2高频小信号放大器

第２章高频小信号放大器

2.1谐振回路

2.2

小信号谐振放大器

2.3

集中选频放大器

2.4放大器的噪声

本章小结2.1谐振回路作用：选择信号；阻抗变换。应用：调谐放大、高频功放、振荡、调制、混频等主要要求：

掌握并联谐振回路的选频特性及其主要参数的计算。理解回路Q值、信号源、负载等对回路特性的影响。了解变压器、电感分压器、电容分压器等常用阻抗变换电路及其阻抗变换的关系。2.1谐振回路2.1.1并联谐振回路的阻抗频率特性一、谐振回路基本参数Is.LCIs.LrCL的等效损耗电阻Z+Uo

–•并联谐振回路的等效阻抗时，回路并联谐振谐振频率：谐振阻抗：r<<

L引入品质因数Q，它反映谐振回路损耗的大小Q定义为：

定义参数

，称为LC回路的特性阻抗

则可得

空载品质因数，固有品质因数例2.1.1

L=180mH,C=140pF,r=10W,试求（1）f0、Q、Rp。Is.LrCZ+Uo

–•解：Hz

=1MHz因为通常，谐振回路研究ω0附近的频率特性，由于ω十分接近ω0，故可近似认为：则可得令二、阻抗频率特性曲线O½Z

½RPΔw幅频特性曲线ΔwOj90º-90º相频特性曲线0º这对曲线说明了并联谐振回路具有怎样的频率特性？O½Z

½RPΔw幅频特性曲线ΔwOj90º-90º相频特性曲线0ºQ增大Q增大谐振时，回路相移为零，回路阻抗最大且为纯电阻。失谐时，回路有相移，且回路阻抗下降。ω>ω0

时,回路呈容性，相移为负；ω<ω0

时,回路呈感性，相移为正；-90o<j

<90oQ

值增大，曲线变陡2.1.2并联谐振回路的通频带和选择性Is.LrCZ+Uo

–•谐振时回路输出电压回路的绝对失谐量1、电压谐振曲线并联回路两端电压并联谐振回路归一化输出电压的幅频特性曲线Q值越大，幅频特性曲线越尖锐，相频特性曲线越陡峭。2、通频带

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而不可避免地产生频率失真。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。值由最大值下降到0.707时，所确定的频带宽度2Δf

就是回路的通频带BW0.7该式表明：回路Q越高，幅频特性曲线越尖锐，通频带越窄；回路谐振频率越高，通频带越宽。3、选择性

选择性指回路从含有各种不同频率信号总和中选出有用信号、排除无用信号的能力。回路谐振曲线越尖锐,则选择性越好。正常使用时，谐振回路的谐振频率应调谐在所需信号的中心频率上。BW0.1=10f0/Q通带与选择性的综合评价计算矩形系数K0.1计算选择性矩形系数越接近1，选择性越好2.1.3信号源及负载对谐振回路的影响一、谐振回路的有载品质因数Re=Rs//RP//RL有载品质因数：空载品质因数：信号源及负载使回路有载品质因数下降,通频带变宽，选择性变差。RP=L/Cr

例2.1.2

下图中，L=586mH,C=200pF,r=12W,RS

=RL=100kW

，试分析信号源及负载对谐振回路特性的影响。LrUs.CRLRS解：1.计算不考虑RS、RL时的回路固有特性：f0、Q、RP、BW0.72.计算考虑RS、RL时的回路特性：f0、Qe、Re、BW0.7LrUs.CRLRSLIs.CReRe=Rs//RP//RL由于L、C基本不变，故谐振频率f0仍为465kHz。等效负载电阻有载品质因数通频带

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。应采取措施减小信号源和负载的影响。二、阻抗变换电路1.变压器阻抗变换电路设变压器为无耗的理想变压器可变大，也可变小，取决于n常用的有：变压器、电感分压器和电容分压器2.电感分压器阻抗变换电路大变小小变大若将RL

