第二章--高频电子电路超好PPT课件

.,1,第二章小信号调谐放大器2.1概述2.2LC谐振回路2.3单调谐放大器2.4晶体管高频等效电路及频率参数2.5高频调谐放大器2.6调谐放大器的级联2.7高频调谐放大器的稳定性2.8集中选频小信号调谐放大器,.,2,本章重点与难点（一）本章重点1.并联谐振回路的选频作用；品质因数(Q)-qualityfactor2.谐振回路的接入方式；3.晶体管Y参数等效电路，晶体管的高频放大能力及频率参数；4.高频单调谐放大器的选频功能和谐振电压放大倍数计算；5.多级单调谐回路放大器。,.,3,（二）本章难点1.晶体管Y参数等效电路，晶体管的高频放大能力2.高频单管单调谐放大器的选频功能和谐振电压放大倍数计算.,.,4,2.1概述,.,5,小信号调谐放大器的功用：有选择地对某一频率的信号进行放大，即选频放大。（放大和选频）小信号：通常指输入信号，电压在数量级附近，放大这种信号的放大器工作在线性范围内。（信号的幅度小）,.,6,（放大器）调谐：主要是指放大器的集电极负载为调谐回路（如LC调谐回路主要作用是选频）。调谐放大器的说明：这种放大器对谐振频率f0的信号具有最强的放大作用，而对其它远离f0的频率信号，放大作用很差。,.,7,.,8,一、调谐放大器分类小信号调谐放大器小信号：输入信号mVmV要求：增益足够大，通频带足够宽，选择性好，工作在甲类，多用于接收机。调谐功率放大器大信号：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。,.,9,图2-1单调谐放大器,.,10,二、小信号调谐放大器电路特点采用谐振回路作为放大器的集电极负载。三、组成与作用主要由放大器和谐振回路组成，作用:放大、选频。,.,11,四、技术指标1.放大能力用谐振时的放大倍数K0表示。2.选频性能(1)通过有用信号的能力即具有一定的通频带：放大器能有效放大的频率范围。(2)抑制无用信号的能力即有足够的选择性：放大器对其他频率信号抑制能力的衡量。返回,.,12,调谐回路的主要特点：具有选频作用，当输入信号含有多种频率成分时，经过谐振回路只选出某些频率成分，对其它频率成分有不同程度的抑制作用。,2.2LC谐振回路,.,13,调谐回路的组成：由电感和电容组成。调谐回路的分类：按电感、电容与外接信号源联接方式的不同，可分为串联和并联调谐回路两种类型。注意：因为在调谐放大器中，谐振回路往往是以并联的方式出现在电路中，所以下面我们主要讨论并联谐振回路。,.,14,2.2.1串并联谐振回路的基本特征并联谐振回路组成：由电感L、电容C与外接信号源并联而成，回路的电容损耗忽略不计，电感线圈的损耗以并联电阻R0的形出现。,.,15,1.并联谐振回路的阻抗特性分析并联谐振回路采用导纳法，得回路的等效导纳为：其中，电导：导纳写成指数形式为：等效导纳的模为：（单位为西门子S）,.,16,导纳角为：（单位为弧度rad）阻抗形式：并联谐振回路的阻抗特性曲线如图所示：,.,17,.,18,.,19,分析：当时，得回路处于谐振状态。此时，回路导纳最小，阻抗最大，回路呈现为纯电阻。谐振电阻:回路谐振时的电阻R0称为谐振电阻。谐振角频率：角频率称为谐振角频率。,.,20,当回路谐振时：,特性阻抗：称为谐振回路的特性阻抗,并联谐振回路的品质因数：由回路谐振电阻与特性阻抗的比值定义的，即,.,21,由式（2-5）经推导可得：,并联谐振回路中Q值包含了回路三个元件的参数（R0、L、C），反映了三个参数对回路特性的影响，是描述回路特性的综合参数。结论：回路的R0越大，Q值越大，阻抗特性曲线越尖锐。反之，R0越小，Q值越小，阻抗特性曲线越平坦。,.,22,2.并联谐振回路的选频特性设信号源为恒流源，响应为回路电压,则：模：相位角：式中，为谐振时的电压值。,.,23,图2-4回路电压特性曲线相频特性曲线,.,24,.,25,分析：在谐振点处，电压幅值最大。