《高頻電路分析與實(shí)踐》課件第6章

第六章高頻小信號放大電路分析基礎(chǔ)6.1概述6.2選頻器6.3放大器6.4選頻放大電路6.5高頻寬帶集成放大器 6.1概述

從第一篇的實(shí)驗(yàn)與分析中我們已經(jīng)知道，高頻小信號放大電路是構(gòu)成無線電設(shè)備的主要電路，它的作用是放大信道中的高頻小信號。這里突出一個(gè)小字，是強(qiáng)調(diào)放大這種信號的放大器工作在線性范圍內(nèi)，在第二章中討論的高放式接收機(jī)中的高放電路，第三章討論的超外差接收機(jī)中的中放電路都是由分立元件構(gòu)成的典型的高頻窄帶小信號放大電路。窄帶放大電路中，被放大信號的頻帶寬度小于或遠(yuǎn)小于其中心頻率。譬如在調(diào)幅接收機(jī)的中放電路中，帶寬為9kHz，中心頻率為465kHz，相對帶寬Δf/f0約為百分之幾。因此，高頻小信號放大電路的基本類型是選頻放大電路。選頻放大電路以選頻器作為線性放大器的負(fù)載，或作為放大器與負(fù)載之間的匹配器。電路主要由放大器與選頻器兩部分構(gòu)成。其構(gòu)成方式如圖6－1所示

圖6－1放大電路的組成

(a)多級調(diào)諧方式；(b)集中調(diào)諧方式這里的放大器，定義為由放大器件構(gòu)成的不含信號源與負(fù)載的基本線性放大電路。它與低頻電路中的放大器并沒有本質(zhì)的區(qū)別。其用于放大的有源器件可以是第一篇實(shí)驗(yàn)中廣泛接觸的半導(dǎo)體三極管，也可以是場效應(yīng)管、電子管或者是集成運(yùn)放。這里的選頻器中，用于調(diào)諧的選頻器件可以是LC諧振回路，也可以是晶體濾波器、陶瓷濾波器、LC集中濾波器、聲表面濾波器等。

不同的通信設(shè)備，對高頻小信號放大電路的要求可能不同。在分析時(shí)，主要用如下參數(shù)來衡量電路的技術(shù)指標(biāo)。

1．中心頻率

中心頻率是選頻放大電路的工作頻率，它的范圍很寬。在高頻電路中，常把幾百千赫茲視作低端工作頻率，幾百兆赫茲視作高端工作頻率。中心頻率是由通信系統(tǒng)的要求確定的，隨著技術(shù)的發(fā)展，可利用的信道頻率越來越高，例如電視的特高頻(ＵＨＦ)頻段頻率為幾百兆赫茲；雷達(dá)與衛(wèi)星通信采用超高頻(ＳＨＦ)、極高頻(ＥＨＦ)、甚高頻(ＳＥＨＦ)頻段，頻率從幾個(gè)吉兆赫茲到幾個(gè)太兆赫茲；光纖通信的工作頻率已達(dá)幾十太兆赫茲。工作頻率是設(shè)計(jì)放大電路時(shí)確定放大器件與選頻器件頻率參數(shù)的主要依據(jù)。

2．增益、噪聲系數(shù)、靈敏度

1）增益

增益是根據(jù)輸出信號必須達(dá)到的幅度及輸入信號的大小確定的技術(shù)指標(biāo)，通常用中心頻率處的電壓放大倍數(shù)的dB數(shù)來表示。用于各種通用接收機(jī)的中放電路的電壓增益一般為80～100dB，相當(dāng)于電壓放大倍數(shù)為10000～100000倍。

2）噪聲系數(shù)

放大電路在工作時(shí)，由于種種原因產(chǎn)生的載流子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，將會(huì)在電路內(nèi)部形成噪聲。電路在放大信號的同時(shí)也放大了噪聲，它使信號的質(zhì)量受到影響。噪聲對信號的影響程度通常用信號功率Ps與噪聲功率Pn之比（即信噪比）來說明。信噪比越大，信號所受噪聲干擾程度越小，信號質(zhì)量越好。

衡量放大電路的噪聲對信號質(zhì)量的影響程度通常用輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比的比值來表征，該比值定義為噪聲系數(shù)。如果噪聲系數(shù)等于１，說明放大電路對信號質(zhì)量沒有影響，這是理想情況，但通常噪聲系數(shù)都大于１。

3）靈敏度

隨著增益增加，噪聲系數(shù)增加，輸出信號的信噪比減少，信號質(zhì)量變差。當(dāng)信噪比小于一定值時(shí)，再增加增益已失去意義。為此，在通信設(shè)備中，常用保證輸出信號質(zhì)量即保證輸出信號信噪比時(shí)的增益來衡量整機(jī)的增益，用靈敏度指標(biāo)來衡量。表示靈敏度的方法有多種，在保證輸出信號信噪比及額定功率輸出的情況下可以用輸入信號的電壓值表示，也可以用接收天線處的信號場強(qiáng)來表示，還可以確定某一電平值為0dB，用輸入電平的dB數(shù)來表示。譬如，某調(diào)頻接收機(jī)信噪比6dB時(shí)的靈敏度指標(biāo)不大于20dBμV。其意義為：以1μV為0dB，在保證輸出信噪比為6dB并達(dá)到額定輸出時(shí)，加在等效天線上的輸入電壓應(yīng)小于10μV。

