第2章小信號(hào)選頻放大器

第2章小信號(hào)選頻放大器概述,在高頻電路中，調(diào)諧放大器是一種最基本、最常見的電路形式。它是高頻放大器的一種。高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器是由調(diào)諧回路與晶體管相結(jié)合而成，其突出優(yōu)點(diǎn)是增益高，有明顯的選頻性能，廣泛地應(yīng)用于各類接收設(shè)備中。接收天線所感應(yīng)的電臺(tái)的高頻信號(hào)是很微弱的，一般只有幾微伏到幾毫伏，而接收設(shè)備內(nèi)解調(diào)器的輸入電壓，最好能達(dá)到1伏左右，這就要求接收機(jī)對(duì)高頻信號(hào)的放大能力要達(dá)到幾千倍到10萬(wàn)倍左右。,第2章小信號(hào)選頻放大器概述,另外接收機(jī)天線所感應(yīng)的信號(hào)，除了有要接收的電臺(tái)信號(hào)外，還有許多不需要的信號(hào)（稱干擾信號(hào)）顯然如果采用沒有選擇性的放大器進(jìn)行放大，勢(shì)必使要接收的信號(hào)被淹沒在其它電臺(tái)的干擾中。為了解決這個(gè)問題，通常在放大器中接入選頻網(wǎng)絡(luò)。這樣構(gòu)成調(diào)諧放大器，不僅具有放大作用，而且有選頻能力。選頻網(wǎng)絡(luò)可以用LC諧振回路組成，也可以由集中選頻濾波器構(gòu)成。由集中選頻濾波器和寬帶放大器構(gòu)成的集中選頻放大器，它具有選擇性好、性能穩(wěn)定、不需調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代通信設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。,第2章小信號(hào)選頻放大器,LC諧振回路小信號(hào)諧振放大器集中選頻放大器,主要內(nèi)容：,2.1LC諧振回路概述,LC諧振回路是高頻電路里最常用的無(wú)源選頻網(wǎng)絡(luò)，包括并聯(lián)回路和串聯(lián)回路兩種結(jié)構(gòu)類型。利用LC諧振回路的幅（度）頻（率）特性和相（位）頻（率）特性，不僅可以進(jìn)行選頻，即從輸入信號(hào)中選擇出有用頻率分量而抑制掉無(wú)用頻率分量或噪聲（例如在選頻放大器和正弦波振蕩器中），而且還可以,2.1LC諧振回路概述,進(jìn)行信號(hào)的頻幅轉(zhuǎn)換和頻相轉(zhuǎn)換（例如在斜率鑒頻和相位鑒頻電路里）。另外，用L、C元件還可以組成各種形式的阻抗變換電路和匹配電路。所以，LC諧振回路雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是在高頻電路里卻是不可缺少的重要組成部分，在本書所介紹的各種功能的高頻電路單元里幾乎都離不開它。因此本章先介紹LC并聯(lián)諧振回路的基本特性。,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,諧振回路諧振回路由電感線圈和電容器組成，它具有選擇信號(hào)及阻抗變換作用。LC并聯(lián)諧振回路圖2.1.1是電感L、電容C和外加信號(hào)源組成的并聯(lián)諧振回路。r是電感L的等效損耗電阻，電容的損耗一般可以忽略。為電流源，為并聯(lián)回路兩端輸出電壓。根據(jù)電路分析基礎(chǔ)知識(shí)，可以直接給出LC并聯(lián)諧振回路的某些主要參數(shù)及其表達(dá)式：,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,并聯(lián)諧振回路的阻抗頻率特性圖2.1.1并聯(lián)諧振回路,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,1)并聯(lián)諧振回路的等效阻抗Z:通常r很小,當(dāng)rL,Z可用下式表示:,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,2)并聯(lián)諧振回路諧振時(shí)的等效阻抗,簡(jiǎn)稱諧振電阻當(dāng)時(shí),稱并聯(lián)回路諧振,此時(shí)并聯(lián)諧振回路諧振的等效阻抗為純電阻且最大,從式(2.1.2)可得:,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