第2章 小信号调谐放大器课件

2023年1月14日1第二章小信号调谐放大器第0节概述第一节调谐回路与阻抗变换电路第二节高频单调谐放大器第三节多级调谐放大器及稳定性第四节集成调谐放大器及集中选择滤波器2023年1月14日2第0节小信号调谐放大器概述放大器的分类：1.信号频率分：低频：音频0——20kHz高频：20kHz——300MHz2.输入信号大小分：小信号：电压放大，甲类，线性。大信号：功率放大，丙类，非线性。3.从通信对象上分：窄带：以调谐回路为负载。宽带：非调谐回路为负载。2023年1月14日3第0节小信号调谐放大器概述小信号调谐放大器与宽带放大器的区别

1.负载是具有选频作用的LC调谐回路；

2.上限截频/下限截频近似等于或略大于一，即窄带。基本构成及完成的作用包括:甲类放大+调谐回路（可以是LC回路、石英晶体、压电陶瓷或声表面波器件）两部分。完成“选频”放大的作用。小信号调谐放大器的主要要求（主要指标要求)：谐振增益高、选择性好、通频带合适、工作稳定。2023年1月14日4第一节调谐回路与阻抗变换电路一、LC单调谐回路:

分为：串联谐振回路并联谐振回路2023年1月14日51.串联谐振回路ULrC如图所示：为LC串联回路。回路电流为:IZ（1）组成：L、C为纯电感和电容。r是回路的损耗(主要是电感线圈损耗)当信号频率发生变化时，感抗、容抗、电流均随之变化。当频率为某一特定值（=0）时，X=0，电流最大，且电路为纯阻性——处于谐振状态。当0时（失谐），X0，电流减小；失谐越大，电流越小，体现了选频作用。（2）原理：2023年1月14日6（3）回路谐振频率：回路电流为:广义失谐相对失谐回路最大电流此时：=0；I=Im=U/r此为谐振电流。I为复数：幅频特性相频特性2023年1月14日7（4）回路的品质因数是谐振回路的重要指标之一，表征了LC回路的损耗效应对品质因数的影响。即：r大则Q低（损耗功率大），r小则Q高，Q越高越好。（5）串联谐振特性曲线：幅频特性2023年1月14日8据此画出特性曲线如图：可见，回路失谐（即0

）时，电流减小，体现出回路的选频作用。结论：（1）f=f0时，电流最大（谐振）；f

f0时，电流减小（失谐）。（2）Q大，曲线越陡，选频作用越好。

Q小，曲线越平缓，选频作用越差。Q=5010020012023年1月14日9并联谐振电路CRLIU1.并联谐振回路他和串联谐振回路是对偶的，因此所得公式类似。即：2.回路谐振频率3.回路的品质因数说明G越大，其分流越大，损耗的能量越大，Q值越低。2023年1月14日104.谐振特性曲线：结论：（1）=

0时，电压最大（谐振）；

0时，电压减小（失谐）。（2）Q大，曲线越陡，选频作用越好。

Q小，曲线越平缓，选频作用越差。（3）(或f)小，回路为感性。(或f)大，回路为容性。谐振特性曲线10.707Q1Q2B1B2容性感性2023年1月14日11三、信号源内阻和负载对并联谐振回路的影响isRSCSLRPC1RLCLiSLRC显见，由于信号源内阻抗和负载阻抗的介入：电路可改画为：简化后电路为：（1）考虑信号源内阻抗和负载阻抗时：2023年1月14日122）回路总电容损耗增大(并联)1）回路总电阻回路的品质因数为：由上式可知：回路谐振频率2023年1月14日13（2）阻抗匹配问题：调谐回路的目的要传送信号能量，所以只有Rs、RL与回路电阻匹配时才能获得最大功率。

