西南科大-高频电子线路课件第二章

1、2.1 LC谐振与阻抗变换电路vLC谐振回路的主要特点就是具有选频作用：由多种频率分量组成的输入信号，经过谐振回路，只选出某些频率分量，而对其他的频率分量有不同程度的抑制作用。vLC谐振回路由电感和电容组成，根据连接方式不同可以分为串联谐振回路和并联谐振回路两种。vLC谐振回路是构成高频谐振放大器、正弦波振荡器及各种选频电路的基础电路。2.1.1 阻抗的串、并联变换等效变换的原则是等效等效变换的原则是等效变换前的电路与等效变变换前的电路与等效变换后的电路阻抗相等换后的电路阻抗相等22ppppppss2222ppppppjjjjRXR XR XRXRXRXRX等效变换前后回路的品等效变换前后回路

2、的品质因数应该相等质因数应该相等psspRXQRXps21RRQ2sp21QXXQ2ps1RQRps211XXQ当当Q值较大值较大(10)时时2psps,RQ RXX串联电路变换成等效的并联串联电路变换成等效的并联电路后，电路后，Xp与与Xs性质相同，大性质相同，大小基本不变，而小基本不变，而Rp是是Rs的的Q2倍倍2.1.2 串、并联谐振回路的基本特性1串联谐振回路串联谐振回路电感电感L和电容和电容C串联形成回串联形成回路，路，rL为电感线圈的损耗为电感线圈的损耗电阻，电容损耗可以忽略电阻，电容损耗可以忽略1) 串联谐振回路阻抗的谐振特性串联谐振回路阻抗的谐振特性s1jLZrLCsss1jL

3、UUIZrLC谐振频率谐振频率00112fLCLC或谐振时谐振时sminLZrsmaxLUIrsmaxs000smax0s1jjjjjjCLLLUUIQUCCrLUUILQUr 回路的品质因数回路的品质因数0011LLLLLQrCrrC谐振时，串联谐振回路电容和电感的电谐振时，串联谐振回路电容和电感的电压幅度比端口电压大压幅度比端口电压大Q倍。倍。1) 串联谐振回路阻抗的谐振特性串联谐振回路阻抗的谐振特性s00s00s12j1j1j1jeLLLLLLZrLrrQCrrZ002Q广义失谐广义失谐2ss1,arctanLZr000时，回路呈容性时，回路呈容性(相角为负值相角为负值)时，回路呈感性时

4、，回路呈感性(相角为正值相角为正值)时，回路阻抗最小并呈纯电阻性时，回路阻抗最小并呈纯电阻性smin1LLZrQC2) 串联谐振回路的谐振曲线与通频带串联谐振回路的谐振曲线与通频带max00111j1jIIQ2maxmax11IIIIarctan 信号偏离谐振回路的谐振频率时，谐振回路信号偏离谐振回路的谐振频率时，谐振回路的幅频特性下降为最大值的的幅频特性下降为最大值的 ( 0.7)时对时对应的频率范围，称为通频带，用应的频率范围，称为通频带，用BW0.7表示。表示。1/200.70.72fBWfQ 谐振回路的品质因数越大，通频带越窄谐振回路的品质因数越大，通频带越窄2并联谐振回路并联谐振回路

5、p0pppp00p0p1111121j1j1j1jrYCQZrLrLrrppp2,arctan1rZ p0pp0rCQCrrLL2max11UU00.7fBWQ0max0psspmaxss00jjjjjjCLICUCr IQIrUIIQILL 谐振时谐振时ppmaxLZrQCmaxs pUI r0011,2fLCLC00回路呈感性回路呈感性回路呈容性回路呈容性02.1.3 回路的部分接入与阻抗变换v信号源内阻或负载电阻直接并联在回路两端，将对回路的Q值、谐振频率影响较大，为解决这个问题，可用部分接入的阻抗变换电路，将它们折算到回路两端，以改善对回路的影响。1变压器部分接入的并联谐振回路变压器部

