通信电子线路课件2选频网络2014-10-11.ppt

第2章 高频小信号放大器本章基本要求 掌握:小信号谐振放大器的电路组成、原理及分析方法； 重点掌握串、并选频网络的幅频和相频特性； 熟悉高频放大器的选频放大的特点2.1 概述 在无线通信过程中，通信信道数多，所占频段范围较宽, 工作频率也较高(从几百kHz到几百MHz，如卫星通信系统中, 工作频率可达数GHz)同一通信频段内，存在着许多被传送的无线电信号及噪声，而接收机则只选择出所需要的信号进行放大 因此，接收机中的放大器除了要有足够的增益外, 还应具有选择不同频率的信号的能力，于是便产生了各种各样的选频放大器，但无论是哪一种类型的电路，它们主要由两部分组成: 一部分是其核心器件放大器件另一部分是用作选择信号的选频网络 2.1.1 小信号调谐放大器的分析方法 小信号调谐放大器常作为选频放大器，用来放大微弱的高频信号 由于是“小信号” : （1）因为信号幅度足够小，使得所有有源器件(晶体三极管、 场效应管或IC)都可采用二端口Y参数或线性等效电路模型代替; （2）放大器的输出信号与输入信号成线性比例关系 dB和dBm（补充）dB的两个定义方式1.电压（电流）放大倍数分贝数定义：，其中K为电压放大倍数的分贝数，为放大信号输出， 为信号输入；2.功率放大倍数分贝数定义：，其中K为功率放大倍数的分贝数，为放大信号输出，为信号输入；3.K0说明信号被放大，K=0信号直通，K0说明信号被衰减；dB和dBm（补充）关于-3dB带宽 （1）-3dB也叫半功率点或截止频率点。

这时功率是正常时的一半，电压或电流是正常时的0.707在电声系统中，3dB的差别被认为不会影响总特性所以各种设备的频率范围，不加说明的话都可能有3dB的出入2）当电压幅度降至最大值的0.707倍时的位置，为截止频率这时功率值恰好是最大功率的一半所以又称为是半功率点用分贝表示正好下降了3dB（根据电压幅度计算：20lg(0.707)=3dB ，根据功率计算：10lg（0.5）=-3dB），对应的频率称为上截止频率，又常称为-3dB带宽关于dBmdBm用于表达功率的绝对值，计算公式为：如果发射功率Px为10W，则按dBm单位进行折算后的值应为：dB用于表征功率的相对比值，如输出电压（功率）比输入电压（功率）增大了多少dB等82.1.2 小信号调谐放大器的主要技术参数 1. 增益2. 通频带 通常规规定: 当 从1降到0.707处时处时 ，对应对应 的频频率和之间间的频频率范围围称为为通频带，用符号表示 -3dB带宽-6dB带宽矩形系数2.1.2 小信号调谐放大器的主要技术参数 3. 选择性 抑制比抑制比，也称为抗拒比，是用来表征某些特定频率的选择性参数，即对干扰信号的抑制能力Au0谐振频率f0的放大倍数Aun某一干扰信号的频率fn在放大器中的放大倍数。

3. 选择性 2.1.2 小信号调谐放大器的主要技术参数 2.1.2 小信号调谐放大器的主要技术参数 4. 稳定性是指放大器的直流偏置、有源器件参数和其他电路元件参数等发生变化时，放大器主要性能的稳定程度最常见的（中心）频率的稳定性、增益的稳定性、带宽的稳定性和谐振的稳定性正弦振荡电路中的间歇振荡5. 噪声系数 2.1.2 小信号调谐放大器的主要技术参数 是指放大器输出信噪比与输入信噪比之比，是表征放大器的噪声性能恶化程度的一个参量，用NF表示噪声（一般指热噪声）主要来源于高频放大器的外部（输入端）和内部（放大器中）由于它是一个非常宽谱的信号，可以从几赫兹到几百兆赫兹；加上我们采用的半导体器件中，电流引起的热噪是无法消除的输入信噪功率比输出信噪功率比2.2 调谐放大电路 2.2.1、选频网络的分类：1. L、C串联谐振电路（L、C、RL串联）2. L、C并联谐振电路（L、C、RL并联） 串联谐振回路的基本形式并联谐振回路的基本形式LC调谐回路概述LC谐振回路是高频电路里最常用的无源网络，包括并联回路和串联回路两种结构类型 利用LC谐振回路的幅频特性和相频特性，不仅可以进行选频，即从输入信号中选择出有用频率分量而抑制掉无用频率分量或噪声(例如在选频放大器和正弦波振荡器中)， 还可以进行信号的频幅转换和频相转换。

