高频第2章_通信中的高频选频放大电路1.ppt

1、第二章通信中的高频选频放大器,内容概述,内容概述,高频选频放大器中常用的选频电路：LC谐振回路、晶体滤波器、陶瓷滤波器、声表面波滤波器。,本章所介绍放大器的作用： 放大、选频,接收设备中的小信号放大器：信号微弱，器件工作于线形区，重在选频。,通信电路中的两类选频放大器：,发送设备中的大信号放大器：器件工作延伸至强非线性区，重在提高效率。,2,LC谐振回路中的电感元件,第一节： LC谐振回路,在本书所涉及到的频率范围中，暂不考虑电感的分布参数效应,在通信技术中，使用电感线圈的品质因数来全面说明一个电感的特性。,电感的分布参数简介:,3,LC谐振回路中的电容元件,第一节：LC谐振回路,当工作频率很

2、高时，感抗可能超过容抗，此时电容实际上成了电感,在实际电路中用于减小交流电压的去耦滤波电容通常将一个大容量的电容器和一个小容量的电容器并联使用，原因为,电容的分布参数简介,在今后的讨论中，只考虑电感的串联铜损电阻，而不考虑电容的寄生参数.,4,电抗、电阻的串、并联等效转换,第一节：LC谐振回路,简化推导的前提条件是电路是高Q电路，即电路的储能远大于耗能。,(a)图的导纳为：,(b)图的导纳为：,故等效后有：,5,单谐振回路的概念,如果能通过简单的串、并联方法，将同类电抗元件合并，最后化成只有一个电感和电容组成的谐振回路，称为单谐振回路。,第一节：LC谐振回路,由两个单谐振回路通过电容或互感连接

3、起来的谐振回路，称为双耦合谐振回路。,对于单谐振回路，根据信号源、电感和电容三者是串联还是并联，可分为并联谐振回路和串联谐振回路,6,并联谐振回路(一),第一节：LC谐振回路,7,电路结构说明,第一节：LC谐振回路,并联谐振回路(一),回路电抗为纯电阻特性，且达到最大值,回路电抗呈感性,回路电抗呈容性,并联谐振回路(二),第一节：LC谐振回路,回路的谐振角频率,在谐振角频率，电源一次性提供回路储能后，只提供回路消耗的能量，此时回路的电感和电容交换能量，而和信号源之间没有能量交换，这就是回路两端电压最大的物理原因。,10,并联谐振回路(三),第一节：LC谐振回路,品质因数：谐振频率时任一电抗的无

4、功功率与回路的有功功率之比,回路的特性阻抗：,11,并联谐振回路(四),12,第一节：LC谐振回路,并联谐振回路(四),第一节：LC谐振回路,故可做出通用曲线，如图所示。,Q值越大，幅频特性和相频特性曲线在谐振频率附近的变化率越大,并联谐振回路(四),第一节：LC谐振回路,并联谐振回路(五),第一节：LC谐振回路,截止频率，即3dB点：,15,例题,图示电路是一电容抽头的并联振荡回路，信号角频率=10106rad/s。试计算谐振时回路电感L,第一节：LC谐振回路,已知并联振荡回路的 fo=465KHz，C=200pF，BW=8kHz，求: (1) 回路的电感L（和有载QL）。,第一节：LC谐振

5、回路,例题,串联谐振回路(一),第一节：LC谐振回路,电路结构说明,左图与前面的并联谐振电路为对偶电路。,习惯上将串联谐振称作电流谐振，将并联谐振称作电压谐振,串联谐振和并联谐振所发生的物理现象是相同的,19,串联谐振回路(二),第一节：LC谐振回路,串联谐振回路的品质因数也定义为谐振频率时回路的无功功率与有功功率之比,回路的特性阻抗：,串联谐振回路中：,并联谐振回路中：,注意以上两式中信号源内阻的不同位置及含义,信号源内阻较高时宜采用并联谐振,信号源内阻较低时宜采用串联谐振,20,串联谐振回路(三),第一节：LC谐振回路,串联谐振回路和并联时的通用频率特性曲线具有完全相同的形状。,注意：虽然

