《高频电子技术》-高频电子技术第3章

3.1概述在无线通信中，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，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。这就需要通过高频小信号放大器来完成。高频小信号放大电路按频谱分类可分为窄频带放大电路和宽频带放大电路两大类。窄频带放大电路对中心频率在几百千赫兹到几百兆赫兹，频谱宽度在几千赫兹到几十兆赫兹内的微弱信号进行不失真的放大，故不但需要有一定的电压增益，而且需要有选频能力。宽频带放大电路对几兆赫兹至几百兆赫兹较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大，故要求放大电路的下限截止频率很低（有些甚至要求到零频即直流），上限截止频率很高。下一页返回3.1概述窄频带放大电路由双极型晶体管（以下简称晶体管）、场效应管或集成电路等有源器件提供电压增益，由LC谐振回路、陶瓷滤波器、石英晶体滤波器或声表面波滤波器等器件实现选频功能。它有两种主要类型：以分立元件为主的谐振放大器和以集成电路为主的集中选频放大器。宽频带放大电路也是由晶体管、场效应管或集成电路提供电压增益。为了展宽工作频带，不但要求有源器件的高频性能好，而且在电路结构上采取一些改进措施。高频小信号放大电路是线性放大电路。按电路形式分为：单级、级联放大器。按负载性质分为：谐振、非谐振放大器。小信号调谐放大器有分散选频和集中选频两大类。分散选频的每级放大器都接入谐振负载，为分立元件电路；集中选频的调谐放大器都为集成宽带放大器，且谐振负载多为集中滤波器。分散选频的小信号调谐放大器又根据负载选频网络的不同，分为单调谐回路调谐放大器和双调谐回路调谐放大器。上一页下一页返回3.1概述本章将主要介绍晶体管单级单调谐窄带谐振放大器。Y参数等效电路和混合π形等效电路是分析高频晶体管电路线性工作的重要工具，晶体管、场效应管和电阻引起的电噪声将直接影响放大器和整个电子系统的性能。高频小信号放大器主要用于通信系统接收机中的高频放大和中频放大，其主要作用是进行选频、放大。上一页返回3.2高频小信号放大器的性能指标高频小信号放大器的主要性能指标包括：电压增益、通频带、选择性、工作稳定性及噪声系数等。3.2.1电压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。可用电压增益和功率增益来表示。通常也用分贝来表示：、。实际上，在描述高频小信号放大器的增益时通常指的是谐振增益，即高频小信号放大器在谐振频率f0上的电压增益。谐振增益是用来衡量小信号谐振放大器对有用信号的放大能力的。对高频小信号放大器谐振增益有影响的因素有：所使用的晶体管，晶体管的β值不同，组成的放大器的增益不同；通频带宽度，一般通频带越宽，增益就越低；稳定性，一般放大器的增益越大，稳定性就越差。下一页返回3.2高频小信号放大器的性能指标考虑这些因素后，单级小信号放大器的增益一般为20～30dB。但是实际应用时往往要求谐振增益要在100dB以上，所以正真实用的小信号放大器通常是多级级联的。3.2.2通频带通频带是指信号频率偏离放大器的谐振频率f0时，放大器的电压增益Au下降到谐振电压增益Au0

的倍时，所对应的频率范围，一般用BW0.7表示。如图3−1所示，BW0.7=fH−fL。放大器的通频带通常与负载的形式和负载的品质因数Q有关。一般就是品质因数越高，其通频带越窄。多级级联后通频带会变窄。放大器的用途不同，对通频带的要求也不相同。一般调幅广播接收机的中频放大器的通频带为8kHz左右，调频广播接收机的中频放大器的通频带为200kHz左右，电视接收机的高频放大器和中频放大器的通频带一般为6～8MHz。上一页下一页返回3.2高频小信号放大器的性能指标3.2.3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。放大电路的选择性主要由选频电路来决定。衡量选择性的具体指标是矩形系数Kr0.1，这个参数定义为

（3−1）式中，BW0.1为相对电压增益下降到0.1时所确定的频带宽度，如图3−1所示。放大器具有理想的选择性是当Kr0.1=1时，而实际高频小信号放大器的矩形系数都是大于1的。矩形系数越接近于1，其选择性就越好。上一页下一页返回3.2高频小信号放大器的性能指标3.2.4工作稳定性工作稳定性是指选频放大器中的非线性放大元器件的偏置、交流参数以及其他电路元件参数发生变化时，电路性能（如增益、通频带、矩形系数等）的稳定程度。为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即限制每级增益，选择内反馈小的晶体管，应用中和或失配方法等。3.2.5噪声系数噪声系数表征信号经放大后，信噪比变坏的程度。噪声系数的定义是放大器的输入信噪比（输入端的信号功率与噪声功率之比）与输出信噪比之比，即

