小信号谐振放大器

1、第第 1 章章小信号谐振放大器小信号谐振放大器1.1概述概述1.2选频网络选频网络1.3晶体管高频小信号等效电路与参数晶体管高频小信号等效电路与参数1.4晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器1.5谐振放大器的稳定性谐振放大器的稳定性1.1 概述概述 在无线通信中，发射与接收的信号应当适合于空在无线通信中，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，且，通过长距离的通信传输，信号受到衰减和

2、干扰，到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号，在做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。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。小信号放大器，作为中频放大器对已调信号进行放大。1.谐振放大器的组成谐振放大器的组成2.主要功能主要功能放大器件放大器件 负载负载（选频网络）（选频网络）（谐振系统）（谐振系统）

3、 放大、滤波（选频）放大、滤波（选频） 从接收的众多电信号中，选出有用信号并加以放大，从接收的众多电信号中，选出有用信号并加以放大，同时对无用信号、干扰信号、噪声信号进行抑制，以提同时对无用信号、干扰信号、噪声信号进行抑制，以提高接收信号的质量和抗干扰能力。高接收信号的质量和抗干扰能力。3.高频小信号放大器分类高频小信号放大器分类以谐振回路为负载的谐振放大器以谐振回路为负载的谐振放大器双谐振回路单谐振回路LCLC声表面滤波器陶瓷滤波器晶体滤波器以滤波器为负载的集中选频放大器以滤波器为负载的集中选频放大器 （固体滤波器）（固体滤波器）滤波器高频放大器混频器中频放大器解调器本地振荡器低频放大器信宿

4、自动增益控制4.工作方式工作方式v调谐放大：谐振于外来信号；调谐放大：谐振于外来信号；v频带放大：谐振频率不变。频带放大：谐振频率不变。输入信号幅度小输入信号幅度小频带窄频带窄负载是谐振系统负载是谐振系统工作在甲类线性状态工作在甲类线性状态5.特点特点1.2选频网络选频网络1.2.1串联谐串联谐 振回路振回路1.2.2并联谐振回路并联谐振回路1.2.3串、并联阻抗等效互换与回路抽头串、并联阻抗等效互换与回路抽头 时的阻抗变换时的阻抗变换1.2.4选择性滤波器选择性滤波器引引 言言1选频的基本概念选频的基本概念 选出需要的频率分量，同时滤除不需要的频率分量选出需要的频率分量，同时滤除不需要的频率

5、分量2选频网络的分类选频网络的分类LCLC单振荡回路振荡回路（由 、 组成）耦合振荡回路集中滤波器石英晶体滤波器各种滤波器陶瓷滤波器声表面波滤波器3选频网络在通信电子线路中的主要用途选频网络在通信电子线路中的主要用途p前端选择性电路前端选择性电路p高频小信号放大器负载高频小信号放大器负载p中频放大器负载中频放大器负载p高频功率放大器负载高频功率放大器负载p混频器负载混频器负载p正弦波振荡器回路正弦波振荡器回路p调整电路负载调整电路负载1.2.1串联谐振回路串联谐振回路1回路阻抗回路阻抗 串联谐振回路串联谐振回路zezCLRxRz j)1( jj 2222)1(CLRxRz RCLRxz 1ar

6、ctanarctan 当当 时，时， ，电路呈容性；，电路呈容性；00 x当当 时，时， ，电路呈感性；，电路呈感性；00 x当当 时，时， ， ，电路达到串联谐振。，电路达到串联谐振。00 xRz 01LC回路谐振时的感抗或容抗称为回路谐振时的感抗或容抗称为特性阻抗特性阻抗，用，用 表示表示 CLCL 001 2谐振频率谐振频率 fo 01000 CLx 由由，得，得LC10 LCf120 3品质因数品质因数 Q 谐振时回路感抗值（或容抗值）与回路电阻谐振时回路感抗值（或容抗值）与回路电阻R的比值称为的比值称为回路的品质因数，以回路的品质因数，以Q表示，它表示回路损耗的大小。表示，它表示回路