6、品质因数都是指无功功 率与有功功率之比，但：,对于谐振回路，计算无功功率时取谐振频率之值，因而Q是一个定值。,对电抗元件，或者由一个电抗元件和电阻构成的电路，计算无功功率则因工作频率而异，故Q不是定值。,21,例题,如图所示，高Q电路，RS=100K，L=100uH，r=10,C=100pF,RL=50K, IS=1mA,计算谐振回路的总品质因数（或者称为有载品质因数）和回路两端的电压。,例题,解： 首先计算出谐振回路的谐振频率。然后计算出空载品质因数，可以将电感铜损电阻的串联形式转换为并联形式，便于计算整个电路的电阻值。,然后计算出谐振回路的有载品质因数。 最后根据电压电阻的关系可以得到回路

7、两端的电压。,1、回路的特性阻抗：,例题,例题,2、电感的无 载品质因数：,3、将r转换为和L并联的电阻r:,4、回路总的并联电阻：,5、回路的有载品质因数：,6、回路两端的电压:,提高回路品质因数的方法(一),第一节：LC谐振回路,品质因数：无功功率与有功功率之比。,这里所介绍的提高回路品质因数的方法不是改变回路电抗元件和电阻元件之值，而是设法从电路的连接方式上改变回路无功功率和有功功率之比，来实现提高品质因数。,将信号源、负载和回路电抗的一部分而不是全部相并联的方法被称为部分接入。,25,提高回路品质因数的方法(二),第一节：LC谐振回路,等效的着眼点是功率,定义接入系数p为电抗元件接电阻

8、的那一部分电压与整个回路电压之比。,26,提高回路品质因数的方法(二),第一节：LC谐振回路,例题,例二： 并联回路的无载Q值Q0=80，谐振电阻Rp=25 K ，谐振频率f0 = 30MHz，信号源电流幅度Is = 0.1mA ，如图所示 （1）若信号源内阻Rs=10 K ，负载电阻RL不接，问通频带B 和谐振时输出电压幅度Um是多少？ （2）若Rs =6 K ， RL = 2 K ，求B和Um,解：（1） Rs=10 K 时 输出电压: Um= Is(Rs Rp/ Rs+ Rp) = 0.1(10 25 /10+25)=0.72V,有载Q值： QL= Q0 / (1+ Rp / Rs) =

9、 80 / (1+25 /10) 23,通频带 B = f0 / QL = 30 M / 23 =1.3 MHz,选择性与矩形系数,第一节：LC谐振回路,：电路输出信号下降至最大值的0.1倍所对应的频宽，表征选频电路对无用信号的抑制程度。,使用矩形系数D来表示通频带与选择性之间的矛盾：,对于单谐振回路：,即单谐振回路的矩形系数与回路参数无关,30,作业 2.3、2.4、2.5,耦合谐振回路(一),第一节：LC谐振回路,32,初、次级回路。RS、RL分别为初级回路的耗能及次级回路的耗能。,耦合谐振回路(一),33,第一节：LC谐振回路,耦合谐振回路是两个相互耦合的谐振回路，两个谐振回路既可以通过

10、互感耦合，也可以通过电容耦合。,与信号源相连的谐振回路为初级回路，与负载相连的回路为次级回路。,耦合谐振回路(一),34,第一节：LC谐振回路,上图的节点电流方程：,耦合谐振回路(一),35,第一节：LC谐振回路,其中CM是耦合电容,如果引入广义失谐量,带入上式则幅模：,耦合谐振回路(一),36,第一节：LC谐振回路,次级回路两端电压和初级回路两端输入电流之比称为耦合回路的传输阻抗，记为Zt则可得：,反映耦合程度的耦合系数：,定义耦合因数：,传输阻抗的最大值Ztm=R/2,回路的频率特性,耦合谐振回路(二),第一节：LC谐振回路,37,回路归一化传输阻抗的频率特性曲线,耦合谐振回路(二),第一

