諧振放大器的穩(wěn)定性分析課程設計

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 放大器的輸出導納42.1.2 放大器的輸出導納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 18總結(jié)19摘要諧振放大電路，通常是指負載具有諧振特性或選頻特性的放大電路。該電路廣泛應用于通信，播送、 電視、 雷達等接收系統(tǒng)中，主要起選頻，放大作用。但是由于內(nèi)反應的存在，使得諧振放大器的穩(wěn)定性受到影響。主要表現(xiàn)在

2、放大器調(diào)試困難，甚至使放大器自激，因而必須想方法克服內(nèi)反應?？朔?nèi)反應的途徑有兩個：一個是從晶體管本身想方法，使反向傳輸導納盡量減小。另一方面是在電路上想方法，把反應導納的作用抵消或減小，也就是說，從電路上設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。在小信號諧振放大器中，失配專指信號源內(nèi)阻與晶體管輸入阻抗之間，放大器輸出端的負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外加的反應電路中和電路，使該反應電路的作用與晶體管內(nèi)部反應的作用相互抵消。通常是在輸出回路與晶

3、體管基極之間接入一個電容來實現(xiàn)中和作用，該電容亦稱中和電容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(無寄生電阻)電感或電容串聯(lián)電路上。當正弦頻率為某一值時，容抗與感抗相等，電路的阻抗為零，電路電流到達無窮大；如果正弦電壓加在電感和電容并聯(lián)電路上，當正弦電壓頻率為某一值時，電路的總導納為零,電感、電容元件上電壓為無窮大。前者稱為串聯(lián)諧振，后者稱為并聯(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)動變化快，但是和短路得區(qū)別是不會出現(xiàn)零序量。電學諧振指的是電磁學物理量的強度在一個中值上下進行波動，也是類似運動學的諧振。由電感L和電容C組成的，

4、可以在一個或假設干個頻率上發(fā)生諧振現(xiàn)象的電路，統(tǒng)稱為諧振電路。在電子和無線電工程中，經(jīng)常要從許多電信號中選取出我們所需要的電信號，而同時把我們不需要的電信號加以抑制或濾出，為此就需要有一個選擇電路，即諧振電路。諧振放大電路諧振放大電路，通常是指負載具有諧振特性或選頻特性的放大電路。該電路廣泛應用于通信，播送 電視 雷達等接收系統(tǒng)中，主要起選頻，放大作用。由于在接收機中從天線上感應到的信號非常微弱，因此放大器的輸入信號一般都比擬小，此時放大器工作在線性范圍內(nèi)，即甲類放大狀態(tài)，因而能夠用微變等效電路法來進行分析。一個理想的諧振放大電路的幅頻特性曲線如下列圖實線所示。實際諧振電路的幅頻特性曲線如圖的

5、虛線所示。幅頻特性曲線的特點是在諧振頻率上增益最大，偏離中心頻率后增益迅速下降。如果等于有用信號的頻率，就能將有用信號選擇出來并加以放大，從而有效地抑制其他頻道信號或干擾信號。但是由于反應導納的存在，使得放大器輸入端回路的電導發(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，如下列圖()所示：圖1. 反應導納對放大器諧振曲線的影響高頻小信號調(diào)諧回路目前廣泛應用于無線電播送，電視，通信，雷達等接收設備中，其作用是放大微弱的有用信號，濾除無用的干擾信號。高頻小信號調(diào)諧放大器的主要指標是電壓放大倍數(shù)，通頻帶，選擇性和矩形系數(shù)。其中電路穩(wěn)定是

6、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，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，并且在工作過程中應防止主要特征的變化超出允許范圍。除上述四個主要的性能指標外，還要求噪聲系數(shù)小。降低高頻放大電路的噪聲系數(shù)，可以提高整機靈敏度。小信號諧振放大電路通常有兩種組成方法：一種是將單級諧振放大電路級聯(lián)起來，構(gòu)成多級放大電路；另一種是用集成寬帶放大電路和具有相應選頻特性的窄帶濾波器構(gòu)成諧振放大電路，稱為集中選頻放大電

7、路。小信號諧振放大器的種類很多：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。圖為小信號單調(diào)諧共射極調(diào)諧放大器的電路原理圖。圖.2 小信號單調(diào)諧共射極調(diào)諧放大器的電路原理圖第2章 內(nèi)反應對放大器的影響放大器調(diào)試困難在分析放大器的增益，矩形系數(shù)，通頻帶等技術(shù)指標時，的影響不大，可以忽略，故暫不考慮晶體管內(nèi)部反應的影響。忽略輸出電壓通過反向傳輸導納對輸入電流的影響后，晶體管那么成為單向化器件。由于，因此放大器的輸入導納和輸出導納分別與負載和信號源有關(guān)，這給放大器的調(diào)試帶來很多麻煩。放大

