通信電子線路 課件 第2章 高頻小信號諧振放大器

第2章高頻小信號諧振放大器2.1概述2.2LC

諧振回路2.3高頻小信號諧振放大器的工作原理2.4集中選頻放大器與集成放大器2.5電噪聲與噪聲系數(shù)小結(jié)

2.1概

述

高頻小信號諧振放大器主要用于各種無線電接收設(shè)備及高頻儀表中，一方面可以對窄帶信號實(shí)現(xiàn)不失真放大，另一方面可濾除帶外信號，抑制噪聲和干擾，有選頻作用。

所謂“高頻”，通常指低于微波頻率范圍的信號頻率，信號頻率在數(shù)百千赫至數(shù)百兆赫，屬于窄帶放大器。

所謂“小信號”的“小”字，主要是強(qiáng)調(diào)放大這種信號的放大器工作在線性范圍內(nèi)(晶體管工作于甲類狀態(tài))，即對其放大過程而言，電路中的晶體管工作在小信號放大區(qū)域中，非線性失真很小。

這時允許把晶體管看成線性元件，因此可作為有源四端網(wǎng)絡(luò)來分析。

所謂“諧振”，主要是指放大器的負(fù)載為諧振回路(如LC諧振回路等)。

1.中心頻率

中心頻率是諧振放大器的工作頻率，一般用f0

表示。

其工作范圍很寬，一般為幾百千赫至幾百兆赫。

中心頻率是由通信系統(tǒng)的要求來確定的。

工作頻率是設(shè)計放大器時，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

增益分為電壓增益和功率增益。

3.通頻帶與選擇性

因?yàn)榉糯笃魉糯蟮男盘栆话愣际且颜{(diào)信號，含有一定的邊頻，為了使信號不失真地傳輸，所以放大器必須要有一定的通頻帶，允許主要邊頻通過，即通頻帶應(yīng)大于或者等于有用信號頻譜的寬度。

電壓增益下降3dB時所對應(yīng)的頻帶寬度，稱為放大器的通頻帶，用2Δf0.7(或BW)表示。

選擇性是指對通頻帶以外干擾信號的衰減能力，或指放大器從各種不同頻率的信號中選出有用信號，抑制干擾信號的能力。

4.噪聲系數(shù)NF

放大器工作時，由于種種原因產(chǎn)生的載流子不規(guī)則運(yùn)動，將會在電路中形成噪聲，從而使信號受到影響。

噪聲系數(shù)可理解為信號通過放大器后，信噪比變壞的程度。

噪聲系數(shù)是用來表征放大器的噪聲性能好壞的一個參量。

如果

NF=1，說明信號通過放大器后，信噪比沒有變壞；如果

NF>1，則說明信噪比變壞了。

通常噪聲系數(shù)都大于1，因此，要求放大器的噪聲系數(shù)盡量接近1。

2.2LC

諧振回路

圖2.2.1并聯(lián)諧振回路

當(dāng)回路相對失諧ε

很小，也就是說ω

和ω0

非常接近時，相對失諧ε有如下近似式：

這樣，廣義失諧ξ

在ω

很接近于ω0時也有近似式：

幅頻特性和相頻特性如圖2.2.2所示。圖2.2.2并聯(lián)諧振回路的幅頻特性與相頻特性

圖2.2.3回路的諧振曲線與通頻帶

選擇性是諧振回路的另一個重要指標(biāo)，它表示回路對通頻帶以外干擾信號的抑制能力。

在多路通信中，應(yīng)根據(jù)對相鄰頻道信號抑制程度的要求來決定。

一個理想的諧振回路，其幅頻特性應(yīng)是一個矩形，在通頻帶內(nèi)信號可以無衰減地通過，通頻帶以外衰減為無限大。

實(shí)際諧振回路選頻性能的好壞，應(yīng)以其幅頻特性接近矩形的程度來衡量。

為了便于定量比較，引用矩形系數(shù)這一指標(biāo)。

矩形系數(shù)的定義為：諧振回路的α值下降到0.1時與α值下降到0.7時，頻帶寬度B0.1與頻帶寬度B0.7

之比，用符號

K0.1

表示，即

圖2.2.4是實(shí)際回路和理想回路的幅頻特性。

由該圖可知，理想回路的矩形系數(shù)K0.1=1，而與實(shí)際回路的矩形系數(shù)顯然相差甚遠(yuǎn)。

圖2.2.4幅頻特性

所以

可見LC

并聯(lián)回路的矩形系數(shù)遠(yuǎn)大于1，與理想選頻特性比較，頻率的選擇性較差。

2.LC

串聯(lián)諧振回路

在LC

串聯(lián)諧振回路中，信號源、電感L、電容C

這三者首尾相連構(gòu)成串聯(lián)關(guān)系，如圖2.2.5所示。

其中，L和C的損耗電阻都包括在R0

中，因此圖中L、C

是理想的器件。

所以在調(diào)諧放大器中，諧振回路作為放大器的負(fù)載常采用并聯(lián)方式。

在此就不詳細(xì)討論串聯(lián)諧振回路了，但考慮到內(nèi)容的完整性，將串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路的基本特性列在表2.2.1中，以便讀者對比學(xué)習(xí)這兩種方式的諧振回路，并注意到串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路互為對偶電路。