（3−2）上一页下一页返回3.2高频小信号放大器的性能指标噪声系数通常都是大于1的，越接近于1，放大器输出噪声就越小。放大器中产生的噪声有放大器本身产生的噪声及其相关电路产生的噪声。在多级级联的放大器中，前一级、二级放大器的噪声对整个放大器的噪声起决定作用。为了减少放大器的内部噪声，在设计与制作时应当采用低噪声管，正确地选择工作点电流，选用合适的电路等。上一页返回3.3LC谐振回路的特性高频小信号谐振放大器的性能在很大程度上取决于LC并联谐振回路，在高频小信号放大器中，LC并联谐振回路的主要作用是选频和阻抗变换。并且LC并联谐振回路在后面的各章，如正弦波振荡器、调制、鉴频、混频电路中都有很重要的作用，所以有必要先介绍LC并联谐振回路。3.3.1并联谐振回路的阻抗频率特性LC并联谐振回路如图3−2所示，电感线圈L、电容器C与外加信号源相互并联构成振荡回路。由于电容器的损耗很小，可以认为损耗主要集中在电感支路，用电阻R表示电感的损耗。在分析并联谐振回路时，采用恒流源（实际应用时外加信号源内阻很大）比较方便。下一页返回3.3LC谐振回路的特性但是在分析时暂时不考虑恒流源的内阻，后面有一节专门分析恒流源内阻对并联谐振回路的影响。并联谐振回路两端的阻抗为在实际应用中，通常都满足ωL远远大于R的条件，在后面的分析中，都考虑此条件，无需另加说明。所以R+jωL≈jωL，代入式（3−3）中，则有上一页下一页返回3.3LC谐振回路的特性当外加信号源的频率等于LC谐振回路的固有频率时，则回路发生谐振。发生并联谐振的条件是整个回路的电抗等于零，即

（ω0

为谐振时的频率），由式（3−4）可知，此时并联谐振回路阻抗达到最大值，且为纯电阻，通常用RP表示。由于发生谐振时，可得谐振频率为上一页下一页返回3.3LC谐振回路的特性由在LC谐振回路中，把感抗值或者容抗值比上回路的等效损耗电阻R，称为并联谐振回路的品质因数，用Q表示。即把式（3−6）代入式（3−8）得上一页下一页返回3.3LC谐振回路的特性由引入品质因数Q是为了评价谐振回路损耗的大小，由式（3−9）可知，Q值越大，则回路的损耗就越小；反之，损耗就越大。把式（3−8）代入式（3−7），可得并联谐振回路主要研究的是谐振频率ω0附近的频率特性，因为有用信号频谱在ω0附近。由于实际频率ω十分接近ω0，所以可以近似认为ω+ω0≈2ω0，ωω0

≈ω02

，同时令ω−ω0=Δω，所以式（3−11）可以写成上一页下一页返回3.3LC谐振回路的特性可得并联谐振回路两端的阻抗的模和相角分别为根据式（3−13）可以作出并联谐振回路的阻抗幅频特性曲线和相频特性曲线，如图3−3和图3−4所示。由图3−3和图3−4可知，并联谐振回路的阻抗频率特性如下。（1）当回路谐振时，即ω=ω0时，并联谐振回路的阻抗为一纯电阻，数值可达到最大值

其中，RP

称为谐振电阻，阻抗相角为ϕ=0。上一页下一页返回3.3LC谐振回路的特性（2）当回路的角频率ω>ω0

时，并联回路总阻抗呈电容性。（3）当回路的角频率ω<ω0时，并联回路总阻抗呈电感性。（4）Q值越大，幅频特性曲线越尖锐，相频特性在谐振频率附近就越陡峭。上一页下一页返回3.3LC谐振回路的特性3.3.2并联谐振回路的通频带和选择性由图3−3知，并联谐振回路两端的电压应该等于流过并联谐振回路的电流与并联谐振回路的阻抗之积，即把式（3−12）代入式（3−15），得在上式中