7、损耗的大小。CLRRCRRLQ1100 4广义失谐系数广义失谐系数 000001QRLRCLRx谐振时的电阻失谐时的电抗值当当 ，即失谐不大时，即失谐不大时0 0000002()()()()22QQfQQf当谐振时，当谐振时，0 j111j11)1( j)1( j)(0RCLCLRRRvCLRvIIfNss谐振点电流失谐处电流5谐振曲线谐振曲线6通频带通频带 当回路外加电压的幅值不变时，改变频率，回路电流当回路外加电压的幅值不变时，改变频率，回路电流I下降下降到到I0的的 时所对应的频率范围称为谐振回路的通频带。时所对应的频率范围称为谐振回路的通频带。21127 . 02B或或127 . 02

8、fffB201121II当当 时，时，102Q而而 ，故有，故有Q07 . 02所以所以QffB07 . 027信号源内阻和负载对串联谐振回路的影响信号源内阻和负载对串联谐振回路的影响RL+-sVRRL+-sVCLRS 通常把没有接入信号源内通常把没有接入信号源内阻和负载电阻时回路本身的阻和负载电阻时回路本身的Q值叫作空载值叫作空载Q值。值。00QRLQ 把接入信号源内阻和负载把接入信号源内阻和负载电阻时的电阻时的Q值叫作有载值叫作有载Q值。值。LLsQRRRLQ0 可见，串联谐振回路适于可见，串联谐振回路适于RS很下（恒压源）和很下（恒压源）和RL不大的电不大的电路，只有这样路，只有这样QL

9、才不至于太低，保证回路有较好的选择性。才不至于太低，保证回路有较好的选择性。1.2.2并联谐振回路并联谐振回路 串联谐振回路适用于信号源内阻很小的恒压源，但电子串联谐振回路适用于信号源内阻很小的恒压源，但电子电路信号源内阻一般都很大，基本上可看作恒流源，如晶体电路信号源内阻一般都很大，基本上可看作恒流源，如晶体管放大器的内阻约为几千至几十千欧，故不能采用串联回路，管放大器的内阻约为几千至几十千欧，故不能采用串联回路，而应采用并联谐振回路。而应采用并联谐振回路。1回路阻抗回路阻抗 11jjjj11jjjrLrLCCZrLrLCC一般一般 ，所以，所以Lr111jjLCZCrrLLCLC11jjC

10、rYLGBZLC并联回路采用导纳分析比较方便，其导纳为并联回路采用导纳分析比较方便，其导纳为2谐振频率谐振频率 01LC012fLC0010BCL由由 得得当不满足当不满足 条件时，条件时，可推导可推导Lr2021rLCL谐振时谐振时2020()11()eoeoLLZRGrCrCr3品质因数品质因数 000eoeoeoLRRCQRrLL注意：注意：r为串联在电感支路的损耗电阻；为串联在电感支路的损耗电阻； Reo为并联谐振回路的谐振电阻。为并联谐振回路的谐振电阻。00001eoRQQLC4广义失谐广义失谐 0001eoeoeoCCBLGGG失谐时的电纳谐振时的电导当失谐不大时当失谐不大时002

11、Q5谐振曲线谐振曲线 000( )1j()11j11jsseoeoeoeoeoIVYN fIVGGGYGCLQ失谐时回路端电压谐振时回路端电压6通频带通频带 127 . 02B或或127 . 02fffB201112VV当当 时，时，0.70021fQf所以所以00.702fBfQ 当回路电压的下降到最大值的当回路电压的下降到最大值的 时所对应的频率范围时所对应的频率范围 称为并联谐振回路的通频带。称为并联谐振回路的通频带。217信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路的影响信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路的影响 1ssRG1eoeoRG有载有载Q值为值为0011()(1)LsLeosLeoeoe

