諧振放大器的穩(wěn)定性分析課程設(shè)計(jì)

1、目錄摘要第1章 諧振放大器概述11.1 諧振定義11.2 諧振放大電路1第2章 放大器的穩(wěn)定性442.1.1 放大器的輸出導(dǎo)納42.1.2 放大器的輸出導(dǎo)納5 使放大器產(chǎn)生自激72.2.1 放大器自激的原因7 放大器產(chǎn)生自激的條件 8 諧振電壓增益與穩(wěn)定系數(shù)S的關(guān)系9第3章 使放大器穩(wěn)定的措施 113.1 中和法113.2 失配法14第4章 放大器不穩(wěn)定的外部因素 16參考文獻(xiàn) 18總結(jié)19摘要諧振放大電路，通常是指負(fù)載具有諧振特性（或選頻特性）的放大電路。該電路廣泛應(yīng)用于通信，廣播、 電視、 雷達(dá)等接收系統(tǒng)中，主要起選頻，放大作用。但是由于內(nèi)反饋的存在，使得諧振放大器的穩(wěn)定性受到影響。主要表

2、現(xiàn)在放大器調(diào)試?yán)щy，甚至使放大器自激，因而必須想辦法克服內(nèi)反饋?？朔?nèi)反饋的途徑有兩個(gè)：一個(gè)是從晶體管本身想辦法，使反向傳輸導(dǎo)納盡量減小。另一方面是在電路上想辦法，把反饋導(dǎo)納的作用抵消或減小，也就是說(shuō)，從電路上設(shè)法取消晶體管的反向作用，使它變?yōu)閱蜗蚧?。具體的方法有中和法和失配法。失配就是不匹配。在小信號(hào)諧振放大器中，失配專(zhuān)指信號(hào)源內(nèi)阻與晶體管輸入阻抗之間，放大器輸出端的負(fù)載阻抗與晶體管輸出阻抗匹配之間的失配。中和法是解決放大器的增益和穩(wěn)定性之間的矛盾的一種有效措施。它是在晶體管的輸入端和輸出端之間引入一個(gè)外加的反饋電路（中和電路），使該反饋電路的作用與晶體管內(nèi)部反饋的作用相互抵消。通常是在輸出

3、回路與晶體管基極之間接入一個(gè)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)中和作用，該電容亦稱(chēng)中和電容1.諧振放大器概述諧振定義所謂諧振，按電路理論，它是正弦電壓加在理想的(無(wú)寄生電阻)電感或電容串聯(lián)電路上。當(dāng)正弦頻率為某一值時(shí)，容抗與感抗相等，電路的阻抗為零，電路電流達(dá)到無(wú)窮大；如果正弦電壓加在電感和電容并聯(lián)電路上，當(dāng)正弦電壓頻率為某一值時(shí)，電路的總導(dǎo)納為零,電感、電容元件上電壓為無(wú)窮大。前者稱(chēng)為串聯(lián)諧振，后者稱(chēng)為并聯(lián)諧振。諧振的現(xiàn)象是電流增大和電壓減小，越接近諧振中心，電流表電壓表功率表轉(zhuǎn)動(dòng)變化快，但是和短路得區(qū)別是不會(huì)出現(xiàn)零序量。電學(xué)諧振指的是電磁學(xué)物理量的強(qiáng)度在一個(gè)中值上下進(jìn)行波動(dòng)，也是類(lèi)似運(yùn)動(dòng)學(xué)的諧振。由電感L和電容C

