高頻電子線路之諧振回路

1、高頻電子線路之諧振回路第1頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五 2.2 小信號諧振放大器一、概述1.放大器的分類：2.定義：將具有諧振性質(zhì)的負載接到集成寬帶放大器或晶體管等放大器件輸出端而構(gòu)成的放大器稱為小信號諧振放大器。特點：具有選頻和放大特性。按信號大小分按級數(shù)分按放大與選頻功能的布局分小信號諧振放大器（線性）大信號諧振放大器（非線性）單級單調(diào)諧多級單調(diào)諧分散選頻集中選頻第2頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五3.高頻小信號放大器的特點：頻率高：幾百kHz幾百MHz；帶寬 為幾kHz幾十MHz。小信號：工作在線性段（甲類）如TV的高頻頭、中放 。4.

2、性能指標：諧振增益：指放大器在諧振頻率上的電壓增益，表示對有用信號的放大能力。(20lgAv 電壓增益；10lgAp功率增益) 通頻帶：放大器的增益比諧振增益下降3分貝時的上下限頻率之差值。BW0.7稱為0.7通頻帶或3分貝通頻帶。第3頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五選擇性：指通頻帶以外的某一特定頻率上的增益與諧振增益的比值。表示對通頻帶以外的干擾信號的抑制能力。矩形系數(shù)：當放大器的幅頻特性為理想矩形時，可解決通頻帶與選擇性的相互矛盾。所以按理想情況，諧振曲線應(yīng)為一矩形。為了表示實際曲線接近理想曲線的程度，引入“矩形系數(shù)”，它表示對鄰道干擾的抑制能力。 第4頁，共35頁

3、，2022年，5月20日，1點17分，星期五（b）(a)集成寬帶放大器集 中濾波器集中選頻電路 集中選頻放大器把放大和選頻兩種功能分開處理。在集中選頻放大器里, 先采用矩形系數(shù)較好的集中濾波器進行選頻, 然后利用單級或多級集成寬帶放大電路進行信號放大。前者以集中預(yù)選頻代替了逐級選頻, 減小了調(diào)試的難度, 后者可充分發(fā)揮線性集成電路的優(yōu)勢。 分散選頻電路器 件諧 振回 路器 件諧 振回 路第5頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五二、集中選頻小信號諧振放大器引言組成：非諧振寬帶放大高頻選擇性濾波非諧振寬帶放大：大增益，寬頻帶直接耦合、RC耦合、變壓器耦合濾波器：LC帶通、陶瓷、

4、石英、聲表面波濾波器集中濾波器1.石英晶體濾波器 石英是礦物質(zhì)硅石中的一種（也可人工制造），化學成分是SiO2，其形狀為結(jié)晶的六角錐體。圖(a)表示自然結(jié)晶體，圖(b)表示晶體的橫截面。第6頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五 為了便于研究，人們根據(jù)石英晶體的物理特性，在石英晶體內(nèi)畫出三種幾何對稱軸，連接兩個角錐頂點的一根軸ZZ，稱為光軸，在圖(b)中沿對角線的三條XX軸，稱為電軸，與電軸相垂直的三條YY軸，稱為機械軸。石英晶體具有正、反兩種壓電效應(yīng)。所謂壓電效應(yīng)，就是當石英晶體沿某一電軸受到交變電場作用時，就能沿機械軸產(chǎn)生機械振動，反過來，當機械軸受力時，就能在電軸方向產(chǎn)

5、生電場。所以說石英晶體實際上是一個能把機械能轉(zhuǎn)換為電場能，又能把電場能轉(zhuǎn)換為機械能的可逆換能器，且換能性能具有諧振特性，在諧振頻率，換能效率最高。 石英晶體和其他彈性體一樣，具有慣性和彈性，因而存在著固有振動頻率，當晶體片的固有頻率與外加電源頻率相等時，晶體片就產(chǎn)生諧振。第7頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五1. 符號及等效電路 當晶體振動時，慣性能和彈性能相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)這一物理事實，由機電類可以將晶體等效為一個串聯(lián)諧振電路，可用集中參數(shù)Lq、Cq、rq來模擬，Lq為晶體的質(zhì)量（慣性），Cq 為等效彈性模數(shù)，rq 為機械振動中的摩擦損耗。電容C0稱為石英諧振器的靜電容。其

6、容量主要決定于石英片尺寸和電極面積。 2. 石英諧振器的等效電抗：（阻抗特性） 石英晶體有兩個諧振角頻率。一個是左邊支路的串聯(lián)諧振角頻率q，即石英片本身的自然角頻率。另一個為石英諧振器的并聯(lián)諧振角頻率p。串聯(lián)諧振頻率 并聯(lián)諧振頻率 Q值較陶瓷更高， q與p差更小，而且矩形系數(shù)更好。第8頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五2.陶瓷濾波器 利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器，稱為陶瓷濾波器。它常用鋯鈦酸鋁Pb(zrTi)O3壓電陶瓷材料（簡稱PZT）制成。這種陶瓷片的兩面用銀作為電極，經(jīng)過直流高壓極化之后具有和石英晶體相類似的壓電效應(yīng)。優(yōu)點：容易燒制，可制成各種形狀；適于小