靈敏度既與放大電路的增益有關(guān)，也與電路的噪聲系數(shù)有關(guān)。它是設(shè)計(jì)放大電路時(shí)確定放大器件及電路結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。

3．通頻帶與選擇性

選頻放大電路的增益與頻率響應(yīng)特性必須與信號帶寬相適應(yīng)，頻響曲線上，電壓增益下降3dB時(shí)對應(yīng)的頻帶寬度稱為放大電路的通頻帶。選擇性是指對通頻帶以外干擾信號的衰減能力。在通信設(shè)備中，一般用信道中心頻率對干擾頻率的電壓抑制比來表述選擇性的好壞，用dB數(shù)表示。譬如中波廣播，其相鄰信道的頻率間隔為9kHz，測量選擇性時(shí)，以1MHz作為中心頻率，偏調(diào)9kHz即1009kHz與991kHz作為干擾頻率。測量中，先將接收機(jī)調(diào)諧在1MHz，使接收機(jī)達(dá)到某一額定輸出值，并讀出輸入信號的電平值；在保證接收機(jī)狀態(tài)不變的情況下，將輸入信號的頻率偏調(diào)±9kHz，改變輸入電平的大小，使輸出達(dá)到額定值，輸入電平增加的dB數(shù)，即為整機(jī)的選擇性。民用中波(ＭＷ)波段接收機(jī)的通頻帶為9kHz，選擇性一般大于20dB，高檔接收機(jī)的選擇性在40dB以上。通頻帶與選擇性是設(shè)計(jì)選頻放大電路時(shí)確定選頻器件的主要依據(jù)。

為使電路根據(jù)需要在不同工作頻率下達(dá)到一定的增益、選擇性與通頻帶，高放電路所采用的放大器、選頻器，以及放大器與選頻器和負(fù)載的連接方式可以是多種多樣的，由此組成了高頻小信號放大的不同電路。本章先從單一的選頻器與放大器入手，在熟悉了各自的基本特性以后，接著分析由兩者結(jié)合起來的各種放大電路的工作原理與性能指標(biāo)。

6.2選頻器

選頻器是構(gòu)成高頻放大電路的一個(gè)要素。其作用是滿足電路對通頻帶與選擇性的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)放大器與負(fù)載之間的阻抗匹配。對選頻器本身而言，按其功能可分為低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器、帶阻濾波器等；按其工作原理可分為諧振式濾波器與固體濾波器。

各種LC回路是應(yīng)用最廣的諧振式選頻器件，在高頻電路中主要用于選擇信號、阻抗變換或同時(shí)作為負(fù)載，在調(diào)諧放大電路中得到廣泛的應(yīng)用。它還可作為匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)有源網(wǎng)絡(luò)與各種無源網(wǎng)絡(luò)之間的匹配。直接檢波接收機(jī)檢波前由可變電容與磁棒天線組成的的輸入回路、超外差式接收機(jī)的中周是我們已經(jīng)十分熟悉的LC選頻網(wǎng)絡(luò)。陶瓷濾波器、聲表面濾波器、晶體濾波器等是近幾十年來利用固體濾波技術(shù)發(fā)展起來的新器件，常被用作集中濾波器。在選頻放大電路集成化及改善電路特性方面起著重要的作用，目前已在各類通信設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。圖6－2并聯(lián)諧振回路(a)實(shí)際電路；(b)等效電路(6.1)式中(6.2)為回路的空載Q值，為諧振頻率。所以(6.3)圖6－3

LC回路的單位諧振曲線

2．回路的選擇性

從圖6－3中可以看出回路對偏離諧振頻率的信號有抑制作用，這正反映了回路的選頻特性。顯然，曲線越尖銳，即回路的Q值越高，回路的選擇性越好?；芈返倪x擇性決定了采用該回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的高頻放大電路的選擇性。

3．回路的通頻帶

接收機(jī)放大的高頻信號不是一個(gè)單一的頻率，而是包含了一定帶寬的頻譜。如果選頻回路的曲線太尖銳，它將不能保證頻帶內(nèi)所有的信號均勻通過回路。為了衡量回路對不同頻率信號的通過能力，定義單位諧振曲線上 所包圍的頻率范圍為回路的通頻帶。圖6－3中，Q2對應(yīng)曲線的通頻帶為令式（6.3）等于，注意到式中2Δf=BW0.7，可得(6.4)

4．理想諧振曲線與矩形系數(shù)

