第2章 高頻選頻放大器-上

1、第二章第二章 高頻選頻放大器高頻選頻放大器 -小信號(hào)調(diào)諧放大器小信號(hào)調(diào)諧放大器樂燕芬樂燕芬通信工程通信工程o高頻高頻選頻選頻放大器：放大器：窄帶窄帶o本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容小信號(hào)調(diào)諧放大器v接收設(shè)備v窄帶窄帶高頻小信號(hào)放大 諧振回路諧振回路高頻功率放大器v發(fā)送設(shè)備v丙類諧振功率放大器2.1 2.1 小信號(hào)調(diào)諧放大器概述小信號(hào)調(diào)諧放大器概述o作用：作用： 選頻+放大o電路組成：電路組成： 諧振系統(tǒng)放大器o諧振系統(tǒng)的形式：諧振系統(tǒng)的形式： 單/雙LC、晶體、陶瓷、聲表面波濾波器o諧振系統(tǒng)的作用：諧振系統(tǒng)的作用： 選擇有用信號(hào)，抑制干擾2.1 2.1 小信號(hào)調(diào)諧放大器概述小信號(hào)調(diào)諧放大器概述共射單

2、回路諧振放大器共射單回路諧振放大器o典型的小信號(hào)諧振放大器典型的小信號(hào)諧振放大器2.1 2.1 小信號(hào)調(diào)諧放大器概述小信號(hào)調(diào)諧放大器概述o主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)諧振增益增益： 通頻帶通頻帶：BW0.7 -電壓增益下降3dB或最大值的0.7倍時(shí)， 對(duì)應(yīng)的頻帶寬度;要求大于信號(hào)帶寬選擇性選擇性：BW0.1 -從各種頻率信號(hào)中選出信號(hào)的能力,也 即選頻電路對(duì)無用信號(hào)的抑制能力。 輸出下降20dB或最大值的0.1倍時(shí)對(duì)應(yīng) 的頻帶寬度 矩形系數(shù)：穩(wěn)定性：溫度變化時(shí)，AV0, f0，BW0.7 的穩(wěn)定程度offVoViVoA電壓增益：701010BWBWK./2.1 2.1 小信號(hào)調(diào)諧放大器概述小信號(hào)調(diào)

3、諧放大器概述2.1 2.1 小信號(hào)調(diào)諧放大器概述小信號(hào)調(diào)諧放大器概述o問：三個(gè)放大器的通頻帶和選擇性曲線如下，哪問：三個(gè)放大器的通頻帶和選擇性曲線如下，哪個(gè)放大器的性能好個(gè)放大器的性能好? ?2.2 2.2 單諧振回路單諧振回路LC諧振回路諧振回路o電抗、電阻的串并聯(lián)等效轉(zhuǎn)換電抗、電阻的串并聯(lián)等效轉(zhuǎn)換RpXpZp(j)(a)(b)RsXsZs(j)ssspppppppppppjXRZXXRRjRXRXjXRZ222222/ppppsppppsXXRRXRXRXR222222ssspssspXXRXRXRR2222類似也可得：2.22.2單諧振回路單諧振回路 LC諧振回路諧振回路o 由Q值的定義

4、可知：ppssXRRXQ 有功功率無功功率ssspssspXXRXRXRR2222ppppsppppsXXRRXRXRXR222222spspXQXRQR2211)1 (轉(zhuǎn)換后電抗元件的性質(zhì)不變，即電感轉(zhuǎn)換后仍為電感，電容轉(zhuǎn)換后仍為電容。sps2pXXRQR 當(dāng)Q1時(shí)2.22.2單諧振回路單諧振回路 LC諧振回路諧振回路o并聯(lián)諧振回路)C()Z(ppL1jR11j)(ppppLRCRj1RQ00)(:失諧系數(shù)),(容抗或感抗值諧振時(shí)特性阻抗CL1p0CRLRQ0pp0p/j1RQj1RjZp00p)()(CLC1Lp0p02.22.2單諧振回路單諧振回路 LC諧振回路諧振回路時(shí)，當(dāng)0 QQ00

