高频小信号选频放大器讲解课件

通信电子电路何丰主编重庆邮电学院人民邮电出版社第二章2004.6.4通信电子电路何丰主编第二章2004.6.41第二章

高频小信号选频放大器的结构与电路

2.1概述2.2主要性能指标和基本单元电路2.3较理想的小信号选频放大电路模型2.4小信号谐振放大器的稳定性问题2.5信号与电路及结构

2004年6月第二章2004.6.4第二章高频小信号选频放大器的结构与电路2.1概述202小信号选频放大器的信号环境特点本书中此类电路还有：第八章的限幅放大器，第九章的锁相环滤波电路等。对共存于输入端的有用信号进行选择性处理，即它能尽可能地减少存在于同一时间、同一电路空间的无用输入信号对有用输出信号的影响。2004年6月第二章2004.6.4小信号选频放大器的信号环境特点本书中此类电路还有：第八章的限32.1概述高频小信号选频放大器由“放大部分+选频部分”按“级联”方式构成。具体分为：先放大后选频，先选频后放大，以及选频、放大、再选频的三种基本模式。2004年6月第二章2004.6.42.1概述高频小信号选频放大器2004年6月第二章4放大部分的核心元器件是增益元器件，如三极管、场效应管、集成运放或专用集成放大器等。选频部分的必要元器件是电感、电容等动态元件。

学习要求：小信号选频放大器的主要性能指标（增益、通频带、选择性、工作稳定性、噪声系数），电路稳定性，以及具体电路的应用进行讨论。2004年6月第二章2004.6.4放大部分的核心元器件是增益元器件，如三极管、场效应管、集成运52.2主要性能指标和基本单元电路常见的基本指标如下：一．增益

增益定义为放大器的输出信号电量与输入信号电量的比值，用A加下标（类似于低频放大器的增益）来表示。

图2-2-1（b）为一典型增益的幅频特性曲线。

2004年6月第二章2004.6.42.2主要性能指标和基本单元电路常见的基本指标如下：26二．通频带通频带定义为放大器的增益比最大增益下降3dB时的上限截止频率fL与下限截止频率fH之差，用BW0.7

=fL-fH表示。三．选择性

选择性表示放大器对通频带以外的各种干扰信号及其噪声的滤除能力，或者说，从各种干扰中选出有用信号的能力。衡量选择性的具体指标有：矩形系数K0.1

、S参数。2004年6月第二章2004.6.4二．通频带2004年6月第二章2004.6.47以理想矩形幅频特性为标准，引入矩形系数K0.1来表示实际幅频特性曲线的选择性，定义为：K

0.1＝BW0.1／BW0.7（2-2-1）式中，BW0.1是增益下降到最大值的0.1倍时的频带宽度。通常，认为频带BW0.1内的频率分量需能通过放大器，但不一定能被正常放大，BW0.1以外的频率分量被放大器所抑制。BW0.1和BW0.7之间的频率范围称为过渡带。矩形系数K0.1

2004年6月第二章2004.6.4以理想矩形幅频特性为标准，引入矩形系数K0.1来表示实际幅频8S参数以图2-2-1（b）的典型幅频特性为背景条件下，S参数定义为：

1.过渡带内的某特定频率条件下的增益A(ω1)与通频带内的最大增益A0的比值。2.S＝A(ω1)／A0（2-2-2）显然，在同类电路中，S值越小的电路选择性越好。2004年6月第二章2004.6.4S参数以图2-2-1（b）的典型幅频特性为背景条件下，S参数9主要性能指标四．工作稳定性这是指选频放大器中的非线性放大元器件的偏置，交流参数，以及其它电路元件参数发生变化时，电路性能的稳定程度。五．噪声系数与低频放大器一样，选频放大器的输出噪声也来源于输入端和放大电路本身。噪声系数是用来反映电路本身噪声大小的技术指标。2004年6月第二章2004.6.4主要性能指标四．工作稳定性2004年6月第二章2004.10以下图为例对进行选频放大器进行分析2004年6月第二章2004.6.4以下图为例对进行选频放大器进行分析2004年6月第二章211思考题：2.2.2以放大和选频两部分的组成结构为线索，分析图2-2-2（a）电路中各元件的作用？2.2.3在工作点设置合理的情况下，图2-2-2（b）中三极管能否用不含结电容的小信号等效电路来等效。为什么？2004年6月第二章2004.6.4思考题：2.2.2以放大和选频两部分的组成结构为线索，分析12指标求解1：化简为2-2-3（a）。图中n2为下级放大器对本级谐振回路的接入系数，即电感4、5端到1、3端的变比（在全耦合下，n2等于线圈匝比N45/N13）；gZ表示电感本身在1、3端的总等效损耗电导；yi2为下级放大器的输入导纳；yo1为本级放大器的输出导纳。2004年6月第二章2004.6.4指标求解1：化简为2-2-3（a）。图中n2为下级放大器对本13指标求解2：进一步化简为2-2-3（b）。考虑到PN结的结电容和极间电容，设三极管输入、输出参数为：yi2＝g