为谐振时并联回路两端的电压，简称谐振电压：Q为品质因数；Δf(Δω)称为并联回路的绝对失谐量；f0

为并联谐振回路的谐振频率。把式（3−16）两边除去并取其模，有上一页下一页返回3.3LC谐振回路的特性根据前面通频带的定义，的比值由1变为时，所对应的2Δf即为通频带，即整理式（3-18）（把2Δω换成BW0.7

），可得上一页下一页返回3.3LC谐振回路的特性根据式（3−17）画出幅频特性曲线，如图3−5

所示。由图3−5或者式（3−19）可以看出，回路的品质因数越高，回路损耗就越小，则幅频特性曲线越尖锐，并联谐振回路的通频带就越窄，回路的选择性就越好；品质因数越低，回路的损耗就大，并联谐振回路的通频带就越宽，选择性就越差。需要说明的是在LC并联谐振回路中，通频带并不是越窄就越好，如果通频带比有用信号的频谱还窄，那么有用信号就有一部分无法通过，最终导致输出信号严重失真。理想的幅频特性曲线是矩形。例3.1并联谐振回路如图3−2所示。已知L=180μH，C=140pF，R=15Ω，试求：（1）该回路的谐振频率f0、品质因数Q及谐振电阻RP。（2）f/f0=1.02、1.05、2时，并联回路的等效阻抗及相移。上一页下一页返回3.3LC谐振回路的特性解：（1）求f0

、Q、RP。根据（2）求回路的等效阻抗和相移。根据上一页下一页返回3.3LC谐振回路的特性当f/f0=1.02，有当f/f0=1.05，有上一页下一页返回3.3LC谐振回路的特性当f/f0=2，有上述计算说明，当输入信号的频率偏离中心频率越远，则回路对信号的相位移动就越大，并联谐振回路对信号呈现的阻抗就越小，即信号在并联谐振回路两端的压降就越小。上一页返回3.4信号源及负载对并联谐振回路的影响在小信号放大器中，LC并联谐振回路是作为放大器的负载，同时小信号放大器本身也要有负载，如图3−6所示。由图3−6可知，三极管及辅助元件构成放大器，LC并联谐振回路作为放大器的负载，它们构成高频小信号选频放大器。RL是整个小信号选频放大器的负载，也是并联谐振回路的负载。实际上三极管及其辅助元件相当于并联谐振回路的信号源，RL

相当于并联谐振回路的负载。前面分析并联谐振回路的特性是基于忽略信号源及其负载的情况，现在有了信号源及其负载后，并联谐振回路的特性会受到影响吗？下面来分析一下。把三极管及其辅助元件等效为含有内阻RS的电压源，那么图3−6就可以简化为图3−7（a）。为了分析方便，把电感L与损耗电阻R串联电路变为并联形式，则L、R串联支路的导纳为下一页返回3.4信号源及负载对并联谐振回路的影响前面在分析LC并联谐振回路时提及，实际上R<<ωL，因此有R2+(ωL)2

≈(ωL)2

，则式（3−20）就变为由于研究谐振都是在ω0附近，所以有ω≈ω

0

，且有，则把式（3−22）代入式（3−21）有上一页下一页返回3.4信号源及负载对并联谐振回路的影响式（3−23）刚好可以看成是谐振电阻RP

和电感L并联的总导纳，由此可得，电感L与损耗电阻R串联支路可以近似等效为谐振电阻RP与电感L的并联支路。所以图3−7（a）可以等效为图3−7（b）。在图3−7（b）中，与前面分析的单纯的并联谐振回路比较，多了两个并联电阻RS和RL

，令，则带有信号源和负载的LC并联谐振回路的品质因数为［见式（3−10）］：，称Qe

为有载品质因数。相对的，被称为空载品质因数。很明显，空载品质因数Q要比有载品质因数Qe高。由此可见，当并联谐振回路带上信号源和负载后，其品质因数要下降，通频带要变宽，选择性要变差。如果选择性太差，高频小信号放大器就起不到选频的目的。所以要想办法减小信号源和负载带来的这种负面影响，当RS

和RL越小，品质因数Qe

就下降的越多，可以通过提高信号源内阻和负载的方法来减小这种影响。上一页下一页返回3.4信号源及负载对并联谐振回路的影响例3.2如图3−7（a）所示，已知L=293μH，C=400pF，R=5Ω，RS=RL50kΩ，试比较有无信号源和负载时的性能差异。解：（1）不考虑RS