,3)并聯(lián)諧振回路的諧振頻率當(dāng)時(shí),稱并聯(lián)回路諧振,此時(shí)并聯(lián)諧振回路諧振的諧振頻率:或,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,4)品質(zhì)因數(shù)Q,簡(jiǎn)稱Q值在LC諧振回路中,為了評(píng)價(jià)諧振回路損耗的大小,引入了品質(zhì)因數(shù)Q,通常稱為Q值.Q值的定義:諧振回路諧振時(shí)的感抗(或容抗)與回路等效損耗電阻r之比,即將式(2.1.4)代入式(2.1.5),則得,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,品質(zhì)因數(shù)Q與并聯(lián)諧振電阻的關(guān)系一般LC諧振回路的Q值在幾十到幾百范圍內(nèi),Q值越大,回路的損耗越小,其選頻特性就越好。將式(2.1.6)代入(2.1.3)可得,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,5)并聯(lián)諧振回路阻抗頻率特性將式(2.1.3)、(2.1.4)、(2.1.5)代入(2.1.2)可得并聯(lián)諧振回路阻抗頻率特性電性:(2.1.8),2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,6)并聯(lián)回路阻抗頻率特性和相頻特性通常，諧振回路主要研究諧振頻率附近特性。由于十分接近，故可以近似認(rèn)為，并令，則式(2.1.8)可寫成(2.1.9),2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,則并聯(lián)諧振回路的阻抗頻率特性和相頻特性可分別為：阻抗頻率特性(2.1.10)相頻特性(2.1.11),2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,根據(jù)式(2.1.10)和式(2.1.11)可作出并聯(lián)諧振回路的阻抗頻率特性曲線(a)和相頻特性曲線(b),圖2.1.2并聯(lián)諧振回路特性曲線,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,由圖可見，并聯(lián)諧振回當(dāng)，即諧振時(shí)回路阻抗最大且為純電阻，相移。時(shí)，阻抗下降，相移增大。當(dāng)時(shí)，回路呈容性，相移為負(fù)值，最大趨于負(fù)90；當(dāng)時(shí)，回路呈感性，相移為正值，最大趨于90。取不同的值，可以作出不同的阻抗頻率特性曲線和相頻特性曲線，如圖(2.1.2)所示。并且，值大，就大，阻抗頻率特性曲線更尖銳，相移曲線在諧振頻率附近變化更陡峭。,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,并聯(lián)諧振回路的通頻帶和選擇性1、電壓諧振曲線當(dāng)維持信號(hào)源的幅值不變時(shí)，只改變其頻率，并聯(lián)回路兩端電壓變化規(guī)律與回路阻抗頻率特性相同。則(2.1.13),2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,1)輸出電壓的幅頻特性(2.1.14)2)輸出電壓的相頻特性(2.1.15）,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,3)電壓諧振曲線,圖2.1.3并聯(lián)諧振回路輸出電壓調(diào)諧曲線,（a）幅頻特性,（b）相頻特性,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,2、通頻帶1)通頻帶的定義當(dāng)占有一定頻帶寬度的信號(hào)在并聯(lián)回路中傳輸時(shí)，由于幅頻特性曲線的不均勻性，輸出電壓便不可避免產(chǎn)生頻率失真，為了限制諧振回路頻率失真的大小而規(guī)定了諧振回路的通頻帶。當(dāng)值由最大值1下降到0.707時(shí)，所占有的頻帶寬度就是回路的通頻帶，用表示。,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,2)通頻帶的表達(dá)式(2.1.16)式(2.1.16)說(shuō)明，回路Q值越高，幅頻特性曲線越尖銳，通頻帶越窄；回路諧振頻率越高，通頻帶越寬。