5、00202）（）（0pp2jQ1Rj1RZ20p2p2Q1R1R)(Z幅頻特性：arctg相位特性：Q00)(:失諧系數(shù)QQ00022）（2.22.2單諧振回路單諧振回路 LC諧振回路諧振回路幅頻特性和相頻特性曲線時(shí)，回路呈容抗時(shí)，回路呈感抗00o 諧振時(shí)， - 回路純電阻，為最大值RP - 回路端電壓達(dá)最大值； - 電感和電容交換能量，與信號(hào)源沒有能量交換Q20)2(1QRZp)2arctg(0Q2.22.2單諧振回路單諧振回路 LC諧振回路諧振回路o諧振曲線、通頻帶、選擇性和矩形系數(shù)K0.1ZIVs:回路電壓PsORIV諧振時(shí)：202)2(11110|QRZSpVV, 1,21時(shí)當(dāng)S02Q

6、 Qf95.999Qf,BWS001 .0時(shí)當(dāng)0.1QfBW0707. 02.22.2單諧振回路單諧振回路 LC諧振回路諧振回路959707. 01010.BWBWK.QfBW0707. 0Qf.BW.010959v LC回路的Q越高，諧振曲線越尖銳，選擇性越好，但通頻帶卻越窄。v 通頻帶通頻帶與選擇性選擇性 矛盾2.22.2單諧振回路單諧振回路 LC諧振回路諧振回路oLC串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路LrCIZLC串聯(lián)諧振回路 (1) 回路總阻抗： CLjrZ1 (3) 回路Q值(空載):rLQ0(2) 諧振頻率： LC10(4) 通頻帶：QfBW07 . 0)(1RppppLRCRjZ (a)

7、串聯(lián)諧振回路的阻抗特性2.22.2單諧振回路單諧振回路 LCLC諧振回路諧振回路(b) 并聯(lián)諧振回路的阻抗特性CLjrZ1Z()()Z()2()02Z()()()2Z()022.22.2單諧振回路單諧振回路 LCLC諧振回路諧振回路o課堂習(xí)題課堂習(xí)題1 1要求并聯(lián)諧振回路的諧振頻率f0=5MHz，通頻帶BW=150kHz，若給定回路電容C=50pF。 1) 求回路電感L和品質(zhì)因數(shù)Q。 2) 信號(hào)源頻率為5.5MHz時(shí)，衰減量為多少dB？ 3) 若要將通頻帶BW擴(kuò)展至300kHz，應(yīng)在回路兩端并聯(lián)多大的電阻？2.22.2單諧振回路單諧振回路 LCLC諧振回路諧振回路o課堂習(xí)題課堂習(xí)題2 2 如圖

8、所示高Q電路，Rs=100K，L=100H，r=10 (電感的銅損電阻)，C=100pF，RL=50K，Is=1mA。計(jì)算諧振回路的總品質(zhì)因素（或稱有載品質(zhì)因數(shù)）和回路兩端電壓。2.22.2單諧振回路阻抗變換單諧振回路阻抗變換o信號(hào)源內(nèi)阻及負(fù)載對(duì)諧振回路的影響等效)b(圖00/QLRQRRRRbTLLPST）圖中：（001TLSTLCCCCC)a (圖空載空載和有載有載品質(zhì)因素的概念引起什么問題？2.22.2單諧振回路阻抗變換單諧振回路阻抗變換o(1)接入系數(shù) p 定義為接入電壓V2與回路總電壓V1的比值12NNp .)( 自耦變壓器圖 a.)( 變壓器圖 b2.22.2單諧振回路阻抗變換單諧

9、振回路阻抗變換)()(M2LLjIMLjIUUp21k2k12MLLML221221220LLLLLpM 若圖(c)電感分壓式 圖(d) 電容分壓式2k2k12CCj1Ij1IUUpCC2121:CCCCC總電容211CCCp2.22.2單諧振回路阻抗變換單諧振回路阻抗變換o(2)負(fù)載阻抗的部分接入RVRRVRLLLL2122:吸收功率吸收功率RVRVLL21222221)(pLLLRRVVR)(e圖)(e圖2.22.2單諧振回路阻抗變換單諧振回路阻抗變換求CS和ISsssspI I,CpC2:同理2.22.2單諧振回路阻抗變換單諧振回路阻抗變換。和通頻帶，求諧振頻率，負(fù)載，諧振電路。信源內(nèi)阻

