通信电子电路小信号谐振放大器(56 2011.9)讲解

通信电子电路,书山有路勤为径 学海无崖苦作舟,第二章 高频小信号谐振放大器,主要内容,一、高频小信号谐振放大器的特点及性能指标,二、 三极管的Y参数等效电路,三、 LC并联谐振回路,2.1 概述,2.2 单调谐小信号谐振放大器,2.3 较理想的小信号选频放大电路模型,2.4 小信号谐振放大器的稳定性问题,2.1概述,一、小信号谐振放大器的特点及其性能指标,（一）、小信号谐振放大器的特点,1.作用：,选频、滤波,放大：有用信号,选出所需频率（有用）信号,滤除不需要频率（干扰）信号,2.组成：,选频网络,放大部分,LC谐振回路,各种滤波器,单LC谐振回路,双调谐回路,LC集中滤波器,石英晶体滤波器,陶瓷滤波器,声表面波滤波器,三极管放大器,场效应管放大器,集成运放等,（二）、小信号谐振放大器的性能指标：选频能力和放大能力, 增益要高，也就是放大能力要强。 频率选择性要好。频带宽度满足信号带宽要求和矩形系数接近1。 工作稳定可靠。 接收机前级放大器内部噪声要小。,因为放大器本身的噪声越低，接收微弱信号的能力就越强。,第二章 高频小信号谐振放大器,谐振放大器的分类及电路特点,1.小信号谐振放大器,小信号：输入信号µvmV,要求：增益足够大，通频带足够宽，选择性好， 工作于甲类，多用于接收机,2.谐振功率放大器,大信号：输入信号mV以上,要求：大的功率和效率，工作在丙类， 多用于发射机。,采用谐振回路作为放大器的集电极负载,二、电路的特点：,一、谐振放大器的分类,返回,fo=几百kHz几百MHz，B=几kHz几十MHz,第二章 高频小信号谐振放大器,小信号谐振放大器的性能指标,1、谐振电压增益：用来表示对有用信号的放大能力。定义为：,（即在中心频率处的电压增益）,K0.1,谐振放大器的幅频特性,2、通频带BW0.7 （取决于谐振回路的形式和回路的Q值。）,定义为：放大器的增益比最大增益下降3dB时的上、下限截止频率fH、fL 之差，,即：BW0.7 = 2f0.7=fH fL,（要求满足有用信号的频宽）,3、选择性S ：,表示放大器从各种干扰中选出有用信号的能力。定义为：,S的值越小放大器的选择性越好。实际上，S和BW0.7是相互制约的，一般情况下，通频带越宽对特定频率信号的选择性越差，理想条件下，谐振放大器应该对通频带内的各种频率分量的信号有相同的放大作用，而对通频带外的信号则完全抑制掉不予放大，所以理想谐振放大器的幅频特性曲线应如左图中的矩形。为了统一表示通频带和选择性的要求，引入矩形系数K0.1,第二章 高频小信号谐振放大器,小信号谐振放大器的性能指标:NF,矩形系数K0.1,显然K0.1 1， K0.1越接近1越好， K0.1越接近1，放大器对频带外的干扰消耗抑制能力越强，选择性越好。,4、稳定性：,综上，对小信号谐振放大器的主要要求是：谐振增益足够大，频带够宽，选择性满足要求，噪声系数小，工作稳定度高。,指放大器的工作状态、管子参数、电子元件参数可能变化时，放大器的主要特性的稳定程度。,5、噪声系数 NF(Noise Figure),定义为输入信噪比与输出信噪比的比值, 即:,是一个大于或等于的数。 其值越接近于, 则表示该放大器的内部噪声性能越好。,在多级放大器中, 各级噪声系数对总噪声系数的影响是不同的, 前级的影响比后级的影响大, 且总噪声系数还与各级的额定功率增益有关。 所以, 为了减小多级放大器的噪声系数, 必须降低前级放大器（尤其是第一级）的噪声系数, 而且增大前级放大器（尤其是第一级）的额定功率增益。,第二章 高频小信号谐振放大器,返回,二、三极管的Y参数等效电路,小信号谐振放大器的放大器件、谐振回路和负载一般是并联的，并联连接的各支路的导纳能直接相加，运算简单，因而分析时，三极管的高频等效电路用Y参数等效电路来等效。