《通信电子线路》课件2谐振回路2

1、2.1 谐振回路 2.2 小信号谐振放大器 思考题与习题 第 2 章 小信号谐振放大器 2.2 小信号谐振放大器一、概述1.放大器的分类：2.定义：将具有谐振性质的负载接到集成宽带放大器或晶体管等放大器件输出端而构成的放大器称为小信号谐振放大器。特点：具有选频和放大特性。按信号大小分按级数分按放大与选频功能的布局分小信号谐振放大器（线性）大信号谐振放大器（非线性）单级单调谐多级单调谐分散选频集中选频3.高频小信号放大器的特点：频率高：几百kHz几百MHz；带宽 为几kHz几十MHz。小信号：工作在线性段（甲类）如TV的高频头、中放 。4.性能指标：谐振增益：指放大器在谐振频率上的电压增益，表示

2、对有用信号的放大能力。(20lgAv 电压增益；10lgAp功率增益) 通频带：放大器的增益比谐振增益下降3分贝时的上下限频率之差值。BW0.7称为0.7通频带或3分贝通频带。选择性：指通频带以外的某一特定频率上的增益与谐振增益的比值。表示对通频带以外的干扰信号的抑制能力。矩形系数：当放大器的幅频特性为理想矩形时，可解决通频带与选择性的相互矛盾。所以按理想情况，谐振曲线应为一矩形。为了表示实际曲线接近理想曲线的程度，引入“矩形系数”，它表示对邻道干扰的抑制能力。 （b）(a)集成宽带放大器集 中滤波器集中选频电路 集中选频放大器把放大和选频两种功能分开处理。在集中选频放大器里, 先采用矩形系数

3、较好的集中滤波器进行选频, 然后利用单级或多级集成宽带放大电路进行信号放大。前者以集中预选频代替了逐级选频, 减小了调试的难度, 后者可充分发挥线性集成电路的优势。 分散选频电路器 件谐 振回 路器 件谐 振回 路二、集中选频小信号谐振放大器引言组成：非谐振宽带放大高频选择性滤波非谐振宽带放大：大增益，宽频带直接耦合、RC耦合、变压器耦合滤波器：LC带通、陶瓷、石英、声表面波滤波器集中滤波器1.石英晶体滤波器 石英是矿物质硅石中的一种（也可人工制造），化学成分是SiO2，其形状为结晶的六角锥体。图(a)表示自然结晶体，图(b)表示晶体的横截面。 为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英

4、晶体内画出三种几何对称轴，连接两个角锥顶点的一根轴ZZ，称为光轴，在图(b)中沿对角线的三条XX轴，称为电轴，与电轴相垂直的三条YY轴，称为机械轴。石英晶体具有正、反两种压电效应。所谓压电效应，就是当石英晶体沿某一电轴受到交变电场作用时，就能沿机械轴产生机械振动，反过来，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场。所以说石英晶体实际上是一个能把机械能转换为电场能，又能把电场能转换为机械能的可逆换能器，且换能性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高。 石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性，因而存在着固有振动频率，当晶体片的固有频率与外加电源频率相等时，晶体片就产生谐振。1. 符号及等效电路 当

5、晶体振动时，惯性能和弹性能相互转换。根据这一物理事实，由机电类可以将晶体等效为一个串联谐振电路，可用集中参数Lq、Cq、rq来模拟，Lq为晶体的质量（惯性），Cq 为等效弹性模数，rq 为机械振动中的摩擦损耗。电容C0称为石英谐振器的静电容。其容量主要决定于石英片尺寸和电极面积。 2. 石英谐振器的等效电抗：（阻抗特性） 石英晶体有两个谐振角频率。一个是左边支路的串联谐振角频率q，即石英片本身的自然角频率。另一个为石英谐振器的并联谐振角频率p。串联谐振频率 并联谐振频率 Q值较陶瓷更高， q与p差更小，而且矩形系数更好。2.陶瓷滤波器 利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器，称为陶瓷滤波器。它