7、型化；且耐熱耐濕性好。它的等效品質(zhì)因數(shù)QL為幾百，比石英晶體低但比LC濾波高。第9頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五1. 符號及等效電路圖中C0 等效為壓電陶瓷諧振子的固定電容；Lq 為機械振動的等效質(zhì)量；Cq 為機械振動的等效彈性模數(shù)；Rq為機械振動的等效阻尼；其等效電路與石英晶體相同。 其串聯(lián)諧振頻率 并聯(lián)諧振頻率 式中，C 為C0和Cq串聯(lián)后的電容。 2. 陶瓷濾波器電路： (1) 三端陶瓷濾波器：特點：Q值達幾萬、幾十萬，選擇性好，但矩形系數(shù)不夠好。123在串聯(lián)諧振頻率時，等效阻抗最?。?0歐），在并聯(lián)諧振頻率時，等效阻抗最大。第10頁，共35頁，2022年，5月

8、20日，1點17分，星期五 (2) 四端陶瓷濾波器： 如將陶瓷濾波器連成如圖所示的形式，即為四端陶瓷濾波器。圖(a)為由二個諧振子組成的濾波器，圖(b)為由五個諧振子組成四端濾波器。諧振子數(shù)目愈多，濾波器的性能愈好。 下圖表示陶瓷濾波器圖(a)的等效電路。適當選擇串臂和并臂陶瓷濾波器的串、并聯(lián)諧振頻率，就可得到理想的濾波特性。若2L1的串聯(lián)頻率等于2L2的并聯(lián)頻率，則對要通過的頻率2L1阻抗最小，2L2阻抗最大。例若要求濾波器通過4655 kHz的頻帶，則要求fq1 = 465 kHz，fp2 = 465kHz，fp1 = (465 + 5) kHz，fq2 = (465 5) kHz。第11

9、頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五第12頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五3.聲表面波濾波器 聲表面波濾波器SAWF（Surface Acoustic Wave Filter）是一種以鈮酸鋰、石英或鋯鈦酸鋁等壓電材料為襯底（基體）的一種電聲換能元件。 1. 結(jié)構(gòu)與原理： 聲表面波濾波器是在經(jīng)過研磨拋光的極薄的壓電材料基片上，用蒸發(fā)、光刻、腐蝕等工藝制成兩組叉指狀電極，其中與信號源連接的一組稱為發(fā)送叉指換能器，與負載連接的一組稱為接收叉指換能器。當把輸入電信號加到發(fā)送換能器上時，叉指間便會產(chǎn)生交變電場，形成波紋，利用原子、分子來傳輸，中心頻率更高。 R

10、s Us RL 壓電基片 發(fā)送叉指 換 能 器 接收叉指 換 能 器 吸聲材料 第13頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五 2. 符號及等效電路： 聲表面波濾波器的符號如圖(a)所示，圖(b)為它的等效電路。 其左邊為發(fā)送換能器，is和Gs表示信號源。G中消耗的功率相當于轉(zhuǎn)換為聲能的功率。右邊為接收換能器，GL為負載電導，GL中消耗的功率相當于再轉(zhuǎn)換為電能的功率。 3. 特點： 工作頻率高，中心頻率在10MHz1GHz之間，且頻帶寬，相對帶寬為0.5%25%。 尺寸小，重量輕。動態(tài)范圍大，可達100dB。 由于利用晶體表面的彈性波傳送，不涉及電子的遷移過程，所以抗輻射能力強

11、。 溫度穩(wěn)定性好。 選擇性好，矩形系數(shù)可達1.2。 第14頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五 L的作用是提高晶體管的輸入電阻（在中心頻率附近與晶體管輸入電容組成并聯(lián)諧振電路）以提高前級（對接收機來說是混頻級）負載回路的有載QL值，這有利于提高整機的選擇性和抗干擾能力。為了保證對信號的選擇性要求, 聲表面波濾波器在接入實際電路時必須實現(xiàn)良好的匹配，然后再接到有寬帶放大特性的主中頻放大器。第15頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五集成寬放1.低噪聲集成電路（FZD1）前置中頻放大器輸入：對T1、T3共發(fā)、共基輸出：T4、T5共集，組成一個電路帶負載能力強，

12、T4可減少輸入對輸出的影響T5T4T1T3T21567111089VEE2.中頻集成電路（FZ1）原理同上第16頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五三、分散選頻小信號諧振放大器單級單調(diào)諧1.實用電路實際線路2. 分析方法等效電路法：實用電路靜態(tài)分析交流電路小信號等效電路列方程求性能指標VCC降壓耦合第17頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五第一步靜態(tài)分析：畫出直流通路：將C視為開路，將L視為短路，再求靜態(tài)工作點。第18頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五交流等效電路 第二步：交流電路3.Y參數(shù)等效電路 物理參數(shù)等效電路（物理模擬，特點

