高頻電子線路模塊三：-高頻小信號選頻放大器

第三章高頻小信號放大器3.1概述3.2高頻小信號放大器的性能指標(biāo)3.3LC諧振回路的特性3.4信號源及負(fù)載對并聯(lián)諧振回路的影響3.5阻抗變換電路3.6小信號諧振放大器3.7集中選頻放大器

本章小結(jié)教學(xué)目的：1．了解單調(diào)諧放大器工作原理,掌握調(diào)諧放大器分析方法

2．了解高頻小信號選頻放大器的性能指標(biāo)3．掌握信號源及負(fù)載對LC選頻網(wǎng)絡(luò)的影響4.掌握小信號選頻放大器電路的分析方法5.掌握集中選頻放大器的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)：高頻小信號選頻放大器的性能指標(biāo)分析、LC網(wǎng)絡(luò)的選頻特性及信號源及負(fù)載對LC網(wǎng)絡(luò)的影響。教學(xué)難點(diǎn)：用接入系數(shù)的概念將所有Y參數(shù)及其負(fù)載折合到調(diào)諧回路兩端的交流等效電路圖。3.1概述一、高頻小信號放大器的作用無線通信中，發(fā)射與接收的信號應(yīng)當(dāng)適合于空間傳輸。所以，被通信設(shè)備處理和傳輸?shù)男盘柺墙?jīng)過調(diào)制處理過的高頻信號，這種信號具有窄帶特性。而且，通過長距離的通信傳輸，信號受到衰減和干擾，到達(dá)接收設(shè)備的信號是非常弱的高頻窄帶信號，在做進(jìn)一步處理之前，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過放大和限制干擾的處理。這就需要通過高頻小信號放大器來完成。這種小信號放大器是一種諧振放大器。混頻器輸出端也接有這種小信號放大器，作為中頻放大器對已調(diào)信號進(jìn)行放大。二、高頻小信號放大器的分類高頻小信號放大器廣泛用于廣播、電視、通信、測量儀器等設(shè)備中。高頻小信號放大器可分為兩類：一類是以諧振回路為負(fù)載的諧振放大器；另一類是以濾波器為對有用信號加以放大，同時對無用信號、干擾信號、噪聲信號進(jìn)行抑制，以提高接收信號的質(zhì)量和抗干擾能力負(fù)載的集中選頻放大器。它們的主要功能都是從接收的眾多信號中選出有用的信號并加以放大。諧振放大器常由晶體管等放大器件與LC并聯(lián)諧振回路或耦合諧振回路構(gòu)成。它可分為調(diào)諧放大器和頻帶放大器，前者的諧振回路需調(diào)諧于需要放大的外來信號的頻率上，后者諧振回路的諧振頻率固定不變。集中選頻放大器把放大和選頻兩種功能分開，放大作用由多級非諧振寬頻帶放大器承擔(dān)，選頻作用由ＬC帶通濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器等承擔(dān)。目前廣泛采用集中寬頻帶放大器。三、高頻小信號放大器在無線通信系統(tǒng)中的位置：3.2高頻小信號放大器的性能指標(biāo)高頻小信號放大器的主要性能指標(biāo)包括：電壓增益、通頻帶、選擇性、工作穩(wěn)定性及噪聲系數(shù)。3.2.1放大器的諧振增益定義：是指放大器在諧振頻率上的電壓增益，記為Au0，其值可用分貝(dB)表示

電壓放大倍數(shù)：增益：3.2.2放大器的通頻帶放大器的電壓增益下降到最大值的0.7（即1/）倍時，所對應(yīng)的頻率范圍稱為放大器的通頻帶，用BW0.7

表示。2

f0.7也稱為3分貝帶寬。如圖所示：放大器的通頻帶通常與放大器形式和負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)Q有關(guān)，并且級數(shù)越多，通頻帶越窄3.2.3選擇性一、矩形系數(shù)：表示與理想濾波特性的接近程度。從各種不同頻率信號的總和（有用的和有害的）中選出有用信號，抑制干擾信號的能力稱為放大器的選擇性。選擇性常采用矩形系數(shù)和抑制比來表示。矩形系數(shù)越接近于1，選擇性就越好二、噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù)是指輸入端的信噪比Pi/Pni與輸出端的信噪比Po/Pno兩者的比值3.2.4工作穩(wěn)定性指放大器的工作狀態(tài)(直流偏置)、晶體管參數(shù)、電路元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時，放大器的主要特性的穩(wěn)定。