i2＋jωCi2（2-2-3）yo1＝g

o1＋jωCo1（2-2-4）图中：n1为三极管输出端对谐振回路的接入系数，即电感1、2端到1、3端的变比（在全耦合下，n1等于线圈匝比N12/N13）。2004年6月第二章2004.6.4指标求解2：进一步化简为考虑到PN结的结电容和极间电容，设三14指标求解3：详细求解过程谐振频率品质因数（常称为回路LC的有载品质因数）输出电压电压增益通频带矩形系数2004年6月第二章2004.6.4指标求解3：详细求解过程谐振频率2004年6月第二章2015小结：由以上分析可知，电路各部分的主要作用如下：

1.放大能力主要由三极管正向受控参数yfe确定；2.选频主要由选频回路LC确定；3.n1和n2主要用于调节三极管与选频回路、负载与选频回路之间的耦合程度。2004年6月第二章2004.6.4小结：由以上分析可知，电路各部分的主要作用如下：2004年616若放大部分采用以多级放大为基础如图2-2-4所示，则称这类电路为LC集中选频式谐振放大器。2004年6月第二章2004.6.4若放大部分采用以多级放大为基础如图2-2-4所示，则称这类电172.3较理想的小信号选频放大电路模型所谓较理想的小信号选频放大器是指具有较宽的通频带，更小的过渡带，即电路的选择性更为理想的小信号放大器。第一：从结构电路的观点出发，用谐振回路和增益元器件的不同组合进行电路总体性能的优化第二：从改善选频滤波部件出发，对其它材料构成的选频电路的性能进行讨论。2004年6月第二章2004.6.42.3较理想的小信号选频放大电路模型所谓较理想的小信号选18结构优化的选频放大单元1

——参差调谐所谓参差调谐，就是将两级单调谐放大器的谐振频率分别调谐在信号中心频率f0附近的两个不同频率点上，其中一级调谐在f01＝f0＋Δ，另一级调谐在f02＝f0－Δ上。上述两级放大器统称为一级参差调谐放大器，或一个基本参差调谐放大器单元。

2004年6月第二章2004.6.4结构优化的选频放大单元1

——参差调19参差调谐的选频放大单元幅频特性的分析2004年6月第二章2004.6.4参差调谐的选频放大单元幅频特性的分析2004年6月第二章20观察“参差调谐放大单元”观察幅频特性图可以想到：（1）在Δ较大时，Av(jω)将在ω0附近出现下凹现象;（2）在Δ较小时，Av(ω)将在ω0频率出现最大值。由此，我们可以找到一特定的Δ值，使Av(ω)在ω0刚好不下凹，即只要Δ大于特定值，Av(ω)就会出现下凹现象。常称这时的Av(ω)为最平坦特性。2004年6月第二章2004.6.4观察“参差调谐放大单元”观察幅频特性图可以想到：2004年621指标求解得：电压增益通频带矩形系数详细求解过程最平坦条件下，有：2004年6月第二章2004.6.4指标求解得：电压增益详细求解过程最平坦条件下，有：2004年22改善选频滤波部件的选频放大1