6、分接入的并联谐振回路变换前后回路元件功率相等变换前后回路元件功率相等222213451312s12s13ssLL,UUUUI UI URRRR，变压器部分接入的并联谐振回路与等效电路变压器部分接入的并联谐振回路与等效电路定义接入系数为定义接入系数为454512121213131313UNUNppUNUN，折合到谐振回路后的电阻和电流源折合到谐振回路后的电阻和电流源ssLL2212s1 s11RRRRppIp I ，2230211131220102432022213201212111()()IUCCpUCCICCUILLpUILLLL2电容、电感抽头的部分接入并联谐振回路电容、电感抽头的部分接入

7、并联谐振回路抽头接入并联谐振回路与等效电路抽头接入并联谐振回路与等效电路变换前后回路元件功率相等变换前后回路元件功率相等222223134313s23s13ssLLUUUUI UI URRRR，接接入入系系数数ssLLs1 s221211RRRRIp Ipp，折合到谐振回路后的电阻和电流源折合到谐振回路后的电阻和电流源121212C CCCCLLL221ZZpYp Y 或p 外外接接电电路路两两端端的的电电压压回回路路两两端端的的电电压压与与外外电电路路相相连连的的那那部部分分电电抗抗回回路路参参与与分分压压的的同同性性质质总总电电抗抗ssIpI 【例例2.1】 图图2.9(a)所示为所示为L

8、C并联谐振回路的应用原理图。信号源和负载以变压并联谐振回路的应用原理图。信号源和负载以变压器方式接入回路。已知线圈绕组的匝数分别为器方式接入回路。已知线圈绕组的匝数分别为N12=10，N13 =50，N45 =5，L13=10mH，回路固有品质因数，回路固有品质因数Q0=100，C=100pF，Rs=10k，Is=1mA，Cs=100pF，RL=2kW。试求实际回路的品质因数。试求实际回路的品质因数QL、通频带、通频带BW0.7和谐振时的输和谐振时的输出电压出电压Uo。图图2.9解：将图解：将图2.9(a)等效为图等效为图2.9(b)，各等效元件的参数计算如下，各等效元件的参数计算如下4512

9、12131311510NNppNN，22s1ss1sss2ss212s1s211j(j)510250(k )1004(pF)5Yp YCpCRRRRpCp C 因为所以2LL22102200(k )RRp 回路的等效总电感不变仍为回路的等效总电感不变仍为L13，而回路的等效总电容，而回路的等效总电容C为为s1004104(pF)CCC回路的实际谐振频率为回路的实际谐振频率为061213114.935(MHz)2210 10104 10fL C回路电感本身的等效损耗并联电阻为回路电感本身的等效损耗并联电阻为66p0010024.935 1010 1031000( )rQL等效后的回路谐振电阻等效

10、后的回路谐振电阻sLp/250/200/3124.24(k)RRRr有载品质因数有载品质因数3L6601324.24 1078.224.935 1010 10RQL通频带通频带600.7L4.935 1063.11kHz78.2fBWQ谐振时的输出电压谐振时的输出电压33o2o2s21 s1 1024.24 100.485(V)5 10Up Up I Rp p I R【例例2.2】 某接收机输入回路的简化电路如图某接收机输入回路的简化电路如图2.10所示。已知所示。已知C1=5pF，C2=15pF，Rs=75 ，RL=300 。为了使电路匹配，即负载。为了使电路匹配，即负载RL等效到等效到LC

11、回路回路输入端的电阻输入端的电阻RL=Rs，线圈初、次级匝数比，线圈初、次级匝数比N1/N2应该是多少？应该是多少？图图2.10RsLRN1N2LR C2C1RLL图2.10 例2.2图解：由图可见，这是自耦变压器电路与电容抽头式电路的级联。解：由图可见，这是自耦变压器电路与电容抽头式电路的级联。RL等效到等效到两端的电阻为两端的电阻为212LLLL221116CCRRRRpC RL等效到输入端的电阻为等效到输入端的电阻为22211L1LLL2216NNRp RRRNN如要求如要求RL=Rs，则，则21Ls216NRRN所以有所以有s12L0.12516RNNR2.2 小信号谐振放大器v小信号

12、选频放大器可分为两类：一类是以调谐回路为负载的调谐放大器，另一类是以滤波器为负载的集中选频放大器。v调谐放大器常由晶体管等放大器件与LC并联谐振回路或耦合谐振回路构成。v集中选频放大器把放大和选频两种功能分开，放大作用由宽频带放大器承担，选频作用由晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等承担。2.2.1 晶体管的Y参数等效电路晶体管共发射极电路晶体管共发射极电路晶体管的晶体管的Y参数网络方程参数网络方程bbeceierecbecefeoeIY UY UIY UY U晶体管的晶体管的Y参数等效电路参数等效电路cebiebe0ieieUIYgj CUbecoece0oeoeUIYgj CUYoe称