总之：信号源内阻和负载阻抗的接入，使并可能导致阻抗不匹配。为解决上述问题：采取信号源和负载不直接与调谐回路相接——通过阻抗变换电路接入。

即：采用部分接入，以减小信号源内阻和负载的影响2023年1月14日14四、常用阻抗变换电路变压器耦合式阻抗变换电路电容分压式阻抗变换电路电感分压式阻抗变换电路2023年1月14日15（一）变压器耦合式阻抗变换电路1.变压器变换电路：2.当为理想变压器时，阻抗变换关系：初、次级线圈匝比：R1C1LRLN1N2ZLiSCLiSCL’R1C1LRL’ZL’按折合前后消耗功率相等的原则：2023年1月14日163.应用：收音机中放负载回路；电视机图象中放、伴音中放等。iSRCL把以上电路简化后：iSCL’R1C1LRL’ZL’其中：为了减小负载对LC回路的影响，适当调整变比n。2023年1月14日17(二)电容分压式阻抗变换电路1.阻抗电变换路：2.阻抗变换关系：4.应用：放大器负载回路；电视机天线回路等。C1iSRSLC2RLU1U2iSRSLC2RLU1U2iSRSLC2RLU1U2iSRSLC2RLU1U23.电路优点：电路简单、不消耗功率。iSRSLC1C2RL’按折合前后消耗功率相等的原则：2023年1月14日18（三）电感分压式阻抗变换电路1.电路iSRCML1L2N1N2RLU2U1iSRCLRL’(1)若耦合系数(k=M/L)为1，化减后则有（2）耦合系数为零0（即M=0）,则有2.阻抗变换关系：为什么要进行阻抗变换？2023年1月14日19第二节高频单调谐放大器典型电路的构成：特点：a)电路采用部分接入，以减小放大管输出导纳对LC回路的影响；b)与负载间采用变压器耦合方式,以更好的匹配，降低负载导纳对LC回路的影响。Yi2为下一级的输入导纳。uiCbR1R2ReCeCLyi212345EC由LC和Tr构成谐振回路。2023年1月14日20高频单调谐放大器一、等效电路：1.为三极管高频混合等效电路——由戴维南简化——由密勒定理——单相化模型。2.将晶体管参数折算到LC回路。其中：yie=gie+jCieyoe=goe+jCoen1gmubgoe’Coe’CGpLCi2’g’i2UbyiegmUbyoeCLyi212345yi2=gi2+jCi22023年1月14日213.将输出、负载回路折合到LC回路得到的等效电路：所以有：goe’=n12goe

Coe’=n12Coe

Ioc’=n1Ioc=n1gmUb其变比：2.将晶体管参数折算到LC回路。gi2’=n22gi2Ci2’=n22Ci2UbyiegmUbyoeCLyi212345n1gmubgoe’Coe’CGpLCi2’g’i22023年1月14日22将同类元件值合并，得等效电路:CT=n12Coe+n22Ci2+CGT=n12goe+n22gie+Gp其中：n1gmUbCTGTL电路中：Gp为LC回路固有损耗电导Gp=1/RR为LC回路的等效并联电阻。其中：L值不变，且由于n1、n2小于1，只有C和Gp起主要作用n1gmubgoe’Coe’CGpLCi2’g’i22023年1月14日23高频单调谐放大器一、等效电路n1gmUbgoe’Coe’CGpLCi2’g’i2n1gmUbCTGTL由合并的等效电路可知：此时，谐振回路的谐振频率为：谐振回路的品质因数为：谐振回路的等效阻抗为：UbyiegmUbyoeCLyi2123452023年1月14日24二、单调谐放大器的性能由等效电路可知，正弦稳态下，回路的等效阻抗为：输出端的信号电压为：QT为有载品质因数单调谐放大器的增益为：可见：增益是频率的函数。UbyiegmUbyoeCLyi2123n1gmUbCTGTL2023年1月14日25(一)谐振电压增益1.当

=

0时，其电压增益为：本级到下一级的电压增益为：结论：1）由上式可知：当晶体管参数选定后，电压增益可通过改变接入系数来调整。2）接入系数过大和过小，都会使电压增益减小，因而存在最佳接入系数。UbyiegmUbyoeCLyi2123

相对增益2023年1月14日26（二）谐振功率增益：目标信号通过调谐放大器能否得到加强，归根到底要看功率是否增强。1.谐振时功率增益为：gi2为下一级的输入电导（负载）谐振功率增益为：2023年1月14日272.功率增益的最大值：为获得较大的功率增益，选用gm较大的管子时有利的。若谐振回路为理想的：1.在无耗（GP=0）时：调整n1和n2使（goe’=gi2’），即匹配状态，此时可获得最大功率。GT=n12goe+n22gie+Gp=goe’+gi2’2023年1月14日28

功率增益的最大值为：2.有耗但匹配时.其中：=（1-QT/Q）2

称为插入损耗。可推得考虑插入损耗后的最大功率增益：2023年1月14日29（三）放大器的相对增益和通频带：1.放大器的相对增益为：依此作出曲线如图:10.7070.1BB0.12.相对增益模为：放大器的增益为2023年1月14日302.通频带:根据通频带定义有:(当幅值下降到0.707时)由此推得通频带：或B=