和RL的影响求回路的固有特性。谐振频率空载品质因数

谐振电阻通频带上一页下一页返回3.4信号源及负载对并联谐振回路的影响（2）考虑RS

、RL的影响后求回路的特性。此时的电路图等效为图3−8。由于L和C没有改变，所以谐振频率还是为465kHz等效谐振电阻有载品质因数为通频带为例3.2题验证了信号源的内阻和负载电阻将会对并联回路的品质因数产生明显的影响，使回路的品质因数急剧下降，通频带变宽，选择性变差。上一页返回3.5阻抗变换电路上节中讲到，并联谐振回路在接入信号源和负载后，使得并联谐振回路的性能下降，为减小信号源及负载对谐振回路的影响，通常采用阻抗变换电路来等效提高信号源内阻和负载，常用的阻抗变换电路有：串并联等效阻抗互换电路，变压器阻抗变换电路，抽头阻抗变换电路。3.5.1串并联阻抗等效互换在实际中为了分析问题方便，需要把串联电路等效为并联电路，或者是把并联电路转换为串联电路，如图3−9所示。下一页返回3.5阻抗变换电路在图3−9（a）中的电抗X1

为纯感抗或者纯容抗，R1为AB这一支路的总电阻（电抗的损耗电阻与外加电阻之和），图3−9（b）中X2为等效后的电抗元件，R2

为转换后的电阻。图3−9（a）和图3−9（b）是等效互换的关系，这里的“等效”指的是在电路的频率等于工作频率时，从图3−9（a）的AB端看进去的阻抗或者是导纳与图3−9（b）的CD端看进去的阻抗或者是导纳相等。所以有右边分子分母同时乘上（R2−jX2）得上一页下一页返回3.5阻抗变换电路根据两复数相等的条件，有用式（3−27）除以式（3−26）可得串联支路的品质因数由式（3−26）和（3−28），可得上一页下一页返回3.5阻抗变换电路由式（3−27）和式（3−28），可得如果QL1

值比较大（大于10以上），则有式（3−32）表明：串联电路转换成等效的并联电路后，电抗X2与电抗X1

的性质相同，在QL1较高的情况下，其电抗基本不变，而并联电路的电阻R2要比串联电路的电阻大QL2

倍。由于串并联阻抗在电路分析中经常用到，为此小结如下。上一页下一页返回3.5阻抗变换电路（1）小的串联电阻R1

可化为大的并联电阻R2，。（2）串联电抗化为同种性质的并联电抗。在QL1较高时，X1=X2

。（3）串联电路的有效品质因数为以上公式反过来用，就可以把并联电路等效为串联电路。3.5.2回路部分接入的阻抗变换为了减小信号源和负载对谐振回路的影响，通常选用内阻较大的信号源和阻值较大的负载。当信号源内阻和负载较小时，则需要加入阻抗变换电路。常用的变压器阻抗变换电路如图3−10所示上一页下一页返回3.5阻抗变换电路假设初级电感线圈的圈数为N1

，次级圈数为N2，且初次间全耦合（k=1），线圈和电容的损耗忽略不计，则等效到初级回路的电阻

R′

L

上所消耗的功率应和次级负载R

L

上所消耗功率相等，即由式（3−33）可得令，则有如果n>>1，则有R′

L远远大于R

L

。由此可见，采用一个变压器来耦合负载R

L和LC并联谐振回路，相当于把负载提高了n2

倍。在小信号放大器中常用变压器实现阻抗变换，如图3−11所示，负载R

L

通过变压器的阻抗变换，就可以减小负载对CLL并联谐振回路的影响。上一页下一页返回3.5阻抗变换电路2.电感分压式阻抗变换图3−12为电感分压式阻抗变换电路，也称为自耦变压器阻抗变换电路。设L1和L2的互感为M，则L13=L1+L2+2M，图3−12中23端为输入端（可以把R1

看成是信号源的内阻），R2

就是R1

变换到LC两端的电阻。12端的电感为L2

，匝数为N2

，23端的电感为L1

，匝数为N1

，电压为V1，13端的电压为V2

。设电感和电容是无损耗的，并且R1

≥ωL2

，则自耦变压器的匝数比n为同理，输入功率等于输出功率上一页下一页返回3.5阻抗变换电路所以有由此可见，R1

通过阻抗变换到LC两端，阻值提高了n2倍。在图3−11中，三极管及辅助元件就相当于LC回路的信号源，就是运用了电感分压式阻抗变换。3.电容分压式阻抗变换图3−13为电容分压式阻抗变换电路，电感和电容都是无损耗的。电阻R1接在电容的抽头上面，变换到LC并联谐振回路两端的电感为R2