圖2.2.5串聯(lián)諧振回路

圖2.2.6帶信號源內(nèi)阻和負(fù)載的并聯(lián)諧振回路

回路的等效品質(zhì)因數(shù)(稱為有載Q

值)為

空載時的品質(zhì)因數(shù)為

兩者比較可得QL<Q0，由此可見，當(dāng)LC

諧振回路外接信號源內(nèi)阻RS

和負(fù)載RL

后，回路的損耗增加，有載QL

值下降，因此通頻帶加寬，選擇性變壞。

實(shí)際信號源內(nèi)阻和負(fù)載并不一定都是純電阻，也有可能有電抗成分(一般是容性)。在低頻時，電抗成分一般可忽略，但高頻時就要考慮它對諧振回路的影響。

考慮信號源輸出電容和負(fù)載電容時的并聯(lián)諧振回路如圖2.2.7所示。

圖中CS

是信號源輸出電容，CL

是負(fù)載電容。

回路總電容為

CΣ=CS+C+CL。

圖2.2.7

例2.1設(shè)計一并聯(lián)諧振回路，諧振頻率f0=5MHz，回路電容C=50pF，計算所需線圈的電感值L。

若線圈品質(zhì)因數(shù)Q0=100，計算回路諧振電阻及回路帶寬。

若要求增加回路的帶寬為0.5MHz，則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿足要求?

2.2.3諧振回路的接入方式

實(shí)際電路中信號源內(nèi)阻RS及負(fù)載RL

的數(shù)值是固定的，對LC

諧振回路影響較大，會減小Q

值，加寬通頻帶，使選擇性變壞。

在通信電路中常采用LC

阻抗變換的方法，使信號源或負(fù)載不直接并入回路的兩端，而是經(jīng)過一些簡單的變換電路，把它們折算到回路兩端。

通過改變電路的參數(shù)，達(dá)到要求的回路特性。

圖2.2.8串、并聯(lián)變換

若將式(2.2.21)分別代入式(2.2.19)和式(2.2.20)即可得出串、并聯(lián)變換的基本公式：

當(dāng)支路的Q

值較大(如Q≥10)時，則有近似式：

從這兩式可以看到，在高

Q

值情況下，等效的串聯(lián)支路和并聯(lián)支路的電抗值基本相等，而并聯(lián)支路的電阻是串聯(lián)支路電阻的Q2

倍。

應(yīng)特別注意的是這種等效只在某一個頻率點(diǎn)上互相等效，因?yàn)椴煌念l率對應(yīng)的Q

值不同。

下面將這種變換用于分析另一種并聯(lián)諧振回路，將它變換成上節(jié)中分析過的形式。如圖2.2.9(a)所示的諧振回路是實(shí)際電路中經(jīng)常遇到的并聯(lián)諧振回路。