回路的選擇性是指回路對干擾信號的抑制能力，在有用信號之外(通頻帶之外)，希望諧振曲線越陡越好；回路的通頻帶是由回路選頻特性決定的，能反映信號均勻通過的一個(gè)技術(shù)參數(shù)。在實(shí)際電路中，它應(yīng)與回路所傳輸?shù)男盘栍行ьl譜寬度相適應(yīng)，在有效頻譜寬度內(nèi)越平坦越好。理想情況下，回路的幅頻特性應(yīng)該是單位諧振曲線在信號通帶內(nèi)完全平坦，其值為1；在信號通帶外完全衰減，其值為零。其形狀如圖6－3所示，為一寬度等于信號頻譜的寬度，高度為1的矩形。為了表示電路的實(shí)際幅頻特性曲線接近理想幅頻特性曲線的程度，可以簡單地用矩形系數(shù)來衡量。矩形系數(shù)定義為單位諧振曲線N(f)的值下降到0.1時(shí)的帶寬與通頻帶的比值(6.5)理想情況下，K0.1=1，而實(shí)際電路中，K0.1總是大于１，顯然，其值越小越好。對前面討論的并聯(lián)諧振回路來說，令N(f)=0.1即可求出BW0.1，繼而求得矩形系數(shù)K0.1≈9.95為一定值。由此看出，一個(gè)單獨(dú)的LC諧振回路，其矩形系數(shù)與回路Q值及諧振頻率無關(guān)，幅頻特性與理想情況相距甚遠(yuǎn)。6.2.2

LC回路的阻抗變換

在第一篇涉及到的選頻放大電路中，插入在放大器與負(fù)載之間的選頻器，是通過中間抽頭與放大器相接，通過耦合線圈與負(fù)載相接。其實(shí)際電路與交流等效電路如圖6－4(a)與(b)所示。

如果將負(fù)載與放大器直接與LC并聯(lián)，其等效電路如圖6－4(c)所示。直接與LC回路并聯(lián)同通過抽頭與LC回路并聯(lián)兩者的區(qū)別在于：

(1)(c)圖（直接并聯(lián)）的回路有載Q值由于并聯(lián)后減小，使回路有載Q值降低，回路的選擇性變差。相應(yīng)的，回路的通頻帶：變寬。

而對于(b)圖（通過抽頭并聯(lián)），將負(fù)載RL等效到回路兩端變成R’L，將信號源內(nèi)阻Rs等效到回路兩端變成R’s

。下面以負(fù)載電阻等效為例來討論，所謂等效即功率不變，

因此變壓器電壓比等于匝數(shù)比，即所以(2)同樣的道理由于抽頭的作用，放大器的輸入電容、輸出電容和負(fù)載電容對LC回路的影響，(b)圖小于(c)圖。

(3)選擇合適的抽頭位置，即選擇不同的插入系數(shù)n（匝數(shù)比），使(b)圖比(c))圖更容易實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

因此在選頻放大電路中，LC回路的作用不僅僅是選擇頻率。它往往還通過某些方式來實(shí)現(xiàn)放大器與負(fù)載的阻抗匹配即進(jìn)行阻抗變換，同時(shí)還可以減少外界對LC回路的影響，提高放大電路的性能。最常見的阻抗變換電路有自耦變壓器和互感變壓器變換電路、電容分壓和電感分壓變換電路。

電路形式見表6-1中的插圖。為了今后分析問題方便，我們將這四種變換電路的負(fù)載RL與LC回路的諧振阻抗Reo都等效代換到放大器的輸出端。經(jīng)這樣等效后的電路形式如圖6-4(d)所示。由于是等效到放大器輸出端，等效后不變。諧振阻抗Reo等效后用表示，負(fù)載阻抗RL用表示。表6-1列出了與Reo、R”L與RL的等效關(guān)系，這些關(guān)系讀者完全可以自己證明。在以后的學(xué)習(xí)中，我們可以直接套用這些結(jié)果。圖6－4