4、組成的，可以在一個(gè)或若干個(gè)頻率上發(fā)生諧振現(xiàn)象的電路，統(tǒng)稱(chēng)為諧振電路。在電子和無(wú)線電工程中，經(jīng)常要從許多電信號(hào)中選取出我們所需要的電信號(hào)，而同時(shí)把我們不需要的電信號(hào)加以抑制或?yàn)V出，為此就需要有一個(gè)選擇電路，即諧振電路。諧振放大電路諧振放大電路，通常是指負(fù)載具有諧振特性（或選頻特性）的放大電路。該電路廣泛應(yīng)用于通信，廣播 電視 雷達(dá)等接收系統(tǒng)中，主要起選頻，放大作用。由于在接收機(jī)中從天線上感應(yīng)到的信號(hào)非常微弱，因此放大器的輸入信號(hào)一般都比較小，此時(shí)放大器工作在線性范圍內(nèi)，即甲類(lèi)放大狀態(tài)，因而能夠用微變等效電路法來(lái)進(jìn)行分析。一個(gè)理想的諧振放大電路的幅頻特性曲線如下圖實(shí)線所示。實(shí)際諧振電路的幅頻特性曲

5、線如圖的虛線所示。幅頻特性曲線的特點(diǎn)是在諧振頻率上增益最大，偏離中心頻率后增益迅速下降。如果等于有用信號(hào)的頻率，就能將有用信號(hào)選擇出來(lái)并加以放大，從而有效地抑制其他頻道信號(hào)或干擾信號(hào)。但是由于反饋導(dǎo)納的存在，使得放大器輸入端回路的電導(dǎo)發(fā)生變化，也使得放大器輸入端回路的電納發(fā)生變化。這些都將影響放大器的增益，通頻帶和選擇性，使諧振曲線發(fā)生畸變，如下圖()所示：圖1. 反饋導(dǎo)納對(duì)放大器諧振曲線的影響高頻小信號(hào)調(diào)諧回路目前廣泛應(yīng)用于無(wú)線電廣播，電視，通信，雷達(dá)等接收設(shè)備中，其作用是放大微弱的有用信號(hào)，濾除無(wú)用的干擾信號(hào)。高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的主要指標(biāo)是電壓放大倍數(shù)，通頻帶，選擇性和矩形系數(shù)。其中電路

6、穩(wěn)定是放大電路工作的必要條件，穩(wěn)定性是指放大電路直流偏置，電路元件參數(shù)等發(fā)生變化時(shí)，放大電路的增益，中心頻率，通頻帶，幅頻特性等主要特性的穩(wěn)定程度。一般的不穩(wěn)定現(xiàn)象是增益變化，中心頻率偏移，諧振曲線變形等。因此，為了保證放大器正常工作，必須采取穩(wěn)定措施，使放大器不自激或偏離自激，并且在工作過(guò)程中應(yīng)避免主要特征的變化超出允許范圍。除上述四個(gè)主要的性能指標(biāo)外，還要求噪聲系數(shù)小。降低高頻放大電路的噪聲系數(shù)，可以提高整機(jī)靈敏度。小信號(hào)諧振放大電路通常有兩種組成方法：一種是將單級(jí)諧振放大電路級(jí)聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成多級(jí)放大電路；另一種是用集成寬帶放大電路和具有相應(yīng)選頻特性的窄帶濾波器構(gòu)成諧振放大電路，稱(chēng)為集中選頻

7、放大電路。小信號(hào)諧振放大器的種類(lèi)很多：按諧振回路區(qū)分，有單調(diào)諧放大器，雙調(diào)諧放大器和參差調(diào)諧放大器：按晶體管連接方法分有共基極，共基電極，共發(fā)射極放大極等；按作用區(qū)分可分為調(diào)諧放大器，和頻帶放大器。圖為小信號(hào)單調(diào)諧共射極調(diào)諧放大器的電路原理圖。圖.2 小信號(hào)單調(diào)諧共射極調(diào)諧放大器的電路原理圖第2章 內(nèi)反饋對(duì)放大器的影響放大器調(diào)試?yán)щy在分析放大器的增益，矩形系數(shù)，通頻帶等技術(shù)指標(biāo)時(shí)，的影響不大，可以忽略，故暫不考慮晶體管內(nèi)部反饋的影響。忽略輸出電壓通過(guò)反向傳輸導(dǎo)納對(duì)輸入電流的影響后，晶體管則成為單向化器件。由于，因此放大器的輸入導(dǎo)納和輸出導(dǎo)納分別與負(fù)載和信號(hào)源有關(guān)，這給放大器的調(diào)試帶來(lái)很多麻煩。