2-

110.7070.1BB0.1

2

1其中：B=

2-

1=22023年1月14日31(四)放大器的选择性：矩形系数K0.1：结论：1）K0.11，K0.1愈趋近于1，选择性愈趋近于理想。指放大器对干扰信号的抑制能力。常以矩形系数K0.1来衡量选择性的好坏。为相对增益下降到0.1时的带宽B0.1与带宽B之比，即2）

K0.1越接近于1，相对增益曲线越接近于矩形，选择性越好2023年1月14日32可见，单级调谐放大器的选择性很差，这是它的主要缺点。由此推得：据B0.1定义有：2023年1月14日33高频单调谐放大器小结一、等效电路n1gmUbgoe’Coe’CGpLCi2’g’i2n1gmUbCTGTL由合并的等效电路可知：此时，谐振回路的谐振频率为：谐振回路的品质因数为：谐振回路的参数为：UbyiegmUbyoeCLyi212345CT=n12Coe+n22Ci2+CGT=n12goe+n22gie+Gp折合参数为：2023年1月14日34

功率增益的最大值为：可推得考虑插入损耗后的最大功率增益：通频带：或矩形系数：谐振电压增益2023年1月14日35单调谐放大器分析举例例2-1一单调谐放大器，测得参数：gie=0.36ms，Cie=80PF，goe=75uS

，Coe=9PF，gm=45ms，fo=465kHz，BHZ=10KHz，变压器原圈总匝数N=117，电感L=590uH，固有Q值Q=80。求调谐回路参数和最大功率增益。解：要求解的回路参数为QT、GT

、CT

、C及接入系数n1、

n2（1）根据BHz=f0/QT得回路的有载QT值:n1gmUbCTGTLn1gmUbgoe’Coe’CGpLCi2’g’i22023年1月14日36（2）根据谐振频率的定义得回路的总电容CT：根据谐频率公式

（3）根据QT=1/（0LGT

）得回路的总电导GT：例2-1一单调谐放大器，测得参数：gie=0.36ms，Cie=80PF，goe=75uS

，Coe=9PF，gm=45ms，fo=465kHz，BHZ=10KHz，变压器原圈总匝数N=117，电感L=590uH，固有Q值Q=80。求：调谐回路参数和最大功率增益。n1gmUbgoe’Coe’CGpLCi2’g’i2n1gmUbCTGTL2023年1月14日37（4）LC回路的匝比：设GP=0，goe’=gie’（5）所需电容：

Coe’=n12Coe=(0.29)2

9PF=0.76PFCie’=n22Cie=(0.13)2

80PF=1.36PFC=CT-Coe’-Cie’=200PF-0.76PF-1.36PF200PF2023年1月14日38(6)实际最大功率增益：插入损耗：有损耗时的最大功率增益为：采用部分接入，归算后Coe’、Cie’对总电容C影响很小。C稳定，L一定，则f0稳定。2023年1月14日39信号接收过程中，通常要求：

Au高、B合适、选择性好（K0.1趋近于1）。出于稳定性考虑，单级放大器增益不会很高，为20～30dB。因此，用单级调谐放大器是难以满足的。解决方法：采用多级调谐放大器。第三节多级调谐放大器及稳定性{{1.同步调谐放大器2.参差调谐放大器，又分为（1）双参差调谐放大器（2）三参差调谐放大器多级调谐放大器分为：2023年1月14日40一、同步调谐放大器同步调谐放大器：放大器由N级参数相同的单调谐放大器级联，且都调谐于同一频率，称为同步调谐放大器。（一）n级放大器总电压增益：相对电压增益：即满足:2023年1月14日41（二）n级放大器总通频带—称为缩小系数2023年1月14日42结论：1）采用多级同步调谐放大器后，增益提高了，但通频带减小了。2）级数N越多，频带越窄。增益与带宽的矛盾成为严重问题。2023年1月14日43例2-2若要求某中频放大器（多级同步调谐放大器）的频带为6.5MHz，分别求出用2级和3级实现时两种情况下每一级的B为多少？解：（2）当n=3时即当3级级连时，只有每级通频带达到12.7MHz，才能满足总通频带6.5MHz的要求。结论：Au与Bn存在矛盾，因此这种放大器只适合Bn较窄，而Au不太高的情况。（1）当n=2时2023年1月14日44（三）n级放大器选择性（考察矩形系数）根据B0.1的定义：从而求出矩形系数：由于相对增益：2023年1月14日45例如：n=2时,K0.1=4.8;n=K0.1=2.56结论：同步调谐放大器K0.1的极限为2.56，尚不能趋于1。为解决以上一系列矛盾，可采用参差调谐放大器。显见，当nK0.1可改善选择性，但当n>2以后改善缓慢。2023年1月14日46二、参差调谐放大器定义：