LC回路的阻抗變換

(a)實(shí)際電路；(b)交流等效電路；

(c)LC回路與放大器及負(fù)載直接并聯(lián)圖6－5例6.1圖6.2.3固體濾波器的選頻特性

人們將諧振頻率無需調(diào)整的石英晶體濾波器、陶瓷濾波器、聲表面濾波器稱為固體濾波器。

石英晶體瓷濾波器，是利用石英晶體材料在機(jī)電轉(zhuǎn)換過程中的濾波特性制作的選頻器件。將晶體切割成一定厚度的片狀晶體，如果在外應(yīng)力作用下發(fā)生形變，會(huì)在晶片兩面產(chǎn)生與應(yīng)力成正比的電壓，稱為正壓電效應(yīng)；如果在晶片兩面加上電壓，則材料兩面會(huì)發(fā)生與外加電壓成正比的形變，稱為負(fù)壓電效應(yīng)。如果形變是周期的，則產(chǎn)生的電壓也是周期的，反之亦然。當(dāng)晶片的幾何尺寸確定以后，晶片有一個(gè)彈性振動(dòng)的固有周期，如果所加的電信號的周期與材料的固有周期一致，就會(huì)出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。它既表現(xiàn)為晶片的機(jī)械共振，又在電路上表現(xiàn)為電諧振。在此頻率下，晶體產(chǎn)生機(jī)械能與電能間最大效能的轉(zhuǎn)換，外電路中則有最大的電流出現(xiàn)。圖6－6石英晶體濾波器的幅頻特性某些陶瓷材料經(jīng)高壓直流電場極化后，可以得到類似于石英晶體中的壓電效應(yīng)，稱為壓電陶瓷。據(jù)此可以制成陶瓷濾波器。簡單的陶瓷濾波器是在單片壓電陶瓷上形成兩個(gè)電極，它們只有一個(gè)端口，相當(dāng)于單振蕩回路；有的陶瓷濾波器在單片壓電陶瓷上形成三個(gè)電極，因而有兩個(gè)端口，相當(dāng)于耦合回路。性能較好的陶瓷濾波器通常將多個(gè)陶瓷諧振器接成梯形網(wǎng)絡(luò)，形成雙端口的帶通(或帶阻)濾波器。兩端陶瓷濾波器的幅頻特性與晶體濾波器的幅頻特性相似，但曲線形狀沒有晶體濾波器尖銳。三端陶瓷濾波器的幅頻特性曲線如圖6－7所示，其形狀與LC雙調(diào)諧回路十分相似。圖6－7三端陶瓷濾波器的幅頻特性聲表面濾波器同樣利用了材料的壓電效應(yīng)，其原理如圖6－8所示。圖中，在壓電材料基片上，左右各制作有一對叉指電極，每對叉指電極的兩個(gè)極片相距為d，當(dāng)在左端的發(fā)送電極上加上交變電信號后，會(huì)在材料表面激起兩個(gè)頻率相同、相位相反延表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械波。在材料另一端的接收電極又將合成后的機(jī)械波轉(zhuǎn)換為與輸入信號相同的電信號輸出，如果輸入信號產(chǎn)生的機(jī)械波波長的1／2恰好等于間距d，則兩列波的相位差恰為2π。根據(jù)波的干涉原理，激起的兩機(jī)械波在輸出端同相相加，振幅最大，產(chǎn)生的對應(yīng)頻率的電信號也就最強(qiáng)。由此通過對機(jī)械波波長的選擇作用產(chǎn)生對輸入信號頻率的選擇作用。圖6－8聲表面濾波器改變叉指電極的寬窄、數(shù)量及間距，可以得到不同的頻率特性。叉指為等間距的聲表面濾波器稱為梳狀濾波器，其幅頻特性如圖6－9(a)所示。圖6－9(b)為用于通信接收機(jī)中的寬帶聲表面濾波器的幅頻特性，其帶寬接近5MHz，相對帶寬達(dá)到20%。圖6－9聲表面濾波器的幅頻特性

(a)等間距聲表面濾波器的幅頻特性;

(b)寬帶聲表面濾波器的幅頻特性 6.3放大器

由晶體管、場效應(yīng)管、電子管、集成運(yùn)放等各種有源放大器件組成的線性放大器是組成高頻信號放大電路的另一個(gè)要素。電路要獲得增益，就必須要設(shè)置放大器。

建立適合分析高頻小信號放大器的物理與數(shù)學(xué)模型，再在該模型的基礎(chǔ)上加上信號源、選頻網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載，組成各種放大電路。通過對放大器的一般模型與各種選頻器組成的放大電路的討論，可以得到分析由各類放大器件組成的高頻小信號放大電路的一般方法。本節(jié)的主要目的是建立高頻放大器的一般模型。6.3.1雙口網(wǎng)絡(luò)的Y參數(shù)方程組

任何如圖6－10（a）所示的放大器都可以看成如圖（b）所示的四端網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，從端口1流入的電流應(yīng)等于從端口1′流出的電流，同理，從端口2流入的電流應(yīng)等于從端口2′流出的電流。這種四端網(wǎng)絡(luò)又可稱為雙口網(wǎng)絡(luò)。圖6－10任意放大器與四端網(wǎng)絡(luò)

(a)任意放大器；(b)四端網(wǎng)絡(luò)對于雙口網(wǎng)絡(luò)，在其左右兩個(gè)端口各有一個(gè)電流變量與一個(gè)電壓變量，共有四個(gè)端口變量。由于選頻放大電路一般都通過并聯(lián)諧振回路與負(fù)載相接，為方便起見，多用導(dǎo)納來分析。我們定義電壓為自變量，電流為因變量，用導(dǎo)納作為參數(shù)寫出輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系。由此得到雙口網(wǎng)絡(luò)的Y參數(shù)方程如下：（6.6）（6.7）圖6－11雙口網(wǎng)絡(luò)的等效電路6.3.2

Y參數(shù)的物理意義

在方程（6.6）與（6.7）中分別令U1=0或U2=0可以得到..（6.8）（6.9）（6.10）（6.11）

顯然，四個(gè)Y參數(shù)都有導(dǎo)納的量綱，其中Y11定義為放大器輸出短路時(shí)的輸入導(dǎo)納，它反映了放大器輸入電壓對輸入電流的控制作用，其倒數(shù)就是放大器的輸入阻抗。對雙極性晶體管共射放大器來說，基極對應(yīng)輸入口的“+”，集電極對應(yīng)輸出口的“+”，發(fā)射極對應(yīng)將輸入與輸出口的“-”連接起來的公共端。Y11可寫成Yie，第一個(gè)下標(biāo)i表示輸入，第二個(gè)下標(biāo)e表示共射。其中：gie與Cie分別表示晶體管的輸入電導(dǎo)與輸入電容。（6.12）