10、下圖中電容分壓式并聯(lián)例BWfpfCpfCHLrKRKRLg021140014020081005 :解解:電路等效為2.22.2單諧振回路阻抗變換單諧振回路阻抗變換sspsspXXQXRQRQR 202020111)(u電抗的串并聯(lián)轉(zhuǎn)換：u信號(hào)源的部分接入：2pRRgg MHzCCCCLLCf12121212101578102001026600rLQKrQRp1971578220k.pRR.CCCpgg604091010509102322112.22.2單諧振回路阻抗變換單諧振回路阻抗變換K/R/RRRLpg60.92.208 .47108 .47102001021060606630KHzQfB

11、WLRQLL2.22.2單諧振回路阻抗變換單諧振回路阻抗變換2.3 2.3 耦合諧振回路耦合諧振回路o單諧振回路存在選擇性和通頻帶的矛盾單諧振回路存在選擇性和通頻帶的矛盾o解決：兩個(gè)單諧振回路耦合解決：兩個(gè)單諧振回路耦合(a)互感耦合諧振回路 (b)電容耦合諧振回路 兩種常見的耦合諧振回路 v 耦合系數(shù)耦合系數(shù)21LLMk )(02010CCCCCCCk2.3 2.3 耦合諧振回路耦合諧振回路o頻率特性分析頻率特性分析kQ耦合因數(shù)耦合因數(shù)互感耦合等效電路互感耦合諧振回路 輸出電流I2的幅頻特性曲線o1，松耦合，通頻帶窄，峰值小o1，強(qiáng)耦合，出現(xiàn)雙峰，諧振時(shí)出現(xiàn)凹陷，越大，凹陷越大，帶寬更大，但

12、通帶內(nèi)曲線起伏對(duì)信號(hào)有影響。當(dāng)凹陷處值小于0.707時(shí)失去應(yīng)用價(jià)值o1，臨界耦合，接近理想曲線，最佳工作狀態(tài) 輸出電流I2的幅頻特性曲線QfBW02QfBW041 . 099215. 31 . 0K959)(10.K.單諧振回路2.3 2.3 耦合諧振回路耦合諧振回路o電容耦合諧振回路電容耦合諧振回路傳輸阻抗Zt的幅頻特性曲線2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器o 小信號(hào)諧振放大器概述小信號(hào)諧振放大器概述線性放大器：線性模型的等效電路分析法窄帶放大：負(fù)載為諧振回路調(diào)諧放大器和頻帶放大器v超外差收音機(jī)中頻放大器465KHz,電視機(jī)圖像中頻放大器38MHz,伴音中頻放大器為31

13、.5MHz主要要求：v對(duì)有用信號(hào)增益高v選擇性好v工作穩(wěn)定可靠2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器o晶體管混合參數(shù)等效電路構(gòu)成反饋通道，集電極負(fù)載隨頻率變化時(shí)，反饋也劇烈變化，從而嚴(yán)重影響放大器的頻率特性2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器oY參數(shù)等效電路參數(shù)等效電路小信號(hào)放大，工作于線性區(qū)窄帶信號(hào)bebUbIcIcUce(a)bebUyiecreUybfeUyyoececUcIbI(b)受控電流源yreUc表示輸出電壓對(duì)輸入電流的控制作用（反向控制）。yre越大, 表示晶體管的內(nèi)部反饋越強(qiáng)。2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器o特點(diǎn)

14、：特點(diǎn)：小信號(hào)放大 在線性范圍內(nèi)工作(甲類)并聯(lián)諧振回路作為負(fù)載 選頻濾波采用部分接入方式 提高有載Q值，有利于阻抗匹配和調(diào)整 通頻帶典型線路共射單回路諧振放大器共射單回路諧振放大器2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器u LC并聯(lián)諧振回路作為晶體管的集電極負(fù)載, 其諧振頻率調(diào)諧在輸入有用信號(hào)的中心頻率上。u LC回路與本級(jí)晶體管的耦合采用自耦變壓器耦合方式(部分接入), 這樣可減弱晶體管輸出導(dǎo)納對(duì)回路的影響。o負(fù)載（或下級(jí)放大器）與回路的耦合采用變壓器耦合方式, 這樣, 既可減弱負(fù)載（或下級(jí)放大器）導(dǎo)納對(duì)回路的影響, 又可使前、后級(jí)的直流供電電路分開。o 共射單回路諧振放大

