通信电子电路第2章完整版本.ppt

通信电子电路 何丰主编重庆邮电学院人民邮电出版社 第二章高频小信号选频放大器的结构与电路2 1概述2 2主要性能指标和基本单元电路2 3较理想的小信号选频放大电路模型2 4小信号谐振放大器的稳定性问题2 5信号与电路及结构 第二章高频小信号选频放大器的结构与电路 本章讲的高频小信号选频放大器就是其中之一 除此以外 还有第八章的限幅放大器 第九章的锁相环滤波电路等 这些电路的共同特点是 只对共存于输入端的有用信号进行选择性处理 即它能尽可能地减少存在于同一时间 同一电路空间的无用输入信号对有用输出信号的影响 2 1概述 高频小信号选频放大器由放大部分和选频部分按级联方式构成 具体分为 先放大后选频 先选频后放大 以及选频 放大 再选频的三种基本模式 2 1概述 2 1概述 放大部分的核心元器件是增益元器件 如三极管 场效应管 集成运放或专用集成放大器等 本章将对小信号选频放大器的主要性能指标 电路稳定性 以及具体电路的应用进行讨论 2 2主要性能指标和基本单元电路 常见的基本指标如下 一 增益增益定义为放大器的输出信号电量与输入信号电量的比值 用A加下标来表示 图2 2 1 b 为一典型增益的幅频特性曲线 2 2主要性能指标和基本单元电路 2 2主要性能指标和基本单元电路 二 通频带通频带定义为放大器的增益比最大增益下降3dB时的上限截止频率与下限截止频率之差 用BW0 7表示 三 选择性选择性表示放大器对通频带以外的各种干扰信号及其噪声的滤除能力 或者说 从各种干扰中选出有用信号的能力 2 2主要性能指标和基本单元电路 为了评价实际幅频特性曲线接近理想矩形的程度 我们引入矩形系数K0 1来表示 其定义为 K0 1 BW0 1 BW0 7 2 2 1 式中 BW0 1是增益下降到最大值的0 1倍时的频带宽度 此频带内的频率分量能通过放大器 但不一定能被正常放大 BW0 1以外的频率分量被放大器所抑制 BW0 1和BW0 7之间的频率范围称为过渡带 2 2主要性能指标和基本单元电路 对于满足带宽要求的选频放大电路来说 可以采用S参数的方法来表示图2 2 1 b 的选择性 S参数定义为 过渡带内的某特定频率条件下的增益A 1 与通频带内的最大增益AO的比值 即 S A 1 AO 2 2 2 显然 S值越小的电路选择性越好 2 2主要性能指标和基本单元电路 四 工作稳定性这是指选频放大器中的非线性放大元器件的偏置 交流参数 以及其它电路元件参数发生变化时 电路性能的稳定程度 五 噪声系数与低频放大器一样 选频放大器的输出噪声也来源于输入端和放大电路本身 噪声系数是用来反映电路本身噪声大小的技术指标 现在以谐振回路作为负载的选频放大器 即谐振放大器为例进行分析 图2 2 2 a 是原理图 b 是交流等效电路图 2 2主要性能指标和基本单元电路 2 2主要性能指标和基本单元电路 2 2 2以放大和选频两部分的组成结构为线索 分析图2 2 2 a 电路中各元件的作用 2 2 3在工作点设置合理的情况下 图2 2 2 b 中三极管能否用不含结电容的小信号等效电路来等效 为什么 2 2主要性能指标和基本单元电路 根据计算电压增益的需求可整理得图2 2 3 a 图中n2为下级放大器对本级谐振回路的接入系数 即电感4 5端到1 3端的变比 在全耦合下 n2等于线圈匝比N45 N13 gZ表示电感本身在1 3端的总等效损耗电导 yi2为下级放大器的输入导纳 yo1为本级放大器的输出导纳 2 2主要性能指标和基本单元电路 考虑到PN结的结电容和极间电容 设三极管输入 输出参数为 yi2 gi2 j Ci2 2 2 3 yo1 go1 j Co1 2 2 4 为方便计算 现将电感1 2端的受控源和三极管的输出电阻等效到电感的1 3端 并最终等效为图2 2 3 b 所示电路 其中 2 2 5 2 2 6 式中 n1为三极管输出端对谐振回路的接入系数 