当时，回路呈现感性，电压超前电流一个相角，电压幅值减小。当时，回路呈现容性，电压滞后电流一个相角，电压幅值也减小。,.,26,串联谐振回路略。,.,27,一、并联谐振与串联谐振回路比较,1.电路,r0:串谐电路的空载谐振阻抗。,R0:并谐电路的空载谐振阻抗,对信号源而言，L，C三者是并联关系,对信号源而言，L，C三者是串联关系,并联谐振回路,串联谐振回路,.,28,2.谐振条件,当时，得谐振频率串联、并联谐振回路的谐振频率相等谐振意义：谐振时，同相。,.,29,3.导纳或阻抗4.阻抗特性曲线,并联谐振,串联谐振,.,30,并联谐振,Q用途：可以衡量谐振现象的尖锐程度,串联谐振,5.品质因数-qualityfactor,.,31,3.并联谐振回路的谐振曲线分析并联谐振回路的幅频特性曲线表达式为：,在谐振点附近，因为,注意f,.,32,上式可简化为：,：信号频率偏离谐振点的数量（）。：称为谐振曲线的相对抑制比，它反映了回路对偏离谐振频率的抑制能力。,.,33,图2-5Q对谐振曲线的影响及谐振回路通频带,.,34,.,35,分析结论：Q对谐振曲线的影响，对于同样频偏，Q越大，值越小，谐振曲线越尖锐。无线电信号通过谐振回路不失真的条件是：谐振回路的幅频特性是一常数，相频特性正比于角频率。因此，研究谐振回路的幅频特性曲线在什么频率范围内能基本上满足上述要求是十分重要的。,.,36,通频带:把从1下降到（以dB表示，从0下降到-3dB）处的两个频率和的范围叫做通频带，以符号B或表示。即回路的通频带为：,.,37,注意：只要选择回路的通频带B大于或等于无线电信号的通频带，无线电信号通过谐振回路后的失真就是允许的。推导通频带的另外一种表达形式：,.,38,通频带满足了允许通过信号频率范围的要求，为了滤除其他频率信号的干扰，通频带外值越小越好。,.,39,显然，值愈小选择性愈高。实际中，常用分贝来表示：,谐振回路的选择性：,注意：选择性是谐振回路的另一个重要指标，它表示回路对通频带以外干扰信号的抑制能力。（越小越好）,.,40,图2-6值对谐振曲线的影响,.,41,.,42,通频带和选择性的关系：对同一回路提高通频带和改善选择性是矛盾的。Q越高选择性越好，但通频带越窄。为了保证较宽的通频带就得降低选择性的要求，反之亦然。（二者兼顾）说明：一个理想的谐振回路，其幅频特性应是一个矩形，在通频带内信号可以无衰减地通过，通频带以外衰减为无限大。实际谐振回路选频性能的好坏，应以其幅频特性接近矩形的程度来衡量。,.,43,.,44,矩形系数：,.,45,图2-7幅频特性比较,.,46,结论：由前面讨论可知为理想值，故矩形系数越接近1越好，而单谐振回路不论Q、为多大，其矩形系数为定值（10），显然它的选频性能不很理想。,.,47,2.2.2负载和信号源内阻对谐振电路的影响考虑负载和信号源内阻时，并联谐振电路如图所示。,作等效电路图,.,48,不变,下降,谐振频率：,品质因数：,.,49,说明：Q0是在没接入负载、信号源时的品质因数，称为无载（或空载）品质因数。QL为有载品质因数。QLR0,已知Q0求QL,.,51,2.负载和信号源内阻含有电抗成分（一般是容性）,图2-9考虑信号源输出电容和负载输出电容的并联谐振回路,.,52,.,53,信号源输出电容：负载电容：回路总电容为：,注意：考虑了负载电容和信号源输出电容后，在谐振回路的谐振频率、品质因数等的计算中，式中的电容都要以代入。如：谐振频率,.,54,注意：计入和后，并联谐振回路谐振频率降低,解决办法：取CCS+CL则f0f0L,.,55,2.2.3谐振电路的接入方式上述谐振回路中，信号源和负载都是直接并在L、C元件上。因此存在以下三个问题：第一：谐振回路Q值大大下降，一般不能满足实际要求；第二:信号源和负载电阻常常是不相等的，即阻抗不匹配。