高频小信号放大器

【本章内容提要】本章具体介绍了射频放大电路中谐振回路的各种基本特性，对目前通信设备中广泛接受的集中选频网络进行全面介绍，对射频小信号放大器的电路结构和工作原理进行了深化分析。

【本章学习重点与要求】本章重点驾驭射频放大器的结构组成和性能特点，了解谐振回路的基本特性和参数，熟悉集中选频调谐网络的结构和性能，能看懂各种应用电路。

11.1高频小信号谐振放大器概述一.在无线通信中，放射与接收的信号应当适合于空间传输。所以，被通信设备处理和传输的信号是经过调制处理过的高频信号，这种信号具有窄带特性。而且，通过长距离的通信传输，信号受到衰减和干扰，到达接收设备的信号是特别弱的高频窄带信号，在做进一步处理之前，应当经过放大和限制干扰的处理。这就须要通过高频小信号放大器来完成。这种小信号放大器是一种谐振放大器。混频器输出端也接有这种小信号放大器，作为中频放大器对已调信号进行放大。2二.高频小信号放大器广泛用于广播、电视、通信、雷达等接收设备中，其主要功能是从所接收的众多电信号中，选出有用信号并加以放大，而对其他无用信号、干扰与噪声进行抑制，以提高信号的质量和抗干扰实力。高频小信号放大器是指放大高频小信号（中心频率在几百千赫到几百兆赫，频谱宽度在几千赫到几十兆赫，振幅在微伏至毫伏量级的范围内）的放大器。因此，高频小信号放大器不但须要有确定的增益，而且须要有选频实力。前者由双极型晶体管（以下简称晶体管）、场效应管或集成电路等有源器件供应，后者由LC谐振回路、陶瓷滤波器、石英晶体滤波器和声表面波滤波器等选频器件实现。高频小信号放大器也广泛用于其他电子设备中，如测量仪器，放射机等。3三.高频小信号放大器可分为两类：一类是以谐振回路为负载的谐振放大器；另一类是以滤波器为负载的集中选频放大器。它们的主要功能都是从接收的众多电信号中，选出有用信号并加以放大，同时对无用信号、干扰信号、噪声信号进行抑制，以提高接收信号的质量和抗干扰实力。小信号条件下工作的高频放大器，由于信号电压、电流幅度都很小，放大器件运用在甲类工作状态，放大电路可看作有源线性电路，因而可接受小信号等效电路来进行分析。由于高频小信号放大器的负载具有谐振特性，故接受导纳Y参数电路进行分析比较便利。4

四.高频小信号放大器主要性能指标有：谐振增益、通频带、选择性及噪声系数等。51.2LC谐振回路的选频特性一.谐振回路也称振荡回路，是最常用的选频网络，它由电感线圈和电容器组成。简洁的谐振回路有串联谐振回路、并联谐振回路，以及把两个或更多个串、并联谐振回路相互耦合联接起来的耦合谐振回路，它们是通信、广播电路中不行缺少的重要网络，其主要作用是选频。并联谐振回路在实际电路中用途更广泛，且二者具有确定对偶关系。6二.并联谐振回路1.电路图及等效转换电路图图1.1（a）LC并联谐振回路图1.1（b）等效转换电路→geo72.LC并联谐振回路的主要参数（1）回路谐振电导（2）回路总导纳8（3）谐振频率（角频率）（4）回路两端谐振电压（5）回路空载Q值9（6）单位谐振曲线谐振时，回路呈纯电导性，谐振导纳最小（或谐振阻抗最大），回路电压U与外加信号源频率之间的幅频特性曲线称为谐振曲线。谐振时，回路电压Uo最大。随意频率下的回路电压U与谐振时回路电压Uo之比称为单位谐振函数，记为N(f)，N(f)所对应曲线称为单位谐振曲线。10

从上式可以看出，在谐振点,Δf=0，U/U0=1。随着|Δf|的增大，U/U0将减小。对于同样的偏离值Δf，Q0越高，U/U0衰减就越多，谐振曲线就越尖锐，如图1.2所示。

Q1>Q211（7）通频带、选择性为衡量回路对不同频率信号的通过实力，定义单位谐振曲线N(f)≥时所包含的频率范围称为回路的通频带，用BW0.7表示，当并联谐振回路两端接有负载RL时，回路谐振频率不变，谐振时等效阻抗为R0∥RL，则回路的有载品质因数QL为12可见，在并联谐振回路两端接一负载RL，将减小QL，增大BW0.7；即若要增大谐振回路通频带，可以通过在回路两端并联一外接电阻实现。可见通频带与回路品质因数值成反比。选择性是指谐振回路对不须要信号的抑制实力，即要求在通频带之外，谐振曲线N(f)应陡峭下降，故Q值越高，谐振曲线越陡峭，选择性越好，但通频带却越窄。