三极管的Y参数等效电路可通过测量或由完全混合等效电路推导出来。无论哪种方法都可得到三极管的Y参数等效电路如下：,+ vbe -,+ vce -,+ vbe -,+ vce -,代表晶体管内部的反馈作用，会造成电路不稳,代表晶体管正向传输作用,若忽略管子内部的反馈，即Y re =0。,输入电导,输出电导,输入电容,输出电容,其中,输入导纳,输出导纳,三极管的高频参数,第二章 高频小信号谐振放大器,三极管的高频参数,截止频率：,特征频率,返回,fT指(f)下降到1时，对应的频率。,第二章 高频小信号谐振放大器,三、 LC并联谐振回路,谐振回路是小信号谐振放大器的组成部分之一，它的特性决定了放大器的选频能力，亦直接影响放大器的选择性和通频带等质量指标。,LC谐振回路是一种常见的选频网络。LC单调谐回路分为并联谐振回路和串联谐振回路两种。,为电感本身的铜耗电阻,串并联转换,QO ：为空载品质因数,同性质元件归一,信源内阻,第二章 高频小信号谐振放大器,LC并联谐振回路的特性分析1,谐振频率fo主要与L、C有关。改变回路参数L、C以选择不同频率的过程就叫调谐。收音机调台即通过调电容来实现。,并联阻抗为：,2、特性阻抗,1、谐振频率：,3、谐振阻抗,为谐振电阻,谐振时，回路感抗或容抗的绝对值即：,4、品质因数,谐振条件下，回路储存能量与消耗能量之比。,思考： 1、串联谐振回路在谐振时的阻抗、谐振频率、品质因数?,第二章 高频小信号谐振放大器,LC并联谐振回路的频率特性分析,并联回路在谐振频率附近的阻抗特性：,并联谐振回路一般用于窄带系统，因而其在中心频率fo附件的特性是我们特别关心的。在fo附近，可近似认为： fof， fo+f 2 fo ，, 为回路的一般失谐系数,阻抗模值：,阻抗相角：,阻抗的幅频特性曲线：,阻抗的相频特性曲线：,容性,感性,相频特性曲线呈负斜率特性，Q值越高曲线越陡峭。,第二章 高频小信号谐振放大器,LC并联谐振回路的带宽及矩形系数,B0.7,1）通频带B0.7,又称3dB通频带，或半功率点通频带。,2）矩形系数K0.1,理想矩形,并联谐振回路,品质因数越大带宽越窄,单谐振回路的选择性很差。,需要注意：,回路的Q越高，谐振曲线越尖锐，对特定频率的信号的选择性越好，回路的B0.7越窄，但其K0.1并不改变。对于简单并联谐振回路，回路Q对回路的通频带和高的选择性的矛盾不能兼顾。,第二章 高频小信号谐振放大器,LC并联谐振回路的特性总结,由图可知：,1、回路的Q值决定特性曲线的形状，Q越大，曲线越尖锐，通频带越窄，选择性越好。,2、在fo附近的传输阻抗最高，因而选择L、C的值时，应使fo处于所需信号频率的中心。从保证必须的通频带着眼，Q值不能太高；若希望将偏离中心频率的不需要的频率成分抑制得有效些，即选择性要好，应提高谐振回路的Q值。,在选频放大器中，在满足信号带宽的前提下，抑制不需要的频率分量是其主要功能，因而要求Q值高。,提高Q值有两条途径：,1、选择自身损耗小的回路电感和电容； 2、减小信源内阻RS和负载电阻RL的耗能与回路储能之比，而RS和RL不能随意改变，但可以采用部分接入的方法实现阻抗变换。,RP与RS和RL都有关：,RP=RS/RL /Ro,第二章 高频小信号谐振放大器,LC阻抗变换网络,1 串、并联阻抗等效互换,等效互换原则: 阻抗相等,一般Q1,串联电路转换成等效并联电路后,电抗特性相同, 当Q1时 X2=X1 R2=R1Q2,即,由此得:,串并,电容： X,电感： XLL,返回,第二章 高频小信号谐振放大器,2 变压器阻抗变换电路,全耦合(k=1)线圈损耗不记, 等效到初级回路的电阻 所消耗的功率与次级负载 所消耗的功率相等,令 称为接入系数,第二章 高频小信号谐振放大器,3 部分接入回路的阻抗变换,并联谐振回路总电容和总电感为,通过改变部分接入抽头位置,可以进行阻抗变换,实现回路与信号源及负载之间的阻抗匹配.,第二章 高频小信号谐振放大器,返回,2.2 单调谐小信号谐振放大器,一、 单级单调谐谐振放大器,典型高频小信号谐振放大器实际线路,（1）直流偏置电路,保证三极管工作于线性放大区,第二章 高频小信号谐振放大器,图中谐振回路为LC并联单调谐回路， Rb1 、Rb2 基极分压式偏置电阻，Re 为射极负反馈偏置电阻，稳定静态工作点； Cb 、 Ce 为高频旁路电容,为了提高品质因数，负载和三极管的输出端与谐振回路的连接都采用部分接入方式。