当相差较多时，负载上得到的功率可能很小；第三:信号源输出电容和负载电容影响回路的谐振频率，在实际问题中，给定后，不能任意改动。,.,56,解决办法：采用“阻抗变换”的方法，使信号源或负载不直接并入回路的两端，而是经过一些简单的变换电路，把它们折算到回路两端。通过改变电路的参数，达到要求的回路特性。,.,57,1.互感变压器接入方式互感变压器接入电路如图（电路说明）：,U1:11处电压U2:22处电压P1:等效前负载RL上得到的功率。P2:等效后负载RL上得到的功率。,.,58,等效原则：等效前后负载上得到功率相等，即P1=P2。,.,59,图2-1互感变压器接入电路的等效电路,.,60,.,61,若,则,（1）,（2）,通过互感变压器接入方法可提高回路的QL值。谐振频率不变,结论：,.,62,2.自耦变压器接入自耦变压器接入电路如图所示（电路说明）：,注意：推导方法与上述互感变压器接入方法一样，可得到等效后的负载阻抗RL如下：,.,63,N1N2，则RLRL谐振频率:,优点:绕制简单。缺点:回路与负载有直流回路。需隔直流时，这种回路不能用。,.,64,3.电容抽头接入电容抽头接入回路如图所示（电路说明）：电容器的串并转换：原理：图2-15中12端的等效导纳应与12的导纳相等。,.,65,.,66,电容的串、并联等效变换：,串联,并联,等效变换关系,其中：,.,67,.,68,.,69,.,70,4.接入系数的概念部分接入：即负载不直接接入回路两端，只是与“回路”一部分相接，因此叫“部分接入”形式。接入系数:表示接入部分所占的比例。对于电感抽头接入方式来说，（见图2-17），它为:,表示全部线圈N1中，N2所占的比例。n1,在0到1之间，调节n可改变折算电阻RL数值。n越小，RL与回路接入部分越少，对回路影响越小，RL越大。,引入接入系数n以后，折算后的阻抗可以写为:,.,71,.,72,注意：1.当外接负载不是纯电阻，包含有电抗成分时，上述等效变换关系仍适用。例：,.,73,2.对谐振回路的信号源同样可采用部分接入的方法，折算方法相同。,.,74,通过以上讨论得知：采用任何接入方式，都可使回路的有载QL值提高，而谐振频率不变。同时，只要负载和信号源采用合适的接入系数，即可达到阻抗匹配，输出较大的功率。,.,75,2.3单调谐放大器小信号调谐放大器的分类：按谐振回路区分：单调谐放大器双调谐放大器参差调谐放大器按晶体管连接方法区分：有共基极、共集电极、共发射极单调谐放大器等等。重点讲共发射极（共e）单调谐放大器2.3.1单调谐放大器的电路组成,.,76,图2-20单调谐放大器,.,77,.,78,LC谐振电路，起选频作用。它采用抽头接入法，以减轻晶体管输出电阻对谐振电路Q值的影响。RL是放大器的负载，它可能是下一级输入端的等效输入电阻。原边线圈（AC端）的匝数：N1抽头（AB端）的匝数：N0副边线圈的匝数：N2,.,79,管子的输出电阻：rce代表管子ce间的电阻，称为管子的输出电阻。考虑rce和RL的影响后，LC电路相当于一个等效的RLC并联电路。谐振回路的并联阻抗为ZAC。实际的集电极负载则为变换到AB部分的阻抗ZAB。ZAC与ZAB的关系为:,.,80,.,81,一、技术指标,1.放大能力用谐振时的放大倍数K0表示。2.选频性能(1)通过有用信号的能力具有一定的通频带。放大器能有效放大的频率范围(2)抑制无用信号的能力有足够的选择性。放大器对其他频率信号抑制能力的衡量。,2.3.2单调谐放大器的放大能力,.,82,负载RL上的电压：U0输入电压:Ui，晶体管集电极电压:UAB,输入电阻：ri代表晶体管be级间的电阻，称为晶体管的输入电阻。,二、K和ZAC的关系,.,83,.,84,整理得：,.,85,分析：K与ZAC成正比，而对于不同频率的信号，ZAC是不同的，对于f0的信号，ZAC最高，故K也最高。可见K的频率特性和并联谐振电路的特性相同。