第一章节-小信号调谐放大器(89)

1、 熟练掌握串、并联谐振回路的基本特性熟练掌握串、并联谐振回路的基本特性及其耦合联接方式及其耦合联接方式 熟练掌握高频小信号放大器的电路组成熟练掌握高频小信号放大器的电路组成和工作原理，并能应用和工作原理，并能应用晶体管晶体管Y Y参数等效参数等效电路计算其各项性能指标电路计算其各项性能指标 正确理解谐振放大器的稳定性正确理解谐振放大器的稳定性1.1 1.1 概述概述1 1、定义、定义 小信号小信号调谐调谐放大器放大器是一种是一种负载具有谐振负载具有谐振特性特性的放大器的放大器，具有，具有选频选频和和放大放大作用。作用。 工作于工作于小信号小信号状态，放大器件处于状态，放大器件处于线性线性工工作

2、范围作范围，所以采用，所以采用线性分析方法线性分析方法分析。分析。 1.1 1.1 概述概述2 2、分类、分类 选频选频方式方式分散选频分散选频集中选频：由集成宽放和集中滤波器集中选频：由集成宽放和集中滤波器单调谐放大器单调谐放大器参差调谐放大器参差调谐放大器耦合调谐放大器耦合调谐放大器谐振增益谐振增益 A AuouofAu/Auo10.7070.1fLfOfHBW0.7BW0.1放大器在谐振频率放大器在谐振频率f0上的电压增益上的电压增益(或功率增益或功率增益)3 3、主要性能指标主要性能指标图图1 1 小信号调谐放大小信号调谐放大器典型幅频特性曲线器典型幅频特性曲线fAu/Auo10.70

3、70.1fLfOfHBW0.7BW0.1通频带通频带 BW0.7LHffBW7 . 03 3、主要性能指标主要性能指标图图1 1 小信号调谐放大小信号调谐放大器典型幅频特性曲线器典型幅频特性曲线fAu/Auo10.7070.1fLfOfHBW0.7BW0.1选择性选择性是指谐振放大器从输入信号中是指谐振放大器从输入信号中选出有用信号，抑制干扰信号的能力选出有用信号，抑制干扰信号的能力抑制比抑制比 00()()()20lguuuuAfSAAfS dBA矩形系数矩形系数 7 .01 .01 .0BWBWK3 3、主要性能指标主要性能指标理想频率特性与实际频率特性的比较理想频率特性与实际频率特性的比

4、较0.7070.1BW0.7BW0.1图图2 2 理想频率特性与实际频率特性理想频率特性与实际频率特性稳定性稳定性指放大器的直流工作状态、放大器件指放大器的直流工作状态、放大器件( (如晶体管如晶体管) )以及电路元件参数等发生变化以及电路元件参数等发生变化时，放大器主要性能的稳定程度时，放大器主要性能的稳定程度。3 3、主要性能指标主要性能指标3 3、主要性能指标主要性能指标噪声系数噪声系数输入端的信噪比输入端的信噪比Psi/ /Pni与输出端的与输出端的信噪比信噪比Pso/ /Pno两者的比值两者的比值sinisonoPPNFPP1.21.2谐振回路谐振回路 LC谐振回路由谐振回路由电感电

5、感和和电容电容组成。若该电路在某组成。若该电路在某一频率的交变信号作用下一频率的交变信号作用下, ,能在电抗原件上产生最能在电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流，即具有大的电压或流过最大的电流，即具有谐振特性谐振特性，故，故该电路又称该电路又称谐振回路谐振回路。分类：分类：1.1.串联谐振回路串联谐振回路2.2.并联谐振回路并联谐振回路3.3.耦合谐振回路耦合谐振回路 1.2.1 1.2.1 串联谐振回路串联谐振回路 下图是最简单的串联回路。下图是最简单的串联回路。r r近似为电感线圈近似为电感线圈L的的内阻，内阻，r通常很小，可以忽略，通常很小，可以忽略，Ug为激励电压源。为激励电压源。