12、oQGGL GGGLGGG由于由于0001eoeoCQLGG故故01LeoeosLQQRRRR小结：并联谐振回路的几个参数小结：并联谐振回路的几个参数 Reo通常称为回路的空载谐振电阻通常称为回路的空载谐振电阻Geo通常称为回路的空载谐振电导通常称为回路的空载谐振电导 （回路本身固有的）（回路本身固有的） 001LLCC00LQr串CRLRQeoeo000并并联电路空载品质因数并联电路空载品质因数 由于串联电路和并联电路等效，有由于串联电路和并联电路等效，有并串00QQQ Q越大，则回路损耗越小越大，则回路损耗越小200000200()11()eoLLRQLQQrCrCrC空载谐振电阻空载谐振

13、电阻 特性阻抗特性阻抗 串联电路空载品质因数串联电路空载品质因数 例题：图示并联谐振回路，并联回路的无载例题：图示并联谐振回路，并联回路的无载Q值值Qp80，谐振，谐振电阻电阻Rp25k ，谐振频率，谐振频率f030MHz，信号源电流幅度，信号源电流幅度 Is0.1mA。（1）若信号源内阻）若信号源内阻Rs10k ，当负载电阻，当负载电阻RL不接时，问通频不接时，问通频带带B和谐振时输出电压幅度和谐振时输出电压幅度V0是多少？是多少？（2）若）若Rs= 6k ，RL= 2k ，求此时的通频带，求此时的通频带B和和V0是多少？是多少？并联电阻越小，则并联电阻越小，则QL越低，通频带越宽越低，通频

14、带越宽 解解：（：（1）（2）1.2.3串、并联阻抗等效互换与回路抽头串、并联阻抗等效互换与回路抽头 时的阻抗变换时的阻抗变换1串、并联阻抗的等效互换串、并联阻抗的等效互换 等效：当电路的谐振频等效：当电路的谐振频率等于工作频率时，从率等于工作频率时，从A、B两端看进去的阻两端看进去的阻抗（或导纳）相等。抗（或导纳）相等。22222222112222222222j()jjjxR xR xR xRRxRxRxRx得得22212222xR xRRRx22212222R xxRx可见可见x1与与x2电抗的性质相同，而电抗的性质相同，而111LxxQRR222LRQx12LLLQQQ所以所以22222

15、122222222211xLR xRRRRRRxQx即即221(1)()LxRQRR221222212111LxxxxQR所以所以212111LxxQ当当 时，时，1LQ221()xLRRR Q21xx 这表明串联电路转换等效并联电路后，电抗这表明串联电路转换等效并联电路后，电抗x2的性质与的性质与x1相同，在相同，在QL较高的情况下，其电抗较高的情况下，其电抗x基本不变，而并联电路的基本不变，而并联电路的电阻电阻R2比串联电路的电阻（比串联电路的电阻（R1Rx）大）大QL2倍。倍。 串联形式电路中串联的电阻愈大，则损耗愈大，并联形式串联形式电路中串联的电阻愈大，则损耗愈大，并联形式电路中并联

16、的电阻愈小，则分流愈大，损耗愈大，反之亦然。电路中并联的电阻愈小，则分流愈大，损耗愈大，反之亦然。所以两种电路是完全等效的。所以两种电路是完全等效的。2回路抽头时阻抗的变化（折合关系）回路抽头时阻抗的变化（折合关系） Rs和和RL对回路的对回路的Q值有影响，实际应用中为了减小信号源值有影响，实际应用中为了减小信号源内阻和负载对回路的影响，常采用抽头接入的方式（也称部内阻和负载对回路的影响，常采用抽头接入的方式（也称部分接入方式）。分接入方式）。（1）接入系数接入系数接入系数接入系数P为抽头点电压与端电压的比为抽头点电压与端电压的比abdbVPV 根据能量等效原则根据能量等效原则22abbdss

