《高频电子线路》课件-第2章 小信号选频放大器

第2章

小信号选频放大器2.1LC谐振回路012.2阻抗变换电路022.3小信号谐振放大电路032.4集中选频放大器念042.5

噪声与灵敏度052.6

仿真实训062.1LC谐振回路小信号调谐放大器的性能在很大程度上取决于谐振回路，而LC谐振回路在正弦波振荡器、调制、混频等高频单元电路中都起着重要的作用。一、LC并联谐振回路频率特性图2-1LC并联谐振回路由图2-1（a）可得LC回路等效阻抗为：由图2-1（b）可得LC回路等效阻抗为：实际电路中，通常r很小，满足r<<ωL，因此，式（2-1）可近似为（2-1）（2-2）当ωL＝1/ωC时，回路产生谐振，谐振时其等效阻抗为纯电阻且为最大，可用RP表示，即谐振频率为

引入品质因数Q，它定义为回路谐振时的感抗（或容抗）与回路等效损耗电阻r之比，即有通常，谐振回路主要研究谐振频率ω0附近的频率特性。由于ω十分接近于ω0，故可近似认为ω＋ω0≈2ω，ωω0=ω02，并令ω－ω0＝Δω，则其幅频特性和相频特性分别为图2-2并联谐振回路阻抗频率特性曲线例2.1并联谐振回路如图2.1所示，L=180μH,C=140pF，r=10Ω，试求：（1）谐振频率f0、品质因数Q、谐振电阻Rp（2）Δf=

±10kHz、±50kHz时并联谐振回路的阻抗及相移。解：（1）求f0、Q、Rp（2）求回路失谐时的等效阻抗及相移，当Δf=

±10kHz时当Δf=

±50kHz时二、并联谐振回路的通频带和选择性1．并联谐振回路电压谐振曲线Q值越大，幅频特性曲线越尖锐，相移特性曲线在谐振频率附近越陡峭。图2-3并联谐振回路幅频特性和相频特性曲线2．通频带当占有一定频带的信号在并联谐振回路中传输时，由于幅频特性曲线的不均匀性，输出电压不可避免地会产生频率失真。通频带实际上是为了限制频率失真的大小而规定的一个值。由最大值1下降到0.707时，所确定的频带宽度2Δf就是回路的通频带BW0.7。

图2-4并联谐振回路的通频带和选择性回路Q值越高，幅频特性曲线越尖锐，通频带越窄；回路谐振频率f0越高，通频带越宽。3．选择性选择性是指回路从各种不同频率信号中选出有用信号、排除干扰信号的能力。回路的谐振曲线越尖锐，对无用信号的抑制作用越强，选择性就越好。实用上，选择性常用谐振回路输出信号

下降到谐振时输出

的0.1倍，即下降20dB的频带BW0.1来表示，BW0.1越小，回路的选择性就越好。BW0.1=10f0/Q图2-4并联谐振回路的通频带和选择性为了提高选择性、降低频率失真，要求谐振回路的幅频特性应具有矩形形状。为了说明实际幅频特性曲线接近矩形的程度，常引用“矩形系数”这一参数，用符号K0.1表示，矩形系数越接近于1，则谐振回路幅频特性曲线越接近于矩形，回路的选择性也就越好。单个并联谐振回路的矩形系数K0.1≈10。故其选择性比较差。若要减小矩形系数，可采用两个或多个串、并联谐振回路连接起来，构成带通滤波器，也可采用石英晶体滤波器、陶瓷滤波器或声表面波滤波器等。三、串联谐振回路频率特性图2-5LC串联谐振回路回路空载Q值谐振频率回路输出电流幅频特性（归一化谐振函数）通频带图2-6

串联谐振回路阻抗特性曲线2.2阻抗变换电路一、信号源及负载对谐振回路的影响图2-7实用并联谐振回路由图2-7a可写出L、r串联电路的导纳为当r<<ωL时，则可看成一个电阻与电感L的并联电路有载品质因数由于Re<RP，所以有载品质因数Qe小于空载品质因数Q0，RS、RL越小，Re也越小，则Qe减小得越多，回路的选择性就越差，而通频带却变宽了。图2-7实用并联谐振回路例2-2并联谐振回路如图2-7a所示，L=586μH，C=200pF，r=12Ω，RS