谐振时：,谐振时的电压放大倍数K0,.,86,三、选频性能,1.Kf特性,.,87,分析图（a）：QL值不同时，QL大，K0大，且频率曲线尖锐，QL小，K0小，则频率曲线平坦。,.,88,因为放大器的频率特性取决于谐振电路的频率特性，谐振电路的QL值对放大器的选频性能有很大影响。,.,89,代入得(P10页2-9),K-f特性,.,90,2.K/K0f特性,.,91,K/K0-f特性,为了更好地描绘选频性能的特点，我们用比值K/K0作纵坐标，可得曲线(分析原因)。谐振点：通频带的上下边界：,.,92,.,93,分析：(1)QL小，通频带（2f0.7）宽，而QL大，则通频带窄。(2)以某一频偏f为参考标准，则QL大，衰减量大，即选择性好，而QL小选择性差。结论：通频带和选择性两者是矛盾的。有时选择适当的QL值，可以兼顾两者，但有时不能兼顾，就需要另外采取措施。,.,94,注意：在三者中，只要知道两项，便可计算出第三项。令：,则：,广义失谐量,3.通用谐振曲线,.,95,失谐：在谐振电路中，偏离称为失谐。失谐程度通常用频偏对的比值即表示。注意：在谐振点附近，与近似成正比，即：,.,96,=0,在谐振点附近,仅与有关，所以不管Q如何变化，均可用同一条曲线表示-通用特性曲线。,可见对应于通频带的上下边界,.,97,2.3.4调谐放大器的最大增益、阻抗匹配条件,前面已经得到调谐放大器的谐振电压放大倍数为：,.,98,K0受多种因素影响，一般是采用通过调整匝比的方法获得高的增益。,是不是，愈大愈好?为什么？,.,99,.,100,当变换到谐振电路的负载等于变换到谐振电路的内阻时，可得到最大的增益。,最佳匝比：,阻抗匹配,最大增益：,谐振电路的效率,式中：,.,101,.,102,2.4晶体管高频等效电路及频率参数晶体管分类（按工作频率）：高频管和低频管。在低频工作时：将电流放大系数（、）看成与频率无关的常数。高频工作时：频率越高，电流放大系数越小。这直接导致管子的放大能力下降，限制了晶体管在高频范围的应用。制约因素：管子的发射结电容Cbe、集电结电容Cbc、基极电阻rbb。,.,103,复习晶体管低频等效电路,.,104,2.4.1晶体管混合型等效电路,.,105,型等效电路来表示晶体管的优点：物理概念比较清楚；对晶体管放大作用的描述也较全面；各个参量基本上与频率无关。因此，这种电路可以适用于相当宽的频率范围。缺点：各元件的数值不易测量。高频放大器较常用的是Y参数等效电路。,.,106,2.4.2晶体管的Y参数等效电路Y参数等效电路是撇开晶体管内部的电路结构，只从外部来研究它的作用，把晶体管看作一个有源线性四端网络，用一组网络参数来构成其等效电路。具体来说，只要我们能够确定晶体管的输入端和输出端的电流电压关系，问题基本上就解决了。,.,107,图（a）：将共射极接法的晶体管等效为有源线性四端网络。图（b）：晶体管的Y参数等效电路。,.,108,.,109,Y参数的物理意义,.,110,.,111,.,112,四、混合型等效电路参数与Y参数的关系,.,113,晶体管的混合型等效电路分析法物理概念比较清楚，对晶体管放大作用的描述较全面，各个参量基本上与频率无关。因此，这种电路可以适用于相当宽的频率范围。但该等效电路比较复杂。Y参数等效电路是从外部来研究晶体管的作用。而且在实际中，高频放大器的谐振回路、负载阻抗和晶体管大都是并联关系的。因此，在分析放大器时，用Y参数等效电路比较适合，因为这时各并联支路的导纳可以直接相加，运算方便，此外，晶体管的Y参数可以用仪器直接测量。,.,114,总之，混合型等效电路和Y参数等效电路是对同一对象（晶体管）两种不同的等效分析方法，各有特点，在实际中可根据具体情况选择采用哪一种方法。,.,115,2.4.4晶体管的高频放大能力及其频率参数晶体管在高频情况下的放大能力随频率的增高而下降。