17、VGVG 因此因此22ab22bd1sssssVGGP GRRVPabdbVV ，故，故 ，即，即 （低抽头（低抽头高抽头）高抽头）1P ssRR 111212LNPLLNNN为匝数，式中未考虑互感为匝数，式中未考虑互感1122LMPLLM 若考虑互感若考虑互感若采用电容抽头若采用电容抽头21122121211CCC CCPCCCCCCC 注：以上得出的两个接入系数注：以上得出的两个接入系数P的计算式都是假定外接的计算式都是假定外接在在ab端的阻抗远大于端的阻抗远大于 或或 时才成立。时才成立。1L 21C 结论：结论：当低抽头折合到回路高端时，等效导纳降低p2倍，等等效电阻提高 倍，Q值提高

18、许多。 因此，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是可采用部分接入方式（抽头接入）21p（2）电流源的折合电流源的折合变换前后功率不变变换前后功率不变abbdssIVIV 故故abbdsssVIIP IV 即由低抽头向高抽头变化时，电流源减小了即由低抽头向高抽头变化时，电流源减小了P倍。倍。（3）负载电容的折合负载电容的折合21LLRRP 由由 得，得，2111LLCPC 因此因此2LLCP C 即折合后电容减小，阻抗加大。即折合后电容减小，阻抗加大。例例2-2 图示紧耦合抽头电路，给定回路谐振频率图示紧耦合抽头电路，给定回

19、路谐振频率f0465kHz，Rs27k ，Rp172k ，RL= 1.36k ，空载，空载Q0100，P1 0.28，P2 0.063， Is1mA，求回路通频带，求回路通频带B和和sI 解：解：（4）插入损耗插入损耗 由于回路谐振电阻由于回路谐振电阻Rp存在，因此信号源的功率不能全部存在，因此信号源的功率不能全部送给负载送给负载RL，有一部分功率被，有一部分功率被Rp消耗了。这种回路本身引消耗了。这种回路本身引起的损耗，称为插入损耗，用起的损耗，称为插入损耗，用Ki表示。表示。 回路无损耗时的输出功率回路无损耗时的输出功率P1Ki= 回路有损耗时的输出功率回路有损耗时的输出功率P10ppRG

20、 ，无损耗时：无损耗时：2210sLLsLIPV GGGG 有损耗时：有损耗时：2211sLLsLpIPV GGGGG 2212111sLpipsLsLpGGGPKGPGGGGG 00011LpspLQQGLGGGL 所以所以又又故故211011iLPKQPQ 通常在电路中希望通常在电路中希望Q0大，大，即插入损耗小即插入损耗小1.2.5选择性滤波器选择性滤波器 在通信电子线路中，除了应用单谐振回路及耦合振荡回在通信电子线路中，除了应用单谐振回路及耦合振荡回路作为选频网络外，还广泛应用各种滤波器，主要有路作为选频网络外，还广泛应用各种滤波器，主要有LC集集中选择性滤波器，石英晶体滤波器，陶瓷滤

21、波器和声表面中选择性滤波器，石英晶体滤波器，陶瓷滤波器和声表面波滤波器等。波滤波器等。1LC集中选择性滤波器集中选择性滤波器LC集中选择性滤波器由五节单节滤波器组成，有六个调谐回路的带通滤波器，图中每个谐振回路都谐振在带通滤波器的f2上，耦合电容C0的大小决定了耦合强弱，因而又决定了滤波器的传输特性，始端和末端的电容 分别连接信号源和负载，调节它们的大小，可以改变信号源内阻Rs、负载RL与滤波器的匹配，匹配好了可以减少滤波器的通带衰减。节数越多，则带通曲线越陡。0C 2. 2. 石英晶体滤波器石英晶体滤波器 石英是矿物质硅石的一种, 化学成分是i2,它的形状是六棱柱锥体，它的横断面是正六边形。

