩形系数为了方便，仍讨论的情况，单级双调谐放大器的矩形系数为 时，在单调谐放大器中，可见，单级双调谐放大器比单级单调谐放大器的矩形系数更接近于1，即其谐振曲线形状比单调谐更接近于矩形。这是双调谐放大器的主要优点。综上所述，双调谐放大器比单调
17、放大器的最主要的优点是矩形系数小。而其他方面只有在一定条件下才能进行比较。当然，双调谐放大器也存在严重的缺点，即要求反复调谐两个回路，比较麻烦。另外，两个回路完全等Q也很困难，选择性曲线在调整中稍有偏差就要发生畸变。在短波、超短波通信接收机中，有运用双调谐放大器来提高选择的场合。但是由于它调整困难，许多地方也不得不放弃它的优点，而采用调整比较简单的单调谐放大器和具有集中选择器选择性滤波器的放大器。2.5 多级调谐回路放大器的级多级调谐回路放大器的级联联 如果多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上,则称为多级单调谐放大器。假设一个放大电路由 n级放大器级联而成，各级的电压增益分别为，则总放大倍数
18、是各级电压增益振幅的乘积,即 2.6 集中选频放大器集中选频放大器2.6.1 集中选频放大器的基本概念集中选频放大器的基本概念 多级调谐放大器应用虽然广泛，但由于多级谐振放大器的回路多，调谐麻烦；放大器的频率特性受晶体管参数及工作点的影响，不能满足某些特殊的频率特性的要求，诸如要求带宽很窄，或者要求带宽很宽，要求矩形系数很小等。尤其在集成电路放大器中，要求采用的回路尽量少，尽量不用人工调整，并且要体积很小等。在集成式选频放大器中多采用宽带集成放大器与集总参数滤波器相组合的方式。集总参数滤波器种类繁多，如LC集总参数滤波器，陶瓷滤波器，晶体滤波器及声表面滤波器等。(1)电路简单可靠,调整方便;(
19、2)性能稳定,采用专门的选频滤波器,可以满足各种条件频率特性的要求,不易受电路中的有源器件的影响;(3)易于大规模生产,成本低.(4)在集中选频放大器中,先采用矩形系数较好的集中滤波器进行选频,然后利用单级或多级集成宽带放大电路进行信号放大，集中滤波器以集中预选频代替了逐级选频，减小了调试的难度；集成宽带放大电路可以充分发挥线性集成电路的优势。集中选频放大器主要的优点是:图 2.19 集中选频放大器的组成示意 图2.19为集中选频放大器的方框图.(a)为基本方案,(b)为改进方案,目前采用(b)方案.2.6.2 集中滤波器集中滤波器 集中滤波器的任务是选频,要求在满足通频带指标的同时,矩形系数
20、要好。其主要类型有集中LC滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等。1.集中集中LC滤波器滤波器 集中LC滤波器通常由一节或若干节LC网络组成，根据网络理论，按照带宽、衰减特性等要求进行设计，目前已得到了广泛应用。图 2.20 LC集中滤波网络2.石英晶体滤波器石英晶体滤波器图2.21 石英晶体符号及等效电路 图2.22 石英晶体阻抗特性 石英晶体的等效电抗特性如图2.22所示。它有两个谐振频率，其中fs是Ls，Cs和rs 串联支路的谐振频率，也是石英晶体本身自然谐振频率，即另一个是并联谐振频率，即由于C0 CS，虽然fpfs，但两个频率相差很小，3.陶瓷滤波器陶瓷滤波器 单片陶瓷
21、滤波器在通信电路中也经常使用，其符号与图2.23(a)所示，等效电路如图2.23(b)所示，谐振频率分别为 图2.23 陶瓷滤波器符号及等效电路 单片陶瓷滤波器也可以根据需要，组合成不同带宽，不同选择性的滤波器。图2.24是两种四端陶瓷滤波器，其中，图2.24(a)是二单元型，图2.24(b)是五单元型，还可以用七单元型等等，这些滤波器中，谐振子数目越多，滤波效果越好。(a)二单元(b)五单元 图2.24 几种四端陶瓷滤波器4.声表面滤波器（声表面滤波器（SAWF）石英晶体滤波器在频率较高时，由于基片太薄而难于加工，易振碎，而且成本较高。而声表面波（SAW）器件克服了上述缺点，并将频率范围扩大
22、到10MHz至2GHz，仍具有体积小，适于集成化及良好的幅频特性和相频特性等优点，因此得到广泛的应用。通常R为50至150 ，电容C为输入，输出端的静态（总）电容。(a)SAWF的两种电路符号 (b)SAWF等效电路图2.27 SAWF的符号和等效电路 目前,应用最普遍的集中滤波器是声表面波滤波器。声表面波滤波器（urface coustic ave ilter）是利用某些晶体的压电效应和表面波传播的物理特性制成的一种新型电声换能器件。所谓压电效应是指：当晶体受到应力作用时,在它的某些特定表面上将出现电荷,而且应力大小与电荷密度之间存在着线性关系,这是正压电效应；当晶体受到电场作用时,在它的某