8、器的輸出導納在的條件下，放大器的輸出導納等于晶體管的輸出導納。但由于晶體管的內(nèi)部反應總是存在因此。怎樣確定放大器的輸出導納呢？圖為計算器輸出導納的等效電路，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納為=+圖計算放大器輸入導納等效電路上式說明，放大器的輸出導納 包括兩局部，即晶體管的輸出導納和輸出電路通過反應導納的作用在輸出電路產(chǎn)生的等效導納。如下圖，其中 即由于反應導納的存在，負載對輸出導納將產(chǎn)生影響。圖 放大器輸出導納的等效電路 放大器的輸出導納由于反應導納的存在，輸入電路的信號源導納對放大器的輸出導納也有影響。圖畫出了計算輸出導納y0的等效電路

9、。圖 放大器輸出導納的等效電路根據(jù)戴維南電路定理，求Y0時應令信號源電流Is=0，這時有：=-=+=+解得： =上式說明，放大器的輸出導納也包括兩個局部，即晶體管的輸出導納和在輸出電路上產(chǎn)生的等效導納。如圖2-41所示，其中 即由于反應導納的存在，信號源導納對輸出導納將產(chǎn)生影響。圖 放大器的輸出等效電路終上所述，由于內(nèi)反應的影響，使放大器的輸入導納與負載有關(guān)，輸出導納與信號源導納有關(guān)。這樣，在調(diào)整輸出回路(即改變)時，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，放大器的輸出導納也隨之改變，對輸出電路的調(diào)諧和匹配又產(chǎn)生影響。因此，調(diào)整工作需要反復進行屢次。這種相互制約的現(xiàn)象嚴重時將使整

10、個放大電路的前后假設干級放大器連成一個整體，調(diào)整任何一級都將影響前后各級的工作。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 。 反應導納，其中 和分別為電導局部和電納局部 , 引起回路失諧。 是頻率的函數(shù)，在某些頻率上可能為負值，即呈負電導性，它使回路的總電導減小， 值增加，放大器的通頻帶減小，增益也因損耗的減少而增加。即負電導 供應回路能量，出現(xiàn)正反應，當 = + 那么回路總電導 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 + = 0 時放大器產(chǎn)生自激，由式中可見放大器的反應能 量抵消了回路損耗能量，且

11、電納局部也恰好抵消。因此，放大器產(chǎn)生自激的條件是()即=1()晶體管反向傳輸導納 愈大，那么反應愈強，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 來表示放器的穩(wěn)定性。根據(jù) () 式可以推導穩(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。當滿足 + = 0 時， S = 1 放大器自激 ； S < 1 時放大器更自激 ； S > 1 時放大器存在潛在不穩(wěn)定 ； 只有當 S > >1 時內(nèi)部反應較小，放大器才工作穩(wěn)定。通常工程設計中取 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 ，在工程計算中常

12、作如下近似 ： 當工作頻率 遠小于特征頻率 時， = | | 即 = 0。 反應導納即。 + = + = 0當 =1 時將以上條件代入穩(wěn)定系數(shù) S 公式 () 得()而由前述知 ()() 代入 () 得當 S = 5 時， ( ) s 是保持放大器穩(wěn)定工作所允許的電壓增益，稱為穩(wěn)定電壓增益，為保證放大器穩(wěn)定工作， 不允許超過 ( ) s 。注意： ( ) s 只考慮內(nèi)部反應，未考慮外部其他原因引起放大器工作不穩(wěn)定的反應。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)反應會會使放大器變得不穩(wěn)定，要設法消除?？朔?nèi)反應的途徑有兩個：一個是從晶

13、體管本身想方法，使反向傳輸導納盡量減??；因為主要決定于，設計晶體管時應使盡量小，由于晶體管制造工藝的進步，這個問題已得到較好的解決；另一方面是在電路上想方法，把的作用抵消或減小，也就是說，從電路上設法取消晶體管的反向作用，使它變?yōu)閱蜗蚧＞唧w的方法有中和法和失配法，下面分別進行介紹。 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外加的反應電路中和電路，使該反應電路的作用與晶體管內(nèi)部反應的作用相互抵消。通常是在輸出回路與晶體管基極之間接入一個電容來實現(xiàn)中和作用，該電容亦稱中和電容。以圖所示的單調(diào)諧放大器為例進行分析，圖3.1.2a為其交

14、流等效電路。圖中，為晶體管的集電結(jié)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)部反應，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，由于的作用，有反應電流內(nèi)反應電流流進A點晶體管輸出端；加后，由于其的作用引出另一反應電流外反應電流流出a點。如果的值選擇合理，使=,那么兩電流在a點正好相互抵消，即=-不會進入晶體管基極，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程可以看做一個電橋平衡過程。如圖b所示。和 及回路電感L1和L2正好構(gòu)成一個橋式電路，根據(jù)電橋平衡原理，假設電橋?qū)厓杀鄣淖杩钩朔e相等，那么c