11、节：LC谐振回路,38,传输阻抗达到最大值的实质是由次级反射到初级回路的阻抗和初级回路阻抗共轭匹配。,随着 的增大，两个峰点的频差增大，曲线中心的凹陷加深。,曲线是单峰的，峰值随 的减小而减小,曲线具有双峰，且所有峰值相等,耦合谐振回路(三),第一节：LC谐振回路,通常选择 或略大于1,在信号源内阻、负载电阻均相同时，两种电路具有相同的传输系数。,故耦合回路的矩形系数指标优于单谐振回路。,当 时，推导可得：,但是：,耦合回路中负载能够得到的功率，在同等条件下比原谐振回路的小,且增加了电路的复杂性。,39,概 述,第二节：小信号谐振放大器,小信号选频放大器中：,常用的选频电路有LC谐振回路，由陶

12、瓷滤波器、石英晶体构成的滤波器，声表面波滤波器。,所用器件有双极型晶体管、场效应管或集成放大器。,以LC谐振回路作为选频电路的小信号窄带放大器又称为小信号谐振放大器。,40,概 述,第二节：小信号谐振放大器,小信号谐振放大器所用的谐振回路可以是单谐振回路，也可以是耦合谐振回路。,通常在器件的输入输出端各接有一个谐振回路。,41,的作用,单管小信号谐振放大器示例,第二节：小信号谐振放大器,组成输入谐振回路，以变压器耦合方式与放大管输入端相连。,的匝数小于 的匝数，以构成部分接入,器件的输出端以部分接入方式与谐振回路相连。,天线接于 的一个抽头，为部分接入方式。,的匝数小于 的匝数，以构成部分接入

13、。,42,单管小信号谐振放大器的计算步骤,第二节：小信号谐振放大器,绘制电路的交流通路及等效电路,利用高Q电路的简化计算方法将所有和谐振回路部分接入的电路折合至整个回路的两端,即可计算出回路总Q值、谐振放大倍数、通频带及矩形系数,43,选择晶体管等效电路时的注意事项,第二节：小信号谐振放大器,早期使用Y参数等效模型时，可以将等效电路中的电导、电纳和并联谐振回路中的有关元件相加，计算简单。获得Y参数的途径有：,使用仪器测量，但目前已无此类产品。,以采用高频混合 等效电路为宜，其优点是可以由器件手册中查得有关参数，经过简单的换算便可得所需全部参数。,通过混合 参数换算，这种换算的公式较繁琐，不如直

14、接使用混合 等效电路。,44,单管小信号谐振放大器中的内反馈,第二节：小信号谐振放大器,在以电阻为负载的放大器中， 电容对输入的影响可以使用密勒电容来表征。,在小信号谐振放大电路中，由于输入和输出各接有一个谐振回路，从而通过 反馈到输入端的信号大小和相位都随频率而变，这就使得放大器的频率特性和不考虑通过 造成的反馈有很大的不同。,最大的放大倍数将不是在谐振频率，而且随着反馈量的不同，偏离谐振频率的程度也不同。在某一频率，反馈成为正反馈且足够大时，将会产生自激振荡。,通常小信号谐振放大器的放大量都定得较低；也可以从电路结构上采取措施。,45,作业： 2.6、2.8,共射-共基连接谐振放大器,第二

15、节：小信号谐振放大器,该电路能够提高上截止频率的原理是减小了共射电路的密勒电容。,共基-共射混合连接电路减小密勒电路的实质是减小了通过 所形成的内反馈。,47,集成LC小信号谐振放大器,第二节：小信号谐振放大器,输入级采用共射-共基混合连接差动放大电路,VT5和VT6可进行增益控制,输出级为共集-共射电路,可减小内反馈,48,多级谐振放大器的选频特性(一),第二节：小信号谐振放大器,非集中选频的多级LC谐振放大器，通常是放大器的输入端、输出端均与谐振回路相连接，因此一个n级谐振放大器包含有n+1个谐振回路。,使用广义失谐 来表示：,当各个谐振回路的参数相同时，有：,故高Q电路的3dB带宽为：,

16、3dB带宽缩减系数：,49,多级谐振放大器的选频特性(二),第二节：小信号谐振放大器,通过计算可得，当n=2时放大器的矩形系数 ，故增多谐振回路数目是缓和通频带与选择性之间矛盾的一种途径,另外一种提高选频网络矩形系数的方法为参差调谐电路,右图为双参差调谐,此外还有三参差调谐等方式,中心工作角频率为,50,不详细介绍小信号谐振放大的定量计算的原因,第二节：小信号谐振放大器,忽略内反馈的工程估算和以前所介绍的计算非谐振放大器的区别仅在于耦合电路不同。可以使用电路分析的有关知识来计算晶体管等效电路配上作为耦合电路的选频网络,用手工进行器件内反馈的精确计算十分繁琐，可以使用计算机代劳,实践表明，工作于