8、放大器的輸出導(dǎo)納在的條件下，放大器的輸出導(dǎo)納等于晶體管的輸出導(dǎo)納。但由于晶體管的內(nèi)部反饋總是存在（）因此。怎樣確定放大器的輸出導(dǎo)納呢？圖為計(jì)算器輸出導(dǎo)納的等效電路，由圖可列出方程如下：=+ （）=+ （2）將=-帶入式（）得： =- 將上式代入式（）得放大器的輸入導(dǎo)納為=+圖計(jì)算放大器輸入導(dǎo)納等效電路上式表明，放大器的輸出導(dǎo)納 包括兩部分，即晶體管的輸出導(dǎo)納和輸出電路通過(guò)反饋導(dǎo)納的作用在輸出電路產(chǎn)生的等效導(dǎo)納。如圖所示，其中 即由于反饋導(dǎo)納的存在，負(fù)載對(duì)輸出導(dǎo)納將產(chǎn)生影響。圖 放大器輸出導(dǎo)納的等效電路 放大器的輸出導(dǎo)納由于反饋導(dǎo)納的存在，輸入電路的信號(hào)源導(dǎo)納對(duì)放大器的輸出導(dǎo)納也有影響。圖畫(huà)出了

9、計(jì)算輸出導(dǎo)納y0的等效電路。圖 放大器輸出導(dǎo)納的等效電路根據(jù)戴維南電路定理，求Y0時(shí)應(yīng)令信號(hào)源電流Is=0，這時(shí)有：=-=+=+解得： =上式表明，放大器的輸出導(dǎo)納也包括兩個(gè)部分，即晶體管的輸出導(dǎo)納和在輸出電路上產(chǎn)生的等效導(dǎo)納。如圖2-41所示，其中 即由于反饋導(dǎo)納的存在，信號(hào)源導(dǎo)納對(duì)輸出導(dǎo)納將產(chǎn)生影響。圖 放大器的輸出等效電路終上所述，由于內(nèi)反饋的影響，使放大器的輸入導(dǎo)納與負(fù)載有關(guān)，輸出導(dǎo)納與信號(hào)源導(dǎo)納有關(guān)。這樣，在調(diào)整輸出回路(即改變)時(shí)，放大器的輸出端將受到影響；同理，調(diào)整輸入回路（即改變）時(shí)，放大器的輸出導(dǎo)納也隨之改變，對(duì)輸出電路的調(diào)諧和匹配又產(chǎn)生影響。因此，調(diào)整工作需要反復(fù)進(jìn)行多次。

10、這種相互制約的現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)將使整個(gè)放大電路的前后若干級(jí)放大器連成一個(gè)整體，調(diào)整任何一級(jí)都將影響前后各級(jí)的工作。使放大器產(chǎn)生自激自激產(chǎn)生的原因 圖 放大器等效輸入端回路 放大器輸入等效電路如圖 。 反饋導(dǎo)納，其中 和分別為電導(dǎo)部分和電納部分 , 引起回路失諧。 是頻率的函數(shù)，在某些頻率上可能為負(fù)值，即呈負(fù)電導(dǎo)性，它使回路的總電導(dǎo)減小， 值增加，放大器的通頻帶減小，增益也因損耗的減少而增加。即負(fù)電導(dǎo) 供給回路能量，出現(xiàn)正反饋，當(dāng) = + 則回路總電導(dǎo) g = 0 ，放大器失去放大性能，處于自激振蕩工作狀態(tài)。 放大器產(chǎn)生自激的條件根據(jù)以上分析，當(dāng) + = 0 時(shí)放大器產(chǎn)生自激，由式中可見(jiàn)放大器的反饋能