,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,3、選擇性選擇性是指回路從含有各種不同頻率信號(hào)總和中選出有用信號(hào)、抑制干擾信號(hào)的能力?；芈返闹C振曲線越尖銳，對(duì)無(wú)用信號(hào)的抑制能力就越強(qiáng)，選擇性就越好。一般諧振回路工作在所需信號(hào)的中心頻率上。選擇性可用通頻帶以外無(wú)用信號(hào)的輸出電壓與諧振時(shí)輸出電壓之比來(lái)表示，越小，說(shuō)明諧振回路抑制無(wú)用信號(hào)的能力越強(qiáng)，選擇性越好。,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,1)20dB選擇性在實(shí)際應(yīng)用中，選擇性常用諧振回路輸出信號(hào)下降到輸出電壓的0.1倍，即下降20dB的通帶，用來(lái)表示，如圖2.1.4所示。越小，回路的選擇性就越好。圖2.1.4,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,2)矩形系數(shù)為了提高選擇性、降低頻率失真，要求諧振回路的幅頻特性應(yīng)具有矩形形狀，即在通頻帶內(nèi)頻率具有相同的輸出幅度，而在通頻帶以外無(wú)用信號(hào)輸出為零，如圖2.1.4虛線所示。然而實(shí)際的諧振回路均不能滿足上述要求，但為了說(shuō)明實(shí)際幅頻特性曲線接近矩形的程度，常引用“矩形系數(shù)”這一參數(shù)，用符號(hào)表示。,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,矩形系數(shù)的的定義(2.1.17)顯然，矩形系數(shù)越接近于1，則諧振回路幅頻曲線越接近于矩形，回路的選擇性也就越好。,2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性,單個(gè)并聯(lián)諧振回路的矩形系數(shù)為10令0.1，由式(2.1.14)，即0.1，可得由此可得10。這說(shuō)明單個(gè)并聯(lián)諧振回路的矩形系數(shù)遠(yuǎn)大于1，故其選擇性比較差。,2.1.2阻抗變換電路,信號(hào)源及負(fù)載對(duì)諧振回路的影響在實(shí)際應(yīng)用中，諧振回路一定和信號(hào)源及負(fù)載相鏈接，信號(hào)源的輸出阻抗和負(fù)載阻抗都會(huì)對(duì)回路產(chǎn)生影響，它們不但會(huì)使回路的等效品質(zhì)因數(shù)下降，選擇性變差，同時(shí)還會(huì)使諧振回路的諧振頻率發(fā)生偏離。圖2.1.5為一實(shí)用的并聯(lián)諧振回路，信號(hào)源內(nèi)阻，負(fù)載電阻。,2.1.2阻抗變換電路,將圖2.1.5(a)中的電壓源用電流源代替，將L、r串聯(lián)電路用L、Rp并聯(lián)電路代替，則圖2.1.5(a)可變換成圖2.1.5(b),從圖2.1.5(b),可以更清楚地看出Rs、對(duì)諧振回路的影響。,2.1.2阻抗變換電路,將圖2.1.5(b)中的所有電阻合并為Re,即因此，可把圖2.1.5(b)簡(jiǎn)化為圖2.1.5(c)。,2.1.2阻抗變換電路,有載品質(zhì)因數(shù)和空載品質(zhì)因數(shù)由圖2.1.5(c)，可知就是考慮了、影響后并聯(lián)諧振回路的等效諧振電阻。由可求得等效并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，將其稱為有載品質(zhì)因數(shù)，用表示。而把前面所學(xué)的不慮、等影響的回路品質(zhì)因數(shù)稱為空載品質(zhì)因數(shù)或固有品質(zhì)因數(shù)，用表示。由式(2.1.7)可得(2.1.21)式,(2.1.21),2.1.2阻抗變換電路,由于，所以，、越小也越小，則下降就越多，回路的選擇性就越差，而通頻帶卻變寬了。常用的阻抗變換電路為了減少信號(hào)源及負(fù)載對(duì)諧振回路的影響，除了增大、外，還可以采用阻抗變換電路。常用的阻抗變換電路有變壓器、電感和電容分壓電路等。,2.1.2阻抗變換電路,1)變壓器阻抗變換電路圖2.1.6為變壓器阻抗變換電路。