17、高频的选频放大器，由于分布参数的耦合使得精确计算难以进行。要实现谐振放大器的各项指标，必须理论估算和试验调测相结合,51,综述,第三节：集中选频小信号选频放大器,集中选频小信号选频放大器中，用专门设计的滤波器取代LC谐振电路，其滤波性能优于LC谐振回路,用于高频小信号选频放大器中的滤波器有：,用网络综合理论设计的由多个LC元件构成的高阶LC滤波器,石英晶体滤波器,陶瓷滤波器,声表面波滤波器,52,石英晶体的物理特性(一),第三节：集中选频小信号选频放大器,石英晶体的形状为结晶的六角锥体,具有光轴(Z)、电轴(X)和机械轴(Y),压电效应：当石英晶体沿某一电轴方向受到交变电场作用时，沿机械轴方向

18、即产生机械振动；反之，当沿机械轴方向受力时，在电场方向也产生电场,可见石英晶体实际上是一种能把电场能转变为机械能，又能把机械能转换为电场能的可逆换能器件，且其能量转换具有谐振特性，在谐振频率处换能效率最高,53,石英晶体的物理特性(二),第三节：集中选频小信号选频放大器,用石英晶体构成滤波器的基本原理是利用石英晶体的换能特性及谐振特性,的含义、取值范围及对Q值的影响,略去 后，可得：,串联谐振频率：,并联谐振频率：,54,石英晶体的物理特性(三),略去石英晶体振动时的摩擦损耗后，可得其理想化电抗曲线,第三节：集中选频小信号选频放大器,故在区间 内，电抗为感性，该区间以外电抗为容性,55,石英晶

19、体滤波器,基本原理：用一块或几块石英晶体，适当选择各个晶体的谐振频率，就可以获得中心工作频率不同、频带宽度不同的滤波器,第三节：集中选频小信号选频放大器,电路结构说明,电桥的基本工作原理：当电桥平衡时其输出信号为零；当电桥失去平衡时输出不为零，且偏离平衡情况越远，输出信号越大。从而可得相应的阻带和通带,56,陶瓷滤波器选频放大器(一),第三节：集中选频小信号选频放大器,利用某些具有压电效应的压电陶瓷材料制作而成,陶瓷谐振体具有与石英晶体类似的压电效应,其等效Q值介于石英晶体和常规LC滤波器之间,采用二端陶瓷滤波器的选频放大器,57,陶瓷滤波器选频放大器(二),第三节：集中选频小信号选频放大器,

20、三端陶瓷滤波器的结构、符号和等效电路,当 很小时，可近似认为：,从而可以利用陶瓷片进行阻抗变换,58,声表面波滤波器(SAWF),是一种以压电材料为基体构成的电声换能元件,第三节：集中选频小信号选频放大器,优点：体积小、重量轻、适用于高频，制造简单、重复性好,结构说明,声表面波的产生与传递过程,适当选择叉指电极的尺寸及其相互间的距离，即可获得所需的滤波效果,59,60,第四节：丙类高频谐振放大器,丙类高频谐振放大器在通信电路中用于发送设备，以LC谐振电路作为耦合电路，所放大的信号是载波信号或已调窄带信号。,相对于接收设备中的高频放大器，其输出功率要大得多，这也是其特点所在。,大功率放大器具有高

21、效率的意义：,高效率工作可以节约直流电源的电能。,采用相同器件时，高效率工作可以输 出更大的功率。,综述,61,放大器工作于丙类时，器件在其端电压更小的时刻导通，在输出基波电流相同的条件下，正比于损耗功率的平均电流更小，因而有比乙类高的效率。,综述,乙类放大器效率比甲类高,其物理原因:,第四节：丙类高频谐振放大器,62,综述,第四节：丙类高频谐振放大器,但由于输出信号不足半周，即使采用推挽线路也无法克服失真。在放大器的输出端接一个选频网络，就可将失真减小。,因此，采用这种方式时放大器的输入信号只能是窄带的。输入信号的低频成分的谐波必须远比高频成分的基波频率高，才不至于在滤除低频信号谐波的同时使