接在1、3端，输入电压加在2、3端，则设L1

、L2无耗且，则3.电容分压器阻抗变换电路设C1

、C2无耗，由功率相等可得当RL>>1/w

C2,可忽略RL的分流,则得

例2.1.3

下图中，线圈匝数N12

=10匝，N13

=50匝，N45

=5匝，L13=8.4mH,C=51pF,Q=100,Is

=1mA,Rs

=10kW,RL=2.5kW,求有载品质因数Qe、通频带BW0.7、谐振输出电压Uo。=250kW=250kW解：将Is

、RS

、RL均折算到并联谐振回路1-3两端kW=40.6kWRe=R's

//Rp//R'L=30.6kW由折算前后信号源输出功率相等，可得作业：1.LC并联谐振回路有何基本特性?说明Q对回路特性的影响。思考讨论题解：并联谐振回路具有谐振特性，当外加信号频率与回路谐振频率相等，即回路调谐时，回路两端输出电压为最大，且相移为零；当外加频率与回路谐振频率不相等时，即回路失谐时，回路两端输出电压迅速下降，相移值增大。利用回路的谐振特性，通过调谐，可以从各种不同信号频率的信号总和中选出有用信号、滤除无用信号，这称为谐振回路的选频作用。当谐振回路Q值越大，回路谐振频率越尖锐，其选频作用越好，但通频带将会变窄。思考讨论题2.并联谐振回路的品质因数是否越大越好？说明如何选择并联谐振回路的有载品质因数Qe的大小。解：并联谐振回路的品质因数不是越大越好。因为Qe值增大后虽然抑制带外干扰信号能力增强，但通频带也随之变小，因此，在实际应用中，为了保证有良好的选择性，应在满足通频带的要求下，力求增大回路的有载品质因数，即可按Qe≤f0/BW0.7来选择回路的有载品质因数。2.2

小信号谐振放大器

指以谐振回路为选频网络的高频小信号放大器，也称小信号调谐放大器。2.2小信号谐振放大器主要要求：

掌握单调谐回路谐振放大器的组成、工作原理和性能特点，了解其主要性能指标。了解多级单谐振回路谐振放大器。了解谐振放大器的稳定性。2.2.1单谐振回路谐振放大器保证晶体管工作在甲类状态晶体管的输出及负载电阻均通过阻抗变换电路接入。一、工作原理GieCieGoeCoe自耦变压器匝比变压器初次级匝比小信号电路模型gm≈IEQmA/26mV变换后电路模型CieGie二、主要性能指标1.谐振频率考虑晶体管输出电容和负载电容影响后，谐振回路的总电容量为Ct，谐振频率为2.谐振电压增益回路的有载谐振电导当LC并联谐振回路调谐在输入信号频率上时，回路产生谐振，放大器输出电压最大，电压增益也最大，谐振电压增益为3.选择性和通频带增益频率特性曲线增益频率特性为通频带为BW0.7=f0/Qe矩形系数K0.1=10，选择性较差。2.2.2

多级单谐振回路谐振放大器一、同步调谐放大器每级谐振回路均调谐在同一频率上各级谐振回路调谐在不同频率上同步调谐放大器—

参差调谐放大器—

总电压放大倍数谐振时总电压放大倍数以分贝表示谐振时总电压增益，则多级同步调谐放大器增益特性曲线级数越多，则谐振增益越大，选择性越好，通频带越窄。每级的通频带比总的通频带宽。二、双参差调谐放大器单级幅频特性合成幅频特性调谐到略高于信号中心频率调谐到略低于信号中心频率f1=f0+

ff2=f0-

f总幅频特性更接近于矩形，选择性比单调谐放大器好。

每两级为一组，组内各级调谐在不同频率上，如此级联组成的多级放大器称为双参差调谐放大器。*2.2.3小信号谐振放大器的稳定性一、谐振放大器不稳定的原因二、谐振放大器稳定性的提高选用CB结电容小的晶体管从电路上消除内反馈的影响中和法失配法谐振回路阻抗随频率剧烈变化的特性使这种内反馈随频率变化而剧烈变化，使放大器的幅频特性发生变形，增益、通频带、选择性等都发生变化，严重时会在某频率点满足自激条件，产生自激振荡。因此会导致放大器工作不稳定。方法失配法：为减小内反馈的影响，提高谐振放大器工作稳定性，常采用共射-共基组合电路构成调谐放大器。