利用串、并聯(lián)阻抗的變換可以在固有頻率ωP

點(diǎn)上把電路變換成如圖2.2.9(b)所示的標(biāo)準(zhǔn)并聯(lián)諧振回路。

圖2.2.9串、并聯(lián)變換

根據(jù)串、并聯(lián)阻抗的變換關(guān)系得

般Q

值總是比較大，當(dāng)(如Q≥10)時，可得近似式：

在以后各章的分析中經(jīng)常會用到這兩個近似式。

2.互感變壓器接入方式

互感變壓器接入電路如圖2.2.10所示，其等效電路如圖2.2.11所示。

變壓器的原邊線圈就是回路的電感線圈，副邊線圈接負(fù)載RL。

設(shè)原邊線圈匝數(shù)為

N1，副邊線圈匝數(shù)為N2，且原、副邊耦合很緊(k=1)，損耗忽略不計。

根據(jù)等效前后負(fù)載上得到功率相等的原則，可得到等效后的負(fù)載阻抗R'L，即

圖2.2.10互感變壓器接入電路圖

圖2.2.9串、并聯(lián)變換

因全耦合變壓器初次級電壓比U1/U2

等于相應(yīng)線圈匝數(shù)比

N1/N2，故有

其中，p=N2/N1，定義為互感變壓器的接入系數(shù)，可通過改變p

來調(diào)整R'L的大小。

3.抽頭部分接入方式

在“通信電路”中經(jīng)常運(yùn)用部分接入的諧振回路進(jìn)行阻抗變換。

如圖2.2.12所示電路，負(fù)載GL不是接在并聯(lián)諧振回路的a、b兩端，而是部分地接在L2兩端(即c、d兩端)，因?yàn)長2

是總電感L1+L2

的一部分，因而稱為部分接入。

現(xiàn)在要討論的是在諧振時從a、b兩端向回路看的諧振電導(dǎo)Ge

是什么，在高Q

值情況下做近似推導(dǎo)。

圖2.2.12并聯(lián)諧振回路的部分接入

具體來說這種等效關(guān)系是這樣的：如果把L1+L2

和C

的并聯(lián)回路封在一個“黑盒子”中，則在c、d兩點(diǎn)接電導(dǎo)GL，還是在a、b兩點(diǎn)接Ge，在外電路看來是完全等效的。

我們還能把這種等效關(guān)系進(jìn)一步引申。

在c、d兩點(diǎn)接電導(dǎo)GL，則在a、b兩點(diǎn)接入的諧振電導(dǎo)則為Ge；反過來，如在a、b兩點(diǎn)接電導(dǎo)Ge，則在c、d兩點(diǎn)向回路看的諧振電導(dǎo)為GL，如圖2.2.13所示。

圖2.2.13電導(dǎo)變換關(guān)系

與電導(dǎo)(或電阻)的變換關(guān)系相類似，可以證明對電納(或電抗)，電源部分接入有同樣的等效變換關(guān)系如圖2.2.14所示。

此等效指的是回路的電壓，各支路的電流及回路的損耗功率均相等。

圖2.2.14電流源、電抗部分接入的變換關(guān)系

回路部分接入的形式很多，但接入系數(shù)都可按定義式(2.2.34)計算。

由于只考慮高Q時的近似情況，因此計算電壓比時應(yīng)忽略負(fù)載對分壓比的影響。

各種形式的部分接入電

路歸納于表2.2.2中。

2.3高頻小信號諧振放大器的工作原理

2.3.1晶體管高頻小信號等效電路

1.晶體管混合π型等效電路圖2.3.1給出了一個完整的晶體管共發(fā)射極混合π型等效電路。

圖中b、c、e三點(diǎn)代表晶體管基極、集電極和發(fā)射極三個電極的外部端子，b'代表設(shè)想的基極內(nèi)部端子。

因?yàn)榫w管的b'、c、e三個電極用一個π型電路等效，而b至b'又串聯(lián)一個基極體電阻rbb'，所以稱為混合π型電路。

圖2.3.1混合π型等效電路

這個等效電路共有8個參數(shù)，比較復(fù)雜。

下面分別介紹各元件參數(shù)的物理意義。

(1)發(fā)射結(jié)的結(jié)電阻rb'e：晶體管處于放大區(qū)時，發(fā)射結(jié)總是處于正向偏置狀態(tài)，所以rb'e

的數(shù)值比較小，一般是幾百歐，它的大小隨工作點(diǎn)電流而變。

(2)集電結(jié)電阻rb'c：由于集電結(jié)總是處于反向偏置狀態(tài)，所以rb'c

較大，約為10kΩ~10MΩ，一般可忽略不計。

(3)發(fā)射結(jié)電容Cb'e：它隨工作點(diǎn)電流增大而增大，主要為擴(kuò)散電容，數(shù)值范圍為20pF~0.01μF。

(4)集電結(jié)電容Cb'c：它隨c、b間反向電壓的增大而減小，它會引起交流反饋，可能引起自激，希望其值小些，數(shù)值一般在10pF左右。

(5)基區(qū)體電阻rbb'：它是從基極引線端b到有效基區(qū)b'的電阻。

不同類型的晶體管rbb'的數(shù)值也不一樣。rbb'

的存在，使得輸入的交流信號產(chǎn)生損耗，所以rbb'

的值應(yīng)盡量小，一般為15~50Ω。

晶體管的混合π型等效電路分析法物理概念比較清楚，對晶體管放大作用的描述比較全面，各個參數(shù)基本上與頻率無關(guān)。

因此，這種電路可以適用于相當(dāng)寬的頻率范圍。

但這個等效電路比較復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體情況，把某些次要的因素忽略。

例如，高頻時，Cb'c

的容抗較小，和它并聯(lián)的集電結(jié)電阻rb'c

就可以忽略；此外，集

射極電容Cce

可以合并到集電極回路之中，集

射極電阻rce

較大故可以忽略。

考慮這些情況后可以得到簡化的五參數(shù)混合π型等效電路，如圖2.3.2所示。

這種簡化的等效電路，基本上能滿足工程計算的要求。

圖2.3.2簡化的混合π型等效電路

2.晶體管Y參數(shù)等效電路

Y

參數(shù)等效電路是拋開晶體管的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，只從外部來研究它的作用，把晶體管看做一個有源線四端網(wǎng)絡(luò)，用一組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來構(gòu)成其等效電路。