基本共射極放大電路

穩(wěn)Q共射極放大電路

不穩(wěn)定狀態(tài)的極端情況是放大器自激（主要由晶體管內(nèi)反饋引起），使放大器完全不能工作。3.3LC諧振回路特性3.3.1并聯(lián)諧振回路并聯(lián)回路：信號源與電感線圈和電容器并聯(lián)組成的電路，叫做LC并聯(lián)回路圖中與電感線圈Ｌ串聯(lián)的電阻Ｒ代表線圈的損耗，電容Ｃ的損耗不考慮。IS為信號電流源。高頻小信號諧振放大器的性能很大程度上取決于LC并聯(lián)諧振回路，LC并聯(lián)諧振回路的主要作用是選頻和阻抗變換。如圖所示，其阻抗表達(dá)式為一般

L>>R

代入上式：當(dāng)回路諧振時，即ω=ωo時，ω0L-1/ω0c=0。并聯(lián)諧振回路的阻抗為一純電阻，數(shù)值可達(dá)到最大值，由上式得：|Z|=RP=L/CR，RP稱為諧振電阻。所以，諧振頻率為：為了評價(jià)LC網(wǎng)絡(luò)的損耗的大小，引入品質(zhì)因數(shù)Q，其值越大，損耗越小，反之，損耗越大。概念：回路諧振時的感抗（或容抗）與回路等效損耗阻抗之比(用以衡量損壞大小）Q0＝

0L

R＝1

0CR＝

L

C

R故諧振電阻RP＝L

CR分子分母同時除R從分母的括號中提個W0L出來由上式可知其幅頻特性和相頻特性分別為幅頻特性曲線相頻特性曲線由上圖可知1）當(dāng)回路諧振時ω=ω0時，并聯(lián)諧振回路的阻抗為一純電阻，數(shù)值可達(dá)到最大值|Z|=RP=L/CR，RP稱為諧振電阻，阻抗相角為φ=02）當(dāng)回路的角頻率ω＜ω0時，并聯(lián)回路總阻抗呈電感性。3）當(dāng)回路的角頻率ω＞ω0時，并聯(lián)回路總阻抗呈電容性。4）Q值越大，幅頻特性曲線越尖銳，相頻特性在諧振頻率附近就越陡峭。例:并聯(lián)諧振回路如圖所示.L=180UH,C=140PF,R=15歐姆.試求:1)該回路的諧振頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q及諧振電阻RP。2）f/f0=１．０２、１．０５、２時，并聯(lián)回路的等效阻抗及相移。解：１）求f0、Ｑ、RP====76=86K=2)求回路的等效阻抗和相移根據(jù):＝＝當(dāng)f/f0=1.02時＝２７．１Ｋ當(dāng)f/f0=1.0５時＝１．１９K=當(dāng)f/f0=2時=0.75K=由以上計(jì)算可以看出：當(dāng)并聯(lián)諧振回路的Ｑ值較大時，回路的等效阻抗隨著失諧的增大顯著減小。3.3.2并聯(lián)諧振回路的通頻帶和選擇性在左圖中，保持電流源的幅值不變，改變其頻率，則并聯(lián)電路兩端的電壓的變化規(guī)律與回路的阻抗頻率特性相似。由圖可知：由所以：=為并聯(lián)回路兩端輸出諧振電壓，根據(jù)上式有：=對諧振回路的研究主要研究諧振頻率w0附近的頻率特性。由于w十分接近w0,所以可近似認(rèn)為：并令：=所以:==△f=f-f0稱為絕對失調(diào)量，即信號頻率偏離回路諧振頻率的絕對值（1）式同理：（2）式由（1）式和（2）式可繪出并聯(lián)諧振回路以失諧量△f表示的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。由前面通頻帶的定義可知：=0.707將上式帶入:(1)式得:=例1