这可以从其等效电路得到说明：,.,116,.,117,电流放大系数：,分析：输入电流分成三部分即、，当c、e短路时，与并联，因，故，故在此情况下Cbc可忽略不计，成为图2-27所示的形式。,.,118,说明：,.,119,共基短路电流放大系数:,.,120,晶体管的高频放大能力，可以用以下几种频率参数表示：,作业：求出截止频率的推导过程,.,121,（2）特征频率fTfT是下降到1时的频率。,模为:,.,122,作业：求出特征频率的推导过程,.,123,(4)最高振荡频率fmaxfmax是晶体管的共射极接法功率放大倍数AP（在阻抗匹配的条件下）下降到1的频率。注意：当时，就电流而言，已无放大作用，当进一步提高到AP=1时，晶体管已完全失去放大作用，此时如果作为振荡器，已不可能起振，故fmax称为最高振荡频率。它表示一个晶体管所能适用的最高极限频率。,.,124,2.5高频调谐放大器作用：放大微弱的有用信号并滤除无用的干扰和噪声信号。主要指标：电压放大倍数、通频带、选择性和矩形系数。高频调谐放大器和单调谐放大器的主要区别：高频调谐放大器：工作在更高频率（十几兆赫兹以上），用Y等效电路分析单调谐放大器：较低频率（几百千赫到几兆赫兹），用近似低频分析法,.,125,2.5.1电路组成,.,126,高频等效电路：采用Y等效电路，忽略反向传输导纳yre的影响。,.,127,2.5.2电路的性能指标1.放大器的电压放大倍数KV假设放大器的输入电压为，输出电压为，电压放大倍数,高端的导纳为：YLG0+jwc+1/jwL+n22yie,.,128,低端的导纳为(由集电极和发射极两端向右看的回路导纳)YL=(1/n12)(G0+jwc+1/jwL+n22yie),通过集电极的电流为:,（负号表示电压与电流方向相反。）,.,129,N1是集电极c的接入系数，n2是负载导纳的接入系数,.,130,Yie=gie+jwcie,YLG0+jwc+1/jwL+n22yie,goe和coe分别是放大器的输出电导和输出电容。,.,131,注意分母的推导过程,.,132,谐振电压放大倍数的模为：,分析：1.|KV0|与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数都有关系2.|KV0|与n1、n2不是单调递增或单调递减的关系，因为其影响QL,.,133,2.放大器的通频带,广义失谐：,.,134,得通频带：,3.放大器的选择性同理可得。例题：略。,.,135,2.6调谐放大器的级联在接收设备中，当单调谐放大器的选频性能和增益不能满足要求时，可采用两级和多级调谐放大器级联的方法。,说明：是两级调谐放大器，这两个调谐电路可调谐于同一频率或不同频率，后者叫做“参差调谐”（两个调谐电路的谐振频率一高一低，相互错开）。,.,136,2.6.1多级单调谐放大器定义：若多级调谐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。参数分析：总放大倍数、总通频带与频率特性。1电压放大倍数,.,137,设各级谐振放大器的电压放大倍数是K1、K2，谐振电压放大倍数为K01、K02，K总：多级调谐放大器总的放大倍数等于各级谐振放大器放大倍数之积（或分贝数之和），即有K总k1k2k3或K总k1（dB）+k2（dB）+k3（dB）+,多级调谐放大器总的谐振放大倍数:,.,138,注意：,(假定QL值相等，选频性),.,139,分析：多级单调谐放大器的选择性提高，但总的通频带变窄。设有两级调谐回路，它们的QL值相等。对应于每一个频率，两级的选择性（分贝数）应为单级的2倍。,.,140,2.通频带多级单调谐放大器总的通频带比单级放大器的通频带要小，级数越多，总通频带越小。,经推算：n级QL相同的调谐回路，总的通频带为,缩小系数,结论：多级调谐放大器的选择性提高，但总的通频带变窄。,.,141,2.6.2参差调谐放大器参差调谐放大器和多级单调谐放大器的区别：调谐回路的调谐频率有区别。