具體來說，只要能夠確定晶體管的輸入端和輸出端的電流

電壓關(guān)系，就可以解決問題。

晶體管的Y

參數(shù)等效電路如圖2.3.3所示。

圖2.3.3共射晶體管Y參數(shù)等效電路

圖2.3.4簡化的共射晶體管Y參數(shù)等效電路

2.3.2單調(diào)諧共發(fā)放大器的工作原理

1.電路組成

圖2.3.5為共射單調(diào)諧回路放大器原理電路，從中可以看出它主要由輸入回路、晶體管和負(fù)載三部分組成。

(1)輸入回路：一般由調(diào)諧回路或?yàn)V波回路構(gòu)成。

它把從天線信號中選擇出的有用信號輸入到晶體管基極。

(2)晶體管：它是調(diào)諧放大器具有放大作用的核心部件。

(3)負(fù)載：一般由LC諧振回路構(gòu)成放大器的負(fù)載，它具有選頻作用。

當(dāng)信號在LC并聯(lián)諧振回路的諧振頻率附近時，回路阻抗最大，放大器增益就高；反之，如果信號頻率遠(yuǎn)離諧振頻率，則回路阻抗急劇下降，放大器就無放大作用。

圖2.3.5共射極單調(diào)諧放大器原理電路

2.等效電路

1)交流等效電路

圖2.3.5所示電路包含直流和交流兩種通路。

研究放大器的增益、通頻帶等指標(biāo)需要分析其交流等效電路，圖2.3.6為其交流等效電路。圖2.3.6

圖2.3.7單調(diào)諧放大器的Y參數(shù)等效電路

圖2.3.8單向化的簡化Y參數(shù)等效電路

3.主要技術(shù)指標(biāo)

1)電壓增益

電壓增益定義為

由圖2.3.8可見

2)通頻帶

單級單調(diào)諧放大器的諧振曲線如圖2.3.9所示。圖2.3.9單級調(diào)諧放大器的諧振曲線

3)矩形系數(shù)

例2.2如圖2.3.10所示，設(shè)工作頻率f0=10.7MHz，回路電容C=56pF，L=4μH，Q0=100，線圈匝數(shù)N1~3=100，接入系數(shù)p1=0.25，p2=0.25。

測得晶體管的Y

參數(shù)如下：gie=0.96mS，Cie=23pF，goe=0.058mS，Coe=10pF，Yfe=(37-j4.1)mS，Yre=(0.038-j0.00058)mS。

求：(1)單級放大倍數(shù)Au0；(2)單級通頻帶B。

解

設(shè)不考慮Yre的作用，忽略基極偏置電阻，得折合后的微變等效電路如圖2.3.11所示。

電導(dǎo)：

回路總電導(dǎo)：

圖2.3.10兩級單調(diào)諧共發(fā)射極放大器

圖2.3.11微變等效電路

(1)單級放大器諧振時的放大倍數(shù)(電壓增益)：

(2)有載品質(zhì)因數(shù)為

單級通頻帶

2.3.3多級單調(diào)諧回路放大器

在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要把很微弱的信號放大到足夠大，這就要求放大器具有比較高的增益。

例如，雷達(dá)或通信接收機(jī)對微弱信號的放大主要依靠中頻放大器，且要求中頻放

大器有104~106的放大倍數(shù)。

顯然，單級放大器無法達(dá)到如此高的增益。

因此高頻放大器常常采用多級單調(diào)諧放大器級聯(lián)而成，如圖2.3.12所示。

圖2.3.12三級高頻單調(diào)諧回路放大器

1.多級單調(diào)諧放大器的增益

假設(shè)有n級放大器級聯(lián)，各級的電壓增益分別為A1，A2，…，An，級聯(lián)后總的增益為各級電壓增益的積，即

如果各級放大器的增益相同，則

2.多級單調(diào)諧放大器的通頻帶

n

級相同的單調(diào)諧放大器級聯(lián)時，總通頻帶為

上式表明，n

級單調(diào)諧放大器的總通頻帶BΣ

為單級調(diào)諧放大器通頻帶的Φ1(n)倍。式中Φ1(n)稱為帶寬縮減因子，它表示總通頻帶縮減到單級通頻帶的倍數(shù)，它總是小于1，n

愈大，其值愈小。

所以，n

級總通頻帶比單級小。

級數(shù)越多(n

越大)時，總通頻帶越窄。n為不同值時Φ1(n)的數(shù)值如表2.3.1所示。

3.多級單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)