6、常用锆钛酸铝Pb(zrTi)O3压电陶瓷材料（简称PZT）制成。这种陶瓷片的两面用银作为电极，经过直流高压极化之后具有和石英晶体相类似的压电效应。优点：容易烧制，可制成各种形状；适于小型化；且耐热耐湿性好。它的等效品质因数QL为几百，比石英晶体低但比LC滤波高。1. 符号及等效电路图中C0 等效为压电陶瓷谐振子的固定电容；Lq 为机械振动的等效质量；Cq 为机械振动的等效弹性模数；Rq为机械振动的等效阻尼；其等效电路与石英晶体相同。 其串联谐振频率 并联谐振频率 式中，C 为C0和Cq串联后的电容。 2. 陶瓷滤波器电路： (1) 三端陶瓷滤波器：特点：Q值达几万、几十万，选择性好，但矩形系数

7、不够好。123在串联谐振频率时，等效阻抗最小（20欧），在并联谐振频率时，等效阻抗最大。 (2) 四端陶瓷滤波器： 如将陶瓷滤波器连成如图所示的形式，即为四端陶瓷滤波器。图(a)为由二个谐振子组成的滤波器，图(b)为由五个谐振子组成四端滤波器。谐振子数目愈多，滤波器的性能愈好。 下图表示陶瓷滤波器图(a)的等效电路。适当选择串臂和并臂陶瓷滤波器的串、并联谐振频率，就可得到理想的滤波特性。若2L1的串联频率等于2L2的并联频率，则对要通过的频率2L1阻抗最小，2L2阻抗最大。例若要求滤波器通过4655 kHz的频带，则要求fq1 = 465 kHz，fp2 = 465kHz，fp1 = (465

8、 + 5) kHz，fq2 = (465 5) kHz。3.声表面波滤波器 声表面波滤波器SAWF（Surface Acoustic Wave Filter）是一种以铌酸锂、石英或锆钛酸铝等压电材料为衬底（基体）的一种电声换能元件。 1. 结构与原理： 声表面波滤波器是在经过研磨抛光的极薄的压电材料基片上，用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉指状电极，其中与信号源连接的一组称为发送叉指换能器，与负载连接的一组称为接收叉指换能器。当把输入电信号加到发送换能器上时，叉指间便会产生交变电场，形成波纹，利用原子、分子来传输，中心频率更高。 Rs Us RL 压电基片 发送叉指 换 能 器 接收叉指 换

9、能 器 吸声材料 2. 符号及等效电路： 声表面波滤波器的符号如图(a)所示，图(b)为它的等效电路。 其左边为发送换能器，is和Gs表示信号源。G中消耗的功率相当于转换为声能的功率。右边为接收换能器，GL为负载电导，GL中消耗的功率相当于再转换为电能的功率。 3. 特点： 工作频率高，中心频率在10MHz1GHz之间，且频带宽，相对带宽为0.5%25%。 尺寸小，重量轻。动态范围大，可达100dB。 由于利用晶体表面的弹性波传送，不涉及电子的迁移过程，所以抗辐射能力强。 温度稳定性好。 选择性好，矩形系数可达1.2。 L的作用是提高晶体管的输入电阻（在中心频率附近与晶体管输入电容组成并联谐振

10、电路）以提高前级（对接收机来说是混频级）负载回路的有载QL值，这有利于提高整机的选择性和抗干扰能力。为了保证对信号的选择性要求, 声表面波滤波器在接入实际电路时必须实现良好的匹配，然后再接到有宽带放大特性的主中频放大器。集成宽放1.低噪声集成电路（FZD1）前置中频放大器输入：对T1、T3共发、共基输出：T4、T5共集，组成一个电路带负载能力强，T4可减少输入对输出的影响T5T4T1T3T21567111089VEE2.中频集成电路（FZ1）原理同上三、分散选频小信号谐振放大器单级单调谐1.实用电路实际线路2. 分析方法等效电路法：实用电路静态分析交流电路小信号等效电路列方程求性能指标VCC降