共基电路输入阻抗很小，使共射电路的输出小，因此通过内反馈对输入端产生的影响小，故可提高稳定性。集成调谐放大器uo

MC159013485627AGCVCCui

双端输入、双端输出；输入为共射-共基组合电路构成的差动电路；输出级由复合管差分电路构成；内反馈很小，不易自激。

外电路简单已调，工作稳定可靠。电源去耦滤波器输入、输出回路均调谐在信号的中心频率上。集成调谐放大器uo

C2L1L2+12VRLMC1590L313485627AGCC3C4ui

C12.3集中选频放大器主要要求：

了解集中选频放大器的组成和性能特点了解陶瓷滤波器和声表面波滤波器的工作原理2.3.1集中选频滤波器一、陶瓷滤波器工艺：陶瓷焙烧片状两面涂银直流高压极化

具有压电效应

当陶瓷片发生机械变形时，其表面会产生电荷，两电极间产生电压；而当陶瓷片两电极间加上电压时，它会产生机械变形。

当外加交变电压的频率等于陶瓷片固有频率时，机械振动幅度最大，陶瓷片表面产生电荷量的变化也最大，在外电路中产生的电流也最大，其作用类似于串联谐振回路。材料：由锆钛酸铅陶瓷材料制成电路符号和等效电路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阻抗频率特性串联谐振频率并联谐振频率等效阻抗

20

，最小。等效阻抗最大。构成四端陶瓷滤波器，Q值比一般LC回路的高，可获得接近矩形的幅频特性。下图分别为由两个和9个陶瓷片组成的四端陶瓷滤波器。陶瓷滤波器：工作频率为

几百kHz

几十MHz

使用时，其输入阻抗须与信号源阻抗匹配其输出阻抗须与负载阻抗匹配。优点：体积小、成本低、受外界影响小。缺点：频率特性较难控制，生产一致性较差，BW不够宽。石英晶体滤波器特性与陶瓷滤波器相似，但Q值高很多，因此频率特性好，但价格较高。二、声表面波滤波器

声表面波滤波器优点：

体积小、重量轻、性能稳定、特性一致性好、工作频

率高（几MHz～几GHz）、通频带宽、抗辐射能力强、

动态范围大等。

实用的声表面波滤波器的矩形系数可小于1.2，相对

带宽可达50%。

声表面波滤波器是声表面波（用SAW表示）器件的

一种。

SAW器件是一种利用弹性固体表面传播机械振动

波的器件。

它以铌酸锂、锆钛酸铅和石英等压电材料为基片，利用真空蒸镀法，在基片表面形成叉指形金属膜电极，称为叉指电极。

加输入信号时，叉指电极间便产生交变电场，由于压电效应的作用，使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，在收端的叉指电极间得到电信号，并传送给负载。声表面波滤波器的结构与工作原理2.3.2集中选频放大器应用举例输入端变压器耦合射极输出器实现阻抗匹配展宽通频带陶瓷滤波器选频放大器

并联谐振回路调谐在陶瓷滤波器主谐振频率上，以消除陶瓷滤波器通带外出现的小谐振峰。声表面波滤波器选频放大器L1与分布电容并联谐振于中心频率。L2、L3为匹配电感，用于抵消SAWF输入、输出端分布电容的影响，以实现阻抗匹配。C1、C2、C3均为隔直耦合电容。R2、C4为电源去耦滤波电路。2.4放大器的噪声主要要求：

了解放大器内部噪声的来源了解噪声系数的含义2.4.1

噪声的来源一、电阻热噪声

电阻体内的自由电子在一定温度下总是处于无规则的热运动状态，温度越高,自由电子的运动越剧烈，大量的热运动电子产生的无数个窄脉冲电流叠加，形成电阻的噪声电流。噪声电流在电阻内流通，电阻两端产生噪声电压。一般称作电阻热噪声。不规则的电阻噪声电压波形特点：频谱宽，均匀频谱的白噪声；各频率分量的强度相等；放大器中的电阻噪声很小。二、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。2.4.2

噪声系数信噪比：电路中的同一端口信号功率Ps与噪声功率Pn之比。用Ps/Pn表示，其值越大，噪声的影响越小。噪声系数：输入端的信噪比（Ps/Pn）i与输出端的信噪比（Ps/Pn）o的比值，用NF表示。实用放大器的NF总是大于1，理想无噪放大器的噪声系数才有可能为1。噪声系数只适用于线性电路。放大器输出端噪声功率Pno包含两部分：输出端放大器本身产生的噪声功率输入端噪声通过放大器后在输出端产生的噪声功率放大器的噪声系数可以写成：

放大器的噪声系数与放大器内部噪声、输入噪声功率及放大器功率增益有关，而与输入信号的大小无关。本章小结LC谐振回路具有选频作用。回路谐振时，回路阻抗为纯电阻，可获得最大电压输出；当回路失谐时，输出电压迅速减小。回路的品质因数越高，回路谐振