第2章 高频选频放大器-上

1、第二章第二章 高频选频放大器高频选频放大器 -小信号调谐放大器小信号调谐放大器乐燕芬乐燕芬通信工程通信工程o高频高频选频选频放大器：放大器：窄带窄带o本章主要内容本章主要内容小信号调谐放大器v接收设备v窄带窄带高频小信号放大 谐振回路谐振回路高频功率放大器v发送设备v丙类谐振功率放大器2.1 2.1 小信号调谐放大器概述小信号调谐放大器概述o作用：作用： 选频+放大o电路组成：电路组成： 谐振系统放大器o谐振系统的形式：谐振系统的形式： 单/双LC、晶体、陶瓷、声表面波滤波器o谐振系统的作用：谐振系统的作用： 选择有用信号，抑制干扰2.1 2.1 小信号调谐放大器概述小信号调谐放大器概述共射单

2、回路谐振放大器共射单回路谐振放大器o典型的小信号谐振放大器典型的小信号谐振放大器2.1 2.1 小信号调谐放大器概述小信号调谐放大器概述o主要技术指标主要技术指标谐振增益增益： 通频带通频带：BW0.7 -电压增益下降3dB或最大值的0.7倍时， 对应的频带宽度;要求大于信号带宽选择性选择性：BW0.1 -从各种频率信号中选出信号的能力,也 即选频电路对无用信号的抑制能力。 输出下降20dB或最大值的0.1倍时对应 的频带宽度 矩形系数：稳定性：温度变化时，AV0, f0，BW0.7 的稳定程度offVoViVoA电压增益：701010BWBWK./2.1 2.1 小信号调谐放大器概述小信号调

3、谐放大器概述2.1 2.1 小信号调谐放大器概述小信号调谐放大器概述o问：三个放大器的通频带和选择性曲线如下，哪问：三个放大器的通频带和选择性曲线如下，哪个放大器的性能好个放大器的性能好? ?2.2 2.2 单谐振回路单谐振回路LC谐振回路谐振回路o电抗、电阻的串并联等效转换电抗、电阻的串并联等效转换RpXpZp(j)(a)(b)RsXsZs(j)ssspppppppppppjXRZXXRRjRXRXjXRZ222222/ppppsppppsXXRRXRXRXR222222ssspssspXXRXRXRR2222类似也可得：2.22.2单谐振回路单谐振回路 LC谐振回路谐振回路o 由Q值的定义

4、可知：ppssXRRXQ 有功功率无功功率ssspssspXXRXRXRR2222ppppsppppsXXRRXRXRXR222222spspXQXRQR2211)1 (转换后电抗元件的性质不变，即电感转换后仍为电感，电容转换后仍为电容。sps2pXXRQR 当Q1时2.22.2单谐振回路单谐振回路 LC谐振回路谐振回路o并联谐振回路)C()Z(ppL1jR11j)(ppppLRCRj1RQ00)(:失谐系数),(容抗或感抗值谐振时特性阻抗CL1p0CRLRQ0pp0p/j1RQj1RjZp00p)()(CLC1Lp0p02.22.2单谐振回路单谐振回路 LC谐振回路谐振回路时，当0 QQ00

5、00202）（）（0pp2jQ1Rj1RZ20p2p2Q1R1R)(Z幅频特性：arctg相位特性：Q00)(:失谐系数QQ00022）（2.22.2单谐振回路单谐振回路 LC谐振回路谐振回路幅频特性和相频特性曲线时，回路呈容抗时，回路呈感抗00o 谐振时， - 回路纯电阻，为最大值RP - 回路端电压达最大值； - 电感和电容交换能量，与信号源没有能量交换Q20)2(1QRZp)2arctg(0Q2.22.2单谐振回路单谐振回路 LC谐振回路谐振回路o谐振曲线、通频带、选择性和矩形系数K0.1ZIVs:回路电压PsORIV谐振时：202)2(11110|QRZSpVV, 1,21时当S02Q