15、器共射單回路諧振放大器 變壓器耦合輸入 晶體管放大 LC單諧振回路選頻輸出2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器1.輸入信號(hào)頻率為LC諧振頻率時(shí)，諧振回路呈現(xiàn)很大的純電阻，放大器增益最大（放大器增益與負(fù)載成正比）2.信號(hào)頻率偏離諧振頻率，回路失諧，阻抗變小，放大器增益減小3.放大器放大諧振頻率附近的信號(hào)，抑制其他信號(hào)，為選頻放大器4.工作頻率高，所以旁路電容的容量較?。ㄏ啾容^低頻放大工作時(shí)）2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器o分析左邊電路，取走Ry,對(duì)電路性能影響如何Ry取走，負(fù)載電導(dǎo)負(fù)載電導(dǎo)YL ，Av0 有載有載Q值值帶寬帶寬BW 2.4 2.4 單

16、管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器o 利用等效電路分析利用等效電路分析, ,可得可得為了增大Av0, 要求負(fù)載電阻大。而諧振電阻取決于回路空載Q值, 且成正比。Av0與p1、p2有關(guān), 而p1和p2會(huì)影響回路有載Q值，并進(jìn)一步影響通頻帶,所以p1與p2的選擇應(yīng)全面考慮, 選取最佳值。o 實(shí)際放大器的設(shè)計(jì)是要在滿足通頻帶和選擇性的前提下, 盡可能提高電壓增益。接入系數(shù)(折合到全回路兩端)1345213121NNpNNp2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器o多級(jí)單調(diào)諧放大器多級(jí)單調(diào)諧放大器 如果多級(jí)放大器中的每一級(jí)都調(diào)諧在同一頻率上, 則稱為多級(jí)單調(diào)諧放大器。 設(shè)放大器有n

17、級(jí), 各級(jí)電壓增益振幅分別為Av1, Av2, , Avn,則總電壓增益振幅是各級(jí)電壓增益振幅的乘積, 即AnAv1Av2Avn nLnn)Q(S)211()11(202 選擇性 2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器1210nLnQfBW帶寬縮減因子,21S當(dāng)通頻帶v n級(jí)相同的單調(diào)諧放大器的總增益比單級(jí)放大器的增益提高了, 而通頻帶比單級(jí)放大器的通頻帶縮小, 且級(jí)數(shù)越多, 頻帶越窄。 換句話說, 如多級(jí)放大器的頻帶確定以后, 級(jí)數(shù)越多, 則要求其中每一級(jí)放大器的頻帶越寬。2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器n1234561.000.640.510.43

18、0.390.35K0.19.954.803.763.403.203.10121nv 當(dāng)n 增大時(shí)，矩形系數(shù) K0.1減小, 選擇性得到了改善。矩形系數(shù)121100111.0nnnK2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器o諧振放大器的穩(wěn)定性諧振放大器的穩(wěn)定性o 傳輸導(dǎo)納傳輸導(dǎo)納yre0, 即輸出電壓可以反饋到輸入端即輸出電壓可以反饋到輸入端,使放大器的輸入、輸出導(dǎo)納，分別與負(fù)載及信號(hào)源導(dǎo)納有關(guān)，則調(diào)整輸出回路時(shí)使輸入端受影響，調(diào)整輸入回路時(shí)，輸出導(dǎo)納改變，影響輸出電路的調(diào)諧和匹配； 引起輸入電流的變化, 從而可能引起放大器工作不穩(wěn)定。如果這個(gè)反饋?zhàn)銐虼? 且在相位上滿足正反饋條

19、件, 則會(huì)出現(xiàn)自激振蕩。 從晶體管本身出發(fā), 減小其反向傳輸導(dǎo)納yre值。 yre-j Cbc。yre的大小主要取決于集電極與基極間的結(jié)電容Cbc(密勒電容)。所以選擇Cbc盡可能小, 使反饋容抗增大, 反饋?zhàn)饔脺p弱； 從電路上設(shè)法消除晶體管的反向作用, 使它單向化。中和法中和法失配法失配法2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器o中和法：中和法：在放大器外部采取措施抵消內(nèi)部反饋，從而實(shí)現(xiàn)放大器的單向化p優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：基本不影響放大：基本不影響放大管的增益管的增益p缺點(diǎn)缺點(diǎn)：中和電容只能在：中和電容只能在某一頻率上起抵消作用，