另外，用L、C元件还可以组成各种形式的阻抗变换电路和匹配电路 所以，LC谐振回路虽然结构简单，但是在高频电路里却是不可缺少的重要组成部分，在本书所介绍的各种功能的高频电路单元里几乎都离不开它2.2 调谐放大电路 选频网络（调谐电路）作用与特性（1）作用：选取有用的频率和实现阻抗匹配2）频率特性：幅频特性和相频特性v图中的f0为谐振频率，且在f0频率上的增益A(f0)达到最大，而且相移A(f0)为零v增益从最大值A(f0)下降3dB（即0.707倍）时的上下限频率之差称为通频带用BW0.7表示v通频带必须大于信号的频谱宽度2.2 调谐放大电路 2.2.1、串联谐振网络分析I由L、C和RL组成串联回路其中RS为信号源内阻，而RL为负载，r主要为电感内阻II回路中电流的计算定义： 谐振角频率谐振频率引入参数：有载品质因数空载品质因数一般失谐指数为一般失谐指数，若电路中不为零，则电路处于失谐状态否则0时，电路处于谐振状态R=Rs+RL+r2.2.1、串联谐振网络分析由回路得到：通过代入前面的定义关系以及：得到电流的表达式：其中：幅频特性：相频特性：2.2.1、串联谐振网络分析III电路特性分析：1、只有在0附近，近似得到2、Qe增大，幅频特性曲线和相频特性曲线均变陡峭，而且近似认为曲线是对称的。

3、谐振时，回路电流达到最大I0与此同时，电抗元件上产生的电压分别为：电感：2.2.1、串联谐振网络分析同理：说明谐振时，电感和电容的电压大小相等，但相位相反电抗元件电压和为零与信号源电压的相位关系如图所示：2.2.1、串联谐振网络分析4、通频带：当1时，此时，角频率分别为H或L（fH或fL）当ffH时，2.2.1、串联谐振网络分析5、Qe越大，选频网络的选择性则越好Qe越大选择性（矩形系数）随I()减小而减小区别：由：其中Q0为回路的固有品质因数，取决于L中的固有损耗2.2.1、串联谐振网络分析1.并联谐振回路I由L、C和RL组成并联回路其中Rs为信号源内阻，而RL为负载，Rp为电感的损耗电阻，RpQ02rII回路中电流的计算定义： 谐振角频率谐振频率2.2.2、并联谐振网络分析引入参数：有载品质因数空载品质因数一般失谐指数品质因数与串联谐振的表达式正好相反2.2.2、并联谐振网络分析由回路得：通过代入前面的定义关系得：上式改写为：幅频特性：相频特性：2.2.2、并联谐振网络分析谐振时，令B()0；回路呈纯阻，得到其中，0为回路自然谐振角频率，Q0为L的固有品质因数上面的分析表明，r的存在，造成了并联谐振回路的谐振角频率不等于0，且p10时，两者才接近。

2.2.2、并联谐振网络分析在高Q的情况下，且与图5进行比较，等效为了3个电阻并联的形式，与图5相同且得到关系式：在高Q情况下，L、r串联支路与L、Rp并联支路可互换2.2.2、并联谐振网络分析电路特性分析1.Qe上升，频率特性曲线变陡且下降速度加快2.电路在谐振状态时，回路两端呈现为纯电阻Re，阻值最大，但处于失谐时，阻抗值下降0时，呈现容性，滞后相移L22.2.3、并联谐振网络耦合与接入系数III、电容分压器由等功率得到：当R1/(C2)2.2.3、并联谐振网络耦合与接入系数2.2.3、并联谐振网络耦合与接入系数IV、定义接入系数p：p=转换前的圈数（或容抗）转换后的圈数（或容抗）=n1得到通式：推广得到： 例1 求下面调谐电路的谐振频率f0、Qe、带宽BW0.7及输出电压VO根据接入系数进行并联网络变换：串联电感：1 串并联阻抗的等效互换 所谓等效就是指电路工作在某一频率时，不管其内部的电路形式如何，从端口看过去其阻抗或者导纳是相等的故： 由于串、并联电路的有载品质因数相等，保证转换后的损耗、选频等特性不变所以等效互换的变换关系为：当品质因数很高（大于10或者更大）时则有2.2.4、串、并联阻抗的等效互换Q值不变结论：2）串联电抗 化为同性质的并联电抗 且：3）串联电路的有效品质因数为1）串联电阻 化为大的并联电阻 且：2.3晶体管高频小信号等效电路 在小信号放大器的分析和设计中, 通常是采用等效电路法, 即假定放大器工作于线性状态, 把电路中的有源器件用线性等效电路来代替, 以便采用经典电路理论来进行分析、计算。

