第2章小信号选频放大器924.ppt

2.1谐振回路,选频电路：选出有用信号，抑制其他无用信号、干扰与噪声，提高系统的信号质量和抗干扰能力。谐振放大器：负载为谐振回路。谐振放大器包括：小信号调谐放大器谐振功率放大器之分作用：选频、滤波、作负载、移相网络、相频转换网络,2.1.1串联谐振回路2.1.2并联谐振回路2.1.3串、并联阻抗等效互换与回路抽头时的阻抗变换,2.1谐振回路,引言,1.选频的基本概念所谓选频就是选出需要的频率分量并且滤除不需要的频率分量。2.选频网络的分类,单振荡回路,耦合振荡回路,振荡回路（由L、C组成）,各种滤波器,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,2.1串联谐振回路,2.1-1概述2.1-2谐振及谐振条件2.1-3谐振特性2.1-4信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响,2.1.1串联谐振回路概述,由电感线圈和电容器组成的单个振荡电路，称为单振荡回路。信号源与电容和电感串接，就构成串联振荡回路。串联振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最小值，而偏离这个特定频率的时候阻抗将迅速增大。单振荡回路的这种特性称为谐振特性，这个特定频率就叫做谐振频率。谐振回路具有选频和滤波作用。,单一参数电路中的基本关系,2.1-2谐振及谐振条件,1阻抗,谐振电阻:,当0时节|z|R，0，x0呈感性，电流滞后电压R代入上式：,并联谐振回路的谐振电阻,并联谐振回路的谐振频率,2.2-3谐振特性,谐振频率,品质因数并联回路谐振时的感抗或容抗与线圈中串联的损耗电阻之比，定义为回路的品质因数，用0表示，,并联谐振回路的谐振电阻:,并联谐振回路的谐振电阻与品质因数的关系：,1谐振曲线串联回路用电流比来表示，并联回路用电压比来表示。回路端电压由此可作出谐振曲线,2.2-4谐振曲线、相频特性曲线和通频带,结论：,Q值大曲线幅频特性曲线越尖锐，选择性好。,相角：,2相频特性,相频曲线如图所示,当回路端电压下降到最大值的时所对应的频率范围即绝对通频带,3通频带,Q值大曲线尖锐，选择性好，Q值小曲线钝，通带宽。,在均匀放大有用信号的同时又能有效地抑制频带以外的无用信号，这是对高频放大器提出的选择性要求。具有理想选择性的放大器，其幅频特性曲线应呈矩形。为了衡量实际选择性接近理想矩形的程度，通常引入参数矩形系数K0.1，它定义为,4.选择性,并联谐振回路的通频带和选择性,矩形系数：相对放大倍数降到0.1时的通频带与降到0.707时的通频带之比。矩形系数越小，选择性越好，其抑制邻近无用信号的能力就越强。,2.2-5信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路的影响,已知并联谐振回路的求该并联回路的谐振频率、谐振电阻及通频带。,对于收音机的中频放大器，其中心频率f0=465kHzB0.707=8kHz，回路电容C=200pF，试计算回路电感和QL值。若电感线圈的QO=100，问在回路上应并联多大的电阻才能满足要求。,2.2-6串并联阻抗等效互换,对于串联电路来说，其QL1值为,QL1=,X1,R1,=,R2,X2,把上两式代入下式得：,由Q值的定义得。,串并联互换前后的品质因数不会发生变化。,串联形式的有载品质因数：,并联形式的有载品质因数：,2、串、并联电阻变换公式,R2=R1(1+QL12),3、串、并联电抗变换公式,(2)串、并联电抗变换公式,(3)串联电路的有效品质因数,(1)串、并联电阻变换公式,这个结果表明：串联电路转换成等效并联电路后，电抗X2的性质与X1相同，在QL较高的情况下，其电抗X基本不变，而并联电路的电阻R2比串联电路的电阻R1大倍。