22、高频成分也被滤除。,63,工作原理(一),第四节：丙类高频谐振放大器,电路结构说明：,负载,供电,丙类谐振放大器原理电路:,64,工作原理(一),第四节：丙类高频谐振放大器,为使放大器工作于丙类，偏置电压应低于器件的导通电压 ，但并不一定需要反向偏压,利用器件的转移特性曲线可得晶体管输出电流波形,65,工作原理(二),第四节：丙类高频谐振放大器,电流波形转换为电压波形的解释方法：,使用频域观点：对脉冲波进行傅立叶分解，谐振回路对于相应频率具有足够大的电阻,负载电阻接于晶体管集电极的原因,使用时域观点：器件导通时给回路补充能量，负载和谐振回路自身消耗能量。当回路Q值足够高时，可在负载上得到失真很

23、小的简谐震荡,66,工作原理(三),第四节：丙类高频谐振放大器,为了得到失真小的电压波形，要求回路有较高的Q值。,若减小负载功率来提高Q值，虽然可以较大幅度提高Q值，但当回路固有损耗不能成比例减小时，回路的功率传输效率将降低，这是不可取的。,由于丙类放大器的负载需要获得较大的功率，因此回路的固有损耗只占总功率消耗的一部分。,因此丙类高频谐振功率放大器中选频网络的Q值要比高频小信号谐振放大器的低。,67,放大器的欠压、过压与临界工作状态(一),第四节：丙类高频谐振放大器,根据器件在信号的一个周期中是否进入截止状态和进入截止状态的时间长短，可将放大器的工作状态分为甲类、乙类、甲乙类和丙类,根据器件

24、在信号的一个周期中是否进入饱和区，可将其分为欠压、过压和临界状态：,若器件工作时进入饱和区，统称为过压状态。因会产生削波失真而绝对禁止,若在信号最大时，达到放大器与饱和区的边缘但不进入饱和区，称为临界状态，此时的负载为最佳负载,不属于上述两种状态则称之为欠压状态，因效率低而不可取,68,放大器的欠压、过压与临界工作状态(二),第四节：丙类高频谐振放大器,在丙类谐振放大器中并不绝对禁止放大器中的器件进入饱和区，且有时允许器件短时间内进入饱和区，原因：,器件进入饱和区所导致的失真，后果不像非谐振放大器那么严重,可改善负载变化时输出电压的不稳定,谐振放大器的器件进入饱和区所造成的失真要比进入截止区造

25、成的失真大很多，根本原因在于器件进入截止区后基本上不改变谐振回路的状况，而进入饱和区后等效为在回路两端并联上一个数值很小的集射间饱和电阻,69,丙类谐振放大电路的分析方法讨论,第四节：丙类高频谐振放大器,主要计算指标：放大倍数、输入/输出电阻、输出功率、效率和通频带,主要着眼点：基波信号,低频非谐振放大器中器件工作于乙类所采用的简化方法不能套用于高频谐振放大器中器件工作于丙类的情况：,低频时使用的器件静态特性曲线不能用于高频,谐振放大器输出特性曲线上的动态特性不再是一条直线,没有乙类放大器所采用的推挽电路,故丙类高频谐振放大器的图解分析难以进行,70,使用折线近似法进行丙类放大电路的分析(一)

26、,第四节：丙类高频谐振放大器,方法简述：,由于器件工作于大电流情况，基区体电阻上的电压降在电流足够大时，可以达到超过结电压的程度，此时器件输入特性和转移特性的电流、电压变化规律近似为直线,为避免结电容容性电流的影响，把工作频率限制在 以下,71,使用折线近似法进行丙类放大电路的分析(二),分析可得：,：各次分量,：脉冲电流最大值,：电流分解系数,：导通角,第四节：丙类高频谐振放大器,使用折线近似法进行丙类放大电路的分析(三),输出功率：,：集电极电压利用系数,效率：,第四节：丙类高频谐振放大器,使用折线近似法进行丙类放大电路的分析(四),电压放大倍数(幅模)：,故输出电流最大值相同的情况下，导

