谐振放大器的稳定性分析终结版

目录摘 要1第一章 谐振2第一节 谐振定义2第二节 谐振回路2一 串联谐振3二 并联谐振3第二章 谐振放大器电路4第三章 工作稳定性5第四章 谐振放大器工作不稳定的原因9第一节 失配法10第二节 中和法12第三节 减少噪音系数与干扰15心 得 体 会16参考文献17摘 要用LC谐振回路作为选频网络构成的选频放大器称为谐振放大器或调谐放大器，其用来从众多的微弱信号中，选出有用信号加以放大并对其他无用频率信号予以抑制，它广泛应用于通信设备的接收机中。由于谐振放大器大多采用晶体管作为放大器件，而晶体管集电极和基极之间存在结电容Cbe，其值虽然很小（只有几个PF），但高频工作时仍能使放大器输出和输入之间形成反馈通路（称为内反馈），再加上谐振放大器中LC谐振回路阻抗的大小及性质随频率变化剧烈，使得内反馈也随频率而剧烈变化，致使谐振放大器工作不稳定。一般情况下，内反馈会使谐振放大器的增益频率特性曲线变形，增益、通频带和选频性发生变化，严重时反馈某个频率上满足自激条件，放大器产生自激振荡，即失去放大性能，不能正常工作。本设计针对谐振放大器的稳定性做了详细分析，给出了克服自激振荡的方式，并加以说明。关键词：谐振放大器；稳定性：自激振荡。第一章 谐振第一节 谐振定义所谓谐振，按电路理论，它是正弦电压加在理想的(无寄生电阻)电感或电容串联电路上。当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的阻抗为零，电路电流达到无穷大；如果正弦电压加在电感和电容并联电路上，当正弦电压频率为某一值时，电路的总导纳为零,电感、电容元件上电压为无穷大。前者称为串联谐振，后者称为并联谐振。谐振的现象是电流增大和电压减小，越接近谐振中心，电流表电压表功率表转动变化快，但是和短路得区别是不会出现零序量。电学谐振指的是电磁学物理量的强度在一个中值上下进行波动，也是类似运动学的谐振。第二节 谐振回路由电感L和电容C组成的，可以在一个或若干个频率上发生谐振现象的电路，统称为谐振电路。在电子和无线电工程中，经常要从许多电信号中选取出我们所需要的电信号，而同时把我们不需要的电信号加以抑制或滤出，为此就需要有一个选择电路，即谐振电路。谐振电路有串联谐振和并联谐振之分。一 串联谐振由电感L和电容C串联而组成的谐振电路称为串联谐振电路。图一 串联谐振电路如图当X=L-1/C=0时，即有=0，此时我们就说电路发生了谐振。并且通过谐振可以使有用的电信号通过，即当电路的激励的频率等于电路的固有频率时，电路的电磁振荡的振幅也将达到峰值，这也是它的选择性。同时它还必须满足一定的频带宽度。二 并联谐振由电感L和电容C并联而组成的谐振电路称为并联谐振电路。图二 并联谐振电路并联谐振频率和串联谐振的相同。第二章 谐振放大器电路 谐振放大器组成的电路大致有单调谐回路谐振放大电路、双调谐回路谐振放大电路、参差调谐放大电路和集中选择性放大电路等。谐振放大电路，通常是指负载具有谐振特性（或选频特性）的放大电路。该电路广泛应用于通信，广播 电视 雷达等接收系统中，主要起选频，放大作用。其中小信号谐振放大电路通常有两种组成方法：一种是将单级谐振放大电路级联起来，构成多级放大电路；另一种是用集成宽带放大电路和具有相应选频特性的窄带滤波器构成谐振放大电路，称为集中选频放大电路。小信号谐振放大器的种类很多：按谐振回路区分，有单调谐放大器，双调谐放大器和参差调谐放大器：按晶体管连接方法分有共基极，共基电极，共发射极放大极等；按作用区分可分为调谐放大器，和频带放大器。图1.1为小信号单调谐共射极调谐放大器的电路原理图。图三 小信号单调谐共射极调谐放大器的电路原理图第三章 工作稳定性放大器的工作稳定性是重要的质量指标之一，放大器的输入导纳 在前面讨论 A vo 时忽略了内部反馈 Y re ，由于晶体管不是理想的单向化元器件，存在着反向传输导纳Yre,输出电压反馈到输入端引起了输入电流和输入阻抗变化，在某些特定的频率上，可能使放大器呈现负阻，甚至使放大器失去性能，处于自激振荡状态，这是绝对不允许的，晶体管内部负反馈对频率特性的影响如图图四 反馈导纳对放大器谐振曲线的影响放大器的工作稳定性是指放大器的工作状态、晶体管的参数、带你路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定程度。在一般的情况下，不稳定的现象有各种，如痛频带变窄、谐振曲线变形等，自激是最极端的一种现象，我们要实施一定措施解决它。