23、些特定方向上将出现应力变化,而且电场强度与应力变化之间存在着线性关系,这是逆压电效应。自20世纪60年代中期问世以来,声表面波滤波器的发展非常迅速。它不仅不需要调整,而且具有良好的幅频特性和相频特性,其矩形系数接近。图2.5.2是声表面波滤波器基本结构、符号和等效电路。声表面波滤波器是在经过研磨抛光的极薄的压电材料基片上,用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉指状电极,其中与信号源连接的一组称为发送叉指换能器,与负载连接的一组称为接收叉指换能器。当把输入电信号加到发送换能器上时,叉指间便会产生交变电场。由于逆压电效应的作用,基体材料将产生弹性变形,从而产生声波振动。向基片内部传送的体波会很快衰减,
24、而表面波则向垂直于电极的左、右两个方向传播。向左传送的声表面波被涂于基片左端的吸声材料所吸收,向右传送的声表面波由接收换能器接收,由于正压电效应,在叉指对间产生电信号,并由此端输出。声表面波滤波器的滤波特性,如中心频率、频带宽度、频响特性等一般由叉指换能器的几何形状和尺寸决定。这些几何尺寸包括叉指对数、指条宽度a、指条间隔b、指条有效长度和周期长度等。目前声表面波滤波器的中心频率可在MHzHz之间,相对带宽为%,插入损耗最低仅几个分贝,矩形系数可达。为了保证对信号的选择性要求,声表面波滤波器在接入实际电路时必须实现良好的匹配。图2.5.3所示为一接有声表面波滤波器的预中放电路,滤波器输出端与一
25、宽带放大器相接。2.6.3 集中选频放大器应用举集中选频放大器应用举例例1.石英晶体应用电路石英晶体应用电路 晶体谐振器的另一种应用是用它做成高频窄带滤波器，下面简介石英晶体滤波器的实用电路。图2.28（a）为某通信机的中放级采用的窄带桥型晶体滤波器电路。图中R1、R2、R3和C1、C2组成直流偏置电路，R4、C3为电源去耦电路，Z1、Z1、Z3、Z4组成滤波电路。Z1为石英晶体，Z2为调节电容，也可为石英晶体；Z3、Z4为调谐回路的对称线圈，Z5为第二调谐负载回路。2.陶瓷滤波器应用电路陶瓷滤波器应用电路 由于单片陶瓷滤波器体积小，常接在分立元件的中频放大器的发射极，用以取代极旁路电容Ce，
26、如图2.29所示。若滤波器工作于465kHz，则对于465kHz的信号，晶体滤波器XB呈现的阻抗极小，此时，引入的负反馈最小，放大器的增益最高，对偏离465kHz稍远的信号，频率滤波器呈现的阻抗较大，放大器引入的负反馈最强，使放大倍数减小，从而提高了中频放大器的选择性。3.声表面滤波器应用电路声表面滤波器应用电路 图2.31是声表面滤波器的实际应用电路，由三极管组成的放大器称为补偿放大器，用于补偿SAWF的插入损耗。该放大器的增益一般为10至20dB，L1是高频扼流圈；L2与SAWF的输出电容组成谐振回路，适当调整L2的电感量，使其谐振在通频带的中心点，实现电路匹配。2.6.4 集成电路宽带谐
27、振放大器集成电路宽带谐振放大器 对于采用集成放大电路构成高频选频放大器来说，通常是采用集中滤波和宽频带集成放大电路相结合的方式来实现。在集成宽频带放大器中，展宽放大器频带的主要方法有共射共基组合法和反馈法。1.共射共射共基组合集成宽频带共基组合集成宽频带放大器放大器 图2.32所示为采用单片集成放大器MC1590构成的宽带谐振放大器。集成放大器MC1590是适应小信号谐振放大器的典型器件，其输入端由共射一共基电路构成的差分放大电路，输岀级由复合管差分电路构成，故内反馈很小，具有工作频率高、不昜自激等优点。MC1590引脚1、3为双端输入端，输入信号ui通过耦合电容C1加到引脚1端，引脚3端通过
28、隔直电容C3交流接地，构成单端输入。L1、C2构成输入谐振回路。引脚2端接自动增益控制电路AGC(第7章将讨论其工作原理)。引脚5、6为双端输出端，L2、C4构成输出谐振回路，通过变压器耦合后输岀信号uo。2 负反馈集成宽频带放大器负反馈集成宽频带放大器 在负反馈电路中可以通过改变反馈深度，调节负反馈放大器的增益和频带宽度。如果以牺牲增益为代价，可以扩展放大器的频带。另外，由于电流串联负反馈电路的特点是输入、输出阻抗高，而电压并联负反馈电路的特点是输入，输出阻抗低，所以如果将电流串联负反馈电路和电压并联负反馈电路级联，即可展宽级联后放大电路的上限频率。典型的负反馈集成宽频带放大器F733。增益可达100倍。各引出端均不短接，增益为10倍。以上三种情况下的上限频率依次为40MHz、90MHz和120MHz。图2.33（b）给出了F733用做可调增益放大器时的典型接法。图中电位器RP是用于调节电压增益和带宽，当RP调到零位时，与短接，片内VT1与VT2发射极短接，增益最大，上限截止频率最低；当RP调到最大时，片内VT1与VT2发射极之间共并联了5个电阻，即片内R3、R4、R5、R6和外接电位器RP，这时，交流负反馈最强，增益最小，上限截止频率最高。可见这种接法使的电压增益和带宽连续可调。另外，采用电流并联和电压串联负反馈形式，同样也可以扩展放大器通频带。