22、1) 1) 物理特性物理特性（1） 各向异性（2） 压电效应： 正压电效应 ： 机械力电场力 逆压电效应 ： 电场力机械力（3）弹性和惯性2)2)石英晶体的结构石英晶体的结构 六棱柱锥体的对顶角的连线叫六棱柱锥体的对顶角的连线叫Z Z轴，轴，由于光线沿此轴方向通过晶体会产生偏由于光线沿此轴方向通过晶体会产生偏振，所以又叫做光轴。正六边形对顶点振，所以又叫做光轴。正六边形对顶点的连线叫的连线叫X X轴，对边的法线叫轴，对边的法线叫Y Y轴。因为轴。因为石英晶体沿石英晶体沿X X轴或轴或Y Y轴方向存在压电效应，轴方向存在压电效应，所以又把所以又把X X轴叫电轴，轴叫电轴，Y Y轴叫机械轴。轴叫机

23、械轴。 注意，这里所指的轴不是一根或几根注意，这里所指的轴不是一根或几根直线，而是指这个方向的平行线，在同直线，而是指这个方向的平行线，在同一方向上，晶体的性质相同。石英振荡一方向上，晶体的性质相同。石英振荡器中所用的石英晶体片是从六棱柱锥体器中所用的石英晶体片是从六棱柱锥体中切割出来的一小片。中切割出来的一小片。 根据性能要求切割的晶体片与根据性能要求切割的晶体片与X X轴、轴、Y Y轴、轴、Z Z轴的夹角都有严格的要求，不同轴的夹角都有严格的要求，不同的夹角，晶体片的性能不同。把晶体片的夹角，晶体片的性能不同。把晶体片两侧面镀上银层，做成两个极板，再焊两侧面镀上银层，做成两个极板，再焊上电

24、极的引线，用盒子封装起来，引出上电极的引线，用盒子封装起来，引出电极的引线，就构成了石英谐振器。市电极的引线，就构成了石英谐振器。市场卖的石英晶体就是指这种石英谐振器。场卖的石英晶体就是指这种石英谐振器。ZXXZ(a)(b)YYXXYXY 石英晶体的性能各个方向不同。Z轴方向有光的偏振，X、Y轴方向具有压电效应，不同切割方式的石英晶体片的性能也不同。如温度性能，AT切割方式，即与Z轴夹角3521、与X轴夹角0切割出的石英晶体片，它的相对频率变化量f/f 与温度T是三次方关系。在5055范围内， f/f 0 。石英晶体石英晶体滤波器滤波器 其振动频率的基频与厚度成反比； 其基频一般为25MHz以

25、下，通常高于15MHz就建议用泛音。 泛音是机械振动固有频率（基频）的谐波，可达到较高的频率。 石英谐振器只有奇次泛音，没有偶次泛音。 由天然或人工生成的石英晶体切片制成。 AT切型，用得较广。（d）(e)晶体商标注：MHz的一般为泛音晶体 KHz的一般为基音晶体 当晶体固有频率与信号频率一致时，振动最强 3 3）石英谐振器的等效电路）石英谐振器的等效电路Lq 模拟石英谐振器的惯性Cq 模拟石英谐振器的弹性rq 模拟摩擦产生的阻力C0 支架电容（+静态电容）(a)(b)晶体C0Cq1rq1Lq1Cq3rq3Lq34 4）石英谐振器的电抗特性）石英谐振器的电抗特性Lq 石英谐振器等效（动态）电感

26、 约几十mH到H Cq 石英谐振器等效（动态）电感 约几PF rq 石英谐振器等效（动态）电阻 约几欧到几百欧C0 支架电容（+静态电容）量级541010 qqrLQ当忽略rq时，其中：001)1()1(1CjCLjrCLjrCjXqqqqqqcr等效电路的阻抗的一般表示式为CLCLCCLCCLCqqqqqqq1)1(1)1(1)1(100000CCCCCqq如果有如果有 01qsqsCL则 0crX（串联谐振）qqsCL1qqsCLf2101CLpqp则 crX（并联谐振） )21 (100000CCCCCCCLCCCLqsqsqqqqp)211 (0CCffqsp串联谐振频率是石英谐振器本