6、回路总阻抗回路总阻抗Z：11= r+jL+= r+j(L-)jCCZ图图3 3 串联谐振回路串联谐振回路回路电流回路电流I I：gg=1r + j(L -)CUUI=Z串联谐振角频率串联谐振角频率0:01 =LC特性阻抗特性阻抗 ：001= L= C回路谐振电流回路谐振电流I0：g0UI =r000 L1Q =r rCr空载品质因数空载品质因数Q0 ： 引入任意频率下的回路电流引入任意频率下的回路电流I I与谐振电流与谐振电流I I0 0之比之比)0UIrr1Z=U11IZr+j(L-L-rCC1+jr00000011= L1+ j(-)1+ jQ (-)r000220I1S=I 1+Q (-

7、)幅频特性方程：幅频特性方程：相频特性方程：相频特性方程：000=-arctanQ (-) 绝对失谐量：绝对失谐量： f=f-f0000000000220 -+-=2 f=2=2f广义失谐量：广义失谐量：000022fQQf当当与与0 0很接近时很接近时222220000111S=22f1+1+Q()1+Q()f002201S= 1+Q (-)幅频特性方程：幅频特性方程：相频特性方程：相频特性方程：000=-arctanQ (-)002f=-arctanQ=-arctanf22001S =2f1 + Q ()f002f=-arctanQf图图4 4 串联谐振回路的通用谐振曲线串联谐振回路的通用

8、谐振曲线问题：问题：Q0值对谐振曲线有什么影响？值对谐振曲线有什么影响？分析：分析：结论：结论： Q0值越高，曲线就越尖锐，选频特性就越好。值越高，曲线就越尖锐，选频特性就越好。22001S =2f1 + Q ()f002f= -arctanQfQ2Q1Q1Q20fS图图5 5 串联谐振回路的谐振曲线和相位特性曲线串联谐振回路的谐振曲线和相位特性曲线令令：1S =2则：则：00.70fBW=Q220011S=2f21+Q ()f通频带通频带220.7001=BW1+Q ()ffAu/Auo10.7070.1fLfOfHBW0.7BW0.10.10.10.7BWK=BW令令：S=0.1则：则：0

9、0.10.70fBW= 9.95= 9.95BWQ矩形系数矩形系数0.10.10.7BWK =9.95BWfAu/Auo10.7070.1fLfOfHBW0.7BW0.11.1.2.22.2 并联谐振回路并联谐振回路图图6 6 并联谐振回路并联谐振回路 下图是最简单的并联回路。下图是最简单的并联回路。 r r近似为电感线圈近似为电感线圈L的的内阻，内阻，r通常很小，可以忽略，通常很小，可以忽略，Ig为激励电流源。为激励电流源。g1r + jLjCUZ =1Ir + jL +jC+-UL/CZ1r + j L -C1.1.2.22.2 并联谐振回路并联谐振回路图图6 6 并联谐振回路并联谐振回路

10、pp1LR =GrC并联谐振电阻：并联谐振电阻：01 =LC特性阻抗特性阻抗 ：001= L= C并联谐振角频率并联谐振角频率0:空载品质因数空载品质因数Q0：000L1Q =rrC r 引入任意频率下的回路电压引入任意频率下的回路电压U与谐振电压与谐振电压U0之比之比100g0gpp0I ZUZr1= UI RRr+j L-1+jQ (-)C0022222000111S= 21+1+Q (-)1+Q ()000002f=-arctanQ (-)=-arctanQ=-arctanf串联谐振回路串联谐振回路并联谐振回路并联谐振回路电路形式电路形式 总阻抗（电导）总阻抗（电导）谐振频率谐振频率特性