——双调谐回路放大单元我们称两个谐振回路相互耦合的电路为双耦合回路，相应的放大器也称双调谐回路放大。具体耦合有：电容耦合、互感耦合两种。该类电路与参差调谐放大单元的技术指标类似。具体η＝1时，电路处于最平坦情况，也称临界耦合。2004年6月第二章2004.6.4改善选频滤波部件的选频放大1

——双23并

联

式

互

感

耦

合

放

大

电

路2004年6月第二章2004.6.4并

联

式

互

感

耦

合

放

大

电

路2004年6月第二24指标求解得：电压增益通频带矩形系数详细求解过程最平坦条件下，有：2004年6月第二章2004.6.4指标求解得：电压增益详细求解过程最平坦条件下，有：2004年25结论：可见，临界耦合双调谐回路谐振放大器的矩形系数与参差调谐放大器相同，其选择性比单调谐回路谐振放大器好。思考题：2.3.2双调谐回路谐振放大器为何要采用n1、n2为代表的抽头方式将放大器与谐振回路相连接？2.3.3参差调谐放大器相对于双调谐回路放大器来说，其选频频率更容易在电路实现时得到控制，为什么？2004年6月第二章2004.6.4结论：可见，临界耦合双调谐回路谐振放大器的矩形系数与参差调谐26结构优化的选频放大单元2

——2.3.3多级单元放大电路假定多级单元放大器由几个相同参数的单元放大器组成，则n级单元放大器的总增益函数可以用一个单元的增益函数来表示，即：由此计算的数据如下表2-3-1和表2-3-2。其中，放大器的3dB带宽BW0.7∑≈λBW0.7单；在最平坦条件下，双谐振回路的情况与参差调谐相似。2004年6月第二章2004.6.4结构优化的选频放大单元2

——2.3.3多级272004年6月第二章2004.6.42004年6月第二章2004.6.428例题2.3.1已知单回路谐振放大单元电路的谐振频率f0＝10.7MHz，回路品质因数Q＝40，接入系数n1＝0.5，n2＝0.1，谐振回路总电容Ce＝100pF，晶体三极管的∣yfe∣＝38.5mS。问：由上述放大器组成的四级单元放大器，即同步调谐放大器的总谐振电压增益和带宽。解答2004年6月第二章2004.6.4例题2.3.1已知单回路谐振放大单元电路的谐振频率f0＝1029随着技术的进步，由其它材料构成的选频性能优异的选频元件被用于选频电路中。具体有：晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器。正因为如此，我们常采用集中选频放大的单元电路组成方案，即用多级放大来构成选频单元电路中的放大电路部分。

改善选频滤波部件的选频放大2

——2.3.4其它选频的放大单元2004年6月第二章2004.6.4随着技术的进步，由其它材料构成的选频性能优异的选频元件被用于30改善选频滤波部件的选频放大2

——陶瓷滤波选频放大在研究中我们发现石英晶体材料和陶瓷材料都具有压电效应，即在材料发生机械变形时，它们的表面就会出现电荷；反之，当加有外电压作用时，它们也会产生机械变形。我们将石英晶体材料制作的元件称作石英晶体，陶瓷材料制作的元件称作陶瓷滤波器。2004年6月第二章2004.6.4改善选频滤波部件的选频放大2

——陶瓷滤波选频放大在312004年6月第二章2004.6.42004年6月第二章2004.6.4322004年6月第二章2004.6.42004年6月第二章2004.6.433改善选频滤波部件的选频放大2

——声表面波滤波电路由于这种滤波元件在内部的信号传递过程中，利用了声表面波，因此称为声表面波滤波器。图2-3-5是声表面波滤波器的结构图。2004年6月第二章2004.6.4改善选频滤波部件的选频放大2