15、 d兩端放大器輸出端的電壓不會對a b兩端放大器輸入端產(chǎn)生影響，即放大器的輸出信號不會反應到輸入端。根據(jù)電橋平衡條件有:L1=L2可見，在電路的a b兩點間外接一個中和電容，使之成為電橋的一個臂，并適當?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)部反應，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，中和電容接在次級。在這里需注意同名端的位置，應當使高頻信號通過變壓器后反向一次，否那么不僅不能克服晶體管的內(nèi)反應，反而會使相反的作用。中和法的主要優(yōu)點是增益高，因為它不是靠犧

16、牲增益來獲取穩(wěn)定性的。但其缺點也是突出的，主要有三點：一是中和不徹底，因為還有電導局部；二是與工作點關(guān)系大，因與工作點有關(guān)；三是與頻率有關(guān)，因為中的等效電容與頻率有關(guān),往往只在一個頻率點起到中和作用，而一些要求較高的通信設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。在小信號諧振放大器中，失配專指信號源內(nèi)阻與晶體管輸入阻抗之間，放大器輸出端的負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，如果負載導納很大，那么放大器的輸入導納為=-這樣，即使發(fā)生變化，對也根本上沒有影響，實際上可以認為輸出電路對輸入電路沒有反作用了，到達了使晶體管單向化的目的。同理，如果信號源內(nèi)導納很小，由

17、分析可知，放大器的輸出導納為 =-這樣，輸出導納與信號源導納無關(guān)，只決定于晶體管本身的參量。 失配法單向化的道理很簡單，當輸出電路嚴重失配時，輸出電壓相應減小，反應到輸出端的信號就進一步減弱，對輸出電路的影響也隨之減少。通過增大負載電導，使輸出電路嚴重失配，失配越嚴重，輸出電路對輸出回路的反應作用就越小，這樣，放大器根本上就可以看做是單向化的。常用的方法是將兩晶體管按共射-共基方式連接，形成復合管形式。其原理圖如所示。圖 共射共基級聯(lián)的復合管其中 在級聯(lián)放大器中，后一級放大器的輸入導納是前一級放大器的負載，而前一級放大器那么是后一級放大器的信號源內(nèi)導納。晶體管按共基方式連接時，輸入導納較大，這

18、就等于第一級放大管V1的負載很大因此復合管的輸入導納，放大管V1工作在失配狀態(tài)；同理，共射連接的第一級晶體管V1的輸出導納較小，對于V2來說，V1管的輸出導納就是它的信號源內(nèi)導納,其值很小，因此V2級的輸出導納就只和本身的參量有關(guān)，而不受它的輸入電路V1級的影響，這樣就大大減小了輸入輸出回路間的牽扯作用，實際應用時，就可以把它看作是單向器件了。失配法與中和法相比，失配法的突出特點是能在頻率較寬的范圍內(nèi)消弱內(nèi)部反應的影響，因此，適合于頻率可調(diào)節(jié)的高頻信號放大器。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)部來看的，實際上在制作放大電路時為了使電路穩(wěn)定，還應該考慮外部因素引起的不

19、穩(wěn)定性。在實際電路中，放大器外部的寄生反應，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防止的，由此關(guān)鍵是弄清楚耦合途徑以及如何去截斷它。電磁干擾的耦合途徑主要有以下幾種：（1） 電容性耦合：導線與導線之間，導線與器件之間，器件與器件之間均存在著分布電容。當工作頻率到達一定程度時，這些電容會起作用，信號從后級耦合到前級。（2） 電感性耦合：導線與導線之間，導線與電感之間，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)導線或電感的后級高頻電流產(chǎn)生交變磁場，可以與前級回路產(chǎn)

20、生不必要的耦合。（3） 公共電阻耦合：當前后級信號流經(jīng)同一公共導線或電阻時，后級電流會產(chǎn)生電壓，從而對前級產(chǎn)生影響。（4） 輻射耦合：當工作頻率到達一定程度時，后級的高頻信號可以通過電磁輻射的方式耦合到前級。另外，在電子設備中，接地是控制干擾的重要手段。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可解決大局部干擾問題。一般而言，當信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變化很大。此時應盡量降低地線阻抗，應采用就近多點接地。當工作頻率在110MHz時，假設采用一點接地，其地線長度不應超過波長的1/20，否那么應采用多點接地法，而且接地線很細。接地電位那么隨電流的變化而變化，抗噪聲性能變壞，應將接地線盡量加粗。參考文獻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，電子電路設計與實踐，山東科學技術(shù)出版設，2001年10月3康華光，電子技術(shù)根底，高教出版社，2003年4李銀華，電子線路設計指導，北京航空航天大學出版社，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)實驗與課程設計，北京電子工業(yè)出版社，2007年總結(jié)這一次課程設計雖然時間很短，只有短短的一星期時間。但是通過這次課程設計讓我認識到了自己在學習中還存在很多的缺乏之處。比方以前總覺得課本上很多知識自己已經(jīng)掌握了，但是直到自己需要用的時候才發(fā)現(xiàn)自己只不過是機械的記