13、为输出导纳，称为输出导纳，goe、Coe分别称为输分别称为输出电导和输出电容出电导和输出电容Yie称为输入导纳，称为输入导纳，gie、Cie分别称为输分别称为输入电导和输入电容入电导和输入电容cecfebe0UIYUbebrece0UIYU正向传输导纳正向传输导纳反向传输导纳反向传输导纳2.2.2 单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器及其等效电路单调谐回路谐振放大器及其等效电路12113NpN45213NpN取取Yre=0单调谐回路谐振放大器及其等效电路单调谐回路谐振放大器及其等效电路gp表示电感线圈的等效并联损耗电导表示电感线圈的等效并联损耗电导222oeoeoe1oe1oe1oejjY

14、gCp Yp gp C222LLL2L2L2LjjYgCp Yp gp C22poeLp1oe2LGggggp gp g22poeLp1oe2LCCCCCp Cp C放大器输出电压放大器输出电压12febe12febe12febeo2o0112j1j()(1j)jp p Y Up p Y Up p Y UUp UfGCGCGGQLLfCGLGQ0010221oe2L1122()fLCL Cp Cp C1电压增益电压增益 与谐振电压增益与谐振电压增益uA0uAoo12feibe02(1j)uUUp p YAfUUGQf谐振电压增益谐振电压增益12fe012fe00uuup p YAGp p YA

15、AG负号表示放大器的输出电压与输入电负号表示放大器的输出电压与输入电压之间反相，但由于压之间反相，但由于Yfe是复数，有一个是复数，有一个相角相角fe，因此，一般来说，放大器输，因此，一般来说，放大器输出电压与输入电压之间的相位并非正好出电压与输入电压之间的相位并非正好相差相差1802放大器的通频带放大器的通频带相对电压增益相对电压增益00121juuAfAQf200121()uuAAfQf通频带通频带00.70.72fBWfQ 3矩形系数矩形系数理想的谐振放大器的谐振曲线应该是矩形，即对频率在通频带范理想的谐振放大器的谐振曲线应该是矩形，即对频率在通频带范围内的信号完全放大，对频率在通频带范

16、围外的信号完全抑制。为围内的信号完全放大，对频率在通频带范围外的信号完全抑制。为了衡量实际谐振放大器的谐振曲线与理想矩形之间的差别，我们使了衡量实际谐振放大器的谐振曲线与理想矩形之间的差别，我们使用矩形系数这个指标，定义为用矩形系数这个指标，定义为0.10.10.7BWKBW单调谐谐振放大器单调谐谐振放大器0.10.10299BWffQ 0.10.10.79910BWKBW理想的矩形系数为理想的矩形系数为1单调谐谐振放大器的选择性较差单调谐谐振放大器的选择性较差2.2.2 单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器及其等效电路单调谐回路谐振放大器及其等效电路12113NpN45213NpN取取Y

17、re=0【例例2.3】 单调谐放大器如图单调谐放大器如图2.13所示，下级采用与本级相同的电路，放大器的所示，下级采用与本级相同的电路，放大器的中心频率中心频率f0=465kHz，通频带，通频带BW0.7=15kHz。已知晶体管在中心频率及工作点上。已知晶体管在中心频率及工作点上的的Y参数为：参数为：gie=0.4mS，Cie=142pF，goe=55S，Coe=18pF，Yfe=36.8mS，略去略去Yre的影响；调谐回路的电感线圈的影响；调谐回路的电感线圈N13=120匝，匝，L13=586 H，Q0=150。试确。试确定回路其他参数并计算放大器的增益。定回路其他参数并计算放大器的增益。解