——声表面波滤波电路由于34如果在叉指电极A组上加入交流信号，则会在材料表面上产生与外加信号同频率的周期振动，即为表面波。2004年6月第二章2004.6.4如果在叉指电极A组上加入交流信号，则会在材料表面上产生与外加352.4小信号选频放大器的稳定性问题在实际工作中，为了减小增益元器件内部反馈带来的影响，我们可以考虑采用如下的措施：（1）选用内部反馈小的放大电路，如集成宽带放大器，电流模放大电路等。（2）采用外加反馈去综合增益元件内部反馈，使总反馈接近为零通常我们将使总反馈为零或减小的方法称为中和法，图中的电容CN被称为中和电容。利用图2-4-2（b），在考虑rbb’的条件下，可以证明，在Zn满足Zn＝nrbb’（1＋Cb’e/Cb’C）＋［n（1＋rbb’/rb’e）/（jωCb’C）］(2-4-1)时，电压o对i的作用为零，三极管能实现信号的单向传输。2004年6月第二章2004.6.42.4小信号选频放大器的稳定性问题在实际工作中，为了减小增36在考虑rbb’的条件下，可以证明，在Zn满足Zn＝nrbb’（1＋Cb’e/Cb’C）＋［n（1＋rbb’/rb’e）/（jωCb’C）］时，输出电压对输入三极管输入的影响为零，实现信号了单向传输。2004年6月第二章2004.6.4在考虑rbb’的条件下，可以证明，在Zn满足2004年6月372.5信号与电路及结构选频放大器的输入端是可以容许信号按频分方式多路共用的多路共用电路系统；放大器输出端的电路则只需存在有用频带信号这一路信号，即属于单路电路系统的电路。本章讲述的放大器都以接受固定频率范围信号为目的来设计的，但实际中往往会出现有用信号频带范围不稳定的现象，对此应如何解决？

2004年6月第二章2004.6.42.5信号与电路及结构选频放大器的输入端是可以容许信号按频38通信电子电路何丰主编重庆邮电学院人民邮电出版社第二章2004.6.4通信电子电路何丰主编第二章2004.6.439第二章

高频小信号选频放大器的结构与电路

2.1概述2.2主要性能指标和基本单元电路2.3较理想的小信号选频放大电路模型2.4小信号谐振放大器的稳定性问题2.5信号与电路及结构

2004年6月第二章2004.6.4第二章高频小信号选频放大器的结构与电路2.1概述2040小信号选频放大器的信号环境特点本书中此类电路还有：第八章的限幅放大器，第九章的锁相环滤波电路等。对共存于输入端的有用信号进行选择性处理，即它能尽可能地减少存在于同一时间、同一电路空间的无用输入信号对有用输出信号的影响。2004年6月第二章2004.6.4小信号选频放大器的信号环境特点本书中此类电路还有：第八章的限412.1概述高频小信号选频放大器由“放大部分+选频部分”按“级联”方式构成。具体分为：先放大后选频，先选频后放大，以及选频、放大、再选频的三种基本模式。2004年6月第二章2004.6.42.1概述高频小信号选频放大器2004年6月第二章42放大部分的核心元器件是增益元器件，如三极管、场效应管、集成运放或专用集成放大器等。选频部分的必要元器件是电感、电容等动态元件。

学习要求：小信号选频放大器的主要性能指标（增益、通频带、选择性、工作稳定性、噪声系数），电路稳定性，以及具体电路的应用进行讨论。2004年6月第二章2004.6.4放大部分的核心元器件是增益元器件，如三极管、场效应管、集成运432.2主要性能指标和基本单元电路常见的基本指标如下：一．增益

增益定义为放大器的输出信号电量与输入信号电量的比值，用A加下标（类似于低频放大器的增益）来表示。

图2-2-1（b）为一典型增益的幅频特性曲线。

2004年6月第二章2004.6.42.2主要性能指标和基本单元电路常见的基本指标如下：244二．通频带通频带定义为放大器的增益比最大增益下降3dB时的上限截止频率fL与下限截止频率fH之差，用BW0.7

=fL-fH表示。三．选择性

选择性表示放大器对通频带以外的各种干扰信号及其噪声的滤除能力，或者说，从各种干扰中选出有用信号的能力。衡量选择性的具体指标有：矩形系数K0.1

、S参数。2004年6月第二章2004.6.4二．通频带2004年6月第二章2004.6.445以理想矩形幅频特性为标准，引入矩形系数K0.1来表示实际幅频特性曲线的选择性，定义为：K