根據(jù)矩形系數(shù)的定義，同樣可求出n級單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)與級數(shù)n

的關(guān)系，見表2.3.1。

從表2.3.1中可以看出，多級單調(diào)諧放大器電路的電壓增益隨n的增加明顯增加，矩形系數(shù)也有改善，選擇性提高，但通頻帶變窄。

為了滿足總通頻帶的要求，勢必要增寬單級放大器的通頻帶，這就要降低回路QL

值，導(dǎo)致放大器增益的下降。

因此，對于多級單調(diào)諧放大器來說，選擇性、通頻帶、增益之間的矛盾比較突出。

2.3.4小信號諧振放大器的穩(wěn)定性

在高頻電路中，調(diào)諧放大器的工作穩(wěn)定性是指放大器的工作狀態(tài)(直流偏置)、器件參數(shù)、電路元件參數(shù)等發(fā)生變化時，以及不可避免的一些外界干擾存在時，放大器主要特性的穩(wěn)定程度。

一般不穩(wěn)定現(xiàn)象是中心頻率偏移，通頻帶變窄、諧振曲線變形等；極端不穩(wěn)定情況是放大器的自激(或寄生振蕩)。

圖2.3.13共射晶體管Y參數(shù)等效電路

上式是以保證放大器獲得穩(wěn)定可靠工作的電壓增益，又稱為最大穩(wěn)定增益。

單管共發(fā)高頻放大器的電壓增益由于穩(wěn)定性的限制，不可能做得很高。

至此，可歸納出小信號諧

振放大器的晶體管選擇原則為：為了工作的穩(wěn)定性好，應(yīng)選擇Cb'c

小的晶體管；為了使靈敏度高，應(yīng)選擇噪聲系數(shù)或噪聲溫度低的晶體管(尤其是高放管)；還應(yīng)正確選擇晶體管的工作點(diǎn)(獲得高增益、低噪聲)。

解決上述不良影響的方法主要有中和法和失配法兩種。

1)中和法

中和法是解決放大器的增益和穩(wěn)定性之間矛盾的一種有效措施。

它的方法是在晶體管的輸入端和輸出端之間引入一個外加的反饋電路(中和電路)，使它的作用與晶體管內(nèi)部反饋的作用相互抵消。

通常是在輸出回路與晶體管基極之間接入一電容來實(shí)現(xiàn)中和作用，該電容亦稱作中和電容。

以圖2.3.14所示的單調(diào)諧放大器為例進(jìn)行分析，圖2.3.15(a)為其交流等效電路。

圖2.3.14采用中和法的諧振放大器

從圖2.3.15(a)中可以看出，未加中和電容Cn

時，由于Cb'c

的作用，有反饋電流Ir(內(nèi)部反饋電流)流進(jìn)a點(diǎn)(晶體管輸入端)；加Cn

后，由于Cn

的作用引出另一反饋電流(外部反饋電流)In

流出a點(diǎn)。

如果Cn

的值選擇合理，使Ir=In，則兩電流在a節(jié)點(diǎn)正好相互抵消，即∑Ia=Ir-In=0。

這樣引起放大器不穩(wěn)定的內(nèi)部反饋電流Ir

不會進(jìn)入晶體管基極，從而消除了晶體管內(nèi)部的不穩(wěn)定因素的影響。

圖2.3.15中和法的原理電路

上述過程可以看做一個電橋平衡的過程，如圖2.3.15(b)所示。

Cb'c、Cn

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，若電橋?qū)厓杀鄣淖杩钩朔e相等，則cd兩端(放大器輸出端)的電壓不會對ab兩端(放大器輸入)產(chǎn)生影響，即放大器的輸出信號不會反饋到輸入端。

根據(jù)電橋平衡條件，有

即

圖2.3.14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。

如圖2.3.16所示。

在這里需注意同名端的位置，應(yīng)使高頻信號通過變壓器后反相一次，否則不僅不能克服晶體管的內(nèi)部反饋，反而會起相反的作用。

圖2.3.16變壓器耦合的中和連接

2)失配法

失配法(單向化)的道理很容易理解，當(dāng)輸出電路嚴(yán)重失配時，輸出電壓相應(yīng)減小，反饋到輸入端的信號就進(jìn)一步減弱，對輸入電路的影響也隨之減小。