在放大器的反馈中，反馈的途径有两条：一是晶体管内部的反馈，二是晶体管外部干扰。在内部反馈中，自激是最重要的原因。放大器的输入阻抗等效电路图如图图五 放大器的输入阻抗等效电路图反馈导纳 BF ，其中 g F 改变了回路的 QL 值 , b F 引起回路失谐。g F是频率的函数，在某些频率上可能为负值，即呈负电导性，它使回路的总电导减小，Q L 值增加，放大器的通频带减小，增益也因损耗的减少而增加。即负电导g F供给回路能量，出现正反馈，当g F = gs +gie 则回路总电导 g = 0 ，放大器失去放大性能，处于自激振荡工作状态。产生自激的条件从上面对的分析中，当 Y s + Y i = 0 时放大器产生自激，由式中可见放大器的反馈能 量抵消了回路损耗能量，且电纳部分也恰好抵消。因此，放大器产生自激的条件是 即 (3.1)晶体管反向传输导纳 y re 愈大，则反馈愈强，上式左边值就愈小。该值愈接近于 1 ，放大器愈不稳定。因此我们引入稳定系数 S 来表示放大器的稳定性。根据（3.1）式可以推导稳定系数 、 分别为 y fe 、 Yre 的相角， S 表示放大器能稳定工作的条件。 当满足 Y s + Y i = 0 时， S = 1 放大器自激 ； S 1 时放大器存在潜在不稳定 ； 只有当 S 1 时内部反馈最小，放大器才工作稳定。谐振电压增益 A vo 与稳定系数 S 的关系(1)当工作频率 f 0 远小于特征频率 f T 时， y fe = | y fe | 即 j fe = 0 (2)反馈导纳 即 (3) g s + g ie = g oe + = g (3.2)当 P 1 =P 2 =1 时将以上条件代入稳定系数 S 公式 (3.2) 得 (3.3) 由前述知 (3.4) (3.3) 代入 (3.4) 得 当 S = 5 时， (3.5) ( A vo ) s 是保持放大器稳定工作所允许的电压增益, 为保证放大器稳定工作，A vo 不允许超过( A vo ) s 。第四章 谐振放大器工作不稳定的原因 管子的内反馈会会使放大器变得不稳定，要设法消除。克服内反馈的途径有两个：一个是从晶体管本身想办法，使反向传输导纳尽量减小；因为主要决定于，设计晶体管时应使尽量小，由于晶体管制造工艺的进步，这个问题已得到较好的解决；另一方面是在电路上想办法，把的作用抵消或减小，也就是说，从电路上设法取消晶体管的反向作用，使它变为单向化。具体的方法有失配法和中和法，下面分别进行介绍。第一节 失配法 失配就是不匹配。在小信号谐振放大器中，失配专指信号源内阻与晶体管输入阻抗之间，放大器输出端的负载阻抗与晶体管输出阻抗匹配之间的失配。从以上分析可知，如果负载导纳很大，则放大器的输入导纳为=- 这样，即使发生变化，对也基本上没有影响，实际上可以认为输出电路对输入电路没有反作用了，达到了使晶体管单向化的目的。同理，如果信号源内导纳很小，由分析可知，放大器的输出导纳为 =- 这样，输出导纳与信号源导纳无关，只决定于晶体管本身的参量。失配法（单向化）的道理很简单，当输出电路严重失配时，输出电压相应减小，反馈到输出端的信号就进一步减弱，对输出电路的影响也随之减少。通过增大负载电导，使输出电路严重失配，失配越严重，输出电路对输出回路的反馈作用就越小，这样，放大器基本上就可以看做是单向化的。常用的办法是将两晶体管按共射-共基方式连接，形成复合管形式。其原理图如图六所示。图六 共射共基级联的复合管其中 在级联放大器中，后一级放大器的输入导纳是前一级放大器的负载，而前一级放大器则是后一级放大器的信号源内导纳。晶体管按共基方式连接时，输入导纳较大，这就等于第一级放大管V1的负载很大因此复合管的输入导纳，放大管V1工作在失配状态；同理，共射连接的第一级晶体管V1的输出导纳较小，对于V2来说，V1管的输出导纳就是它的信号源内导纳,其值很小，因此V2级的输出导纳就只和本身的参量有关，而不受它的输入电路V1级的影响，这样就大大减小了输入输出回路间的牵扯作用，实际应用时，就可以把它看作是单向器件了。第二节 中和法 中和法是解决放大器的增益和稳定性之间的矛盾的一种有效措施。它是在晶体管的输入端和输出端之间引入一个外加的反馈电路（中和电路），使该反馈电路的作用与晶体管内部反馈的作用相互抵消。通常是在输出回路与晶体管基极之间接入一个电容来实现中和作用，该电容亦称中和电容。以图七所示的单调谐放大器为例进行分析，图八（a）为其交流等效电路。图中，为晶体管的集电结电容，它跨接在晶体管的输入端与输出端之间，引起晶体管的内部反馈，为外加的中和电容，其作用是抵消的影响。