=RL=100kΩ，试分析信号源及负载对谐振回路特性的影响。解：（1）不考虑RS、RL的影响时，谐振频率为空载品质因数为谐振电阻为通频带为（2）考虑RS、RL的影响时，由于L、C基本不变，故谐振频率

f0仍为465kHz，严格讲f0与回路损耗电阻有关。等效谐振电阻为有载品质因数为通频带为可见，信号源内阻及负载电阻使回路品质因数下降,导致回路通频带变宽，选择性变差。二、常用阻抗变换电路常用的阻抗变换电路有变压器阻抗变换电路、电感分压式阻抗变换电路和电容分压式阻抗变换电路。1．变压器阻抗变换电路设变压器为无损耗的理想变压器图2-8变压器阻抗变换电路2．电感分压式阻抗变换电路设L1、L2是无损耗的，且RL>>ωL2，3．电容分压式阻抗变换电路设C1、C2是无损耗的，根据RL和

上所消耗的功率相等，即图2-9电感分压式阻抗变换电路图2-10电容分压式阻抗变换电路例2-3并联谐振回路与信号源和负载的连接如图2-11a所示，信号源以自耦变压器形式接入回路，负载RL以变压器形式接入回路。已知绕组的匝数分别为N12

=10匝，N13

=50匝，N45

=5匝，L13=8.4μH，C=51pF，回路空载品质因数Q=100，Is

=1mA，Rs=10kΩ，RL=2.5kΩ，试求回路的有载品质因数Qe、通频带BW0.7及回路谐振输出电压Uo。图2-11采用变换电路的并联谐振回路解：将Is、RS、RL均折算到并联谐振回路1-3两端，如图2-11b所示，令自耦变压器的匝数比为n1，即所以令变压器的匝数比为n2，即所以显著增大，并联谐振回路的影响减小。Re=R's

//Rp//R'L=30.6kΩ2.3小信号谐振放大电路由放大器件和LC谐振回路组成一、单谐振回路调谐放大器1．工作原理图2-12单调谐放大器gm≈IEQ（mA）/26mV谐振电压增益图2-13单调谐放大电路小信号电路模型单调谐放大器的选择性、通频带和矩形系数与单谐振回路相同，即BW0.7=f0/Qe，K0.1=10，故单调谐放大器的选择性比较差。图2-14单调谐放大器增益频率特性曲线例2-4单调谐放大器的增益频率特性曲线如图2-15所示，求该放大器的谐振增益，通频带，回路的等效品质因数。由图可知，Au0=100BW0.7=5.05MHz-4.95MHz=0.1MHz因为BW0.7=f0/Qe，所以品质因数为Qe=f0/

BW0.7=5MHz/0.1MHz=50图2-15例题2-4图2．单调谐放大器稳定性的提高由于晶体管集电极和基极之间存在结电容，其值虽然很小（只有几个皮法），但高频工作时仍能使放大器输出和输入之间形成反馈通路（称为内反馈），再加上谐振放大器中谐振回路阻抗的大小及性质随频率变化剧烈，使得内反馈也随频率而剧烈变化，致使谐振放大器工作不稳定。