已知并聯(lián)諧振回路諧振頻率f0＝1MHz，Ｑ0＝100。求頻率偏離10kHz時，電壓相對于諧振點(diǎn)的衰減比值U/U0

。又若Ｑ0

＝50，求U/U0

。解（１）Ｑ0=100時（２）若Ｑ0=50時3.4信號源內(nèi)阻及負(fù)載對諧振回路的影響信號源內(nèi)阻或負(fù)載并聯(lián)在回路兩端，將直接影響回路的Ｑ值，影響負(fù)載上的功率輸出及回路的諧振頻率的穩(wěn)定度。算出有載品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行比較就知道信號源內(nèi)阻與負(fù)載對諧振回路產(chǎn)生了什么影響。空載時的品質(zhì)因素：下面計(jì)算一下有載品質(zhì)因數(shù):在第一個圖中,L與r的導(dǎo)納為:當(dāng)r<<wL時:所以上式可近似為：上式剛好是電感L和阻值為的電阻并聯(lián)的導(dǎo)納,r和L串聯(lián)等效為第二個圖在研究諧振頻率附近的特性時：由此可見，損耗電子r和電感L的串聯(lián)支路可以等效為諧振電阻與電感的并聯(lián)，即第三個圖。由此可見：將并聯(lián)諧振回路中的電感與電阻串聯(lián)電路轉(zhuǎn)換為電感與電阻的并聯(lián)電路時，在r<<wL時，電感值可近似不變，并聯(lián)電阻變?yōu)椋萺大的多。所以，帶有信號源和負(fù)載的LC網(wǎng)絡(luò)可以按照下圖等效：在C圖中，RT實(shí)際上是考慮了信號源內(nèi)阻和負(fù)載電阻的影響后的并聯(lián)諧振回路的等效諧振電阻，由RT可求得等效并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，稱為有載品質(zhì)因數(shù)，用QT表示：由于所以有載品質(zhì)因數(shù)QT小于空載品質(zhì)因數(shù)Q0，而且信號源內(nèi)阻和負(fù)載電阻越小，則QT就下降得越多，回路的選擇性就越差，通頻帶越寬。由此可見信號源內(nèi)阻及負(fù)載會使LC并聯(lián)諧振回路的通頻帶變寬，選擇性變差。例：并聯(lián)諧振回路電路如圖所示，已知：L=586uH,C=200pF,r=12歐姆，RS=RL=100K試分析信號源、負(fù)載對諧振回路的影響。解：（1）不考慮RS和RL的影響求回路的固有特性諧振頻率：空載品質(zhì)因數(shù)：諧振電阻：通頻帶：（2）考慮RS、RL的影響后求回路的特性，此時的電路圖等效為：由于L和C沒有改變，所以諧振頻率還是為465KHZ等效諧振電阻：有載品質(zhì)因數(shù)為：通頻帶為：這道例題可以說明什么？說明信號源的內(nèi)阻和負(fù)載電阻將會對并聯(lián)回路的品質(zhì)因數(shù)產(chǎn)生明顯的影響，是回路的品質(zhì)因數(shù)急劇下降，通頻帶變寬，選擇性變差。為了減小內(nèi)阻和負(fù)載的影響，該采取什么措施？

3.5常用阻抗變化電路為減小信號源及負(fù)載對諧振回路的影響，除了增大外，還可采用阻抗變換電路，常用的阻抗變換電路有串并聯(lián)阻抗變換、變壓器、電感和電容分壓電路等一、串并聯(lián)阻抗變換電路假設(shè)圖的AB端看進(jìn)去的阻抗或者是導(dǎo)納與圖（b）的CD端看進(jìn)去的阻抗或者是導(dǎo)納相等：用式（3）除式（4）可得串聯(lián)支路的品質(zhì)因數(shù)：式（4）式（3）式（5）