（实际并不存在这个电阻）。C2

两端的电压为V1

，LC并联谐振回路两端的电压为V2，同理，根据R1

和R2

所消耗的功率相等，有上一页下一页返回3.5阻抗变换电路当时，有显然n是大于1的。这样由式（3−39）可得电容分压式阻抗变换把原来的R1

变换成LC并联谐振回路两端的电阻R2

，阻值提高了n2

倍，减小了R1对并联谐振回路的影响。上一页下一页返回3.5阻抗变换电路例3.3如图3−14，部分接入回路由电流源激励，忽略回路本身的固有损耗，试求回路两端电压v（t）。解：根据电容分压式阻抗变换可知，R1

变换到并联LC谐振回路两端的电阻而所以有：因此回路两端电压为上一页下一页返回3.5阻抗变换电路例3.4并联谐振回路与信号源连接线路如图3−15所示，信号源以自耦变压器形式接入回路。已知线圈的匝数分别为N12＝10匝，N13＝40匝，L13＝10μH，回路空载品质因数Q＝100，C=50pF，RS为5kΩ，IS=2mA。试求并联谐振回路带信号源后的品质因数Qe、通频带BW0.7及回路谐振时LC回路两端输出电压Vo的大小。解：由题意，并联谐振回路的谐振频率为要计算题目要求的各个参数，必须把信号源和内阻变换到LC回路里面去，画出其等效电路，如图3−16所示。上一页下一页返回3.5阻抗变换电路根据前面的串并联转换可知，电感的损耗等效到并联两端为谐振电阻RP

，根据R′S是RS变换到LC并联谐振回路两端的电阻，根据电感分压式阻抗变换，得其中，所以I′S是IS

变换到到LC两端的信号源，根据能量守恒，变换前的功率为ISV12，应该等于变换后的功率I′SV13，即ISV12=I′SV13，所以上一页下一页返回3.5阻抗变换电路由此可见，电流源通过抽头变换后，将变为原来的1/n。而变换后的总的电阻为LC并联谐振回路两端的电压为上一页返回3.6小信号谐振放大器LC谐振回路小信号谐振放大器是由放大电路（包括晶体管、场效应管或集成电路）与LC谐振回路组成，作用是将微小的高频信号进行线性放大，选出中心频率（输入信号对应）的信号，并滤除不需要的干扰频率信号。LC谐振回路小信号谐振放大器，根据负载可以分为单调谐放大器和双调谐放大器，这里主要分析单调谐放大器。在对小信号谐振放大器分析前，先看一下晶体管的高频等效电路。3.6.1晶体管的高频Y参数等效电路在高频电子线路中晶体管常采用Y参数等效电路，因为晶体管是电流受控元件，输入、输出都有电流，并且在并联电路中，总的导纳等于各个导纳之和，计算起来比较方便。Y参数等效电路如图3−17所示。下一页返回3.6小信号谐振放大器在图3−17中Cic、gie为晶体管的输入电容和输入电导，Yfe（或gm

）为跨导，goc和Coe

分别为晶体管的输出电导和输出电容。这些参数为晶体管本身参数，只与晶体管的特征有关，与外电路无关，所以通常称为内参数。3.6.2单调谐小信号谐振放大器单调谐谐振放大器的电路如图3−18（a）所示，VT为放大管；Rb1、Rb2为直流偏置，提供静态工作点；Cb、Ce为小电容高频旁路；LC谐振回路作为放大器负载，对输入信号的中心频率进行谐振；放大器与LC并联谐振回路采用电感分压式阻抗变换方式接入；负载RL则以变压器阻抗变换的方式接入LC谐振回路，目的是减少放大器等效电阻作为信号源内阻与负载对LC并联谐振回路性能的影响，以提高电路的稳定性，使前后级阻抗匹配。上一页下一页返回3.6小信号谐振放大器将晶体管的Y参数等效电路图代入图3−18（b）所示的电路图中，得到图3−19（a）所示的电路图，如果设电感线圈1—2间的匝数为N12，1—3间的匝数为N13，次级线圈的匝数为N45，则令因此，将三极管的Y参数模型输出端和负载通过阻抗变换电路等效到LC回路的两端，可得图3−19中（b）所示的电路模型。其中为LC谐振回路的空载电导，。因为，