为了减小内反馈的影响，提高谐振放大器工作稳定性，常采用共射-共基两管组合电路构成谐振放大器图2-16共射-共基组合电路谐振放大器3．集成谐振放大器C2、L1构成输入调谐回路，C4、L2构成输出调谐回路，经变压器耦合后输出，C2、L1和C4、L2均调谐在信号的中心频率上。图2-17单片集成电路谐振放大器二、多级单调谐回路谐振放大器若每级谐振回路均调谐在同一频率上，称为同步调谐；若各级谐振回路调谐在不同频率上，则称为参差调谐。1．同步调谐放大器总的电压放大倍数谐振时总电压放大倍数总的谐振电压增益级数越多，谐振增益越大，幅频特性曲线越尖锐，矩形系数越小，即选择性越好，但通频带越窄图2-18多级同步调谐放大器增益幅频特性曲线2．双参差调谐放大器图2-19双参差调谐放大器幅频特性曲线要求f1-f0=f0-f2。与单级相比，双参差调谐放大器幅频特性更接近于矩形形状，故其选择性比单调谐放大器好。2.4集中选频放大器一、集中选频滤波器陶瓷滤波器是由锆钛酸铅陶瓷材料制成的。把这种陶瓷材料制成片状，两面涂银作为电极，经过直流高压极化后就具有压电效应。图2-20等效电路和图形符号串联谐振频率并联谐振频率Co—压电陶瓷片的固定电容Lq—机械振动时的晶体的等效质量Cq—机械振动时的等效弹性系数rq—机械振动时的等效阻尼在串联谐振频率时，陶瓷片的等效阻抗最小（≤20Ω），并联谐振频率时，陶瓷片的等效阻抗最大图2-21陶瓷片的阻抗频率特性陶瓷片的品质因数比一般回路高，各陶瓷片的串并联谐振频率配置得当，四端陶瓷滤波器可以获得接近矩形的幅频特性。图2-22四端陶瓷滤波器2．声表面波滤波器实用声表面波滤波器矩形系数可小于1.2，相对带宽可达50%当把输入信号加到发端换能器时，叉指电极间便产生交变电场，由于压电效应的作用，基片表面产生弹性形变，激发出与输入信号同频率的声表面波，它沿基片表面传播至收端，由于压电效应的作用，在收端换能器的叉指电极间产生电信号，并传送给负载。图2-23声表面波滤波器的基本结构二、集中选频放大器电路分析图2-24陶瓷滤波器选频放大器FZ1为采用共射一共基组合电路构成的集成宽带放大器图2-25声表面波滤波器选频放大器SAWF为声表面波滤波器由于SAWF插入损耗较大，所以在SAWF前加一级由晶体管构成的预中放电路L1与分布电容并联谐振于中心频率上L2、L3，用来抵消声表面波滤波器输入、输出端分布电容的影响，以实现良好的阻抗匹配C1、C2、C3交流耦合电容，R2、C4为电源去耦合滤波电路2.5噪声与灵敏度放大器的内部噪声主要是由电阻等有耗元件和晶体管、场效应管等电子器件产生的。一、噪声来源和分类1．电阻的热噪声电阻没有外加电压时，电阻材料的自由电子作无规则运动，运动过程在电阻两端产生很小的电压，某一瞬时，电阻两端电压的大小和方向是随机变化的。这种因热而产生的电压起伏称为电阻的热噪声。电阻的噪声很小，只有放大器的放大量很大，有用信号又很小，才有可能成为影响信号质量的重要因素，而且频带越宽、温度越高、阻值越大，产生的噪声也就越大。图2-26电阻热噪声电压波形2．晶体管的噪声(1)热噪声

晶体管三个中性区的体电阻和相应的引线电阻都会产生热噪声。以rbb’的热噪声影响最大。(2)散粒噪声

晶体管的主要噪声源。单位时间内通过PN结的载流子数目随即起伏，使得通过PN结的电流在平均值上下作不规则的起伏变化而形成的噪声。属于均匀频谱的白噪声。(3)分配噪声

通过集电极的电流在静态值上下起伏变化所引起的噪声。(4)闪烁噪声

又称1/f噪声，特点是频谱集中在低频氛围且功率谱密度与频率成反比。在高频工作时不考虑其影响。3．场效应晶体管噪声主要存在沟道电阻产生的热噪声，还存在闪烁噪声。二、噪声系数1．噪声系数的定义信号功率（signal）PS：信号功率能量的大小。噪声功率（noice）Pn

：噪声功率能量的大小。信号噪声功率比（信噪比）PS/Pn

：用以衡量信号的质量。噪声系数的定义：放大电路输入端信号噪声功率比PSi/Pni与输出端信号噪声功率比PSo/Pno的比值。2.噪声系数的表示放大电路输出噪声功率Pno是由两部分组成的Pno1＝APPni放大电路本身产生的噪声在输出端呈现的噪声功率Pno2

NF＝１＋2.6