11、阻抗特性阻抗品质因数品质因数通频带通频带谐振电阻谐振电阻rLCO1CLCLOO11OOOLQrrCrooQfBW7 . 0poLRQCrrLC1rjLj CZLCO1CLCLOO11OOOLQrrCrooQfBW7 . 01PGj Cj LY例例1.1 1.1 已知并联谐振回路中已知并联谐振回路中L=585H，若要求回路谐振在，若要求回路谐振在465KH频率上，试决定回路的电容量。若电感线圈频率上，试决定回路的电容量。若电感线圈L的损的损耗电阻耗电阻r=12，试求回路的谐振电阻、通频带及失谐，试求回路的谐振电阻、通频带及失谐f=10KH的选择性。的选择性。解：因为解：因为 所以所以 C=1/（

12、2f0）2L=200PF Rp=L/Cr=244K Q0=0L/r=142 BW0.7=f0/Q0=3.3KH 在失谐在失谐ff= =10KH10KH的选择性为的选择性为01f =2 LC2200110.162*101(2/)1(142*)465SQff1 1、 信号源及负载对谐振回路的影响信号源及负载对谐振回路的影响1.2.3 1.2.3 信号源和负载对谐振回路的影响信号源和负载对谐振回路的影响图图7 7 考虑信号源及负载影响的并联谐振回路考虑信号源及负载影响的并联谐振回路1 1、 信号源及负载对谐振回路的影响信号源及负载对谐振回路的影响Re=Rg/Rp/RLCe=Cg+C+CLeeRQ =

13、结论：谐振频率结论：谐振频率0下降；下降；QeQ0，选择性变差。，选择性变差。有载品质因数：有载品质因数：peLRCr例例1.2 1.2 已知已知L=585L=585H H，回路谐振频率，回路谐振频率465KHz465KHz，r r=12=12，信号源内阻信号源内阻RgRg和负载电阻和负载电阻R RL L均为均为200K200K，求，求谐振电谐振电阻、通频带及失谐阻、通频带及失谐ff= =10KHz10KHz的选择性。的选择性。解：解： Rp=L/Cr 因为因为 所以所以 C=1/（2f0）2L=200PF BW0.7=f0/Qe Qe=Re/0L Re=Rg/Rp/RL=200/244/20

14、0=71K01f =2LC/41.5eRL02f=465/41.5=11.2KH220110.492*101(2/)1 (41.5*)465eSQff=244K变压器耦合连接变压器耦合连接12NNn 21222LLLNRRRNn 2 2、 谐振回路的耦合连接谐振回路的耦合连接LR2V1V1L2L1N2NLR1L1Nn n = = =转转 换换 前前 的的 阻阻 抗抗转转 换换 后后 的的 阻阻 抗抗转转 换换 前前 的的 容容 抗抗 或或 感感 抗抗 或或 线线 圈圈 匝匝 数数转转 换换 后后 的的 容容 抗抗 或或 感感 抗抗 或或 线线 圈圈 匝匝 数数接入部分振荡回路的相应阻抗与被接入

15、接入部分振荡回路的相应阻抗与被接入部分振荡的相应阻抗之比。部分振荡的相应阻抗之比。自耦变压器耦合连接自耦变压器耦合连接212NNNn212222LLLNNRRRNn （）LR1N2N 双电感抽头耦合连接双电感抽头耦合连接122LL2L2()1()LLRRLRn 212LnLL双电容分压耦合连接双电容分压耦合连接211CCCnLLLRCCCnRR212212）（LR常用变量常用变量的变换的变换：22221;1;1=;RRGn GnLLCn CnnnUUII定义定义: :由两个或两个以上的单调谐回路通过各由两个或两个以上的单调谐回路通过各种不同的耦合方式组成。种不同的耦合方式组成。1.2.41.2

16、.4 耦耦 合合 回回 路路 IsG1L1C1C2L2G2CM+-+ L1 R2 L2 M C2 1V& R1 C1 互感耦合回路互感耦合回路电容耦合回路电容耦合回路图图8 双调谐耦合回路双调谐耦合回路1 12 2MMMMk k = = =L LL L L LMMMMMM1 1MM2 2MMC CC Ck k = = =C C+ + C C( (C C + + C C ) )( (C C + + C C ) )互感耦合系数互感耦合系数电容耦合系数电容耦合系数2022222200kQIgU =C1- +k Q+402max0IgQU=2 C02222 222max02kQUS=U(1- +k Q