Y12定義為放大器輸入端短路時(shí)的反向傳輸導(dǎo)納，它反映了放大器輸出電壓對輸入電流的影響，即放大器內(nèi)部的反向傳輸作用或稱為放大器內(nèi)部反饋?zhàn)饔?。Y12越大，內(nèi)部反饋越強(qiáng)。Y12的存在，給放大器的工作帶來很大危害，是選頻放大器自激的根源。因此應(yīng)盡可能使其減少，以削弱其影響。對雙極性晶體管共射放大器來說，Y12可寫成Yre，下標(biāo)r表示反向。Yre可寫成極坐標(biāo)形式（6.13）影響Yre的主要物理量是晶體管的集電結(jié)電容。

Y21定義為放大器輸出端短路時(shí)的正向傳輸導(dǎo)納。它反映了放大器輸入電壓對輸出電流的控制作用，或者說電路的放大作用。Y21越大，放大能力越強(qiáng)。對雙極性晶體管共射放大器來說，Y21可寫成Yfe，下標(biāo)f表示正向。Yfe通常也寫成極坐標(biāo)形式（6.14）Y22定義為放大器輸入端短路時(shí)的輸出導(dǎo)納，它反映了放大器輸出電壓對輸出電流的影響，其倒數(shù)就是放大器的輸出阻抗。對雙極性晶體管共射放大器來說，Y22可寫成Yoe，下標(biāo)o表示輸出。（6.15）其中：goe與Coe分別表示晶體管的輸出電導(dǎo)與輸出電容。

根據(jù)Y參數(shù)的定義，可以實(shí)際測量放大器的Y參數(shù)。晶體管手冊一般都給出了高頻三極管在一定條件下的Y參數(shù)。因此，Y參數(shù)是放大器中實(shí)實(shí)在在的物理量。它反映了電路的物理特性。但要注意，Y參數(shù)是頻率的函數(shù)，它與放大器的工作條件與工作頻率有關(guān)。6.3.3分析放大電路的一般方法

圖6－12是考慮了放大器的輸入端與信號源相連，輸出端與負(fù)載相連組成的的放大電路的Y參數(shù)等效電路。圖6－12放大電路的Y參數(shù)等效電路這個(gè)電路包含的放大器、信號源與負(fù)載是任意的，因此它具有普遍的意義。由于放大器采用雙端網(wǎng)絡(luò)電路等效，放大電路完全可以看做是一個(gè)包含有兩個(gè)受控電流源的線性電路，可以用我們熟悉的線性電路來進(jìn)行分析。由此可以導(dǎo)出電路的放大倍數(shù)、輸入導(dǎo)納、輸出導(dǎo)納等基本參數(shù)。這是分析各種高頻放大電路的一般方法。由此，放大電路的電壓放大倍數(shù)為顯然，電壓放大倍數(shù)與正向傳輸導(dǎo)納成正比，輸出導(dǎo)納Y22越小，負(fù)載導(dǎo)納YL越小，電壓放大倍數(shù)越大。當(dāng)輸出為選頻回路且發(fā)生諧振時(shí)的電納為零，電壓放大倍數(shù)的振幅值為（6.16）式中，U20為諧振時(shí)的輸出電壓幅值，U1為輸入電壓幅值，g22與gL′與分別為放大器的輸出電導(dǎo)與接入電路且等效到放大器兩端的負(fù)載電導(dǎo)。

2．輸入導(dǎo)納

輸入導(dǎo)納是衡量放大電路輸入特性的一個(gè)重要指標(biāo)，其倒數(shù)即為電路的輸入阻抗。當(dāng)放大器接入負(fù)載時(shí)，輸入電流與輸入電壓之比即為放大電路的輸入導(dǎo)納。（6.17）

可以看出，放大電路的輸入導(dǎo)納由兩項(xiàng)決定：第一項(xiàng)為放大器的輸入導(dǎo)納；第二項(xiàng)為放大器反向傳輸導(dǎo)納引入的輸入導(dǎo)納。輸入導(dǎo)納不僅與放大器的Y參數(shù)有關(guān)，還與放大器所接的負(fù)載導(dǎo)納YL′有關(guān)。由于反向?qū)Ъ{的存在，它使輸入導(dǎo)納受負(fù)載導(dǎo)納影響。這是放大電路不穩(wěn)定的重要原因。由圖6-12的輸出端可以得到從上兩式中消去U1可以得到（6.18）輸出導(dǎo)納也由兩項(xiàng)組成：第一項(xiàng)為放大器的輸出導(dǎo)納，第二項(xiàng)為放大器正向傳輸導(dǎo)納引入的輸出導(dǎo)納。輸出導(dǎo)納的大小不僅與放大器的Y參數(shù)有關(guān)，還與放大器所接的信號源的內(nèi)部導(dǎo)納YS有關(guān)。