11、 量抵消了回路損耗能量，且電納部分也恰好抵消。因此，放大器產(chǎn)生自激的條件是()即=1()晶體管反向傳輸導(dǎo)納 愈大，則反饋愈強(qiáng)，上式左邊值就愈小。該值愈接近于 1 ，放大器愈不穩(wěn)定。因此我們引入穩(wěn)定系數(shù) S 來(lái)表示放器的穩(wěn)定性。根據(jù) () 式可以推導(dǎo)穩(wěn)定系數(shù)： ()、 分別為 、 的相角， S 表示放大器能穩(wěn)定工作的條件。當(dāng)滿足 + = 0 時(shí)， S = 1 放大器自激 ； S 1 時(shí)放大器存在潛在不穩(wěn)定 ； 只有當(dāng) S 1 時(shí)內(nèi)部反饋較小，放大器才工作穩(wěn)定。通常工程設(shè)計(jì)中取 S = 5-10。諧振電壓增益 與穩(wěn)定系數(shù) S 的關(guān)系根據(jù)式 ，在工程計(jì)算中常作如下近似 ： 當(dāng)工作頻率 遠(yuǎn)小于特征頻率

12、 時(shí)， = | | 即 = 0。 反饋導(dǎo)納即。 + = + = 0當(dāng) =1 時(shí)將以上條件代入穩(wěn)定系數(shù) S 公式 () 得()而由前述知 ()() 代入 () 得當(dāng) S = 5 時(shí)， ( ) s 是保持放大器穩(wěn)定工作所允許的電壓增益，稱(chēng)為穩(wěn)定電壓增益，為保證放大器穩(wěn)定工作， 不允許超過(guò) ( ) s 。注意： ( ) s 只考慮內(nèi)部反饋，未考慮外部其他原因引起放大器工作不穩(wěn)定的反饋。以上分析了放大器不穩(wěn)定的因素及產(chǎn)生自激的條件，下面分析克服的方法。第3章 使放大器穩(wěn)定的措施 管子的內(nèi)反饋會(huì)會(huì)使放大器變得不穩(wěn)定，要設(shè)法消除?？朔?nèi)反饋的途徑有兩個(gè)：一個(gè)是從晶體管本身想辦法，使反向傳輸導(dǎo)納盡量減小；因

13、為主要決定于，設(shè)計(jì)晶體管時(shí)應(yīng)使盡量小，由于晶體管制造工藝的進(jìn)步，這個(gè)問(wèn)題已得到較好的解決；另一方面是在電路上想辦法，把的作用抵消或減小，也就是說(shuō)，從電路上設(shè)法取消晶體管的反向作用，使它變?yōu)閱蜗蚧?。具體的方法有中和法和失配法，下面分別進(jìn)行介紹。 中和法中和法是解決放大器的增益和穩(wěn)定性之間的矛盾的一種有效措施。它是在晶體管的輸入端和輸出端之間引入一個(gè)外加的反饋電路（中和電路），使該反饋電路的作用與晶體管內(nèi)部反饋的作用相互抵消。通常是在輸出回路與晶體管基極之間接入一個(gè)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)中和作用，該電容亦稱(chēng)中和電容。以圖所示的單調(diào)諧放大器為例進(jìn)行分析，圖3.1.2（a）為其交流等效電路。圖中，為晶體管的集電結(jié)

14、電容，它跨接在晶體管的輸入端與輸出端之間，引起晶體管的內(nèi)部反饋，為外加的中和電容，其作用是抵消的影響。從圖（a）可以看出，未加中和電容時(shí)，由于的作用，有反饋電流（內(nèi)反饋電流）流進(jìn)A點(diǎn)（晶體管輸出端）；加后，由于其的作用引出另一反饋電流（外反饋電流）流出a點(diǎn)。如果的值選擇合理，使=,則兩電流在a點(diǎn)正好相互抵消，即=-不會(huì)進(jìn)入晶體管基極，從而消除了晶體管內(nèi)部不穩(wěn)定因素的影響。圖 采用中和法的單調(diào)諧放大器 （a） (b)圖 中和法的原理圖上述過(guò)程可以看做一個(gè)電橋平衡過(guò)程。如圖（b）所示。和 及回路電感L1和L2正好構(gòu)成一個(gè)橋式電路，根據(jù)電橋平衡原理，若電橋?qū)厓杀鄣淖杩钩朔e相等，則c d兩端（放大器