13、是物理概念清晰，容易接受） T型等效電路：主要用于分析高頻電路 混合型等效電路：主要用于分析寬頻帶電路 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等效電路（功能模擬或形式模擬t特點是分析計算簡便， 比較抽象） h參數(shù)等效電路：主要用于分析低頻電路 y參數(shù)等效電路：主要用于分析高頻調(diào)諧電路第19頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五, Yi輸入導納, Yr反向傳輸導納, Yf正向傳輸導納, Yo輸出導納Y參數(shù)等效電路第20頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五混等效電路兩種參數(shù)的關(guān)系：第21頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五再將T用Y參數(shù)等效第22頁，共35頁，2022年

14、，5月20日，1點17分，星期五所以最終得到如下結(jié)果：第23頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五最后求性能指標：1.諧振增益諧振時，第24頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五3.通頻帶：令S 2.選擇性：帶外某特定頻率點上AV與AV0之比4.矩形系數(shù)結(jié)論：單調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)遠大于1，故其鄰道選擇性差，這是單調(diào)諧回路放大器的缺點。實際放大器的設(shè)計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。注：選擇性與通頻帶是 矛盾的一對第25頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五例2.3 已知工作頻率0=30MHz, cc=6,e=2

15、 mA。晶體管采用型高頻管。其參數(shù)在上述工作條件和工作頻率處的數(shù)值如下：gL=12mS,CL=12pF；go=400S,Co=95pF；|yf|=583mS，|yr|=310S，回路電感=1.4H, 接入系數(shù)n1=1, n2=0.3, 0=100。負載是另一級相同的放大器。 求諧振電壓增益振幅u0和通頻帶07，并求回路電容是多少時, 才能使回路諧振？第26頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五多級單調(diào)諧 從對單管單調(diào)諧放大器的分析可知, 其電壓增益取決于晶體管參數(shù)、 回路與負載特性及接入系數(shù)等, 所以受到一定的限制。若單級放大器的增益不能滿足要求，就可以采用多級級聯(lián)放大器。級

16、聯(lián)后的放大器的增益、通頻帶和選擇性都將發(fā)生復(fù)雜的變化。1.增益設(shè)放大器有級, 各級電壓增益振幅分別為V1, V2, , Vn, 則總電壓增益振幅是各級電壓增益振幅的乘積, 即2.選擇性：等于各級選擇性的相乘積3.通頻帶：令Sn第27頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五例2.4 某中頻放大器的通頻帶為MHz, 現(xiàn)采用兩級 或三級相同的單調(diào)諧放大器, 兩種情況下對每一級 放大器的通頻帶要求各是多少？結(jié)論：級數(shù)增加，通頻帶越窄，但選擇性越好。第28頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五4.矩形系數(shù)級數(shù)n12345678910矩形系數(shù)Kn01 9.954.903.

17、743.403.203.103.002.932.892.852.56單調(diào)諧放大器矩形系數(shù)與級數(shù)的關(guān)系 從表中可以看出, 當級數(shù)增加時, 放大器矩形系數(shù)有所改善, 但這種改善是有一定限度的, 最小不會低于2.56。第29頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五 由上述公式可知, 級相同的單調(diào)諧放大器的總增益比單級放大器的增益提高了, 而通頻帶比單級放大器的通頻帶縮小了, 且級數(shù)越多, 頻帶越窄。 換句話說, 如多級放大器的頻帶確定以后, 級數(shù)越多, 則要求其中每一級放大器的頻帶越寬。所以, 增益和通頻帶的矛盾是一個嚴重的問題, 特別是對于要求高增益寬頻帶的放大器來說, 這個問題更

18、為突出。這一特性與低頻多級放大器相同。 為了使單調(diào)諧放大器的諧振特性更接近理想矩形，可以將多級放大器中的每一級回路按一定規(guī)律分別調(diào)諧在不同的頻率上。其中最常用的是雙參差調(diào)諧放大器。第30頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五第31頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五雙調(diào)諧回路放大器 對于單調(diào)諧回路放大器來說，存在的缺點是選擇性差，增益、通頻帶和選擇性之間的矛盾突出。但其電路簡單，易于調(diào)試。 而對于雙調(diào)諧回路放大器來說，單級雙調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)為3.16，選擇性變好了。級數(shù)n12345矩形系數(shù)Kn01 3.22.21.951.851.76特點：級數(shù)增加時，矩形系數(shù)下降，所以選擇性變好， BW下降不多。 缺點：調(diào)整較復(fù)雜。應(yīng)用：電子管電路，高質(zhì)量的晶體管電路。第32頁，共35頁，2022年，5月20日，1點17分，星期五小結(jié) (1)各種形式的選頻網(wǎng)絡(luò)在通信電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它能選出我們需要的頻率分量和濾除不需要的頻率分量。因此掌握各種選頻網(wǎng)絡(luò)的特性及分析方法是很重要的。 (2)選頻網(wǎng)絡(luò)可分為兩大類。第一類是由電感和電容元件組成的諧振回路，它又分為單調(diào)諧回路和雙調(diào)諧回路。第二類是各種濾波器，主要有LC集中濾波器