20、某一頻率上起抵消作用，只能用于窄帶諧振放大器。只能用于窄帶諧振放大器。2.4 2.4 單管小信號(hào)諧振放大器單管小信號(hào)諧振放大器o失配法失配法信號(hào)源內(nèi)阻不與晶體管輸入阻抗匹配，晶體管輸出端的負(fù)載阻抗不與本級(jí)晶體管的輸出阻抗匹配。增大負(fù)載導(dǎo)納增大負(fù)載導(dǎo)納YL, 使輸出電路嚴(yán)重失配使輸出電路嚴(yán)重失配, 回路總電導(dǎo)回路總電導(dǎo)g增大，輸出增大，輸出電壓相應(yīng)減小電壓相應(yīng)減小, 從而反饋到輸入端的電流減小從而反饋到輸入端的電流減小, 這樣對(duì)輸入端的影這樣對(duì)輸入端的影響也就減小了。可見響也就減小了?？梢? 失配法是用犧牲增益來換取電路穩(wěn)定的。失配法是用犧牲增益來換取電路穩(wěn)定的。 YiV1V2Yo共射共基電路構(gòu)

21、成復(fù)合管 由于共基電路的輸入導(dǎo)納較大, 因此當(dāng)它和輸出導(dǎo)納較小的共射電路連接時(shí),相當(dāng)于使V 1的負(fù)載導(dǎo)納增大而失配單片集成小信號(hào)諧振放大器MC1490內(nèi)部電路圖V447070UAGCV5V64701.5 k5.5 k12.1 kV7V845V9V10()()OutputsUCC2.8 k2002002.8 k2001.9 k1.4 k5.6 k1.1 k1.1 k()()InputsV1V2668.4 kV32 k5 k5 k546281372.2.5 5 集中選頻小信號(hào)諧振放大器集中選頻小信號(hào)諧振放大器o通信高頻段，放大器需要較好的選擇性，而對(duì)通信高頻段，放大器需要較好的選擇性，而對(duì)LC諧振

22、回路，諧振回路，Q 值一般很難達(dá)到值一般很難達(dá)到100以上以上o高高Q 濾波器濾波器(集中選頻濾波器集中選頻濾波器)石英晶體濾波器陶瓷濾波器聲表面波濾波器2.2.5 5 集中選頻小信號(hào)選頻放大器集中選頻小信號(hào)選頻放大器o晶體濾波器和陶瓷濾波器晶體濾波器和陶瓷濾波器石英晶體具有壓電效應(yīng)石英晶體具有壓電效應(yīng)v六棱錐體：光軸、電軸、機(jī)械軸六棱錐體：光軸、電軸、機(jī)械軸 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)沿機(jī)械軸方向受力時(shí)，在電軸方向也產(chǎn)生電場； 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)沿某一電軸方向受到交變電場作用時(shí)，沿機(jī)械軸方向產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)； 石英晶體是能完成電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)化的可逆換能器件； 諧振特性諧振特性-當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)

23、構(gòu)一定時(shí), 它本身有一個(gè)固有的機(jī)械振動(dòng)頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí), 晶體片的機(jī)械振動(dòng)最大, 晶體表面電荷量最多, 外電路中的交流電流最強(qiáng), 于是產(chǎn)生了諧振2.2.5 5 集中選頻小信號(hào)選頻放大器集中選頻小信號(hào)選頻放大器o 某些常用的陶瓷材料（如鋯鈦酸鉛，即PbZrTiO3）與石英晶體一樣，也具有類似的壓電效應(yīng)和諧振特性。o 壓電陶瓷片和石英晶體均具有諧振電路的特性，其空載品質(zhì)因數(shù)可達(dá)幾百以上，選擇性非常好。o 通信電路中常用的是三端陶瓷（或晶體）濾波器， 其電路符號(hào)如圖所示。其中1、3是輸入端，2、3是輸出端。123三端陶瓷濾波器符號(hào)2.2.5 5 集中選頻小信號(hào)選頻放大器集中選頻小信號(hào)選頻放大器o 聲表面波濾波器聲表面波濾波器SWAFSWAF利用某些晶體（如石英晶體、鈮酸鋰LiNbo3等）的壓電效應(yīng)和