6.4選頻放大電路

如前所述，線性放大器加選頻器就構(gòu)成了選頻放大電路。選頻放大電路的工作頻率一般在幾十千赫茲到幾百兆赫茲，信號幅度在１μV至1000mV左右的范圍內(nèi)。放大電路必須在增益、頻率的選擇性、通頻帶、工作的穩(wěn)定性幾個(gè)方面滿足設(shè)計(jì)要求。第一篇介紹的超外差調(diào)幅接收機(jī)中的中放電路，采用的是兩級單調(diào)諧放大電路。近幾年在廣播通信領(lǐng)域出現(xiàn)的接收系統(tǒng)則多采用由陶瓷濾波器、聲表面濾波器作為選頻器，寬帶集成運(yùn)放作為放大器的集中調(diào)諧放大電路。本節(jié)從單調(diào)諧放大電路入手，依次討論參差調(diào)諧放大電路、雙調(diào)諧放大電路、集中選頻放大電路，從而對高頻小信號放大電路有一個(gè)全面的認(rèn)識。

6.4.1單調(diào)諧放大電路

一、單級單調(diào)諧放大電路

單級單調(diào)諧放大電路是分析LC選頻放大電路的基礎(chǔ)。用一個(gè)自耦變壓器阻抗變換電路構(gòu)成的LC回路代替圖6－12中的YL，抽頭處所接負(fù)載用YL’表示，YL’上的輸出電壓用U2’表示，這樣可以得到圖6－13所示的單級單調(diào)諧放大電路的等效電路。圖中，n1、n2為插入系數(shù)。由此不難求出電路的電壓放大倍數(shù)，并分析出電路的頻率特性。圖6－13單級單調(diào)諧放大電路

1．諧振頻率處放大電路的電壓放大倍數(shù)

圖6－13所示放大電路的電壓放大倍數(shù)的幅值為根據(jù)式（6.16）得（6.19）式中，gL′應(yīng)包含兩項(xiàng)，一項(xiàng)為等效到放大器輸出端的負(fù)載電導(dǎo)；另一項(xiàng)為等效到放大器輸出端的LC回路諧振電導(dǎo)。代入式(6.19)得（6.20）

2)放大電路的頻率特性

對于選頻放大電路來說，其頻率特性是十分重要的，在任意頻率下，電路的放大倍數(shù)幅值為式中，Uo/U20為任意頻率下的輸出電壓與諧振時(shí)的輸出電壓幅值之比，其比值即為變換電路的單位諧振函數(shù)N(f)。因此（6.21）N(f)完全由變換電路的頻率特性所決定。在單級單調(diào)諧放大電路中，N(f)就是并聯(lián)諧振回路的單位諧振函數(shù)。它決定了單調(diào)諧放大電路的頻率特性。在選頻放大電路中，式（6.21）有著普遍的意義。它將選頻放大電路中的放大器與選頻器的結(jié)合完全體現(xiàn)出來，A0表征放大器的放大能力，N(f)表征選頻器的選頻特性。假如電路中有多個(gè)選頻電路，多級放大，其電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式并不改變，只是N(f)與A0由各選頻回路與放大器的特性共同決定。先求諧振時(shí)的電壓放大倍數(shù)，根據(jù)（6.20）式，本題中，代入式（6.20）得：

再求通頻帶，根據(jù)（6.4）式，從表6-1中查得則上式中由此解得圖6－14例6.2圖

（a）電路形式；（b）交流等效電路；（c）Y參數(shù)等效電路

二、多級單調(diào)諧放大電路

為使電路的電壓放大倍數(shù)與頻率特性滿足實(shí)際應(yīng)用中的需要，常采用多級級聯(lián)放大電路。如果每級的諧振頻率相同，都等于信號的中心頻率，稱為多級單調(diào)諧放大電路。在第一篇第三章討論的超外差式接收機(jī)中，如果將所有的中周都調(diào)諧在465kHz的頻率上，VＴ1與VＴ2就組成了典型的雙級單調(diào)諧放大電路。

1)電路的電壓放大倍數(shù)

假設(shè)有n級電路，每級電路的電壓放大倍數(shù)分別為A1，A2，A3，…，An，根據(jù)式（6.21）并考慮到每級放大電路的單位諧振函數(shù)N(f)完全一致，則放大電路的電壓放大倍數(shù)為（6.22）諧振時(shí)（6.23）2)．電路的單位諧振函數(shù)

從（6.22）中，得到多級單調(diào)諧放大電路的單位諧振函數(shù)為（6.24）（6.25）

令N(f)=0.1，根據(jù)矩形系數(shù)的定義，可以寫出多級單調(diào)諧放大電路的矩形系數(shù)的表達(dá)式為（6.26）顯然，隨著n的增加，矩形系數(shù)有所改善。根據(jù)式（6.25）與（6.26）可以列出通頻帶縮減系數(shù)及矩形系數(shù)與級數(shù)n的關(guān)系，如表6.3所示。從表6－3可以看出，多級單調(diào)諧放大電路的電壓放大倍數(shù)隨著n的增加明顯增加，矩形系數(shù)也有所改善，選擇性提高，但通頻帶變窄。如果放大電路的通頻帶已經(jīng)確定，必須增加每一級放大電路的通頻帶。所以，放大倍數(shù)與通頻帶的矛盾，在多級單調(diào)諧放大電路中是一個(gè)嚴(yán)重的問題。譬如在電視接收機(jī)中，38MHz中頻、8MHz的帶寬、80dB左右的中放增益，是典型的高增益、寬頻帶的放大電路，在這類電路中，上述矛盾更為突出，僅用多級單調(diào)諧放大電路是無法實(shí)現(xiàn)的。6.4.2參差調(diào)諧放大電路