所以将等式两边的电阻变为电导，则，所以。同理可得电容变换后应该为原来的1/n2，电流变换后，在例题3.4里面推导出应该为原来的1/n。上一页下一页返回3.6小信号谐振放大器下面先来计算单调谐谐振放大器的电源放大倍数。上一页下一页返回3.6小信号谐振放大器由图3−19（b）所示，LC谐振回路两端的总的电导为所以LC回路两端的电压为而输出电压为把式（3−45）代入式（3−42），则谐振放大电路的放大倍数为小信号谐振放大器的通频带，选择性和矩形系数都取决于LC谐振回路，所以前面讲的LC谐振回路的参数公式也适合于小信号谐振放大器。上一页下一页返回3.6小信号谐振放大器3.6.3多级单调谐放大器若单级放大器的增益不能满足要求，就可以采用多级级联放大器。如果多级单调谐放大器的谐振频率相同，均为信号的中心频率，称为同步调谐；如果各级单调谐放大器的谐振频率不相同，称为参差调谐。级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发生变化。如果放大器有m级，各级放大器的增益分别为，则总的增益为若由完全相同的单级放大器组成，各级电压增益相等，则m级放大器的总电压增益为由此可见：多级单调谐放大器的总电压增益是各级电压增益的乘积。m级发放到各级联时，它的谐振曲线可以表示如下。上一页下一页返回3.6小信号谐振放大器所以其谐振曲线如图3−20所示，因为多级放大器总的电压放大倍数等于各级放大倍数的乘积，因此级数越多，增益就越大，幅频特性曲线就越尖锐，选择性就越好，但是通频带就会越窄。根据通频带的定义可求得m级放大器的通频带为上一页下一页返回3.6小信号谐振放大器从式（3−50）可以看出，多级放大器级联级数越多，通频带就越窄。选择性由矩形系数来表示。级数m增加，矩形系数减小，选择性越来越好，曲线越尖锐。但选择性与通频带依然矛盾，且增益与通频带亦矛盾。采用双调谐回路谐振放大器是改善放大器选择性、解决放大器的增益和通频带之间矛盾的有效方法之一。上一页下一页返回3.6小信号谐振放大器3.6.4小信号谐振放大器实例分析图3−21是调幅通信接收机部分，采用二级中频放大器电路。第一级中频放大器由晶体管VT1和VT2

组成共射—共基级联电路，这种级联可以提高放大器的稳定性，电源电路采用串联反馈供电。R6、R10、R11

为三极管提高偏置电阻，R7

为负反馈电阻，用来控制和调整中放的增益。R12

和C6构成去耦电路，防止中频信号流入公共电源引起不必要的能量损耗。变压器Tr1在这里有几个作用，一是构成LC选频回路，同时实现阻抗变换，还起到前后级耦合的作用。C4、C5是旁路电容，保证放大器的增益。第二级电路与第一级电路的结构功能相同，R19