27、通角越小，电压放大倍数也越小；但电流放大倍数与导通角无关。,：集电极负载谐振电阻值,输入电阻：,输入电阻随导通角的变化规律与电压放大倍数随导通角的变化规律相反,注意此处的等效输入电阻是对基波功率等效，只有输入端接有高Q电路时才有意义,74,第四节：丙类高频谐振放大器,使用折线近似法进行丙类放大电路的分析(五),输出特性曲线族上的负载线的绘制过程：,75,第四节：丙类高频谐振放大器,根据直流电压、交流电压和器件三者之间的连接关系，可分为串馈和并馈方式,直流供电电路(一),基本要求：,保证两个结所需的直流偏压。,应使交流电压的输入和输出不受或少受直流供电电路的影响。,集电极直流供电电路：,：高频扼

28、流圈,76,第四节：丙类高频谐振放大器,Cc：隔直流通交流,串馈电路中谐振回路处于直流高电位，直流供电元件处于交流低电位。,直流供电电路(一),77,第四节：丙类高频谐振放大器,在并馈电路中谐振回路处于直流低电位，直流供电元件处于交流高电位。,直流供电电路(二),基极偏置电路(一),工作于丙类的放大器，由于器件工作于强非线性区，将产生可观的自生反偏压，因此器件在动态运用情况下，零信号瞬间的工作点位置和静态工作点位置将有所不同。,78,第四节：丙类高频谐振放大器,直流供电电路(三),基极偏置电路(二),形成自生反偏压的充分必要条件：,电路中存在非线性导电现象，且非线性导电的平均电流不为零,电路中

29、具有储能元件，能将非线性导电的能量储存起来,储存能量释放的时间常数足够大，大于信号一个周期的3-5倍，从而得以形成稳定的直流偏压,由于形成自生反偏压的电流随输入信号的振幅而变，从而能使放大器的输出电压趋向稳定,79,第四节：丙类高频谐振放大器,耦合电路：综述,基本要求：,滤波。丙类谐振放大器中对电路的滤波特性要求可以低一些,阻抗匹配(阻抗变换)。需要注意丙类谐振放大器耦合网络的阻抗匹配与线性网络中阻抗匹配的原则性区别,网络的传输效率要高,设计耦合网络的参考意见：,根据对谐波抑制要求的严格程度确定网络的复杂性,设计耦合网络的原始数据主要有工作率、对网络阻抗变换的药器、网络所接负载阻抗及网络的品质

30、因数等,要兼顾直流供电的方便,80,第四节：丙类高频谐振放大器,简单的耦合网络,为前级晶体管的集电极供电电源提供直流通路,兼做与后级输入端之间的隔直流电容,与C1及后级电路共同组成部分接入电路,设电路的工作频率、下一级放大器的等效输入电阻，晶体管要求的集电极负载电阻，电感的无载品质因数后，可用简化方法确定回路电感及回路电容的值,81,第四节：丙类高频谐振放大器,半节 形LC阻抗变换网络(一),一种可以将较低阻值的负载电阻变换为较高阻值的等效电阻；另一种则相反,高阻值转换为低阻值等效电阻的变换网络,82,第四节：丙类高频谐振放大器,半节 形LC阻抗变换网络(二),低阻值转换为高阻值等效电阻的变换

31、网络,需要注意这两种网络在物理概念上的原理,83,第四节：丙类高频谐振放大器,两个半节 形LC阻抗变换网络及其它,此外，还有一些兼有其他功能的阻抗变换网络,当变换前后的电阻相差不是很大时，可以使用这类阻抗变换网络,84,第四节：丙类高频谐振放大器,丁类放大器的提出,第五节：丁类放大器,丙类放大器的效率和输出功率有矛盾，欲提高效率，必须以减小输出功率为代价,丁类放大器的工作原理是设法增大电流的导通时间，同时使导通期间晶体管进入饱和状态。由此而产生的失真，采用在电路中接入LC谐振回路的方法减小,物理原因在于效率的提高是使集电极电流在集电极电压更小的器件流通。由于集电极的交流电流 为余弦，必须减小导通的时间。在同等最大集电极电流值时，导通时间越短，基频分量愈小，故输出功率