6、 Qf95.999Qf,BWS001 .0时当0.1QfBW0707. 02.22.2单谐振回路单谐振回路 LC谐振回路谐振回路959707. 01010.BWBWK.QfBW0707. 0Qf.BW.010959v LC回路的Q越高，谐振曲线越尖锐，选择性越好，但通频带却越窄。v 通频带通频带与选择性选择性 矛盾2.22.2单谐振回路单谐振回路 LC谐振回路谐振回路oLC串联谐振回路串联谐振回路LrCIZLC串联谐振回路 (1) 回路总阻抗： CLjrZ1 (3) 回路Q值(空载):rLQ0(2) 谐振频率： LC10(4) 通频带：QfBW07 . 0)(1RppppLRCRjZ (a)

7、串联谐振回路的阻抗特性2.22.2单谐振回路单谐振回路 LCLC谐振回路谐振回路(b) 并联谐振回路的阻抗特性CLjrZ1Z()()Z()2()02Z()()()2Z()022.22.2单谐振回路单谐振回路 LCLC谐振回路谐振回路o课堂习题课堂习题1 1要求并联谐振回路的谐振频率f0=5MHz，通频带BW=150kHz，若给定回路电容C=50pF。 1) 求回路电感L和品质因数Q。 2) 信号源频率为5.5MHz时，衰减量为多少dB？ 3) 若要将通频带BW扩展至300kHz，应在回路两端并联多大的电阻？2.22.2单谐振回路单谐振回路 LCLC谐振回路谐振回路o课堂习题课堂习题2 2 如图

8、所示高Q电路，Rs=100K，L=100H，r=10 (电感的铜损电阻)，C=100pF，RL=50K，Is=1mA。计算谐振回路的总品质因素（或称有载品质因数）和回路两端电压。2.22.2单谐振回路阻抗变换单谐振回路阻抗变换o信号源内阻及负载对谐振回路的影响等效)b(图00/QLRQRRRRbTLLPST）图中：（001TLSTLCCCCC)a (图空载空载和有载有载品质因素的概念引起什么问题？2.22.2单谐振回路阻抗变换单谐振回路阻抗变换o(1)接入系数 p 定义为接入电压V2与回路总电压V1的比值12NNp .)( 自耦变压器图 a.)( 变压器图 b2.22.2单谐振回路阻抗变换单谐

9、振回路阻抗变换)()(M2LLjIMLjIUUp21k2k12MLLML221221220LLLLLpM 若图(c)电感分压式 图(d) 电容分压式2k2k12CCj1Ij1IUUpCC2121:CCCCC总电容211CCCp2.22.2单谐振回路阻抗变换单谐振回路阻抗变换o(2)负载阻抗的部分接入RVRRVRLLLL2122:吸收功率吸收功率RVRVLL21222221)(pLLLRRVVR)(e图)(e图2.22.2单谐振回路阻抗变换单谐振回路阻抗变换求CS和ISsssspI I,CpC2:同理2.22.2单谐振回路阻抗变换单谐振回路阻抗变换。和通频带，求谐振频率，负载，谐振电路。信源内阻

10、下图中电容分压式并联例BWfpfCpfCHLrKRKRLg021140014020081005 :解解:电路等效为2.22.2单谐振回路阻抗变换单谐振回路阻抗变换sspsspXXQXRQRQR 202020111)(u电抗的串并联转换：u信号源的部分接入：2pRRgg MHzCCCCLLCf12121212101578102001026600rLQKrQRp1971578220k.pRR.CCCpgg604091010509102322112.22.2单谐振回路阻抗变换单谐振回路阻抗变换K/R/RRRLpg60.92.208 .47108 .47102001021060606630KHzQfB

11、WLRQLL2.22.2单谐振回路阻抗变换单谐振回路阻抗变换2.3 2.3 耦合谐振回路耦合谐振回路o单谐振回路存在选择性和通频带的矛盾单谐振回路存在选择性和通频带的矛盾o解决：两个单谐振回路耦合解决：两个单谐振回路耦合(a)互感耦合谐振回路 (b)电容耦合谐振回路 两种常见的耦合谐振回路 v 耦合系数耦合系数21LLMk )(02010CCCCCCCk2.3 2.3 耦合谐振回路耦合谐振回路o频率特性分析频率特性分析kQ耦合因数耦合因数互感耦合等效电路互感耦合谐振回路 输出电流I2的幅频特性曲线o1，松耦合，通频带窄，峰值小o1，强耦合，出现双峰，谐振时出现凹陷，越大，凹陷越大，带宽更大，但