18、：解：1) 确定回路参数确定回路参数(1) 确定回路有载品质因数、总电导值和电感损耗等效并联电导值。确定回路有载品质因数、总电导值和电感损耗等效并联电导值。3030.7465 103115 10fQBW3601118.9( S)31 2465 10586 10GQL p3600113.9( S)1502465 10586 10gQL (2) 确定接入系数确定接入系数p1和和p2为了使输出功率尽量高，则要求电路满足匹配条件为了使输出功率尽量高，则要求电路满足匹配条件221oe2iepp gp gg则有则有221oe2iep112131oep245132ie22()0.411200.4149220

19、.121200.12142Gp gp ggGpNN pgGgpNN pg(3) 确定回路外接电容确定回路外接电容C232602222oe1oeie2ieoe11200(pF)(2)(2465 10 )586 100.41183(pF)0.151423(pF)20033194(pF)LLCfLCp CCCp CCCCC因为，所以2) 计算放大器的增益计算放大器的增益312fe060.41 0.1236.8 109618.9 10up p YAG2.2.3 多级单调谐回路谐振放大器1电压增益电压增益12nuuunAAAA每一级放大器的参数结构均相同每一级放大器的参数结构均相同12fe120() |

20、()21nnnnunp pYAAfQGf谐振时总的电压增益谐振时总的电压增益120fe|nnnp pAYG2通频带通频带11012121nnnfBWBWQ 级数级数n1234510.640.510.430.39121n频带缩减因子频带缩减因子3矩形系数矩形系数1/0.101001nnBWfQ1/0.10.11/100121nnnnnBWKBW级数级数n1234569.954.663.743.383.193.072.560.1nK2.2.4 调谐放大器的稳定性1. 影响调谐放大器稳定性的因素影响调谐放大器稳定性的因素bfeiiereieiboeLIYYYYYYUYY当反向传输导纳当反向传输导纳

21、时，反馈等效导纳时，反馈等效导纳 ，放大器的输入导纳不，放大器的输入导纳不等于晶体管的输入导纳。输出电压影响输入电流，放大器输出电路中的等于晶体管的输入导纳。输出电压影响输入电流，放大器输出电路中的晶体管参数晶体管参数 、 和集电极负载导纳和集电极负载导纳 均对放大器输入导纳有影响。均对放大器输入导纳有影响。在条件合适时，放大器的输出电压通过在条件合适时，放大器的输出电压通过 将一部分信号反馈回输入端，将一部分信号反馈回输入端，形成自激振荡。形成自激振荡。re0Y i0YfeYoeYLYreY2. 提高调谐放大器稳定性的方法提高调谐放大器稳定性的方法1) 失配法失配法当负载导纳很大时当负载导纳

22、很大时失配是指信号源内阻与晶体管输入阻抗不匹配，晶体管输出端负载失配是指信号源内阻与晶体管输入阻抗不匹配，晶体管输出端负载阻抗与本级晶体管的输出阻抗不匹配。阻抗与本级晶体管的输出阻抗不匹配。feiiereieoeLYYYYYYY这样可以认为输出电路对输这样可以认为输出电路对输入电路没有影响入电路没有影响失配法的典型电路是失配法的典型电路是“共发共发-共基共基”组态级联的放大器组态级联的放大器2) 中和法中和法中和法是指通过在晶体管的输出端与输入中和法是指通过在晶体管的输出端与输入端之间引入一个附加的外部反馈电路端之间引入一个附加的外部反馈电路(称为称为中和电路中和电路)来抵消晶体管内部参数来抵

23、消晶体管内部参数Yre的反馈的反馈作用。作用。11Nb cb c22LNCCCLN3)中和法与失配法比较中和法与失配法比较 中和法：中和法： 优点：简单，增益高优点：简单，增益高 缺点：缺点： 只能在一个频率上完全中和，不适合宽带只能在一个频率上完全中和，不适合宽带 因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不适于因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不适于 批量生产。批量生产。 采用中和对放大器由于温度等原因引起各种参采用中和对放大器由于温度等原因引起各种参 数变化没有改善效果。数变化没有改善效果。 失配法：失配法： 优点：性能稳定，能改善各种参数变化的影响；优点：性能稳定，能改善各种参数变化的影响； 频带宽，适合宽带放大，适于波段工作；频带宽，适合宽带放大，适于波段工作； 生产过程中无需调整，适于大量生产。生产过程中无需调整，适于大量生产。 缺点：增益低。缺点：增益低。 2.3 集中选频放大器集中选频放大器组成集中选频放大器组成特点：调