17、 ) +422222S =(1- + ) + 4耦合谐振的通用曲线方程耦合谐振的通用曲线方程令耦合因数令耦合因数=k/kc=kQ0最佳全谐振：最佳全谐振：=0，临界耦合系数临界耦合系数K=Kc=1/Q0次级电压次级电压424S谐振曲线的形状及特点：谐振曲线的形状及特点：临界耦合（临界耦合（=1=1）弱耦合（弱耦合（111）耦合回路次级回路谐振曲线耦合回路次级回路谐振曲线22 222S=(1- + ) +40 00 0. .7 70 0f fB BWW= =2 2Q Q0 00 0. .7 70 0f fB BWW= = 3 3. .1 1Q Q0 00 0. .1 10 0f fB BWW=

18、= 4 4. .4 46 6Q Q00.100.100.70f4.46BWQK=3.15fBW2Q技术性能分析技术性能分析通频带：通频带：选择性选择性( (=1) )：=1=1=2.41结论：在同样的结论：在同样的f0和和Q0值下，值下，当当=1=1时，双调谐回时，双调谐回路在通频带和选择性上都比单调谐回路优越。路在通频带和选择性上都比单调谐回路优越。bieberececfebeoeceIY UY UIY UY U1.1.Y Y参数参数方程方程brebececoebece00UUIYUIYUbiecebecfecebe00UUIYUIYU1.3.1 1.3.1 晶体管高频晶体管高频Y Y参数等

19、效电路参数等效电路be+-ce+-beUceUbIcI+-beUceU+-ieYreceY UfebeY UoeYcIbIbeec1.3 1.3 小信号调谐放大器小信号调谐放大器2 2、混合、混合型等效电路型等效电路混合混合等效电路等效电路 频率较高时，频率较高时，C Cbcbc的容抗较小，可它并联的电的容抗较小，可它并联的电阻阻r rbcbc较大，相比之下较大，相比之下r rbcbc可以忽略。可以忽略。 r rcece较大，一般远远大于负载，所以也可以忽略。较大，一般远远大于负载，所以也可以忽略。对于高频管而言：对于高频管而言： 101020200 b cb cceCpF rKMrK几，混合

20、混合等效电路的简化等效电路的简化ce,bieU =0,bebbbebcb eI1Y =|=1Ur+1/+j(C+C )r3 3、Y Y参数的计算参数的计算beb,rbb,cb,erb,ecb,crefeieiereoeoe iejrejfefeoeYGjCYy eYy eYGjC考虑到考虑到 Cbe Cbc ，gmgbc，则对应的则对应的Y Y参数为参数为: :00900ieiebebererebcfemreoeceoebcGgCCyCygGgCC单调谐放大器单调谐放大器输入信号输入信号谐振回路谐振回路高频旁路电容高频旁路电容偏置电阻偏置电阻负载导纳负载导纳1.3.2 1.3.2 高频高频小信

21、号小信号谐振谐振放大器放大器1 1、 基本工作原理基本工作原理一、一、 单级单调谐单级单调谐放大器放大器单调谐放大器单调谐放大器2 2、等效电路、等效电路电源交流等效接地电源交流等效接地旁路电容交流短路旁路电容交流短路交流等效电路交流等效电路Y Y参数等效电路参数等效电路交流等效电路交流等效电路Yre=0fe11fe1() =nY UY U2oe11oe1221oe11oe1oe1oe1=+=+nn Gj n CGj CYY等效到线圈等效到线圈1313端端oo21UUn 2ie22ie2222ie22ie2ie2ie2=+=+nn Gj n CGj CYY45213NnN12113NnN0e1