由式（3）和（5）可得：

由式（4）和式（5）可得：如果值比較大（大于10以上），則有

小結(jié)：二、變壓器阻抗變換電路令：由變壓器理論可知：所以：又因?yàn)椋核?，?fù)載通過變壓器的變換提高了n的平方倍三、電感分壓式阻抗變換電路（自耦變壓器阻抗變換電路）電感分壓器阻抗變換電路令L1和L2的互感為M，并設(shè)電感是無損耗的，根據(jù)阻抗變換前后，負(fù)載RL和所消耗的功率相等可得到：其中當(dāng)時：四、電容分壓器阻抗變換電路電容分壓器阻抗變換電路同理，設(shè)電容無損耗，兩個電阻的消耗功率相等，可得：在上式中，當(dāng)時可得：例：并聯(lián)諧振回路與信號源和負(fù)載的連接線路如圖所示。信號源以自耦變壓器形式接入回路。已知線圈的匝數(shù)分別為N12＝10匝，N13＝50匝，N45＝5匝，L13＝8.3uH，回路空載品質(zhì)因數(shù)Q＝100，C＝51pF，Rs為10千歐，Is＝1mA，RL為2.5千歐。試求并聯(lián)諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)QT、通頻帶BW0.7及回路諧振時輸出電壓Uo的大小。解：將Is、Rs和RL均折算到并聯(lián)諧振回路1－3端，其值分別為、、，如圖（b）所示。令自耦變壓器的匝比為n1，即所以

令變壓器的匝比為n2，即所以計(jì)算結(jié)果說明，和顯著增大，故它們對并聯(lián)諧振回路的影響減小。可見，由于采用了阻抗變換電路，使得Rs、RL對并聯(lián)諧振回路的影響減小，故回路品質(zhì)因數(shù)下降的不多。此時等效并聯(lián)諧振回路的通頻帶等于：根據(jù)信號源輸出功率相同的條件，由圖（a）、（b）可知，于是可得：由（b）圖可知諧振時，并聯(lián)回路兩端輸出電壓Uo‘經(jīng)過變壓器得降壓，便可得到輸出電壓Uo為

3.6小信號諧振放大器小信號諧振放大器類型很多，按調(diào)諧回路區(qū)分，有單調(diào)諧回路放大器、雙調(diào)諧回路放大器和參差調(diào)諧回路放大器。按晶體管聯(lián)接方法區(qū)分，有共基極，共發(fā)射極和共集電極放大器等.本節(jié)討論一種常用的調(diào)諧放大器——共發(fā)射極單調(diào)諧放大器3．6．１單諧振回路諧振放大器一、工作原理如圖所示：畫出其交流通路：在高頻電路中三極管等效電路：所以畫出b圖的小信號等效電路設(shè)電感線圈１－２間的匝數(shù)為Ｎ１２，１－３間的匝數(shù)為Ｎ１３，次級線圈的匝數(shù)為Ｎ４５令把三極管等效電路折算到１——３端得圖并聯(lián)諧振回路諧振時增益最大，稱為諧振增益，表示為：又因?yàn)椋核?，有以上三式可得?/p>

3．6．2多級單諧振回路諧振放大器

一、多級單調(diào)諧放大器的電壓增益設(shè)有n級單調(diào)諧放大器相互級聯(lián)，且各級的電壓增益相同，即Ａu1=Ａu2=Ａu3=…=Ａun

則級聯(lián)后放大器的總電壓增益為當(dāng)單級調(diào)諧放大器的性能（選頻+放大），不能滿足要求時，可采用的方法？——多級單調(diào)諧放大器連接在一起

|An|=|Au1|·|Au2|·|Au3|……|Aun|=|Aun|n諧振時，電壓增益為二、通頻帶

n級級聯(lián)放大器的總通頻帶式中,f0/ＱL是單級單調(diào)諧放大器通頻帶；是頻帶縮小因子，下表列出不同n值時縮小因子的大小：n12345…10.640.510.430.39…結(jié)論：調(diào)諧于同一頻率的多級放大器與單級調(diào)諧放大器相比，調(diào)諧于同一頻率的多級放大器的放大倍數(shù)提高,選擇性提高，但總的通頻帶變窄。

3．6．3小信號諧振放大器實(shí)例分析一、分立元件的諧振放大器調(diào)幅接收機(jī)中頻放大電路：

MC1590是適用于小信號諧振放大器的典型器件，其輸入由共射一共基電路構(gòu)成差分電路，輸出級由復(fù)合管差分電路構(gòu)成，故內(nèi)反饋很小，具有工作頻率高、不易白激等優(yōu)點(diǎn)。二、集成電路諧振放大器3.7集中選頻放大器

集中選頻放大器構(gòu)成如圖2.3．1所示，它由兩種部件組成，一部分是寬頻帶放大器，另一部分是集中選