設(shè)變壓器為無(wú)損耗的理想變壓器，為變壓器一次繞組匝數(shù)，為變壓器二次繞組匝數(shù)，則變壓器的匝比為(2.1.22),2.1.2阻抗變換電路,2)電感分壓器阻抗變換電路圖2.1.7為電感分壓器阻抗變換電路，也稱自耦變壓器阻抗變換電路。13輸入端，負(fù)載接于23輸出端。12匝數(shù)為電感量為，23匝數(shù)電感量為，互感量為M。設(shè)、是無(wú)損耗的，時(shí)，自耦變壓器的匝數(shù)比等于,2.1.2阻抗變換電路,則負(fù)載折算到一次繞組的等效電阻為,2.1.2阻抗變換電路,3)電容分壓器阻抗變換電路圖2.1.8為電容分壓器阻抗變換電路。、為分壓電容，為負(fù)載電阻，是經(jīng)變換后的等效電阻。設(shè)、無(wú)損耗，根據(jù)和上消耗的功率相等，即可得,2.1.2阻抗變換電路,式中，。所以當(dāng)時(shí)，可得由此可得,2.2小信號(hào)諧振放大器,1、什么是諧振放大器？采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的放大器。選頻或?yàn)V波是其基本特點(diǎn)。2、分類,2.2小信號(hào)諧振放大器,3、主要性能指標(biāo)諧振電壓增益Au0放大器在諧振頻率上的增益，衡量對(duì)有用信號(hào)的放大能力。通頻帶BW0.7放大器電壓增益下降到諧振電壓增益的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍。選擇性矩形系數(shù)：K0.1=BW0.1/BW0.7,4、單級(jí)單調(diào)諧放大器,2.2小信號(hào)諧振放大器,圖2.2.4單調(diào)諧放大器集電極負(fù)載為L(zhǎng)C并聯(lián)諧振回路,單級(jí)單調(diào)諧放大器的性能：,諧振頻率：,通頻帶：,矩形系數(shù)：,其中：C為等效的回路總電容。,其中：可見其矩形系數(shù)遠(yuǎn)大于1，選擇性較差。,其中：Qe為回路的有載品質(zhì)因數(shù)。,5、多級(jí)單調(diào)諧放大器的性能指標(biāo),多級(jí)單調(diào)諧放大器的性能：,電壓增益：,則,Au,=,Au1Au2Au3Aun,(Au1)n,=,通頻帶：,選擇性：,N級(jí)的矩形系數(shù)為,如果有n級(jí)且各級(jí)諧振頻率相同,2.3集中選頻放大器,1、集中選頻放大器的組成,第二種形式,第一種形式,2、集中選頻濾波器,2.3集中選頻放大器,(1)陶瓷濾波器,1)陶瓷片的“壓電效應(yīng)”與“反壓電效應(yīng)”,2)兩端陶瓷濾波器（外形及符號(hào)）,兩個(gè)諧振頻率：,3）三端陶瓷濾波器,2.3集中選頻放大器,實(shí)物圖：,(2)聲表面波濾波器(SAWF),2.3集中選頻放大器,實(shí)物圖：,聲表面波濾波器應(yīng)用實(shí)例：,V1是預(yù)中放部分，起前置放大作用；Z1為SAWF起集中選頻作用；TA7680AP為彩電圖像中頻放大器IC。,本章小結(jié),LC諧振回路具有選頻作用。回路諧振時(shí)，回路阻抗為電阻且為最大，可獲最大電壓輸出；當(dāng)回路失諧時(shí)，回路阻抗迅速下降，輸出電壓減小?；芈返钠焚|(zhì)因數(shù)越高，回路諧振曲線越尖銳，選擇性越好，但通頻帶越窄。LC并聯(lián)諧振回路在諧振時(shí)，相移為零；失諧時(shí)，當(dāng)時(shí)，回路呈感性，相移為正值，最大趨于90；當(dāng)時(shí)，回路呈容性，相移為負(fù)值，最大趨于90。,本章小結(jié),信號(hào)源、負(fù)載不僅會(huì)使回路的有載品質(zhì)因數(shù)下降，選擇性變壞，而且還會(huì)使回路諧振頻率產(chǎn)生偏移。為了減小信號(hào)源和負(fù)載對(duì)回路的影響，常采用變壓器、電感分壓器和電容分壓器的阻抗變換電路。小信號(hào)諧振放大器是一種窄帶放大器，由放大器和諧振負(fù)載組成，具有選頻或?yàn)V波功能。按諧振負(fù)載的不同，可分為單調(diào)諧放大器、雙調(diào)諧放大器等。,本章小結(jié),小信號(hào)諧振放大器主要技術(shù)指標(biāo)有諧振增益、選擇性和通頻帶。通頻帶和選擇性是互相制約的，用以綜合說(shuō)明通頻帶和選擇性的參數(shù)是矩形系數(shù)，矩形系數(shù)越接近于1越好。單調(diào)諧放大器的性能與諧振回路的特性有密切關(guān)系。回路的品質(zhì)因數(shù)越高，放大器的諧振增益就越大，選擇性越好但通頻帶會(huì)