為了克服多級單調(diào)諧放大電路隨著級數(shù)增加通頻帶越來越窄的缺陷，可以采用參差調(diào)諧的方式，即將級聯(lián)的單調(diào)諧放大電路每一級的諧振頻率參差錯(cuò)開，分別調(diào)整到約高于和約低于中心頻率上。這種電路稱為參差調(diào)諧放大電路。常用的有雙參差調(diào)諧與三參差調(diào)諧。如果將第三章介紹的超外差調(diào)幅接收機(jī)三個(gè)中周依次調(diào)諧在465kHz、462kHz、468kHz，就組成了典型的三參差調(diào)諧放大電路。圖6－15(a)為雙參差調(diào)諧放大電路的交流等效電路。圖中，放大器A1、A2與各自的選頻器LC回路組成兩級調(diào)諧放大電路。第一級的諧振頻率為f01，第二級的諧振頻率為f02。圖6－15(b)中的細(xì)線為單級電路的諧振曲線。當(dāng)兩個(gè)LC回路的諧振頻率與中心頻率f0的偏調(diào)值Δfd恰為時(shí)，合成后電路的總曲線如圖中粗線所示。偏調(diào)值不同，合成后總曲線的形狀也不同。圖6－15雙參差調(diào)諧放大電路

（a）交流等效電路；（b）臨界偏調(diào)諧振曲線下面以臨界調(diào)諧的雙參差電路為例，與兩級單調(diào)諧放大電路作一個(gè)比較。

設(shè)雙參差電路的中心頻率為f0，Δfd為頻率的偏調(diào)值（當(dāng)Δfd=0.5BW0.7時(shí)稱為臨界偏調(diào)）。為此，第一、二級的諧振頻率分別為（6.27）（6.28）又設(shè)在各自諧振頻率下電路的放大倍數(shù)分別為A01與A02。根據(jù)多級放大電路放大倍數(shù)相乘的特點(diǎn)，電路的電壓放大倍數(shù)可以表示為式中這里假定f0i與f0相差不大，故f0i≈f0。根據(jù)式(6.27)得注意到2Δf/f0=ε為回路的相對失諧，并定義δ=2QeΔfd/f0為回路的偏調(diào)系數(shù)，則(6.29)同理可以寫出(6.30)所以(6.31)臨界偏調(diào)時(shí)所以為此在中心頻率處ε=0，則(6.32)根據(jù)單位諧振函數(shù)的定義，可以寫出兩級臨界參差調(diào)諧放大電路的單位諧振函數(shù)（6.33）令式（6.33）等于0.1，可求出BW0.1，由此得到電路的矩形系數(shù)為6.4.3雙調(diào)諧放大電路

為了改善單調(diào)諧電路的頻率特性，還可以采用雙調(diào)諧放大電路。其電路如圖6－16所示。

雙調(diào)諧放大電路的特點(diǎn)是用兩個(gè)彼此耦合的單諧振回路作為放大器的選頻回路，兩個(gè)諧振回路的諧振頻率都調(diào)諧在中心頻率上。兩個(gè)回路的耦合可以有幾種不同的方式，圖6－16(a)的兩個(gè)單調(diào)諧回路通過互感Ｍ耦合，稱為互感耦合雙調(diào)諧回路；圖(b)的兩個(gè)單調(diào)諧回路通過電容耦合，稱為電容耦合雙調(diào)諧回路。圖6-16雙調(diào)諧回路改變Ｍ或者耦合電容C就可以改變兩個(gè)單調(diào)諧回路之間的耦合程度。通常用耦合系數(shù)k來表征耦合程度，其定義為：耦合元件電抗的絕對值與初、次級回路中同性質(zhì)元件電抗值的幾何中項(xiàng)之比。k是無量綱的常數(shù)，它對雙調(diào)諧放大電路的頻率特性有著直接的影響。

互感耦合雙調(diào)諧回路的耦合系數(shù)為電容耦合雙調(diào)諧回路的耦合系數(shù)為

1．電壓放大倍數(shù)

電路的電壓放大倍數(shù)振幅為（6.34）（6.35）此時(shí)恰為單級單調(diào)諧放大電路的一半。

2．單位諧振函數(shù)

用式（6.34）除以式（6.35）得雙調(diào)諧放大電路的單位諧振函數(shù)（6.36）當(dāng)η=1時(shí)，3分貝帶寬為矩形系數(shù)為與臨界偏調(diào)的雙參差放大電路相同。當(dāng)η>1時(shí)，諧振曲線有等高的雙峰特性，峰與峰之間的帶寬為兩個(gè)峰之間的下凹程度用下式計(jì)算：隨著η的增加，曲線在中心頻率處的凹陷越來越明顯。當(dāng)η<1時(shí)，諧振曲線與單調(diào)諧回路相似，是單峰曲線。