通過增大負(fù)載電導(dǎo)，使輸出電路嚴(yán)重失配，失配越嚴(yán)重，輸出電路對輸入回路的反饋?zhàn)饔镁驮叫?，這樣，放大器基本上可以看做是單向化的。

常用的辦法是將兩晶體管按共射-共基方式連接，做成復(fù)合管形式。

圖2.3.17為某接收機(jī)高頻放大電路，該電路采用了共射—共基組合電路。

圖2.3.17采用共射—共基組合電路的高頻放大電路

2.4集中選頻放大器與集成放大器

2.4.1基本組成與特點(diǎn)集中選頻放大器的組成如圖2.4.1所示。

圖2.4.1集中選頻放大器的組成

與分散選頻式的多能調(diào)諧放大器相比，集中選頻放大器有以下特點(diǎn)：

(1)可選用矩形系數(shù)接近于1的優(yōu)質(zhì)濾波器，因而放大器的選擇性好，調(diào)整也容易。

(2)變換中心頻率和帶寬方便。

如圖2.4.2所示，只要撥動開關(guān)S，即可更換濾波器，從而改變中心頻率和帶寬。

圖2.4.2中心頻率和寬帶可變的集中選頻放大器

(3)溫度穩(wěn)定性好。

分散式選頻放大器中，每個濾波器都與溫度敏感的晶體管相連，因此溫度對濾波特性影響大。

而集中選頻放大器只與濾波器相連的晶體管才對濾波性能產(chǎn)生影響。

如果選用溫度特性好的寬放電路，則溫度穩(wěn)定性就更好。

(4)采用集成的寬放集中放大器，可以縮小電路體積，提高工作可靠性，從而優(yōu)化電路。

(5)易于大規(guī)模生產(chǎn)，成本低。

2.4.2集中濾波器

1.陶瓷濾波器

陶瓷濾波器是利用陶瓷片的壓電效應(yīng)制成的，它的材料一般是鋯鈦酸鋁陶瓷。

制作時，先在陶瓷片的兩面涂上氧化銀漿，然后加高溫使之還原為銀，并且牢固附著在陶瓷片上，形成兩個電極，再經(jīng)過直流高壓極化后，陶瓷片就有了壓電效應(yīng)。

所謂壓電效應(yīng)，就是當(dāng)有機(jī)械力(壓力或張力)作用于陶瓷片時，陶瓷片的表面就會出現(xiàn)等量的正負(fù)電荷，稱為正壓電效應(yīng)。反之，當(dāng)陶瓷片的兩面加上極性不同的電壓時，陶瓷片的幾何尺寸就會發(fā)生變化(伸長或縮短)，稱為反壓電效應(yīng)。

顯然，如果陶瓷片兩個端面上加上交流電壓，陶瓷片就會隨交流電壓極性周期性地變化而產(chǎn)生機(jī)械振動，同時由于反壓電效應(yīng)，陶瓷片兩端面產(chǎn)生極性周期變化的正負(fù)電荷，即產(chǎn)生交流電流。

當(dāng)外加電壓的頻率正好等于陶瓷片固有振動頻率(其值取決于陶瓷片的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸)時，將會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，此時機(jī)械振動最強(qiáng)，形成的交流電流也最大，這就表明壓電陶瓷片具有與諧振電路相似的特性。

陶瓷濾波器的等效電路和電路符號如圖2.4.3所示。

圖中，C0

等效于壓電陶瓷片的固定電容值(或稱靜態(tài)電容值)，Lq、Cq、rq

分別等效于陶瓷片機(jī)械振動時的慣性、彈性、摩擦損耗。

可見陶瓷濾波器有兩個諧振點(diǎn)：

一個是由Lq、Cq、rq組成的串聯(lián)諧振回路，其諧振頻率為

另一個是由Lq、Cq、rq

和C0

組成的并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率為

圖2.4.3陶瓷濾波器的等效電路及電路符號

通常C0?Cq，所以ωp≈ωq，即兩個諧振頻率相距很近。

當(dāng)外加信號頻率等于陶瓷濾波器的串聯(lián)諧振頻率ωq(或fq)時，會發(fā)生串聯(lián)諧振，陶瓷濾波器的等效電抗為0；當(dāng)外加信號頻率等于陶瓷濾波器的并聯(lián)諧振頻率時，會發(fā)生并聯(lián)諧振，其電抗為無窮大。