即电感1 2端到1 3端的变比 在全耦合下 n1等于线圈匝比N12 N13 2 2主要性能指标和基本单元电路 根据图2 2 3 b 可以求出选频放大器的谐振频率 0 品质因数Q 常称为回路LC的有载品质因数 参考附录A的式 A 3 3 和式 A 3 4 可得 0 1 LCe 1 2 1 LC 1 2 2 2 7 Q 2 2 8 2 2主要性能指标和基本单元电路 由此可知 由于下级电路的输入导纳和本级放大元件的输出导纳的影响 LC回路的谐振频率 品质因数及谐振电阻都比空载时小 此外 由式 A 3 5 得输出电压 n1n2yfe1Vi j ge 1 j 2 2 9 其中 2Q 0 0 是回路的失谐系数 2 2主要性能指标和基本单元电路 放大器在谐振时的电压增益v0为 v0 v 0 n1n2 yfe1 ge 2 2 10 在 0 0 时 由式 A 3 6 得放大器的通频带为 BW0 7 0 Q ge Ce rad s 2 2 11 由式 A 2 12 和矩形系数的定义 推得放大器的矩形系数为 K0 1 102 1 1 2 9 96 2 2 12 2 2主要性能指标和基本单元电路 由以上分析 我们可以将电路各部分作如下安排 电路放大能力主要由三极管正向受控参数yfe确定 选频主要由选频回路LC确定 n1和n2主要用于调节三极管与选频回路 负载与选频回路之间的耦合关系 分别如图2 2 4所示 常称这类电路为LC集中选频式谐振放大器 2 3较理想的小信号选频放大电路模型 所谓较理想的小信号选频放大器是指具有较宽的通频带 更小的过渡带 即电路的选择性更为理想的小信号放大器 第一 从结构电路的观点出发 用谐振回路和增益元器件的不同组合进行电路总体性能的优化第二 从改善选频滤波部件出发 对其它材料构成的选频电路的性能进行讨论 2 3 1参差调谐的选频放大单元 所谓参差调谐 就是将两级单调谐放大器的谐振频率分别调谐在信号中心频率f0附近的两个不同频率点上 其中一级调谐在f01 f0 另一级调谐在f02 f0 上 如图2 3 1 a 所示上述两级放大器统称为一级参差调谐放大器 或一个基本参差调谐放大器单元 2 3 1参差调谐的选频放大单元 2 3 1参差调谐的选频放大单元 利用式 2 2 9 可得总的放大倍数 Av j Av1 j Av2 j n1n2yfe ge 2 1 j 1 1 j 2 2 3 1 设一级的电容为C1 谐振频率为 01 0 另一级的电容为C2 谐振频率为 02 0 在 0 条件下 两极放大器的品质因素近似相等 令为Q 这样 1 2Q 01 01 2Q 0 0 2 3 2 2 2Q 02 02 2Q 0 0 2 3 3 Av j K 4Q2 2 02 4Q2 0 2 j4Q 0 0 2 3 4 2 3 1参差调谐的选频放大单元 其中 K n1n2yfe 0 ge 2 此外 观察图2 3 1 a 可以想到 1 在 较大时 Av 将在 0附近出现下凹现象 2 在 较小时 Av 将在 0频率出现最大值 由此 我们可以找到一特定的 值 使Av 在 0刚好不下凹 即只要 大于特定值 Av 就会出现下凹现象 常称这时的Av 为最平坦特性 2 3 1参差调谐的选频放大单元 可以证明 最平坦特性时 应满足 即 0 2Q 2 3 5 这时 Av0 Av 0 0 5 n1n2 yfe ge 2 2 3 6 BW0 7 1 414 0 Q 2 3 7 K0 1 3 15 2 3 8 2 3 2双调谐回路的选频放大单元 我们称两个谐振回路相互耦合的电路为双耦合回路 具体耦合方式有 电容耦合 互感耦合两种 图2 3 2 a 为并联式互感耦合放大电路 2 3 2双调谐回路的选频放大单元 由此可推得 Av j jn1n2yfe ge 1 2 2 j2 2 3 9 式中 kQ M 0C Lge 式 2 3 9 与式 2 2 4 类似 所以在满足式2 2 1 2 2 2 即 1时 电路处于最平坦情况 