12、通带内曲线起伏对信号有影响。当凹陷处值小于0.707时失去应用价值o1，临界耦合，接近理想曲线，最佳工作状态 输出电流I2的幅频特性曲线QfBW02QfBW041 . 099215. 31 . 0K959)(10.K.单谐振回路2.3 2.3 耦合谐振回路耦合谐振回路o电容耦合谐振回路电容耦合谐振回路传输阻抗Zt的幅频特性曲线2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器o 小信号谐振放大器概述小信号谐振放大器概述线性放大器：线性模型的等效电路分析法窄带放大：负载为谐振回路调谐放大器和频带放大器v超外差收音机中频放大器465KHz,电视机图像中频放大器38MHz,伴音中频放大器为31

13、.5MHz主要要求：v对有用信号增益高v选择性好v工作稳定可靠2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器o晶体管混合参数等效电路构成反馈通道，集电极负载随频率变化时，反馈也剧烈变化，从而严重影响放大器的频率特性2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器oY参数等效电路参数等效电路小信号放大，工作于线性区窄带信号bebUbIcIcUce(a)bebUyiecreUybfeUyyoececUcIbI(b)受控电流源yreUc表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）。yre越大, 表示晶体管的内部反馈越强。2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器o特点

14、：特点：小信号放大 在线性范围内工作(甲类)并联谐振回路作为负载 选频滤波采用部分接入方式 提高有载Q值，有利于阻抗匹配和调整 通频带典型线路共射单回路谐振放大器共射单回路谐振放大器2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器u LC并联谐振回路作为晶体管的集电极负载, 其谐振频率调谐在输入有用信号的中心频率上。u LC回路与本级晶体管的耦合采用自耦变压器耦合方式(部分接入), 这样可减弱晶体管输出导纳对回路的影响。o负载（或下级放大器）与回路的耦合采用变压器耦合方式, 这样, 既可减弱负载（或下级放大器）导纳对回路的影响, 又可使前、后级的直流供电电路分开。o 共射单回路谐振放大

15、器共射单回路谐振放大器 变压器耦合输入 晶体管放大 LC单谐振回路选频输出2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器1.输入信号频率为LC谐振频率时，谐振回路呈现很大的纯电阻，放大器增益最大（放大器增益与负载成正比）2.信号频率偏离谐振频率，回路失谐，阻抗变小，放大器增益减小3.放大器放大谐振频率附近的信号，抑制其他信号，为选频放大器4.工作频率高，所以旁路电容的容量较小（相比较低频放大工作时）2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器o分析左边电路，取走Ry,对电路性能影响如何Ry取走，负载电导负载电导YL ，Av0 有载有载Q值值带宽带宽BW 2.4 2.4 单

16、管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器o 利用等效电路分析利用等效电路分析, ,可得可得为了增大Av0, 要求负载电阻大。而谐振电阻取决于回路空载Q值, 且成正比。Av0与p1、p2有关, 而p1和p2会影响回路有载Q值，并进一步影响通频带,所以p1与p2的选择应全面考虑, 选取最佳值。o 实际放大器的设计是要在满足通频带和选择性的前提下, 尽可能提高电压增益。接入系数(折合到全回路两端)1345213121NNpNNp2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器o多级单调谐放大器多级单调谐放大器 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。 设放大器有n

17、级, 各级电压增益振幅分别为Av1, Av2, , Avn,则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积, 即AnAv1Av2Avn nLnn)Q(S)211()11(202 选择性 2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器1210nLnQfBW带宽缩减因子,21S当通频带v n级相同的单调谐放大器的总增益比单级放大器的增益提高了, 而通频带比单级放大器的通频带缩小, 且级数越多, 频带越窄。 换句话说, 如多级放大器的频带确定以后, 级数越多, 则要求其中每一级放大器的频带越宽。2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器n1234561.000.640.510.43