从图八（a）可以看出，未加中和电容时，由于的作用，有反馈电流（内反馈电流）流进A点（晶体管输出端）；加后，由于其的作用引出另一反馈电流（外反馈电流）流出a点。如果的值选择合理，使=,则两电流在a点正好相互抵消，即=-=0.这样引起放大器不稳定的内部反馈电流不会进入晶体管基极，从而消除了晶体管内部不稳定因素的影响。图七 采用中和法的单调谐放大器 （a） (b)图八 中和法的原理图上述过程可以看做一个电桥平衡过程。如图八（b）所示。和 及回路电感L1和L2正好构成一个桥式电路，根据电桥平衡原理，若电桥对边两臂的阻抗乘积相等，则c、d两端（放大器输出端）的电压不会对a、b两端（放大器输入端）产生影响，即放大器的输出信号不会反馈到输入端。根据电桥平衡条件有:L1=L2可见，在电路的a、b两点间外接一个中和电容，使之成为电桥的一个臂，并适当的选择的值，使之满足电桥平衡条件，就可以消除引起的内部反馈，提高放大器的稳定性。图九 变压器耦合的中和连接 图九是采用自耦变压器耦合的连接方法来连接中和电容的。除此之外，也可以采用变压器耦合的连接方法，即调谐回路接在变压器的初级，中和电容接在次级。在这里需注意同名端的位置，应当使高频信号通过变压器后反向一次，否则不仅不能克服晶体管的内反馈，反而会使相反的作用。中和法的主要优点是增益高，因为它不是靠牺牲增益来获取稳定性的。但其缺点也是突出的，主要有三点：一是中和不彻底，因为还有电导部分；二是与工作点关系大，因与工作点有关；三是与频率有关，因为中的等效电容与频率有关,往往只在一个频率点起到中和作用，而一些要求较高的通信设备大多不采用中和法，而采用失配法。 失配法与中和法相比，失配法的突出特点是能在频率较宽的范围内消弱内部反馈的影响，因此，适合于频率可调节的高频信号放大器。 对于影响放大器的稳定性的因素很多，除了以上的内部因素外，还有电磁干扰的耦合，主要途径：有电容性耦合，电感性耦合，公共电阻耦合，辐射耦合。第三节 减少噪音系数与干扰 在放大器中，噪音总是有害无益的，因而应力求使其内部噪音越小越好，即要求噪音系数接近1.在多级放大器中，最前面的一，二级对整个放大器的噪音系数起决定作用，因此要求他们的噪音系数尽量接近1。 同时，还有不少减少噪音系数的措施，例如：接地。接地是控制干扰的重要手段。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。一般而言，当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变化很大。此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在110MHz时，若采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法，而且接地线很细。接地电位则随电流的变化而变化，抗噪声性能变坏，应将接地线尽量加粗。心 得 体 会这次课程设计历时一个星期多左右，通过这次设计，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，理论知识还不够扎实。 这次的课程设计也让我看到了个人力量的渺小，我认为一个人工作是很艰难的工作，自己犯了错误是很难发现的，只有等到做完在同学们检查以后才知道还有许多不足之处。我需要团队，需要合作，需要帮助。刚开始的时候，按照老师给的任务书，去找了资料，后来又积极的查询了相关资料，自己就动手开始一星期的设计。在课程设计中一个人知识的有限性往往是导致最终设计的片面，甚至是失败。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。在这个过程中，我也曾经因为无从下手，对设计问题的迷茫而失落过，也曾经为成功的画了一个原理图而热情高涨过。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。虽然这只是一次的极简单的课程设计，可是平心而论，也耗费了我不少的心血，这就让我不得不佩服技术编书方面前辈，让我意识到老一辈对我们社会的付出是艰辛的。通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，和自己的这一星期一起面对，和同学们一起忙碌的日子，让我们相互帮助，多少人间欢乐在这里洒下。 对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！最后，我要感谢我的高频老师，