多级放大器中，各放大器调谐频率不一致，称为参差调谐放大器。特点：

加宽频带，改善矩形系数。应用：

使用于频带较宽的信号。（如电视接收机的中频放大）2023年1月14日47（1）交流通路：UiT1T2n1n2n1n2f01f02U0两级结构相同，分别调谐在f01和f02且与参差放大器的中心频率f0相差fs,即f0f02f01为频率的偏离值2023年1月14日48由于：放大器的增益特性为：由于f01与f0相差不大2023年1月14日49若：代入上式2023年1月14日50（一）平坦参差调谐放大器称为临界偏调。根据相对增益：求得通频带：矩形系数：此时，f=f0，=0同样可求得：同步调谐的矩形系数为4.8；参差调谐改善矩形系数同步调谐的通频带为参差调谐加宽通频带放大器中心频率处总增益：2023年1月14日51（二）过参差调谐放大器它将出现双峰特性（如图），称为过参差。ff0f01f02B<1时：出现单峰，称为欠参差。2023年1月14日52(三)三参差调谐放大器在过参差调谐放大器后级连一级谐振在f0的单调谐放大器，使其谐振特性曲线补偿双峰特性的凹陷，获得较平坦的幅频特性

（如图）

。ff0f01f02显见它比平坦参差放大器具有更宽的频带。要求：Q3<

Q1=Q22023年1月14日53例题讲解

[例2-3]一临界偏调双参差调谐放大器，其中心频率f0=10.7MHz，每一级谐振增益Au0=20，BHz=400KHz，求（1）中心频率处总增益AuS（2）通频带BSHz=?（3）每级的谐振频率f01=?，f02=?（1）中心频率处增益：（2）求通频带：解：（3）求谐振频率：2023年1月14日54三、调谐放大器的稳定性造成不稳定的原因：

结电容Cb’c在高频时产生的内部反馈。当反馈达到一定程度时，会出现自激振荡。解决方法：

1.从选择器件着手，选择Cb’c小的晶体管；

2.从电路着手，设法使其单向化。常用方法有：（1）中和法：用外部反馈电路抵消内部反馈。（2）失配法：靠负载的失配抑制内部反馈，但以牺牲增益为代价。2023年1月14日55（1）中和法1.原理电路：2.中和原理：INCb’cCNCN1N2N3If通过外部反馈电流IN来抵消晶体管内部反馈电流If

。3.优点：电路简单，CN很小如豆粒大。外加电容CN来抵消Cb’c的影响。2023年1月14日564.缺点：1）CN是固定的不随频率而变化，因此只能在某一频率起作用。2）与Cb’c并联的还有

rb’c，中和电路也应对称，但实现困难。3）考虑分布参数和温度变化等因素，中和效果有限，难实现全频段内的中和。5.应用：一般用于中放。（收音机中常采用此方法）2023年1月14日57（2）失配法1.原理电路：2.工作原理：

通过增大负载，使输出回路严重失配，输出电压相应减小，从而使内部反馈电流减小。3.优点：能在频率较宽的范围内削弱内部反馈的影响。T1T2YiY0UiU0

由于共基极电路的输入导纳较大，使负载导纳增加，而T1的输出导纳较小，使之失配。从而减弱反馈，提高稳定性。4.缺点：增益略有下降（失配引起）、电路复杂。2023年1月14日58第四节集成调谐放大器及集中选择滤波器前述各种调谐放大器均由分立元件构成，存在的问题：1）由于引线带来的自感、分布电容等，制约了频率的提高。2）由于布线的寄生反馈而引起寄生振荡。3）由于焊点多，使电路的可靠性随之下降。集成电路的优点：

体积减小，外接引线、焊点减少，提高频率，稳定性、可靠性都有所提高。集成电路的缺点：

制造电感和电容困难，用等效电路代替，精度低。2023年1月14日59集成调谐放大器的构成：集中选择滤波器和集成线性放大组件集中选择滤波器集成线性放大组件UiU0集成调谐放大器集成调谐放大器的优点:1.选择电路集中，可减小晶体管参数对回路的影响，保证