陶瓷濾波器電抗頻率特性曲線如圖2.4.4所示。

圖2.4.4陶瓷濾波器的抗頻率特性曲線

如果用兩個陶瓷片連成如圖2.4.5所示的形式，并適當(dāng)選擇串臂和并臂濾波器的諧振頻率，即可獲得比較理想的濾波特性。

壓電陶瓷片的厚度、半徑不同時，其等效參數(shù)也不相同。

若將不同諧振頻率的若干個壓電陶瓷片組合連接，就可獲得矩形系數(shù)接近于1的理想濾波器，如圖2.4.6所示。

圖2.4.7所示為三端陶瓷濾波器的電路符號。

圖2.4.8為一典型三端陶瓷濾波器的傳輸特性(其中心頻率為465kHz)。

圖2.4.5二振子三端陶瓷濾波器

圖2.4.6多振子三端陶瓷濾波器

圖2.4.7三端陶瓷濾波器電路符號

圖2.4.8三端陶瓷濾波器的傳輸特性

2.石英晶體濾波器

晶體濾波器和陶瓷濾波器一樣，也是利用壓電效應(yīng)原理制成的。

晶體濾波器的材料是石英晶體。

石英是一種天然礦石，采用切割工藝，按照一定方位將晶體切成薄片，切片的尺寸和厚度隨工作頻率不同而不同。

石英晶片切割加工后，兩面敷銀，再用引線引出，封裝即成。

3.聲表面波濾波器

濾波器的基片材料是石英、鈮酸鋰、鈦酸鋇等壓電晶體，經(jīng)表面拋光后在晶體表面蒸發(fā)上一層金屬膜，并經(jīng)光刻工藝制成如圖2.4.9(a)所示的兩組相互交錯的叉指形金屬電極，它具有能量轉(zhuǎn)換的功能，所以稱為叉指換能器。

在聲表面波濾波器中，輸入端和輸出端各有一個這樣的換能器。

當(dāng)在一組換能器兩端加上交流信號電壓時，由于壓電晶片的反壓電效應(yīng)，壓電晶片產(chǎn)生彈性振動，并激發(fā)出與外加信號電壓同頻率的彈性波，即聲波。

這種聲波的能量主要集中在晶體的表面，深度僅為彈性波的一個波長，故稱聲表面波。

叉指電極產(chǎn)生的聲表面波，沿著與叉指電極垂直的方向雙向傳輸，其中一個方向的聲波被吸聲材料吸收，另

當(dāng)信號頻率等于叉指換能器的固有頻率ω0

時，換能器產(chǎn)生共振，輸出信號幅度最大，當(dāng)信號頻率偏離ω0

時，輸出信號幅度減小，所以聲表面波濾波器有選頻作用。

在諧振時，叉指換能器的等效電路可用電容C和電阻R

并聯(lián)組成的等效電路來表示，如圖2.4.9(b)所示。

圖2.4.9(c)為聲表面波濾波器的電路符號。

圖2.4.9聲表面波濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖、等效電路及電路符號

2.4.3集中選頻放大器實(shí)例

圖2.4.10(a)給出了用于電視機(jī)中放電路的聲表面波濾波器實(shí)用電路，圖2.4.10(b)是該電路的中頻放大器的幅頻特性，它是由SAWF來實(shí)現(xiàn)的。

經(jīng)過SAWF中頻濾波以后的圖像中頻(PIF)信號輸入到集成中放電路中，經(jīng)過三級具有AGC特性的中頻放大級放大后，送到視頻同步檢波器。

從圖2.4.10(b)可看到，采用聲表面波濾波器后，中放電路能夠獲得比LC中頻濾波器更優(yōu)良的幅頻特性。

圖2.4.10

圖2.4.11為彩色電視機(jī)中由多個陶瓷濾波器組成的色度信號與伴音信號分離電路。彩色電視機(jī)中，從視頻檢波出來的信號同時包含有中頻頻率為6.5MHz、帶寬為130kHz的調(diào)頻伴音信號及中頻頻率為4.43MHz、帶寬為1.3MHz的色度信號。

圖2.4.11彩色電視機(jī)色度信號與伴音信號分離電路

2.5電噪聲與噪聲系數(shù)

2.5.1電子噪聲的基本概念在通信設(shè)備及高頻儀表中，除了有用信號外，還有許多不需要的信號，一般稱之為干擾及噪聲。

通常將有確定來源、有規(guī)律的外部與內(nèi)部的無用信號稱為干擾，如50Hz的電源干擾、工業(yè)干擾及無線電波干擾等；將電子線路中某些元器件產(chǎn)生的隨機(jī)起伏的電信號稱為噪聲，因?yàn)檫@種信號都是與電子或載流子的電擾動有關(guān)，故統(tǒng)稱為電子噪聲。

1.電阻的熱噪聲

根據(jù)物理學(xué)的觀點(diǎn)，構(gòu)成物質(zhì)的所有粒子(包括帶電的微粒———自由電子)都處于熱運(yùn)動狀態(tài)。

一個具有一定電阻值的導(dǎo)體，由于有一定的溫度，導(dǎo)體中的自由電子處于不規(guī)