22、2fLC22epoe1ie2poe1ie21222eoe1ie2oe1ie212GGGGGn Gn GCCCCCn Cn C谐振频率谐振频率：P0eee1G QQGG0p1QG其中：其中：有载品质因数为有载品质因数为：3 3、电路性能、电路性能v输出电压输出电压v电压增益电压增益AuAufei1oeeeee1 2feioo2e1+(1)(1)nGj CGjj LnnnGj YUUYYYUUUfe1 2ue(1)oiUnnUGjYAfe1 2u0ennGYAv谐振增益谐振增益AuoAuo电压增益电压增益AuAuAu/Auo10.7070.1fLfOfHBW0.7BW0.1电压增益谐振曲线电压增益

23、谐振曲线uu011jAAu2u02e011121 ()ASAfQf通频带通频带 BWBW0.7Au/Auo10.7070.1fLfOfHBW0.7BW0.10.70.72ofBWfQe矩形系数矩形系数 K K0.1Qe ，则通频带越宽功率增益功率增益ApAp2opiuoPAAPopi(dB)10 lgPAP或或单调谐放大器的矩形系数远大于单调谐放大器的矩形系数远大于1 1，也就，也就是说，它的谐振曲线和矩形相差甚远，选是说，它的谐振曲线和矩形相差甚远，选择性差，这是单调谐放大器的一大缺点。择性差，这是单调谐放大器的一大缺点。0.10.10.79.95BWKBW带宽增益积带宽增益积fe1 2u0

24、enn yAGe0e0ee0.7e00.722f CCGC BWfQBWAu0BW0.7= 常数 fe12e2nn yC例：单调谐放大器如图所示，放大器的中心频率例：单调谐放大器如图所示，放大器的中心频率fo=1MHz。已。已知晶体管在中心频率及工作点上的知晶体管在中心频率及工作点上的Y参数为：参数为：gie=0.4mS，Cie=140pF，goe=50S，Coe=20pF，Yfe=40mS，略去，略去Yre的影响；的影响；调谐回路的电感线圈调谐回路的电感线圈N13=100匝，匝， N12=40匝匝, N45=4匝。匝。CLCECBRERB2VCLRB1VCCRLuoui+_+_12345解：

25、交流电路及解：交流电路及Y Y参数等效电路参数等效电路gp例：单调谐放大器如图所示，放大器的中心频率例：单调谐放大器如图所示，放大器的中心频率fo=1MHz。已。已知晶体管在中心频率及工作点上的知晶体管在中心频率及工作点上的Y参数为：参数为：gie=0.4mS，Cie=140pF，goe=50S，Coe=20pF，Yfe=40mS，略去，略去Yre的影响；的影响；调谐回路的电感线圈调谐回路的电感线圈N13=100匝，匝， N12=40匝匝, N45=4匝。匝。求求Au0Au0=ge= gp+n12goe+ n22gL,Ce= C+n12Coe+ n22CL 103pFgp=ge=gp+n12g

26、oe+ n22gL=8.1+0.42 50+0.042 400=16.74( S)Au0=12feen n y-g0ep000 C11=RQ LQ360.4 0.04 40 103816.74 100.40.041211345213N40nN100N4nN1006-122 10 103 10=8.1(S)80求求BW0.7 BW0.7=6120ee6e210 103 1038.6516.74 10CQg6301025.87 10(Hz)38.65efQ求求S=0.5时的时的2 f0.5 220.500.522010.521()2111130.5eeSfQffQfS 300.73345 10 (

27、Hz)efBWQ2 f0.5=1.3.3 1.3.3 多级单调谐放大器的级联多级单调谐放大器的级联当单级放大器的增益不能满足要求时当单级放大器的增益不能满足要求时, ,即可采即可采取多级放大器级联。取多级放大器级联。多级放大器级联时，各级放大多级放大器级联时，各级放大器均调谐在同一频率上，称为器均调谐在同一频率上，称为同步调谐同步调谐。如果各级。如果各级放大器调谐在不同的频率上，就称为放大器调谐在不同的频率上，就称为参差调谐参差调谐。1、电压增益电压增益 若有若有n级单调谐放大器级联，则总增益为各级增级单调谐放大器级联，则总增益为各级增益的乘积，即益的乘积，即Au = Au1 Au2 Aun如

