高頻電子線路之諧振回路

高頻電子線路之諧振回路第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日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二頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.高頻小信號放大器的特點：

⑴頻率高：幾百kHz～幾百MHz；帶寬為幾kHz～幾十MHz。⑵小信號：工作在線性段（甲類）如TV的高頻頭、中放。4.性能指標：⑴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)⑵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。第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日⑶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。⑷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。

第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日（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五頁，共三十五頁，2022年，8月28日二、集中選頻小信號諧振放大器㈠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、石英、聲表面波濾波器㈡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。第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日為了便于研究，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)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。第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日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。第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日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。第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日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，等效阻抗最小（<20歐），在并聯(lián)諧振頻率時，等效阻抗最大。第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日(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=465kHz，fp2=465kHz，fp1=(465+5)kHz，fq2=(465–5)kHz。第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.聲表面波濾波器聲表面波濾波器SAWF（SurfaceAcousticWaveFilter）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。

Rs

~

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

第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日

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(dǎo)，GL中消耗的功率相當于再轉(zhuǎn)換為電能的功率。

3.特點：①工作頻率高，中心頻率在10MHz–1GHz之間，且頻帶寬，相對帶寬為0.5%~25%。②尺寸小，重量輕。動態(tài)范圍大，可達100dB。③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。④溫度穩(wěn)定性好。⑤選擇性好，矩形系數(shù)可達1.2。第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日

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。第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日㈢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，T4可減少輸入對輸出的影響T5T4T1T3T21567111089VEE2.中頻集成電路（FZ1）原理同上第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日三、分散選頻小信號諧振放大器㈠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降壓耦合第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日第一步靜態(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。第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日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π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)諧電路第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日,Yi輸入導(dǎo)納,Yr反向傳輸導(dǎo)納,Yf正向傳輸導(dǎo)納,Yo輸出導(dǎo)納Y參數(shù)等效電路第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日混Π等效電路兩種參數(shù)的關(guān)系：第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日再將T用Y參數(shù)等效第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日所以最終得到如下結(jié)果：第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日最后求性能指標：1.諧振增益諧振時，第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日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二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日例2.3已知工作頻率ｆ0=30MHz,Ｖcc=6Ｖ,Ｉe=2mA。晶體管采用３ＤＧ４７型高頻管。其Ｙ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=400μS,Co=95pF；|yf|=583mS，|yr|=310μS，回路電感Ｌ=1.4μH,接入系數(shù)n1=1,n2=0.3,Ｑ0=100。負載是另一級相同的放大器。求諧振電壓增益振幅Ａu0和通頻帶ＢＷ07，并求回路電容Ｃ是多少時,才能使回路諧振？第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日㈡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ｎ級,各級電壓增益振幅分別為ＡV1,ＡV2,…,ＡVn,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第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日例2.4某中頻放大器的通頻帶為６MHz,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。第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日4.矩形系數(shù)級數(shù)n12345678910矩形系數(shù)Kn01

9.954.903.743.403.203.103.002.932.892.852.56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)ｎ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。第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日

由上述公式可知,ｎ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。第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日㈢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。

第三十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日小結(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