27、身固有的，由于C0的存在，它还有并联谐振频率，这是石英谐振器的特性。由于CqC0 ，所以p略大于s ，等效阻抗曲线 如图： 从图中可看出 ； p p : : 呈容性；呈容性； s s : : 电抗为零电抗为零（短路或纯阻）；（短路或纯阻）； p p : :电抗为电抗为s s p p : :呈感性，呈感性，可等效为一个电感。可等效为一个电感。 通常将石英晶体等效为一个电感来使用，其电感值很大，可以提高品质因数（也可以在s点使用，一般不用在呈容性的频段）。 Xcr 容性 O 容性 s p 感性 实际使用时，晶体两端接有电容CL 称为电容CL晶体负载电容。C CL L)211 (:0LqsNCCCf

28、f并联谐振频率fN称为标称频率（标在晶体外壳上的振荡频率）3. 3. 陶瓷滤波器陶瓷滤波器 陶瓷滤波器是由压电陶瓷材料做成的具有选频特性的器陶瓷滤波器是由压电陶瓷材料做成的具有选频特性的器件。件。 它具有它具有无需调谐、体积小、无需调谐、体积小、 加工方便加工方便等优点等优点, , 但工作但工作频率不太高（几十兆赫兹以下）频率不太高（几十兆赫兹以下）, , 相对频宽较窄。相对频宽较窄。 某些常用的陶瓷材料（如锆钛酸铅，某些常用的陶瓷材料（如锆钛酸铅， 即即PbZrTiOPbZrTiO3 3）与石）与石英晶体一样，也具有类似的英晶体一样，也具有类似的压电效应压电效应和和谐振特性谐振特性。 当输入

29、电信号的频率与这些陶瓷材料的固有频率一致时，当输入电信号的频率与这些陶瓷材料的固有频率一致时，会产生谐振。所以，压电陶瓷片也具有谐振电路的特性，会产生谐振。所以，压电陶瓷片也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。用压电陶瓷其空载品质因数可达几百以上，选择性非常好。用压电陶瓷片可以做成陶瓷滤波器。片可以做成陶瓷滤波器。 容易焙烧，可制成各种形状；适于小型化；且耐热耐湿容易焙烧，可制成各种形状；适于小型化；且耐热耐湿性好。性好。 等效品质因数等效品质因数QL为几百，为几百，比石英晶体低但比比石英晶体低但比LCLC滤波器高滤波器高 其等效电路与晶体相同。其等效电路与晶体相同

30、。符号：符号：三端陶瓷滤波器：三端陶瓷滤波器： 1 1、3 3是输入端，是输入端，2 2、3 3是输出端。是输出端。123陶瓷谐振片 串、并联连接，选好个串、并联谐振频率，实现带通。四端陶瓷滤波器：四端陶瓷滤波器：由二个谐振子组成的滤波器由二个谐振子组成的滤波器 由五个谐振子组成四端滤波器。由五个谐振子组成四端滤波器。谐振子数目愈多，滤波器的性能愈好。谐振子数目愈多，滤波器的性能愈好。由二个谐振子组成的滤波器的等效电路由二个谐振子组成的滤波器的等效电路 适当选择串臂和并臂陶瓷滤波器的串、并联谐振频率，就可得到理想的滤波特性。 Co2 R2 C2 L2 Co1 R1 C1 L1 2L1 (a) 2L2 4655 465+5 465 理想滤波器特性 实际滤波器特性 5 (b) 例 若要求图示滤波器通过4655 kHz的频带，则要求fs1 = 465 kHz，fp2 = 465kHz，fp1 = (465 + 5) kHz，fs2 = (4