11、压耦合第一步静态分析：画出直流通路：将C视为开路，将L视为短路，再求静态工作点。交流等效电路 第二步：交流电路3.1晶体管高频等效电路参数等效电路）。另一是形式等效电路（）等效电路。 一是物理模拟（混合3.晶体管等效电路 物理参数等效电路（物理模拟，特点是物理概念清晰，容易接受） T型等效电路：主要用于分析高频电路 混合型等效电路：主要用于分析宽频带电路 网络参数等效电路（功能模拟或形式模拟t特点是分析计算简便， 比较抽象） h参数等效电路：主要用于分析低频电路 y参数等效电路：主要用于分析高频调谐电路（一）、混合型等效电路图3.1 晶体管高频共发射极混合型等效电路； 基区体电阻, 约发射结电

12、阻折合到基极回路的等效电阻,约几十欧到几千欧；（晶体管混合等效电路及其单向化动画）：发射结电容, 约10皮法到几百皮法； ：集电结电阻, 约10k10M； ：集电结电容, 约几个皮法； ：晶体管跨导, 几十毫西门子以下； 各参数有关的公式如下： 其中:是发射极静态电流, 是晶体管低频短路电流是晶体管特征频率。放大系数,注意:各参数均与静态工作点有关。 另外，常用的晶体管高频共基极等效电路如图3.2图（a）所示，图 (b)是简化等效电路。图3.2 晶体管高频共基极等效电路及其简化电路 （二）、参数等效电路 双口网络即具有两个端口的网络，如图3.3所示。 参数方程是选取各端口的电压为自变量, 电流

13、为应变量, 其方程如下 图3.3 双口网络其中 四个参量均具有导纳量纲，即 所以参数又称为短路导纳参数, 即确定这四个参数时必须使某一个端口电压为零, 也就是使该端口交流短路。图3.4 共发射极接法的晶体管参数等效电路 如共发射极接法的晶体管, 如图3.4所示, 相应的参数方程为 式中， 分别称为输入导纳、反向传输导纳正向传输导纳和输出导纳。 其中 图3.4 共发射极接法的晶体管参数等效电路 （三）、参数与混合 参数的关系, Yi输入导纳, Yr反向传输导纳, Yf正向传输导纳, Yo输出导纳Y参数等效电路再将T用Y参数等效所以最终得到如下结果：最后求性能指标：1.谐振增益谐振时，3.通频带：

14、令S 2.选择性：带外某特定频率点上AV与AV0之比4.矩形系数结论：单调谐回路放大器的矩形系数远大于1，故其邻道选择性差，这是单调谐回路放大器的缺点。实际放大器的设计是要在满足通频带和选择性的前提下, 尽可能提高电压增益。注：选择性与通频带是 矛盾的一对例2.3 已知工作频率0=30MHz, cc=6,e=2 mA。晶体管采用型高频管。其参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下：gL=12mS,CL=12pF；go=400S,Co=95pF；|yf|=583mS，|yr|=310S，回路电感=1.4H, 接入系数n1=1, n2=0.3, 0=100。负载是另一级相同的放大器。 求谐振电压增

15、益振幅u0和通频带07，并求回路电容是多少时, 才能使回路谐振？多级单调谐 从对单管单调谐放大器的分析可知, 其电压增益取决于晶体管参数、 回路与负载特性及接入系数等, 所以受到一定的限制。若单级放大器的增益不能满足要求，就可以采用多级级联放大器。级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发生复杂的变化。1.增益设放大器有级, 各级电压增益振幅分别为V1, V2, , Vn, 则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积, 即2.选择性：等于各级选择性的相乘积3.通频带：令Sn例2.4 某中频放大器的通频带为MHz, 现采用两级 或三级相同的单调谐放大器, 两种情况下对每一级 放大器的通频带要求各是