1双参差调谐放大器定义：所谓双参差调谐，是将两级单调谐回路放大器的谐振频率，分别调整到略高于和略低于信号的中心频率。,.,142,解释：设信号的中心频率是f0，fd是单个谐振回路的谐振频率与信号中心频率之差。两级回路的谐振频率参差错开，一高一低，因此称为双参差调谐放大器。对于单个谐振电路而言，它是工作于失谐状态。,第一级：调谐于第二级：调谐于,失谐量分别为：-参差失谐量。对应的-广义参差失谐量。,.,143,0小，曲线尖锐0大，曲线平坦,出现马鞍形双峰,大到一定程度,01，为双峰，0=1，为两者的分界线，为单峰中最平坦的情况。0愈大，双峰距离愈远，下凹愈严重。,.,144,图2-34参差调谐放大器的频率特性,.,145,结论：参差调谐的综合频率特性与广义参差失谐量有关。愈小则愈尖，愈大则愈平。当大到一定程度时，由于f0处的失谐太严重，可以出现马鞍形双峰的形状（图中的一条）。参差调谐和两级单调谐放大器（调谐同一频率）放大倍数的关系：（注意：是在f0处）,.,146,2.三参差调谐放大器在实际工作中，为了加宽通频带，又不造成谐振点输出显著下凹，通常工作于的情况，但也可以工作于略大于1的情况。例：对于三参差调谐回路，可使其中的两级工作于参差调谐的双峰状态，第三级调谐于f0。它们合成的谐振曲线就比较平坦，如图中的虚线所示。,.,147,由合成谐振曲线可见：利用三参差调谐电路，并适当地选择每个回路的有载品质因数QL和0，就可以获得双参差调谐所不能得到的通频带。,.,148,图2-35三参差调谐放大器的谐振曲线,.,149,2.7高频调谐放大器的稳定性理想情况：放大器只有正向放大、输入影响输出、单向。解释：输出电路对输入端没有影响（yre=0），或者说，晶体管是单向工作的，输入可以控制输出，而输出则不影响输入。实际情况：存在反馈，双向。yre0晶体管是存在着反向输入导纳yre的。,.,150,本节主要讨论考虑yre后，放大器输入导纳和输出导纳的数值，对放大器工作稳定性的影响以及改善稳定性的方法。,2.7.1晶体管内部反馈的有害影响1.放大器调试困难由于yre的存在，放大器的输入和输出导纳，分别与负载及信号源有关。这种关系给放大器的调试带来很多麻烦。,.,151,（1）放大器的输入导纳Yiyre0，放大器的输入导纳Yi等于晶体管的输入导纳yieyre0,Yi?,由图得：,.,152,.,153,上式表明，放大器的输入导纳包括两部分：（a）晶体管的输入导纳yie；（b）输出电路通过反馈导纳yre的作用，在输入电路产生的等效导纳Yi，即Yi=yie+Yi，其中,.,154,（2）放大器的输出导纳Yo由于yre的影响，输入电路的信源导纳YS对放大器的输出导纳Yo也有影响。根据戴维南定理，求Yo时，应令信号源电流=0，这时基极电流Ib与电压Ub的关系是,.,155,分析：放大器的输出导纳Yo也不等于晶体管的输出导纳yoe，它和信号源内电导YS也有关系。结论：由于内反馈的作用，放大器的输入和输出导纳，分别与负载及信号源导纳有关。则在调整输出回路时（即改变YL），放大器的输入端就受到影响；同样，调整输入回路时，YS改变了，放大器的输出导纳也随之改变，这对输出电路的调谐和匹配又发生了影响。因此调整工作需要反复进行多次。,.,156,2.放大器的工作不稳定。原因：因为放大后的输出电压Uo通过反向传输导纳yre，把一部分信号反馈到输入端，尽管yre可能很小，但由于放大后的信号Uo比输入信号Ui大得多，所以反馈电压Uf并不是总可以忽略不计的，它回到输入端以后，又由晶体管再加以放大，再通过yre反馈到输入端，如此循环不止。,.,157,在条件合适时，放大器甚至不需要外加信号，也能够产生正弦或其它波形的振荡，使放大器工作不稳定。,.,158,内部反馈对放大器频率特性的影响,由于内部反馈随频率而不同，它对于某些频率可能是正反馈，而