根据导出的方法不同，器件的等效模型可分为两类： 第一类是根据器件内部的物理结构及其物理模型所得出的模拟等效电路，其等效模型为混合型等效电路 第二类是把器件等效为有源四端网络，用一些网络参数组成的等效模型，主要有H 参数等效电路、Y参数等效电路等 P17 2.3.1BJT、FET器件的混合型等效模型及其参数 2.3.1、 BJT、FET器件的混合型等效模型及其参数rbc (1) BJT高频混合型等效模型及其参数其中，受控电流源大小为：式中, 表示对对的控制能力, 称为正向传输电导或跨导 在分析小信号谐振电路时，常采用Y参数等效电路进行计算因为(2) Y 参数模型Y参数模型以输出电压U2和输入电压U1为自变量，输入电流I1和输出电流量I2为参变量的模型2) Y 参数模型若上述函数在工作点（UBE，UCE）处的偏导数存在，那么得到此时的全微分表达式为：用纯交流量表示上面表达式中的变化量，表达式改为：假设设 ，故有由于 ，它对电路的稳定性影响较大，因此在设计电路时,将采取措施减小或消除其影响 Y参数均为复数称为输出短路时的输入导纳 称为输为输 出短路时时的正向传输导纳 称为输为输 入短路时时的反向传输导纳 称为输为输 入短路时时的输出导纳 Y参数与高频混合型等效模型参数的变换关系2.3.3、 晶体管的高频参数1）截止频率由于0比1大的多,当频率为f时，|虽然下降到原来的0.707，但是仍然比1大的多,因此晶体管还能起到放大的作用。

2）特征频率当频率继续增高，使|下降到1时的频率随着工作频率增高而下降，设其值为中频时0的0.707倍时的频率为f 由于01，所以fT= 0f电流放大系数与f 的关系：故可以粗略计算在某工作频率下的电流放大系数当 f f 时，值估算由混合型等效电路模型3）最高振荡频率fmaxfmax表示晶体管所能够适应的最高极限频率在此工作频率时晶体管已经不能得到功率放大，当f fmax时,无论使用什么方法都不能使晶体管产生振荡晶体管的功率增益 时的工作频率可以证明:2.4小信号调谐放大器 小信号调谐放大器常作为选频放大器，用来放大微弱的高频信号 所谓“小信号”是指两种情况: 一是信号幅度足够小，使得所有有源器件(晶体三极管、 场效应管或IC)都可采用二端口Y参数或线性等效电路模型代替; 二是放大器的输出信号与输入信号成线性比例关系 “等效电路”法的主要步骤 用“等效电路”法分析小信号调谐放大器，可分为三个主要步骤： 首先是认识电路，包括认清电路的组态（共射电路等）、各元器件的作用，这是电子线路读图的基础； 其次分析电路的直流通路(直流偏置)和交流通路，以便了解电路的实际功能； 最后在画出交流等效电路（如Y参数等效电路）的基础上，根据定义计算放大电路的各参数，以此分析放大器的电路特性、技术性能和频率响应等。

2.4.1晶体管调谐放大器2.4.1.1 单调谐放大器调谐放大器的基本原理图图b中、等组组成直流偏置 电电路，、为为旁路电电容 2）交流分析：在交流等效电路中，由于晶体管的输入、输出导纳与调谐回路并联，使回路值降低，回路谐振频率也改变1）直流工作状态的分析方法 3）交流等效电路调谐放大器交流通路yie2实际上是下一级电路的输入复导纳发射结的结电阻和结电容Y参数等效电路图等效输入复导纳放大器等效输出复导纳放大器等效负载（复导纳）图图中Tr2一侧侧采用部分接入的方式，以减小对回路的影响，而与之间间的信号传递传递的。