也称临界耦合 2 3 2双调谐回路的选频放大单元 这时 可以证得 Av0 Av 0 0 5 n1n2 yfe ge 2 3 10 BW0 7 1 414 0 Q 2 3 11 K0 1 3 15 2 3 12 可见 临界耦合双调谐回路谐振放大器的矩形系数与参差调谐放大器相同 其选择性比单调谐回路谐振放大器好 2 3 2双调谐回路的选频放大单元 2 3 2双调谐回路谐振放大器为何要采用n1 n2为代表的抽头方式将放大器与谐振回路相连接 2 3 3参差调谐放大器相对于双调谐回路放大器来说 其选频频率更容易在电路实现时得到控制 为什么 2 3 3多级单元电路的谐振放大器 假定多级单元放大器由几个相同参数 包括增益元器件和选频参数 的单元放大器组成 则n级单元放大器的总增益函数可以用一个单元的增益函数来表示 即 A j A1 j n 2 3 13 表2 3 1和表2 3 2给出了相关的数据 其中放大器的3dB带宽BW0 7 BW0 7单 在最平坦条件下 双谐振回路的情况与参差调谐相似 例题2 3 1已知单回路谐振放大单元电路如图2 2 2所示 电路的谐振频率f0 10 7MHz 回路品质因数Q 40 接入系数n1 0 5 n2 0 1 谐振回路总电容Ce 100pF 晶体三极管的 yfe 38 5mS 问 由上述放大器组成的四级单元放大器 即同步调谐放大器的总谐振电压增益和带宽 解 由式 2 2 9 得单级单元电路增益的幅频表达式 Av1 n1n2 yfe ge 1 j Av1 0 1 j 2 3 14 1 总的谐振增益为 A v0 Av1 0 4 n1n2 yfe Q 0Ce 4 1 27 104 2 求解3dB带宽 令 Av1 Av1 0 4 1 1 j 4 2 1 2得 1 2 21 4 1 1 2 即2Q f f0 f0 21 4 1 1 2 f1 2 0 5 f0 Q 21 4 1 1 2 f0BW0 7 f1 f2 f0 Q 21 4 1 1 2 115 9kHz 2 3 4其它选频电路的选频放大单元 随着技术的进步 由其它材料构成的选频性能优异的选频元件被用于选频电路中 这类元件具体有 晶体滤波器 陶瓷滤波器和声表面波滤波器 正因为如此 我们常采用集中选频放大的单元电路组成方案 即用多级放大来构成选频单元电路中的放大电路部分 2 3 4其它选频电路的选频放大单元 一 陶瓷滤波选频放大电路在研究中我们发现石英晶体材料和陶瓷材料都具有压电效应 即在材料发生机械变形时 它们的表面就会出现电荷 反之 当加有外电压作用时 它们也会产生机械变形 我们将石英晶体材料制作的元件称作石英晶体 陶瓷材料制作的元件称作陶瓷滤波器 2 3 4其它选频电路的选频放大单元 经进一步的研究 其等效电路如图2 3 3 a 所示 图中C0为静态等效电容 Lq Cq rq为串联等效回路 图中等效电路具有一个串联谐振频率和一个并联谐振频率 因此 可以实现与LC谐振回路相似的选频电路功能 图2 3 4是一个利用二端陶瓷滤波器作为选频电路的选频放大器 图中接于晶体管发射极的标有字母2L的元件 即为二端陶瓷滤波器 2 3 4其它选频电路的选频放大单元 二 声表面波滤波电路由于这种滤波元件在内部的信号传递过程中 利用了声表面波 因此称为声表面波滤波器 图2 3 5是声表面波滤波器的结构图 如果在叉指电极A组上加入交流信号 则会在材料表面上产生与外加信号同频率的周期振动 即为表面波 2 3 4其它选频电路的选频放大单元 2 4小信号选频放大器的稳定性问题 在实际工作中 为了减小增益元器件内部反馈带来的影响 我们可以考虑采用如下的措施 1 选用内部反馈小的放大电路 如集成宽带放大器 电流模放大电路等 2 采用外加反馈去综合增益元件内部反馈 使总反馈接近为零通常我们将使总反馈为零或减小的方法称为中和法 图中的电容CN被称为中和电容 利用图2 4 2 b 在考虑rbb 的条件下 可以证明 在Zn满足Zn nrb