0.1＝BW0.1／BW0.7（2-2-1）式中，BW0.1是增益下降到最大值的0.1倍时的频带宽度。通常，认为频带BW0.1内的频率分量需能通过放大器，但不一定能被正常放大，BW0.1以外的频率分量被放大器所抑制。BW0.1和BW0.7之间的频率范围称为过渡带。矩形系数K0.1

2004年6月第二章2004.6.4以理想矩形幅频特性为标准，引入矩形系数K0.1来表示实际幅频46S参数以图2-2-1（b）的典型幅频特性为背景条件下，S参数定义为：

1.过渡带内的某特定频率条件下的增益A(ω1)与通频带内的最大增益A0的比值。2.S＝A(ω1)／A0（2-2-2）显然，在同类电路中，S值越小的电路选择性越好。2004年6月第二章2004.6.4S参数以图2-2-1（b）的典型幅频特性为背景条件下，S参数47主要性能指标四．工作稳定性这是指选频放大器中的非线性放大元器件的偏置，交流参数，以及其它电路元件参数发生变化时，电路性能的稳定程度。五．噪声系数与低频放大器一样，选频放大器的输出噪声也来源于输入端和放大电路本身。噪声系数是用来反映电路本身噪声大小的技术指标。2004年6月第二章2004.6.4主要性能指标四．工作稳定性2004年6月第二章2004.48以下图为例对进行选频放大器进行分析2004年6月第二章2004.6.4以下图为例对进行选频放大器进行分析2004年6月第二章249思考题：2.2.2以放大和选频两部分的组成结构为线索，分析图2-2-2（a）电路中各元件的作用？2.2.3在工作点设置合理的情况下，图2-2-2（b）中三极管能否用不含结电容的小信号等效电路来等效。为什么？2004年6月第二章2004.6.4思考题：2.2.2以放大和选频两部分的组成结构为线索，分析50指标求解1：化简为2-2-3（a）。图中n2为下级放大器对本级谐振回路的接入系数，即电感4、5端到1、3端的变比（在全耦合下，n2等于线圈匝比N45/N13）；gZ表示电感本身在1、3端的总等效损耗电导；yi2为下级放大器的输入导纳；yo1为本级放大器的输出导纳。2004年6月第二章2004.6.4指标求解1：化简为2-2-3（a）。图中n2为下级放大器对本51指标求解2：进一步化简为2-2-3（b）。考虑到PN结的结电容和极间电容，设三极管输入、输出参数为：yi2＝g

i2＋jωCi2（2-2-3）yo1＝g

o1＋jωCo1（2-2-4）图中：n1为三极管输出端对谐振回路的接入系数，即电感1、2端到1、3端的变比（在全耦合下，n1等于线圈匝比N12/N13）。2004年6月第二章2004.6.4指标求解2：进一步化简为考虑到PN结的结电容和极间电容，设三52指标求解3：详细求解过程谐振频率品质因数（常称为回路LC的有载品质因数）输出电压电压增益通频带矩形系数2004年6月第二章2004.6.4指标求解3：详细求解过程谐振频率2004年6月第二章2053小结：由以上分析可知，电路各部分的主要作用如下：

1.放大能力主要由三极管正向受控参数yfe确定；2.选频主要由选频回路LC确定；3.n1和n2主要用于调节三极管与选频回路、负载与选频回路之间的耦合程度。2004年6月第二章2004.6.4小结：由以上分析可知，电路各部分的主要作用如下：2004年654若放大部分采用以多级放大为基础如图2-2-4所示，则称这类电路为LC集中选频式谐振放大器。2004年6月第二章2004.6.4若放大部分采用以多级放大为基础如图2-2-4所示，则称这类电552.3较理想的小信号选频放大电路模型所谓较理想的小信号选频放大器是指具有较宽的通频带，更小的过渡带，即电路的选择性更为理想的小信号放大器。第一：从结构电路的观点出发，用谐振回路和增益元器件的不同组合进行电路总体性能的优化第二：从改善选频滤波部件出发，对其它材料构成的选频电路的性能进行讨论。2004年6月第二章2004.6.42.3较理想的小信号选频放大电路模型所谓较理想的小信号选56结构优化的选频放大单元1