,并联谐振回路如图P2.2所示，已知：信号源内阻负载电阻求该回路的谐振频率、谐振电阻、通频带。,回路抽头时的阻抗变换,继续,1.谐振回路谐振时，根据所带负载的特性，往往需要不同的输出或输入阻抗，以达到阻抗匹配要求，这样就要求谐振回路必须有阻抗变换的功能。,本页完,二、回路抽头时的阻抗变换并联谐振回路谐振时的阻抗,回路抽头时的阻抗变换,LC并联谐振回路,继续,谐振回路谐振时，根据所带负载的特性，往往需要不同的输出或输入阻抗，以达到阻抗匹配要求，这样就要求谐振回路必须有阻抗变换的功能。,本页完,并联谐振回路谐振时，在d、b端观察到的阻抗为|Zdb|，其值为|Zdb|=Rp=L/CR1=QppL=Qp/(pC),|Zdb|=L/CR1,并联谐振回路的抽头,回路抽头时的阻抗变换,带抽头的LC并联谐振回路,继续,本页完,当回路中的元件L或C有抽头时，在不同的点接入，所观察到的阻抗是不相同的，现以L带抽头为例进行研究。,在元件L的抽头处a、b观察的阻抗为|Zab|。,R1,C,-,+,b,d,+,-,L2,L1,谐振回路的阻抗变换功能通常是在元件L或C上抽头实现的。,a,+,|Zab|,研究并联谐振回路抽头处的|Zab|及与|Zdb|的关系，总结阻抗变换规律。,|Zdb|=L/CR1,2回路抽头时阻抗的变化（折合）关系,在不考虑之间的互感M时接入系数:,电感线圈L1的匝数N1,电感线圈L2的匝数N2,变压器自耦变压器的耦合联接。该电路可以将信号源内阻和负载电阻折合到谐振回路中(注意接入系数的正确选择)。,2)对于电容抽头电路而言,接入系数,应该指出接入系数或,由于变换前后其功率不变,3)电流源的折合,在保持功率相同的条件下，电流变换比就是P倍。即由低抽头向高抽头变化时，电流源减小了P倍。,3.电流源变比折合,能量守恒,因此，抽头的目的是：减小信号源内阻和负载对回路的影响。,负载电阻和信号源内阻小时应采用串联方式；负载电阻和信号源内阻大时应采用并联方式；负载电阻信号源内阻不大不小采用部分接入方式。,并联回路如图P2.4所示,已知：,等效谐振电阻。,。试求该并联回路考虑到,影响后的通频带及,图示为一电容抽头的并联振荡回路。谐振频率f0=1MHz，C1=400pf，C2=100pF求回路电感L。若Q0=100，RL=2k，求回路有载QL值。,例2.某接收机输入回路的简化电路如图例2.2所示。已知1=5pF，2=15pF，s=75，L=300。为了使电路匹配，即负载L等效到回路输入端的电阻Ls，线圈初、次级匝数比12应该是多少？解：由图可见，这是自耦变压器电路与电容分压式电路的级联。L等效到两端的电阻,L等效到输入端的电阻,如要求则所以,例2-1：如图2-8所示的并联谐振回路，信号源与负载都为部分接入。已知RS、RL，并已知回路参数L、C1、C2和空载品质因数Q0，求：（1）f0与BW0.7；（2）RL不变时，要求总负载与信号源的阻抗匹配，应如何调整回路参数？,分析：（1）根据接入系数的概念，可将负载电阻RL和电流源都等效到回路1-1两端，再根据已知条件和谐振回路的计算公式很容易计算f0与BW0.7；（2）根据匹配原理计算。解：（1）计算f0与BW0.7空载时BW0.7=f0/Q0负载端接入系数为,将RL等效到回路1-1两端，变成RL，即回路空载并联谐振阻抗：R0=Q00LR0与RL并联，成为回路的总负载R0，即由于QL=R00L所以有载时BW0.7=f0/QL考虑信号源时，也可以将RS等效到回路两端，计算回路的总负载后，再计算BW0.7,（2）设信号源对回路的接入系数为p1，为了突出物理概念，将总负载R0等效到信号源两端，有匹配时有R0=RS由于RL不变，一般地f0、L、Q0参数不会变，所以很容易通过改变p1或p2来实现。注意：调整p2时，要保持C不变。【提示】如果RL并接一个电容（与分压元件性质相同）时，则直接将该电容合并到分压支路中，不能等效到支路两端。