則的熱運(yùn)動，通過導(dǎo)體任一截面的自由電子數(shù)目是隨時間而變化的，即使在導(dǎo)體兩端無外加電壓，在導(dǎo)體中也會有由于這種熱運(yùn)動而引起的電流，這種呈起伏狀態(tài)的電流稱為起伏噪聲電流。

根據(jù)熱力學(xué)統(tǒng)計理論和實(shí)踐證明，在電阻R兩端產(chǎn)生的熱噪聲電動勢的均方值為

式中：K

為波爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×1023

焦耳/度(絕對溫度)；T

為電阻的絕對溫度(K)，0K=-273℃；Bn

為表示能夠通過接收機(jī)(或網(wǎng)絡(luò))的噪聲頻譜寬度，亦稱等效噪聲帶寬。

2.電子器件的噪聲

1)電子二極管的噪聲

目前廣泛采用電子二極管作為標(biāo)準(zhǔn)噪聲發(fā)生器，供測試噪聲的儀器使用。

電子二極管的噪聲是一種典型的散粒噪聲。

電子二極管加上一定燈絲電壓后，燈絲(陰極)就發(fā)射電子，當(dāng)陽極正向電壓足夠大時，陽極電流就達(dá)到飽和值。

陽極電流的大小取決于陰極溫度，溫度愈高，陽極電流愈大。

2)晶體二極管的噪聲

同電子二極管一樣，晶體二極管的噪聲主要也是散粒噪聲。

3)晶體三極管的噪聲

晶體三極管的噪聲問題比較復(fù)雜，產(chǎn)生噪聲的原因也比較多，例如有基極體電阻的熱噪聲、載流子運(yùn)動的散粒噪聲、分配噪聲、渡越噪聲、1/f噪聲等等。

晶體管的噪聲對頻率也不是均勻分布的，在低頻段是隨工作頻率的升高而下降，在某頻段表現(xiàn)為均勻的，超過某頻率又迅速增大。

晶體管的噪聲還與工作狀態(tài)、信號源內(nèi)阻有關(guān)。

總之，計量晶體管的噪聲要以實(shí)驗(yàn)為主，一般計量其總效果，用噪聲系數(shù)表示。

晶體管手冊中，通常給出某頻段和某工作狀態(tài)時的噪聲系數(shù)。

3.噪聲系數(shù)與噪聲溫度

從效果來看，一個實(shí)際線性網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能好壞，可以用它的輸出噪聲電平大小或輸出信噪比的高低來衡量。

而實(shí)際上，這兩個參量并不能真正反映網(wǎng)絡(luò)本身的噪聲性能。首先，網(wǎng)絡(luò)的輸入端總要與信號源相連，因此網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲中，不僅有網(wǎng)絡(luò)本身的，也有來自信號源內(nèi)阻的熱噪聲。

其次，網(wǎng)絡(luò)輸出端的信噪比總是與輸出信號強(qiáng)度有關(guān)，而輸出信號強(qiáng)弱又與輸入信號強(qiáng)度和網(wǎng)絡(luò)增益等特性有關(guān)。

再次，在由多個網(wǎng)絡(luò)組成的系統(tǒng)中，單純考慮整個系統(tǒng)的輸出信噪比，并不能說明各個網(wǎng)絡(luò)對此信噪比的影響程度，也就不能確切地掌握改進(jìn)整個系統(tǒng)輸出信噪比的方向。

1)噪聲系數(shù)的定義

圖2.5.1所示為一線性四端網(wǎng)絡(luò)，其中Si為網(wǎng)絡(luò)的輸入信號功率，Ni為網(wǎng)絡(luò)的輸入噪聲功率(信號源內(nèi)阻RS

產(chǎn)生的噪聲)，So為網(wǎng)絡(luò)的輸出信號功率(So=KP·Si)，No

為網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率，NA

為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲在輸出端產(chǎn)生的功率。圖2.5.1線性四端網(wǎng)絡(luò)

對于一個線性四端網(wǎng)絡(luò)，其噪聲系數(shù)

NF

的定義如下：

即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸入端接上一個標(biāo)準(zhǔn)信號源時，它的輸入端信噪比與輸出端信噪比之比值，就稱為該網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)。

2)噪聲溫度

在許多情況下，特別是在低噪聲系統(tǒng)中，如衛(wèi)星通信地面站的接收機(jī)中，常用噪聲溫度Te

而不用

NF

來表示設(shè)備的噪聲性能。

Te

的定義是：假設(shè)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的噪聲功率

NA