——参差调谐所谓参差调谐，就是将两级单调谐放大器的谐振频率分别调谐在信号中心频率f0附近的两个不同频率点上，其中一级调谐在f01＝f0＋Δ，另一级调谐在f02＝f0－Δ上。上述两级放大器统称为一级参差调谐放大器，或一个基本参差调谐放大器单元。

2004年6月第二章2004.6.4结构优化的选频放大单元1

——参差调57参差调谐的选频放大单元幅频特性的分析2004年6月第二章2004.6.4参差调谐的选频放大单元幅频特性的分析2004年6月第二章58观察“参差调谐放大单元”观察幅频特性图可以想到：（1）在Δ较大时，Av(jω)将在ω0附近出现下凹现象;（2）在Δ较小时，Av(ω)将在ω0频率出现最大值。由此，我们可以找到一特定的Δ值，使Av(ω)在ω0刚好不下凹，即只要Δ大于特定值，Av(ω)就会出现下凹现象。常称这时的Av(ω)为最平坦特性。2004年6月第二章2004.6.4观察“参差调谐放大单元”观察幅频特性图可以想到：2004年659指标求解得：电压增益通频带矩形系数详细求解过程最平坦条件下，有：2004年6月第二章2004.6.4指标求解得：电压增益详细求解过程最平坦条件下，有：2004年60改善选频滤波部件的选频放大1

——双调谐回路放大单元我们称两个谐振回路相互耦合的电路为双耦合回路，相应的放大器也称双调谐回路放大。具体耦合有：电容耦合、互感耦合两种。该类电路与参差调谐放大单元的技术指标类似。具体η＝1时，电路处于最平坦情况，也称临界耦合。2004年6月第二章2004.6.4改善选频滤波部件的选频放大1

——双61并

联

式

互

感

耦

合

放

大

电

路2004年6月第二章2004.6.4并

联

式

互

感

耦

合

放

大

电

路2004年6月第二62指标求解得：电压增益通频带矩形系数详细求解过程最平坦条件下，有：2004年6月第二章2004.6.4指标求解得：电压增益详细求解过程最平坦条件下，有：2004年63结论：可见，临界耦合双调谐回路谐振放大器的矩形系数与参差调谐放大器相同，其选择性比单调谐回路谐振放大器好。思考题：2.3.2双调谐回路谐振放大器为何要采用n1、n2为代表的抽头方式将放大器与谐振回路相连接？2.3.3参差调谐放大器相对于双调谐回路放大器来说，其选频频率更容易在电路实现时得到控制，为什么？2004年6月第二章2004.6.4结论：可见，临界耦合双调谐回路谐振放大器的矩形系数与参差调谐64结构优化的选频放大单元2

——2.3.3多级单元放大电路假定多级单元放大器由几个相同参数的单元放大器组成，则n级单元放大器的总增益函数可以用一个单元的增益函数来表示，即：由此计算的数据如下表2-3-1和表2-3-2。其中，放大器的3dB带宽BW0.7∑≈λBW0.7单；在最平坦条件下，双谐振回路的情况与参差调谐相似。2004年6月第二章2004.6.4结构优化的选频放大单元2

——2.3.3多级652004年6月第二章2004.6.42004年6月第二章2004.6.466例题2.3.1已知单回路谐振放大单元电路的谐振频率f0＝10.7MHz，回路品质因数Q＝40，接入系数n1＝0.5，n2＝0.1，谐振回路总电容Ce＝100pF，晶体三极管的∣yfe∣＝38.5mS。问：由上述放大器组成的四级单元放大器，即同步调谐放大器的总谐振电压增益和带宽。解答2004年6月第二章2004.6.4例题2.3.1已知单回路谐振放大单元电路的谐振频率f0＝1067随着技术的进步，由其它材料构成的选频性能优异的选频元件被用于选频电路中。具体有：晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器。正因为如此，我们常采用集中选频放大的单元电路组成方案，即用多级放大来构成选频单元电路中的放大电路部分。

改善选频滤波部件的选频放大2

——2.3.4其它选频的放大单元2004年6月第二章2004.6.4随着技术的进步，由其它材料构成的选频性能优异的选频元件被