根據(jù)式（6.34），以廣義失諧ξ為自變量、放大倍數(shù)振幅為因變量畫出的雙調(diào)諧放大電路諧振曲線如圖6－17所示。從圖中可以看出，當(dāng)η>1時(shí)曲線出現(xiàn)雙峰，兩個(gè)峰的峰值在 處。圖6－17雙調(diào)諧電路的幅頻特性曲線這里需要指出：

(1)上面的結(jié)論是在假定f01=f02=f0，Qe1=Qe2=Qe的條件下得出的，實(shí)際上這些條件不一定滿足，但上面的結(jié)論仍然定性適用。

(2)雖然在臨界耦合即η=1時(shí)，雙調(diào)諧放大電路的通頻帶和矩形系數(shù)與臨界偏調(diào)的雙參差電路完全相同。但雙調(diào)諧電路的調(diào)整比參差調(diào)諧電路困難，在增益要求不高和級數(shù)不多的情況下常被采用。

(3)多級雙調(diào)諧放大電路的情況和單回路多級情況類似，即通頻帶隨級數(shù)N的增加而減少，矩形系數(shù)隨N的增加而變好。圖6－18是早期電視機(jī)高頻頭中采用的雙調(diào)諧放大電路。該電路的主要功能是將輸入回路選出的某一ＶＨＦ頻道的微弱電視信號進(jìn)行放大，同時(shí)對信號進(jìn)行進(jìn)一步的選頻，以抑制其它干擾。信號放大后送混頻管與本振信號混頻，產(chǎn)生38MHz的中頻信號。圖中，VＴ1為高放管，VＴ2為混頻管。為了獲得較大的功率增益，高放管接成共發(fā)射極電路，高放管的集電極負(fù)載回路采用頻帶寬、選擇性好的雙調(diào)諧回路。L1、C1、C2組成初級回路，L2、C3、C4組成次級回路。兩個(gè)回路都調(diào)諧在信號頻帶的中心頻率上，頻帶寬度為8MHz。電路通過波段開關(guān)（電路中未畫出）切換L1、L2及本振電路中的振蕩線圈來切換頻道。由于混頻級的輸入阻抗較低，故次級回路采用電容分壓和混頻級基極相連。高放管的輸入阻抗雖然較大，但為了方便加入中和電容C5，初級回路也采用電容分壓式和高放管集電極相連。中和電容的作用是通過一個(gè)外部反饋去抵消晶體管內(nèi)部的反饋，以提高電路的穩(wěn)定性。高放管基極直流偏置取自自動(dòng)控制AGC，以便在接收的電視信號的強(qiáng)度有較大的變化時(shí)，能自動(dòng)改變高放管的基極和集電極電流，使輸出相應(yīng)改變，達(dá)到輸出相對穩(wěn)定的目的。圖6－18電視機(jī)高頻頭采用的雙調(diào)諧放大電路6.4.4集中選頻放大電路

隨著固體濾波技術(shù)的發(fā)展，已能設(shè)計(jì)出滿足不同電路要求的集中選頻器。近年來，上述各種每級都配有調(diào)諧回路的選頻放大電路已逐漸被由高增益寬帶線性放大器和各種集中選頻器組成的放大電路所替代，從而使電路的調(diào)整大大簡化，電路的頻率特性得到改善，電路的穩(wěn)定性也得到很大提高。

集中選頻放大電路的組成如圖6－19所示。圖6－19集中選頻放大電路的組成圖中，集中選頻器一般是陶瓷濾波器、石英晶體濾波器、聲表面濾波器，也可以是集中LC濾波器。選頻器一般設(shè)置于電路鏈的低電平端，以對可能進(jìn)入寬帶放大器的帶外干擾與噪聲信號進(jìn)行一定的衰減，改善傳輸信號的質(zhì)量。寬帶放大器一般為集成運(yùn)算放大器，也可以是由分離元件組成的高增益寬帶放大器。加在選頻器與放大器之間的匹配器一般為LC匹配網(wǎng)絡(luò)，以保證選頻器能滿足對信號的選擇性要求。圖6－20是電視機(jī)通道部分用聲表面濾波器組成的集中選頻電路。該電路的作用是對從電視機(jī)高頻頭輸出的頻帶信號選頻。根據(jù)電視原理及我國的電視制式，我國電視機(jī)的中心頻率為38MHz，帶寬為8MHz。具體頻率特性要求如圖6－21所示，用一個(gè)聲表面濾波器即能滿足整機(jī)要求。圖6－20電視機(jī)采用的聲表面濾波器集中選頻電路圖6－21電視接收機(jī)頻率特性圖6－20中，加至聲表面濾波器輸入端1腳的信號取自高頻頭混頻后中頻預(yù)放大電路的輸出，經(jīng)聲表面濾波器選頻后的信號從濾波器的3、4腳平衡輸出，通過L2、L3加至集成寬帶放大器前級差分放大電路的兩個(gè)輸入端。L1、L2、L3為外加調(diào)諧匹配電感，它們與聲表面濾波器輸入、輸出端內(nèi)部靜態(tài)電容組成調(diào)諧匹配器。

由于用聲表面濾波器代替了分立元件電路中的LC選頻器，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電視機(jī)的中頻無調(diào)整化。