Au、B、K0.1

等指标的稳定。2.可单独调整，减少生产周期。3.体积小，可靠性高、稳定性高。

由于上述原因常将调谐放大器的选频和放大分开完成：2023年1月14日60一、集成线性放大组件（一）.4E307集成块原理电路：1.结构：在一块基片上制成差分对（T1、T2）,恒流源

(T3)。123456789101112T1T22.5K1kD500T31）4，6及7，8可在外部短接。2）7，8可在外部接电阻以增大恒流源的负反馈，使之接近理想电流源。3）1，5可外接偏压，调整恒流源的电流；5接负电源。4）2，10和11，12分别为输入、输出端。2023年1月14日61二、集中选择滤波器1.石英晶体滤波器2.压电陶瓷滤波器3.声表面波滤波器体积小成本低选择性好频率稳定常用的集中选择滤波器有：集中选择滤波器的优点：2023年1月14日62（一）石英晶体滤波器1.石英晶体的特性及其等效电路：成分：化学成分是二氧化硅（SIO2

）。结构：是一种六棱柱型结晶体，其导电性能与晶格方向有关。将其按不同方位切割，可切成不同切型的晶片，则它们的工作频率、温度特性及参数各不相同。基本特性：是压电效应。

正压电效应---机械力作用于晶体时，晶片两面将产生异性电荷；其值与晶片的变形量有关。++----石英晶片压电效应2023年1月14日63固有频率：当晶片几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固定的机械振动频率f固；谐振频率：当外加频率f外=f固

时产生谐振，此时机械振动最强，电路中的高频电流最大。晶片越薄，频率越高、强度越差，加工越难，所以一般基频<30MHz。2023年1月14日641、石英晶体的特性及其等效电路

当工作频率在高时，一般采用泛音晶体，它工作在机械振动的谐波上，其工作频率可达150MHz.泛音晶体的特点：(2)因偶次谐波时晶片两面电荷同性，无法用，所以泛音只存在于奇次谐波附近。(1)泛音不能正好等于基波的整数倍；（在整数倍附近，必须配合合适的电路，才能工作在指定频率上。）2023年1月14日65晶体的符号及等效电路如图：符号JT等效电路rq1Lq1Cq1C0Cq3CqnLq3Lqnrq3rqn石英晶体的特点：

Q值高>106Cq很小0.0050.1pF（动态电容，等效于弹性）

Lq很大10m

几10H（动态电感，等效于机械惯性）

rq很小100（动态电阻，等效于摩擦损耗）

C0较小25pF（晶片间的静态电容）若工作在基频，只有C0

、Lq1

、Cq1

、rq1支路有效，其余开路。工作在基频工作在3次谐波频1、石英晶体的特性及其等效电路2023年1月14日662.晶体阻抗特性分析当晶体工作在某一频率时，其等效电路可简化为：rqCqC0Lq由等效电路可知，它有两个谐振频率：{串联谐振频率：并联谐振频率：可见，其值相距很近，约为几十几百Hz。由等效电路，在忽略rq条件下，晶体的等效阻抗为：C0>>Cq2023年1月14日67ZPS感性容性容性讨论：当=S,

Z=0;（串联谐振）当=P,

Z=;（并联谐振）当<S,

Z=-jX;(呈容性)当>P,

Z=-jX;(呈容性)当S<<P,

Z=jX;(呈感性)所以，其曲线如图：2023年1月14日68例：利用表2-3所列2.5MHz晶体的参数，求fs与fp之差。可见fs与fp之差极小，在电感区曲线将有很大斜率，阻抗变化非常快，对稳定频率有利。因此，晶体经常工作在电感区。ZPS感性容性容性2023年1月14日69rqCqC0LqZPS感性容性容性结论1、石英晶体的特性：（1）压电效应（2）等效电路（3）串联谐振频率：（4）并联谐振频率：2.等效阻抗2023年1月14日70（二）陶瓷滤波器1.二端陶瓷滤波器2.三端陶瓷滤波器3.四端陶瓷滤波器体积小耐热、耐湿，受外界环境影响小。常用的陶瓷滤波器有：陶瓷滤波器的优点：某些陶瓷材料也具有压电效应，利用这种压电效应可制成滤波器，称为陶瓷滤波器。2023年1月14日711.二端陶瓷滤波器