第2章小信号调谐放大器素材.ppt

1、2020年8月5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,2020年8月5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020kHz,高频：20kHz300MHz,2.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。,2020年8月5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

2、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。,2020年8月5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,2020年8月5日,5,1.串联谐振回路,如图所示：为LC串联回路。,回路电流为:,I,Z,（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

3、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）， X 0，电流减小；失谐越大，电流越小，体现了选频作用。,（2）原理：,2020年8月5日,6,（3）回路谐振频率：,回路电流为:,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,2020年8月5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,2020年8月5日,8,据此画出特性曲线如

4、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。,2020年8月5日,9,并联谐振电路,1.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。,2020年8月5日,10,4.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

5、越差。,（3）(或f)小，回路为感性。 (或f)大，回路为容性。,2020年8月5日,11,三、信号源内阻和负载对并联谐振回路的影响,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：,2020年8月5日,12,2）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,2020年8月5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

6、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,2020年8月5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,2020年8月5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：,按折合前后消耗功率相等的原则：,2020年8月5日,16,3.应用：收音机中放负载回路； 电视机图象中放、伴音中放等。,把以上电路简化后：,其中：,为了减小负载对LC回路的影响，适当调整变比n。,2020年8月5日,17,(二)电容分压式阻抗变换电路

7、,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。,3.电路优点：电路简单、不消耗功率。,按折合前后消耗功率相等的原则：,2020年8月5日,18,（三）电感分压式阻抗变换电路,1.电路,(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？,2020年8月5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

8、入导纳。,由LC和Tr构成谐振回路。,2020年8月5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+j Cie,yoe=goe+j Coe,yi2=gi2+j Ci2,2020年8月5日,21,3.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 =n1 gmUb,其变比：,2.将晶体管参数折算到LC回路。,gi2=n22gi2 Ci2=n22Ci2,2020年8月5日,22,将同类元件值合并，得等效电路

9、:,CT=n12Coe+n22Ci2+C GT=n12goe+n22gie+Gp,其中：,电路中： Gp为LC回路固有损耗电导,Gp =1/R,R 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,2020年8月5日,23,高频单调谐放大器,一、等效电路,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：,2020年8月5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。,

10、2020年8月5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。,相对增益,2020年8月5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：,2020年8月5日,27,2.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

11、） 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 ,2020年8月5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：,2020年8月5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:,2.相对增益模为：,放大器的增益为,2020年8月5日,30,2.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 - 1,其中：B= 2 - 1 = 2,202

12、0年8月5日,31,(四)放大器的选择性：,矩形系数K0.1：,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,2020年8月5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B 0. 1定义有：,2020年8月5日,33,高频单调谐放大器小结,一、等效电路,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：,CT=n12Coe+n22Ci2+C GT=n12goe+n2

13、2gie+Gp,折合参数为：,2020年8月5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,2020年8月5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Q

14、T值:,2020年8月5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。,2020年8月5日,37,（4）LC回路的匝比：设GP=0，goe=g ie,（5）所需电容： Coe=n12Coe=(0.29)2 9PF=0.76PF Cie=n22Cie=

15、(0.13)2 80PF=1.36PF C=CT-Coe-Cie=200PF-0.76PF-1.36PF200PF,2020年8月5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。,2020年8月5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2030dB。 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

16、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：,2020年8月5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:,2020年8月5日,41,（二）n级放大器总通频带,称为缩小系数,2020年8月5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。,2020年8月5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

17、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,2020年8月5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：,2020年8月5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n K

18、0. 1 可改善选择性，但当n2以后改善缓慢。,2020年8月5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）,2020年8月5日,47,（1）交流通路：,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,f0,f02,f01,为频率的 偏离值,2020年8月5日,48,由于：,放大器的增益特性为：,由于f01与f0 相差不大,2020年8月5日,49,若：,代入上式,2020年8月5日,50,（一）平坦参差调谐放大器,称

19、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：,2020年8月5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。,1时：出现单峰，称为欠参差。,2020年8月5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） 。,显见它比平坦参差放大器具有更宽的频带。,要求： Q3 Q1 = Q2,2020年

20、8月5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：,2020年8月5日,54,三、调谐放大器的稳定性,造成不稳定的原因： 结电容Cbc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Cbc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

21、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。,2020年8月5日,55,（1）中和法,1.原理电路：,2.中和原理：,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Cbc的影响。,2020年8月5日,56,4.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Cbc并联的还有 rbc ，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）,2020年8月5日,57,（2）

22、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。,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。,2020年8月5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

23、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。,2020年8月5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,Ui,U0,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：,2020年8月5日,60,一、集成线性放大组件,（一）.4E307 集成块,原理电路：

24、,1.结构：在一块基片上制成差分对 （T1、T2）,恒流源 (T3)。,1）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。,2020年8月5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：,2020年8月5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

25、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。,2020年8月5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。,2020年8月5日,64,1、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

26、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。）,2020年8月5日,65,晶体的符号及等效电路如图：,石英晶体的特点： Q值高 106 Cq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 2 5pF（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

27、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,2020年8月5日,66,2. 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：,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：,C0Cq,2020年8月5日,67,Z,P,S,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)

28、,所以，其曲线如图：,2020年8月5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。,2020年8月5日,69,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,2020年8月5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

29、可制成滤波器，称为陶瓷滤波器。,2020年8月5日,71,1. 二端陶瓷滤波器,二端陶瓷滤波器的符号及等效电路与石英晶体谐振器大致相同，计算公式、电抗特性均相似，不在赘述。 作为基本应用，在收音机中放中代替发射极旁路电容。,因其阻抗随输入信号的频率而变，决定电流负反馈的作用的强弱。,当f=f0时： 串联谐振阻抗最小反馈最小增益最大。,当ff0时： 失谐时阻抗增大反馈增强增益减小。,放大器的选择性,2020年8月5日,72,2. 三端陶瓷滤波器,-用以取代LC回路,符号及等效电路如图：,1、3端完成选频； 2、3端通过压电效应将机械振动转换为交变电压信号，,其传输方式可等效为一个变压器，其变比决定于输出和输入电极面积