,交流通路及等效电路,（2）高频交流等效电路,高频交流通路,输入回路,晶体管,输出回路,放大器组成,输入回路：,晶体管：,输出回路：,LC并联谐振回路，输出变压器 及负载YL,由输入变压器构成，隔离信号源与放大器间的直流联系，能耦合交流信号，同时还能实现阻抗的匹配与变换。,放大器的核心，电流控制和放大作用。,用Y参数等效电路等效,第二章 高频小信号谐振放大器,高频交流等效电路,设负载和谐振回路间采用了变压器耦合，的接入系数为n2：,设晶体管集、射回路与谐振回路间采用了抽头连接的接入系数为n1：,第二章 高频小信号谐振放大器,根据阻抗变换原理：,右边部分同性质元件归一,=v13,第二章 高频小信号谐振放大器,二、单级单调谐谐振放大器的性能指标的分析、计算,1、谐振电压增益AVO：,电压增益AV：,谐振电压增益AVO：,2、选择性S：,3、通频带BW0.7：,Qe越大，选择性越好，带宽越窄。在设计谐振放大器时，必须根据选择性和通频带的要求合理选择Qe 。,4、矩形系数K0.1：,因K0.1 1，说明单调谐谐振放大器的通频带和选择性之间的矛盾挺尖锐，为了缓解它们间的矛盾，改善矩形系数，可采用多级单调谐谐振放大器级联，另外，多级级联后还可提高放大器的增益。,三、多级单调谐谐振放大器的性能分析,设谐振放大器有n级，且由参数完全相同的单调谐谐振放大器构成，则：,总选择性S：,SnS，即多级级联后，放大器的选择性变好，级数越多，选择性越好。放大器的幅频特性曲线越尖锐。,通频带B0.7：,B0.7 B0.7 ，即多级级联后，放大器的总频带变窄。若要总频带不变，每级放大器的频带须变宽，这会导致QL下降，谐振电压增益也会下降。这对提高放大器性能极为不利。,矩形系数K0.1,n=1 K0.1 =9.95 n=2 K0.1 =4.7 n= K0.1 =2.56,第二章 高频小信号谐振放大器,第二章 高频小信号谐振放大器,2.3 较理想的小信号选频放大电路模型,对单调谐放大器当级数增加时，放大器矩形系数减小，即通频带和选择性之间的矛盾有所缓解。但这种减小是有限的，即使n， K0.1也只有2.56，离理想的矩形相差甚远。为了改善谐振放大器的性能，增宽放大器的频带，改善矩形系数，可采用参差调谐和双调谐放大器。,f01,f02,所谓参差调谐，就是将两级单调谐放大器的谐振频率分别调谐在信号中心频率f0附近的两个不同频率点上，其中一级调谐在f 01f 0，另一级调谐在f 02f 0上，如图2-3-1（a）所示。利用两级放大器互补特性来展宽频带。,（1）在较大时，Av (j)将在O附近出现下凹现象；,由此，我们可以找到一特定的值，理论和实践证明当=fo /2Qe时，Av ()在O处刚好不下凹，常称这时的Av ()为最平坦特性。,（2）在较小时，Av ()将在0频率出现最大值。,设参差调谐放大器是由两个除了谐振频率不同，其他参数都相同的单调谐放大器组成，则每级单调谐放大器有：,二、参差调谐放大器的性能分析：,第二章 高频小信号谐振放大器,对参差调谐放大器而言，每级的谐振频率不是在=0处，而是分别在1=0和2=0。,同样可计算出矩形系数K0.13.159.95，即参差调谐放大器的矩形系数比单调谐放大器的矩形系数小得多，即选择性与通频带之间的矛盾得到很大的改善，同时，参差调谐放大器的两个选频回路的独