15、輸出端）的電壓不會(huì)對(duì)a b兩端（放大器輸入端）產(chǎn)生影響，即放大器的輸出信號(hào)不會(huì)反饋到輸入端。根據(jù)電橋平衡條件有:L1=L2可見(jiàn)，在電路的a b兩點(diǎn)間外接一個(gè)中和電容，使之成為電橋的一個(gè)臂，并適當(dāng)?shù)倪x擇的值，使之滿足電橋平衡條件，就可以消除引起的內(nèi)部反饋，提高放大器的穩(wěn)定性。圖 變壓器耦合的中和連接圖是采用自耦變壓器耦合的連接方法來(lái)連接中和電容的。除此之外，也可以采用變壓器耦合的連接方法，即調(diào)諧回路接在變壓器的初級(jí)，中和電容接在次級(jí)。在這里需注意同名端的位置，應(yīng)當(dāng)使高頻信號(hào)通過(guò)變壓器后反向一次，否則不僅不能克服晶體管的內(nèi)反饋，反而會(huì)使相反的作用。中和法的主要優(yōu)點(diǎn)是增益高，因?yàn)樗皇强繝奚鲆鎭?lái)獲

16、取穩(wěn)定性的。但其缺點(diǎn)也是突出的，主要有三點(diǎn)：一是中和不徹底，因?yàn)檫€有電導(dǎo)部分；二是與工作點(diǎn)關(guān)系大，因與工作點(diǎn)有關(guān)；三是與頻率有關(guān)，因?yàn)橹械牡刃щ娙菖c頻率有關(guān),往往只在一個(gè)頻率點(diǎn)起到中和作用，而一些要求較高的通信設(shè)備大多不采用中和法，而采用失配法。 失配法失配就是不匹配。在小信號(hào)諧振放大器中，失配專(zhuān)指信號(hào)源內(nèi)阻與晶體管輸入阻抗之間，放大器輸出端的負(fù)載阻抗與晶體管輸出阻抗匹配之間的失配。從以上分析可知，如果負(fù)載導(dǎo)納很大，則放大器的輸入導(dǎo)納為=-這樣，即使發(fā)生變化，對(duì)也基本上沒(méi)有影響，實(shí)際上可以認(rèn)為輸出電路對(duì)輸入電路沒(méi)有反作用了，達(dá)到了使晶體管單向化的目的。同理，如果信號(hào)源內(nèi)導(dǎo)納很小，由分析可知，放

17、大器的輸出導(dǎo)納為 =-這樣，輸出導(dǎo)納與信號(hào)源導(dǎo)納無(wú)關(guān)，只決定于晶體管本身的參量。 失配法（單向化）的道理很簡(jiǎn)單，當(dāng)輸出電路嚴(yán)重失配時(shí)，輸出電壓相應(yīng)減小，反饋到輸出端的信號(hào)就進(jìn)一步減弱，對(duì)輸出電路的影響也隨之減少。通過(guò)增大負(fù)載電導(dǎo)，使輸出電路嚴(yán)重失配，失配越嚴(yán)重，輸出電路對(duì)輸出回路的反饋?zhàn)饔镁驮叫。@樣，放大器基本上就可以看做是單向化的。常用的辦法是將兩晶體管按共射-共基方式連接，形成復(fù)合管形式。其原理圖如所示。圖 共射共基級(jí)聯(lián)的復(fù)合管其中 在級(jí)聯(lián)放大器中，后一級(jí)放大器的輸入導(dǎo)納是前一級(jí)放大器的負(fù)載，而前一級(jí)放大器則是后一級(jí)放大器的信號(hào)源內(nèi)導(dǎo)納。晶體管按共基方式連接時(shí)，輸入導(dǎo)納較大，這就等于第一