28、果各级参数相同，其增益相等，即如果各级参数相同，其增益相等，即Au1=Au2=Aun=Au则级联放大器总增益为则级联放大器总增益为 : Au =(Au)n 总谐振电压增益为总谐振电压增益为: Au0 =(Au0)n 2 2、谐振曲线、谐振曲线uunu0u0n2e0()1()21 ()SAAfQfAAv 随着级数随着级数 ，曲线越尖锐，选择性，曲线越尖锐，选择性 0.30.320.350.390.430.510.641.087654321n 与与n n的关系的关系1n21121n3 3、通频带、通频带0.7 1 11 1o on nn n0 0. .7 7e ef fB BWW= =2 2- -

29、1 1= =2 2- -1 1B BWWQ Q1n21称为称为3 3分贝分贝(dB)(dB)带宽缩减系数带宽缩减系数 4 4、矩形系数、矩形系数121100111 . 0nnK 当当n n3 3时，选择性改善程度不明显时，选择性改善程度不明显表表1.2 1.2 多级单调谐放大器的矩形系数多级单调谐放大器的矩形系数( (K0.1) )n与级数与级数n的关系的关系 2.562.943.03.13.23.43.754.89.95(K0.1)n87654321n1. 1. 基本基本电路和电路和工作原理工作原理1.3.41.3.4 双调谐回路小信号调谐放大器双调谐回路小信号调谐放大器4620222222

30、00kQIgU =C1- +k Q+402max0IgQU=2 C02222 222max02kQUS=U(1- +k Q ) +422222S =(1- + ) + 4耦合谐振的通用曲线方程耦合谐振的通用曲线方程令耦合因数令耦合因数=k/kc=kQ0最佳全谐振：最佳全谐振：=0，临界耦合系数临界耦合系数K=Kc=1/Q0次级电压次级电压2. 2. 电压增益电压增益0o22220IgQU = C1- +41feio2222en Y U(U ) =G1- +41feio22222en Y UU =nG1- +42. 2. 电压增益电压增益o12efu22 22ie(1)4Unn yAUG当工作于

31、谐振频率（当工作于谐振频率（ =0=0），且），且临界耦合临界耦合 =1=1时时：u2222u0m2(1)4ASA12efu0me2n n yAG424S谐振曲线的形状及特点：谐振曲线的形状及特点：临界耦合（临界耦合（=1=1）弱耦合（弱耦合（111）耦合回路次级回路谐振曲线耦合回路次级回路谐振曲线22 222S=(1- + ) +40 00 0. .7 70 0f fB BWW= =2 2Q Q0 00 0. .7 70 0f fB BWW= = 3 3. .1 1Q Q0 00 0. .1 10 0f fB BWW= = 4 4. .4 46 6Q Q00.100.100.70f4.46B

32、WQK=3.15fBW2Q技术性能分析技术性能分析通频带：通频带：选择性选择性( (=1) )：=1=1=2.41结论：在同样的结论：在同样的f0和和Q0值下，值下，当当=1=1时，双调谐回时，双调谐回路在通频带和选择性上都比单调谐回路优越。路在通频带和选择性上都比单调谐回路优越。1.3.5 1.3.5 小信号调谐放大器的稳定性小信号调谐放大器的稳定性1. 1. 晶体管内部反馈对放大器的影响晶体管内部反馈对放大器的影响其中其中Y Yr r是由是由Y Yrere的反馈引起的反馈导纳，的反馈引起的反馈导纳，即即refeiieieoeLrY YYYYYYYreferoeLY YYYY refeooeiegY YYYYY输出导纳：输出导纳：输入导纳：输入导纳：2 2、 改善放大器稳定性的措施改善放大器稳定性的措施（1 1）从晶体管本身想办法：）从晶体管本身想办法： 选选C Cb,c小的管子；小的管子；（2 2）从电路上设法消除晶体管的反向作用：）从电路上设法消除晶体管的反向作用：中和法中和法失配法失配法中和法中和法： 通过外部反馈电路来抵消晶体管内部反通过外部反馈电路来抵消晶体管内部