和热敏电阻R20

串联后作为低温补偿，使得电路在低温时，灵敏度不会降低。在调整合适的情况下，应该保持两个管子的管压降接近相等，才能充分发挥两个管子的作用，使放大器达到最佳的直流工作。上一页返回3.7集中选频放大器前面讲的分立元件的小信号选频放大器在构成多级放大器电路时，调试不方便，频率特性的稳定性不够高，可靠性较差，所以在要求较高的选频电路中，通常用集中选频放大器。与分立元件的小信号选频放大器比较，集中选频放大器有较多优点：一是采用集中放大与集中滤波，使高频放大器的两个主要功能分别由集成放大器与集中滤波器担任，这样可以简化线路、提高稳定性和可靠性，方便调整；二是采用专门的选频滤波器，比调谐放大器有更好的频率特性，比如可得到更小的矩形系数，还可以满足特殊频率特性的要求，如可得到相对带宽为千分之几的窄带电路（晶体滤波器）和相对带宽大于50%的宽带电路（声表面滤波器），或者有特殊选频要求的滤波器（如电视中频滤波器）；三是高频集成电路和集中选频滤波都是由专门单位设计生产的，对于线路和设备设计人员主要是选用和正确使用它，这就大大简化放大器的设计和调整，从而缩短线路和设备的设计和制作的周期。集中选频放大器的组成有两种方式，如图3−22所示。下一页返回3.7集中选频放大器图3−22（a）中，集中选频滤波器接于宽带集成放大器的后面，这是一种常的接法。这种接法要注意的问题是，需使宽带集成放大器与集中滤波器之间实现阻抗匹配。这有两重意义：一是从宽带集成放大器输出看，阻抗匹配表示放大器有较大的功率增益；二是从滤波器输入端看，要求信号源的阻抗与滤波器的输入阻抗相等而且匹配（在滤波器的另一端也是一样），这是因为滤波器的频率特性依赖于两端的源阻抗与负载阻抗，只有当两端端接阻抗等于所要求的阻抗时，方能得到预期的频率特性。当集成放大器的输出阻抗与滤波器输入阻抗不相等时，应在两者间加阻抗转换电路。通常可用高频宽带变压器进行阻抗转换，也可以用低品质因数Q的振荡回路。采用振荡回路时，应使回路带宽大于滤波器带宽，使放大器的频率特性只由滤波器决定。通常宽带集成放大器的输出阻抗较低，实现这种阻抗变换没有什么困难。上一页下一页返回3.7集中选频放大器图3−22（b）是另一种接法：集中滤波器放在宽带集成放大器的前面。这种接法的好处是，当所需放大信号的频带以外有强的干扰信号（接收机的中时常有这种情况）时，不会直接进入集成放大器，避免此干扰信号因放大器的非线性（放大器在大信号时总是有非线性）而产生新的不需要的干扰。有些集中滤波器，如声表面波滤波器，本身有较大的衰减（可达十余分贝），放在集成放大器之前，将使有用信号减弱，导致集成放大器中的噪声对信号的影响加大，这将使整个放大器的噪声性能变差。为此通常在滤波器之前加一前置放大器，以补偿滤波器的衰减。常用的集中选频滤波有石英晶体滤波器、陶瓷滤波器、声表面滤波器等。上一页下一页返回3.7集中选频放大器3.7.1石英晶体滤波器石英晶体俗称水晶，是一种化学成分为SiO2，两端呈角锥的六棱柱结晶体。按一定的方位角将晶体切成薄片称石英晶片（正方形、长方形、圆形），不同方位的切片有不同程度的频率特性，称为各向异性，如图3−23所示。其中图3−23（a）表示自然结晶体，图3−23（b）是结晶体的横断面。石英晶体内有3个对称轴，分别为Z（光）轴、X（电）轴、Y（机械）轴，与各轴不同角度切割会形成不同晶体。在晶片上加金属电极引线，并以金属壳封装或玻璃壳封装，成为石英晶体滤波器。上一页下一页返回3.7集中选频放大器石英晶体之所以可以滤波，是因为它具有正压电效应和负压电效应。所谓正压电效应，指的是沿电轴或机械轴施以张力，会在垂直于电轴的两面产生异号电荷，电荷量与张力所引起的机械变形成正比。如果施以压力，则两面的电荷改变符号。负压电效应指在垂直于电轴的两个面施加一定的交变电压，则石英沿电轴或机械轴产生弹性形变（伸张或压缩），称为机械振动，机械振动的强弱基本正比于电场强度，振动的性质取决于所加电压的极性。由于石英晶体和其他弹性体一样，存在着固有振动频率，当外加电源频率等于石英晶体的固有频率时就发生谐振。石英晶体的等效电路图如图3−24（a）所示，由此可见石英晶片相当于串联谐振电路。其中C0

表示以石英晶体为介质的两个电极极板间的电容，称为静态电容，一般为几皮法到几十皮法。上一页下一页返回3.7集中选频放大器电容量主要取决于石英晶片的尺寸和电极面积，可用表示。