18、級(jí)放大管V1的負(fù)載很大因此復(fù)合管的輸入導(dǎo)納，放大管V1工作在失配狀態(tài)；同理，共射連接的第一級(jí)晶體管V1的輸出導(dǎo)納較小，對(duì)于V2來(lái)說(shuō)，V1管的輸出導(dǎo)納就是它的信號(hào)源內(nèi)導(dǎo)納,其值很小，因此V2級(jí)的輸出導(dǎo)納就只和本身的參量有關(guān)，而不受它的輸入電路V1級(jí)的影響，這樣就大大減小了輸入輸出回路間的牽扯作用，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，就可以把它看作是單向器件了。失配法與中和法相比，失配法的突出特點(diǎn)是能在頻率較寬的范圍內(nèi)消弱內(nèi)部反饋的影響，因此，適合于頻率可調(diào)節(jié)的高頻信號(hào)放大器。第4章使諧振放大器不穩(wěn)定的外部因素以上討論的穩(wěn)定性是從放大器內(nèi)部來(lái)看的，實(shí)際上在制作放大電路時(shí)為了使電路穩(wěn)定，還應(yīng)該考慮外部因素引起的不穩(wěn)定性。在

19、實(shí)際電路中，放大器外部的寄生反饋，均是以電磁耦合的方式出現(xiàn)的，引起電磁干擾必然存在發(fā)射電磁干擾的源，能接收干擾的感應(yīng)裝置，以及兩者之間的耦合途徑。由于頻率高的緣故，干擾和接收裝置幾乎是不可能避免的，由此關(guān)鍵是弄清楚耦合途徑以及如何去截?cái)嗨?。電磁干擾的耦合途徑主要有以下幾種：（1） 電容性耦合：導(dǎo)線與導(dǎo)線之間，導(dǎo)線與器件之間，器件與器件之間均存在著分布電容。當(dāng)工作頻率達(dá)到一定程度時(shí)，這些電容會(huì)起作用，信號(hào)從后級(jí)耦合到前級(jí)。（2） 電感性耦合：導(dǎo)線與導(dǎo)線之間，導(dǎo)線與電感之間，電感與電感之間，除分布電容外，在高頻情況下，還存在互感。流經(jīng)導(dǎo)線或電感的后級(jí)高頻電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，可以與前級(jí)回路產(chǎn)生不必要的

20、耦合。（3） 公共電阻耦合：當(dāng)前后級(jí)信號(hào)流經(jīng)同一公共導(dǎo)線或電阻時(shí)，后級(jí)電流會(huì)產(chǎn)生電壓，從而對(duì)前級(jí)產(chǎn)生影響。（4） 輻射耦合：當(dāng)工作頻率達(dá)到一定程度時(shí)，后級(jí)的高頻信號(hào)可以通過(guò)電磁輻射的方式耦合到前級(jí)。另外，在電子設(shè)備中，接地是控制干擾的重要手段。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)使用，可解決大部分干擾問(wèn)題。一般而言，當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變化很大。此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在110MHz時(shí)，若采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法，而且接地線很細(xì)。接地電位則隨電流的變化而變化，抗噪聲性能變壞，應(yīng)將接地線盡量加粗。參考文獻(xiàn)1張素文，高頻電子線路，高等教育出版社，2006年12月2姚福安，電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐，山東科學(xué)技術(shù)出版設(shè)，2001年10月3康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)，高教出版社，2003年4李銀華，電子線路設(shè)計(jì)指導(dǎo)，北京航空航天大學(xué)出版社，2005年5 趙偉軍，Protel2004教程，人民郵電出版社，2006年6. 畢滿清，電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，北京電子工業(yè)出版社，2007年總結(jié)這一次課程設(shè)計(jì)雖然時(shí)間很短，只有短短的一星期時(shí)間。但是通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)讓我認(rèn)識(shí)到了自己在學(xué)習(xí)中還存在很多的不足之處。比如以前總覺(jué)得課本上很多知識(shí)自己已經(jīng)掌握了，但是直到自己需要用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)自己只不過(guò)是機(jī)械的記住