,2.3高频小信号调谐放大器,在无线通信中，发射与接收的信号应当适合于空间传输。所以，被通信设备处理和传输的信号是经过调制处理过的高频信号，这种信号具有窄带特性。而且，通过长距离的通信传输，信号受到衰减和干扰，到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号，在做进一步处理之前，应当经过放大和限制干扰的处理。,这就需要通过高频小信号放大器来完成。这种小信号放大器是一种谐振放大器。混频器输出端也接有这种小信号放大器，作为中频放大器对已调信号进行放大。高频小信号放大器广泛用于广播、电视、通信、测量仪器等设备中。高频小信号放大器的典型应用之一是用在超外差接收机中的高放和中放。,频率较高中心频率一般在几百kHz到几百MHz，频带宽度在几khz到几十MHz小信号信号较小故工作在线性范围内(甲类放大器),、高频小信号放大器的特点,2、高频小信号放大器主要有两种类型,以集成电路为主的滤波器为负载的集中选频放大器。集中选频放大器把放大和选频两种功能分开，放大作用由多级非谐振宽频带放大器完成，选频作用由LC带通滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面滤波器等完成。以分立元件为主的谐振回路为负载的谐振放大器,谐振放大器常由晶体管等放大器件与LC并联谐振回路或耦合谐振回路构成。它可分为调谐放大器和频带放大器，前者的谐振回路需调谐于需要放大的外来信号的频率上，即混频器之前的高频放大器；后者谐振回路的谐振频率固定不变，即混频器之后的中频放大器。,工作原理：输入信号vi经T1通过Cb和Ce送到晶体管的b、e极之间，放大后的信号经LC谐振电路选频由T2耦合输出。,电感抽头和变压器的作用是减少外界对谐振回路的影响，保证有高的Q值。,单回路调谐放大器的通频带和选择性取决于谐振曲线，与理想的矩形谐振曲线比相差甚远，因此这种电路只能用于通频带和选择性要求不高的场合。,电路优点：调整方便、工作稳定；缺点：失真大。,+u54-,+u31-,+u21-,二、高频小信号放大器的质量指标,（1）增益（放大系数）电压增益：功率增益：分贝表示：,（2）通频带,放大器的电压增益下降到最大值的0.707倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用表示。,休息1,休息2,（3）选择性,从各种不同频率的信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用矩形系数表示,2f0.1为放大倍数下降至0.1的带宽，Kr愈接近于1越好。,K0.1越小，则过渡带越陡峭，表明选择性越好，越接近理想曲线。实际中K0.1总是大于1的，等于1则为理想情况。,4、工作稳定性指放大器中的直流偏置、交流参数和电路元件参数等发生变化时，放大器性能的稳定程度。不稳定现象表现在增益变化、中心频率偏移、通频带变化和谐振曲线畸变等方面。严重时可使放大器产生自激，不能正常工作。,5、噪声系数NF式中，Psi/Pni输入端信噪比Pso/Pno输出端信噪比,2.3.3、多级单调谐放大器,一、调谐在同一频率上的多级单调谐放大器,（1）谐振曲线公式,级数越多，谐振曲线越尖锐,（2）通频带,称为带宽缩减因子，说明级数增加，总通频带变窄,每级的通频带应如何变化才能保证放大器的总通频带不变？,每级的通频带应如何变化才能保证放大器的总通频带不变？,（4）矩形系数,m越大，(Kr0.1)m越小，但不可能小于2.56（m的极限值）,二、参差调谐放大器,所谓差调谐放大器是指以二级或三级放大器为一组，每一级放大器只有一个谐振回路，各放大器谐振回路的谐振频率参差错开，因此称为参差调谐放大器。,参差调谐放大器的通频带较宽，矩形系数较好，且调整也比双调谐放大器更方便。在要求相对带宽较宽、选择性较好、增益较高的电视接收机和雷达接收机中的中频放大器中，常用多级参差调谐放大器。