ε为石英晶体的介电常数，S为极板面积，d为两极板间的距离。C0

一般为几皮法到几十皮法。图3−24（a）中LS相当于晶体的质量，CS相当于晶体的等效弹性模数，RS相当于机械振动中的摩擦损耗。晶体的主要特点是等效电感LS

特别大，等效电容CS特别小。根据品质因数

，

石英晶体的品质因数可以高达几万甚至几百万，所以滤波性能特别好，这是普通LC

谐振回路无法比拟的。由图3−24可知，该电路有两个谐振频率，一个是右支路的串联谐振频率fS

，另一个是左右支路一起构成的并联谐振频率fP。根据频率的计算公式可得上一页下一页返回3.7集中选频放大器由于Cs<<C0

，故Pf略高于Sf，相差很小。石英晶体的电抗特性如图3−25所示。由图3−25可知，当石英外加电源频率小于fS

或大于fp，石英晶体呈容性；当外加电源频率介于fS

和fp

之间时，石英晶体呈感性。由于石英晶体的工作频率稳定，常用于高频振荡器中；由于石英晶体的Q值很高，常用于高频窄带滤波器，使滤波器选择性好，阻带衰减特性陡峭。常见的晶体滤波器如图3−26所示。上一页下一页返回3.7集中选频放大器3.7.2陶瓷滤波器在通信、广播等接收设备中，陶瓷滤波器有着广泛的应用。陶瓷滤波器是利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器，常用的陶瓷滤波器是由锆钛酸铅（Pb（ZrTi）O3）压电陶瓷材料（简称PZT）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。陶瓷滤波器与石英晶体滤波器的原理、等效电路、电路符号均相同。但是陶瓷滤波器的品质因数只有几百，比石英晶体滤波器低得多，且串并联谐振频率的间隔大得多，选择性也比较差。它的优点是容易焙烧，可以制成各种形状，适合小型化，且耐热性、耐湿性好，很少受外界条件影响。上一页下一页返回3.7集中选频放大器由于陶瓷滤波器的选择性较差，通常将多个陶瓷滤波器组合成四端陶瓷滤波器，四端陶瓷滤波器有接近理想的幅频特性。如图3−27（a）所示的陶瓷滤波器中，适当的选择串臂和并臂陶瓷滤波器的串、并联谐振频率，就能得到理想的衰减特性。例如要求滤波器通过(465±5)kHz的频带，那么让串臂陶瓷滤波器的串联谐振频率等于并臂并联谐振频率，等于465kHz，串臂陶瓷滤波器的并联谐振频率等于(465±5)kHz，并臂的陶瓷滤波器的串联谐振频率等于(465−5)kHz。对输入的465kHz的载波信号而言，串臂陶瓷片发生串联谐振，阻抗较小，并臂陶瓷片发生并联谐振，阻抗最大，因而能让信号通过。对(465±5)kHz的信号，串臂陶瓷片发生并联谐振，阻抗最大，信号不能通过。对(465−5)kHz的信号，并臂陶瓷片发生串联谐振，阻抗最小，使信号旁路，无信号输出。常见的陶瓷滤波器如图3−28所示。上一页下一页返回3.7集中选频放大器3.7.3声表面滤波器声表面波——SAW（SurfaceAcousticWave），就是在压电基片材料表面产生和传播、且振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。SAW滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器——叉指换能器（IDT），如图3−29所示。它采用半导体集成电路的平面工艺，在压电基片表面蒸镀一定厚度的铝膜，把设计好的两个IDT的掩膜图案利用光刻方法沉积在基片表面，分别作为输入换能器和输出换能器。其工作原理是：输入换能器将电信号变成声信号，沿晶体表面传播，输出换能器再将接收到的声信号变成电信号输出。当把输入信号加到发端换能器上时，叉指间便产生正、负交变电场，由于压电效应的作用，基片表面将产生弹性形变，激发出与输入信号同频率的声表面波，它按图中箭头方向，从输入端沿基片向输出端传播。到达输出端后，由于压电效应的作用，在输出端换能器的叉指对间产生电信号，并传送给负载。上一页下一页返回3.7集中选频放大器声表面波滤波器具有体积小、重量轻、性能稳定、工作频率高（几兆赫兹至几吉赫兹）、通频带宽、特性一致性好、抗辐射能力强、动态范围大等特点，因此它在通信、电视、卫星和宇航领域得到广泛的应用。3.7.4集中选频放大器实例分析现今的各类接收机中已经广泛使用集成电路高频小信号放大器，通常是采用高增益宽带线性集成放大器与各种集中选频器组成的放大电路，从而使电路的调整大大简化，电路的频率特性得到改善，电路的稳定性也得到很大的提高。集中选频放大器由于线路简单，选择性好，性能稳定，调整方便等优点，已广泛用于通信、电视等各种电子设备中。上一页下一页返回3.7集中选频放大器图3−30所示的是电视机通道部分用声表面波滤波器组成的集成放大器，该电路的作用是对从电视机高频头输出的频带信号进行选频放大。中心频率为38MHz，带宽为8MHz。高频头混频后的信号经中频预放大电路输出至声表面波滤波器的1脚，经声表面波滤波器选频后从3、4脚平衡输出，通过L2、L3加至集成宽带放大器前级差分放大电路的两个输入端。L1、L2、L3为外加调谐匹配电感，它们与声表面波滤波器输入、输出端内部静态电容组成调谐匹配器。