通信电子电路小信号谐振放大器.ppt

通通 信信 电电 子子 电电 路路 书山有路勤为径书山有路勤为径 学海无崖苦作舟学海无崖苦作舟 主要内容主要内容 一、高频小信号谐振放大器的特点及性能指标 二、 三极管的Y参数等效电路 三、 LC并联谐振回路 2.12.1 概述概述 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 2.12.1概述概述 一、小信号谐振放大器的特点及其性能指标一、小信号谐振放大器的特点及其性能指标 （一）、小信号谐振放大器的特点 1.1.作用：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 2.2.组成：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。 谐振放大器的分类及电路特点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、谐振放大器的分类一、谐振放大器的分类 返回 fo=几百kHz几百MHz，B=几kHz几十MHz 小信号谐振放大器的性能指标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 2 2ff0.1 0.1 理想 实际 AV(f)/AV(fo) f 0.4 0.6 0.8 1.0 0.2 0 2 2ff0.7 0.7 fofLfH 谐振放大器的幅频特性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 3、选择性、选择性S 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 小信号谐振放大器的性能指标小信号谐振放大器的性能指标:NF: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 4、稳定性、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 5、噪声系数、噪声系数 NF(Noise Figure) 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。 二、三极管的二、三极管的Y Y参数等效电路参数等效电路 小信号谐振放大器的放大器件、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 - ib ic yieyoe yrevce yfevbe + vbe - + vce - ib ic 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 三极管的高频参数三极管的高频参数 截止频率 ： 特征频率 返回 e br ce rbc ree Cbe Cbc rbb rbe c rcc b gm vbe fT指(f)下降到1时，对应的频率。 三、三、 LCLC并联谐振回路并联谐振回路 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。 r L C RS iSr LC RS vS 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 LCLC并联谐振回路的特性分析并联谐振回路的特性分析1 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： ZP 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? LCLC并联谐振回路的频率特性分析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 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：阻抗的幅频特性曲线： 阻抗的相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。 LCLC并联谐振回路的带宽及矩形系数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品质因数越大带宽越窄 单谐振回路的选择性很单谐振回路的选择性很 差。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。对于简对于简 单并联谐振回路，回路单并联谐振回路，回路Q Q对回路的通频带和高的选择性的对回路的通频带和高的选择性的 矛盾不能兼顾。矛盾不能兼顾。 LCLC并联谐振回路的特性总结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抗变换 。 RP与RS和RL都有关：RP=RS/RL /Ro LC阻抗变换网络 v1 串、并联阻抗等效互换 a b X1 R1 等效互换原则: 阻抗相等 v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 a b X2R2 即 由此得: 串 并 并 串 电容： X 电感： XLL 返回 2 变压器阻抗变换电路 v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 v令 称为接入系数 3 部分接入回路的阻抗变换 v并联谐振回路总 电容和总电感为 v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. 2.2 2.2 单调谐小信号谐振放大器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 图中谐振回路为LC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 2）高频交流等效电路）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 高频交流等效电路高频交流等效电路 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： 根据阻抗变换原理： Z 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： 电压增益电压增益A AV V： ： 谐振电压增益谐振电压增益A AVO VO： 2、选择性S： 3、通频带BW0.7 ： QQ e e 越大，选择性越好，带宽越窄。在设计谐振放大越大，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器时，必须根据选择性和通频带的要求合理选择QQ e e 。 4、矩形系数K0.1： 因K0.1 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，另外，多 级级联后还可提高放大器的增益。 三、多级单调谐谐振放大器的性能分析三、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 =9.95 n=2 K0.1 =4.7 n= K0.1 =2.56 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。 f01f02 v所谓参差调谐，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。 （1）在较大时，Av (j)将在O附近出现下凹现象； 由此，我们可以找到一特定的值，理论和实践证 明当=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。 设参差调谐放大器是由两个除了谐振频率不同，其他参数都相同的 单调谐放大器组成，则每级单调谐放大器有： 二、参差调谐放大器的性能分析：二、参差调谐放大器的性能分析： 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。 当m增加时，选择性变好，通频带变窄，但带宽的衰减没有 单调谐放大器那么明显（见表2-3-1）。 二、二、mm组（组（2m2m级）参差调谐放大器的性能分析：级）参差调谐放大器的性能分析： 双耦合放大器 2.3.22.3.2 双调谐选频放大器双调谐选频放大器 我们称两个谐振回路相互耦合的电路为双耦合回路，相应 的放大器也称双调谐回路放大器。 具体耦合有：电容耦合、互感耦合两种。 双调谐选频放大器的原理电路及其等效电路（并联式互感耦合）： 该类电路与参差调谐放大 单元的技术指标类似。当1时 ，电路处于最平坦情况，也称临 界耦合。 双耦合放大器性能分析 指标求解得： 最平坦条件下，有： 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。 2.3.2 双调谐回路谐振放大器为何要采用n1 、n2为代表的抽头方式将放 大器与谐振回路相连接？ 2.3.3参差调谐放大器相对于双调谐回路放大器来说，其选频频率更容易 在电路实现时得到控制，为什么？ 思 考 题 其他选频放大器 2.3.32.3.3 其他选频放大器其他选频放大器 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。 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 1.4 1.4 小信号小信号谐振放大器的稳定性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： 因为晶体管因为晶体管C Cbc bc 的反馈，使放大器引起自激！ 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Y Yre re的影