18、0.390.35K0.19.954.803.763.403.203.10121nv 当n 增大时，矩形系数 K0.1减小, 选择性得到了改善。矩形系数121100111.0nnnK2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器o谐振放大器的稳定性谐振放大器的稳定性o 传输导纳传输导纳yre0, 即输出电压可以反馈到输入端即输出电压可以反馈到输入端,使放大器的输入、输出导纳，分别与负载及信号源导纳有关，则调整输出回路时使输入端受影响，调整输入回路时，输出导纳改变，影响输出电路的调谐和匹配； 引起输入电流的变化, 从而可能引起放大器工作不稳定。如果这个反馈足够大, 且在相位上满足正反馈条

19、件, 则会出现自激振荡。 从晶体管本身出发, 减小其反向传输导纳yre值。 yre-j Cbc。yre的大小主要取决于集电极与基极间的结电容Cbc(密勒电容)。所以选择Cbc尽可能小, 使反馈容抗增大, 反馈作用减弱； 从电路上设法消除晶体管的反向作用, 使它单向化。中和法中和法失配法失配法2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器o中和法：中和法：在放大器外部采取措施抵消内部反馈，从而实现放大器的单向化p优点优点：基本不影响放大：基本不影响放大管的增益管的增益p缺点缺点：中和电容只能在：中和电容只能在某一频率上起抵消作用，

20、某一频率上起抵消作用，只能用于窄带谐振放大器。只能用于窄带谐振放大器。2.4 2.4 单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器o失配法失配法信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配，晶体管输出端的负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。增大负载导纳增大负载导纳YL, 使输出电路严重失配使输出电路严重失配, 回路总电导回路总电导g增大，输出增大，输出电压相应减小电压相应减小, 从而反馈到输入端的电流减小从而反馈到输入端的电流减小, 这样对输入端的影这样对输入端的影响也就减小了。可见响也就减小了。可见, 失配法是用牺牲增益来换取电路稳定的。失配法是用牺牲增益来换取电路稳定的。 YiV1V2Yo共射共基电路构

21、成复合管 由于共基电路的输入导纳较大, 因此当它和输出导纳较小的共射电路连接时,相当于使V 1的负载导纳增大而失配单片集成小信号谐振放大器MC1490内部电路图V447070UAGCV5V64701.5 k5.5 k12.1 kV7V845V9V10()()OutputsUCC2.8 k2002002.8 k2001.9 k1.4 k5.6 k1.1 k1.1 k()()InputsV1V2668.4 kV32 k5 k5 k546281372.2.5 5 集中选频小信号谐振放大器集中选频小信号谐振放大器o通信高频段，放大器需要较好的选择性，而对通信高频段，放大器需要较好的选择性，而对LC谐振

22、回路，谐振回路，Q 值一般很难达到值一般很难达到100以上以上o高高Q 滤波器滤波器(集中选频滤波器集中选频滤波器)石英晶体滤波器陶瓷滤波器声表面波滤波器2.2.5 5 集中选频小信号选频放大器集中选频小信号选频放大器o晶体滤波器和陶瓷滤波器晶体滤波器和陶瓷滤波器石英晶体具有压电效应石英晶体具有压电效应v六棱锥体：光轴、电轴、机械轴六棱锥体：光轴、电轴、机械轴 正压电效应正压电效应沿机械轴方向受力时，在电轴方向也产生电场； 逆压电效应逆压电效应沿某一电轴方向受到交变电场作用时，沿机械轴方向产生机械振动； 石英晶体是能完成电能和机械能互相转化的可逆换能器件； 谐振特性谐振特性-当晶体几何尺寸和结

23、构一定时, 它本身有一个固有的机械振动频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时, 晶体片的机械振动最大, 晶体表面电荷量最多, 外电路中的交流电流最强, 于是产生了谐振2.2.5 5 集中选频小信号选频放大器集中选频小信号选频放大器o 某些常用的陶瓷材料（如锆钛酸铅，即PbZrTiO3）与石英晶体一样，也具有类似的压电效应和谐振特性。o 压电陶瓷片和石英晶体均具有谐振电路的特性，其空载品质因数可达几百以上，选择性非常好。o 通信电路中常用的是三端陶瓷（或晶体）滤波器， 其电路符号如图所示。其中1、3是输入端，2、3是输出端。123三端陶瓷滤波器符号2.2.5 5 集中选频小信号选频放大器集中选频小信号选频放大器o 声表面波滤波器声表面波滤波器SWAFSWAF利用某些晶体（如石英晶体、铌酸锂LiNbo3等）的压电效应和