16、多少？结论：级数增加，通频带越窄，但选择性越好。4.矩形系数级数n12345678910矩形系数Kn01 9.954.903.743.403.203.103.002.932.892.852.56单调谐放大器矩形系数与级数的关系 从表中可以看出, 当级数增加时, 放大器矩形系数有所改善, 但这种改善是有一定限度的, 最小不会低于2.56。 由上述公式可知, 级相同的单调谐放大器的总增益比单级放大器的增益提高了, 而通频带比单级放大器的通频带缩小了, 且级数越多, 频带越窄。 换句话说, 如多级放大器的频带确定以后, 级数越多, 则要求其中每一级放大器的频带越宽。所以, 增益和通频带的矛盾是一个严

17、重的问题, 特别是对于要求高增益宽频带的放大器来说, 这个问题更为突出。这一特性与低频多级放大器相同。 为了使单调谐放大器的谐振特性更接近理想矩形，可以将多级放大器中的每一级回路按一定规律分别调谐在不同的频率上。其中最常用的是双参差调谐放大器。双调谐回路放大器 对于单调谐回路放大器来说，存在的缺点是选择性差，增益、通频带和选择性之间的矛盾突出。但其电路简单，易于调试。 而对于双调谐回路放大器来说，单级双调谐回路放大器的矩形系数为3.16，选择性变好了。级数n12345矩形系数Kn01 3.22.21.951.851.76特点：级数增加时，矩形系数下降，所以选择性变好， BW下降不多。 缺点：调

18、整较复杂。应用：电子管电路，高质量的晶体管电路。2.3 调谐放大器的稳定性2.3.1 晶体管内部反馈的影响前面的讨论中，假设了 ，实际上 ，因而将引起内部反馈，使放大器不稳定甚至自激。一、放大器调试困难由于晶体管的结电容 ，使 ，从而形成内部反馈，且随着工作频率的升高，这种反馈越来越强。内部反馈使放大器的输入和输出导纳分别与负载及信号源导纳有关，在调整输出回路时（即改变YL），放大器的输入端就受到影响；同样，调整输入回路时，YS改变了，放大器的输出导纳也随之改变，这时输出电路的调谐和匹配又发生了影响。因此调整工作需要反复进行多次。2.3二、放大器工作不稳定晶体管内部反馈的另一有害影响是使放大器

19、的工作不稳定，如图2.3.1所示。图2.3.1 晶体管内部负反馈对频率特性的影响 （动画）2.3.1（稳定性分析、输入、输出阻抗动画）2.3.2 解决的方法一、上述问题的两个解决途径1、从晶体管本身想办法，因为 主要由 决定，从晶体管制造工艺的着手，减小 达到减小反向传输导纳的目的。 2、在电路上想办法把 的作用抵消或减小。也就是说，从电路上设法消除晶体管的反向传输作用，使它变为单向器件。单向化的方法有两种，即中和法和失配法。 2.3.2二、单向化方法1.中和法 这种方法是在放大器的线路中插入一个外加的反馈电路来抵消 内部反馈的影响，称为中和。这相当减小了晶体管的，放大器可以稳定地工作。如图2

20、.3.2所示。 2.3.2图2.3.2 中和原理完全中和时，等效反向传输导纳等于零，即 内部反馈全部抵消，由图2.3.2知： 这时有：必须指出： 与频率有关，为了在所有频率下使 ,必须使 与 电路的单向化，使输出完全不受输入的影响。但是，要使 与 率点起到中和作用。 图2.3.3是接收机中常用的中和电路。2.3.2的频率特性相同，才能实现放大一样是不可能的，实际电路中只能在一个频图2.3.3 放大器中的中和电路2. 失配法 失配是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配、晶体管输出端的负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。 用失配法实现晶体管单向化常用的办法是采用共射共基级联电路组成的调谐放大器，其稳定性较高，得到了广泛的应用。2.3.2 图2.3.4 共发射极共基极级联的复合管 小结 (1)各种形式的