,电路特点是集电极负载采用两个谐振回路，利用它们之间的耦合强弱来改善通频带和选择性。,2.3双调谐放大器,电路特点是双调谐回路依靠互感实现耦合。调节L1、L2之间的距离或磁芯的位置，改变耦合程度，从而改善通频带和选择性。,工作原理：假定L1C1和L2C2调谐在信号频率上，输入信号vi通过T1送到V时，集电极信号电流经L1C1产生并联谐振。此时，由于互感耦合，L1中的电流在L2C2回路电感的抽头处产生很大的输出电压vo。,双调谐回路谐振放大器就是将两个谐振频率分别调谐在信号中心频率f0附近的两个不同的频率点上，其中一个调谐在f01=f0+，另一个调谐在f02=f0-上,3.选择性和通频带与耦合程度的关系：,（1）弱耦合时，谐振曲线出现单峰；,弱耦合（1），谐振曲线出现双峰，对式（250）中求导数，令为零，可解出两个峰值点的值。,可见，谐振曲线在临界耦合时，与理想的矩形谐振曲线很接近。,结论，双回路调谐放大器有较好的通频带和选择性，所以应用广泛。,2.3.2性能指标计算,谐振曲线：,=1（临界状态）,1.通频带,2.矩形系数,与单调谐放大器相比，更接近矩形。,双调谐放大器具有较好的选择性、较宽的通频带，并能较好的解决电压增益与通频带之间的矛盾，广泛应用于高增益、宽频带、选择性要求高的场合。,2.5高频调谐放大器的稳定性,小信号放大器的工作稳定性是很重要的性能指标之一，而上面所讨论的放大器都是假定工作在稳定状态，即输出信号对输入端没有影响（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。但实际上，晶体管是存在着反向输入导纳yre，即输出信号要反馈到输入端。本节主要讨论考虑yre后，对放大器工作稳定性的影响以及改善稳定性的方法。,在高频调谐放大器中，由于晶体体管集电结电容的内部反馈，形成了放大器的输出电路与输入电路之间的相互影响。它使高频调谐放大器存在工作不稳定的问题，主要表现在以下两种现象：（）当高频调谐放大器装配完毕后，进行输出回路（集电极负载回路）和输入回路（基极信号源一端的前级回路）调整时，由于的内部反馈作用，放大器的输入阻抗和输出阻抗相互影响，使得高频调谐放大器的调谐和阻抗匹配需要反复进行，使得高频调谐放大器的调整变的十分麻烦。,（）放大后的输出信号通过内部反馈，把一部分信号电压反馈到输入端。反馈电压反馈到输入端又放大，放大后再反馈，如此循环不已，在一定条件下，放大器也能在某些频率上自激振荡，使得放大器的功能完全破坏，而丧失了放大器的作用。此外，晶体管的内部反馈随频率而不同，在某些频率上是正反馈，在某些频率上是负反馈，正、负反馈的强弱也随频率而异，使得高频调谐放大器的输出电压或增益随频率变化的特性将受到影响。,一、调谐放大器的稳定性分析,实际上yre0，即输出电压可以反馈到输入端，引起输入电流的变化，从而可能使放大器工作不稳定。如果这个反馈足够大，且在相位上满足正反馈条件，则会出现自激振荡现象。,二、提高放大器稳定性的方法,1.中和法,2.失配法,用两只晶体管按共发一共基方式连接成一个复合管是经常采用的一种失配法。,由于共基电路的输入导纳较大，当它和输出导纳较小的共发电路连接时，相当于增大共发电路的负载导纳而使之失配，从而使共发晶体管内部反馈减弱，稳定性大大提高。,共发电路在负载导纳很大的情况下，虽然电压增益减小，但电流增益仍较大；而共基电路虽然电流增益接近1，但电压增益却较大。所以二者级联后，互相补偿，电压增益和电流增益都比较大，而且共发一共基电路的上限频率很高。,返回,继续,失配法通过增大负载电导YL，进而增大总回路电导，使输出电路严重失配，失配法以牺牲增益来换取电路的稳定。,由于共基电路的输入导纳较大，当它和输出导纳较小的共发电路连接时，相当于增大共发电路的负载导纳而使之失配，从而使共发晶体管内部反馈减弱，稳定性大大提高。,共射电路在负载导