13三.串联谐振回路（同学自己分析）Z依据与并联LC谐振回路的对偶关系，求出串联谐振回路的主要参数。14四.例题分析

例1.试设计用于收音机中频放大器中的简洁并联谐振回路。已知中频频率f0=465KHz，回路电容200pF，要求3dB带宽BW0.7=8KHz，试计算回路电感和有载QL值。若回路空载Q0=100，问回路应并联多大的电阻才能满足要求？例2.已知并联谐振回路的固有谐振频率为30MHz，线圈电感量L=0.75μH，空载品质因数Q0=60.求：（1）回路的通频带（空）；（2）若Q0、L和f0不变，而通频带变为2.5MHz时，如何实现？15例1.解：16例2.解：171.3变压器或LC分压式阻抗变换电路一.1.阻抗变换电路是一种将实际负载阻抗值变换为前级网络所须要最佳负载阻抗的电路。阻抗变换电路对于提高整个电路性能有着重要作用。182.考虑信号源内阻Rs和负载RL，回路如图：回路空载Q值：回路有载Q值：193.可见，QL小于Q0，且并联入的RS和RL越小，则QL越小，回路选择性越差。因此，必需设法消退接入信号源和负载对回路的影响。

接受阻抗变换电路可以变更信号源或负载对于回路的等效阻抗。若使Rs和RL经变换后的等效电阻增加，再与Reo并联，可是回路总电阻RΣ减小不多，故保证QL和Q0相差不大；若使信号源电容与负载电容经变换后大大减小，再与回路电容C并联，可是总等效电容增加很少，从而保证谐振频率基本保持不变。204.阻抗变换电路，依据电路构成不同，可分为：自耦变压器阻抗变换电路、变压器阻抗变换电路、电容分压式阻抗变换电路、电感分压式阻抗变换电路。21二.自耦变压器阻抗变换电路(a)(b)图(a)为自耦变压器阻抗变换电路,图(b)为考虑次级后的初级等效电路，为RL等效到初级的电阻。22图中，负载RL经自耦变压器耦合连接到并联谐振回路上，设自耦变压器损耗很小，可忽视，则初、次级线圈的功率P1、P2近似相等，且初、次级线圈上的电压之比等于匝数之比，N1:N2=1:n，则：P1=P2，U1:U2=1:n23对于自耦变压器，n总是小于或等于1的，故RL等效到初级回路后阻挡增大，从而减小了对回路的影响，n越小，越大，对回路影响越小，所以n的大型反应了外部接入负载（电阻负载与电抗负载）对回路影响大小的程度，可定义为接入系数。24三.变压器阻抗变换电路25四.电容分压式阻抗变换电路经推导，可得26五.电感分压式阻抗变换电路L=L1+L227六.例题分析

1．图示电容分压式并联谐振回路，已知C1=100pF，C2=400pF，RL’=2kΩ，电源频率ω0=rad/s，回路空载品质因数Q0=100，试求L和通频带BW0.7。282.某收音机输入回路的简化电路如图所示。已知C1=5pF，C2=15pF，Rs=75Ω,RL=300Ω，为了使电路匹配，即负载RL等效到LC回路输入端的电阻与Rs相等，求线圈的初、次级匝数之比N1:N2应当是多少？291.3晶体管高频小信号等效电路一.高频小信号放大电路1.分为：窄频带放大电路和宽频带放大电路。2.窄频带放大电路能对中心频率在几百KHz到几百MHz，频谱宽度在几KHz几十MHz内的微弱信号进行不失真的放大，不但须要确定的电压增益，而且须要有选频实力。

宽频带放大电路能对中心频率在几MHz到几百MHz较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大，故要求放大电路的下限截止频率很低（有时要求到零频），上限截止频率很高。303.窄频带放大电路由双极性晶体管、场效应管或集成电路等有源器件供应电压增益，LC谐振回路、陶瓷滤波器、石英晶体滤波器或声表面滤波器等实现选频功能。它有两种类型：以分立元件为主的谐振放大器和以集成电路为主的集中选频放大器。宽频带放大电路也是由晶体管、场效应管或集成电路等有源器件供应电压增益，为了绽开工作频带，不但要求有源器件的高频性能好，而且在电路结构上实行了一些改进措施。31二.晶体管高频等效电路1.晶体管在高频线性运用时常接受两种等效电路进行分析：一是混合π型等效电路；一是Y参数等效电路。2.混合π型等效电路是从模拟晶体管的物理机构动身，其优点是各元件参数物理意义明确，在较宽频带内元件值基本与频率无关，缺点是随期间不同而有不少差别，分析和测量不便利，故该型电路较适合分析宽频带小信号放大器。3.Y参数等效电路是从测量和运用的角度动身，把晶体管作为一个有源性双口网络，用一组网络参数构成其等效电路。优点是到处的表达式具有普遍意义，分析和测量便利，缺点是网络参数与频率有关。由于高频小信号放大器相对频带较窄，仅需考虑谐振频率旁边特性，故常接受之。32三.Y参数等效电路1.双端口网络双口网络是具有两个端口的网络。端口，指一对端子，且流入其中一个端子的电流总等于流出另一个端子的电流。332.Y参数方程是选取各端口的电压为自变量，电流为因变量，方程如下：其中y11、y12、y21、y22为导纳，且：故Y参数又称短路导纳参数，即确定这四个参数时必需使某一端口电压为零，也就是使端口沟通短路。343.以共射极晶体管电路为例，可将其看成一个双口网络。35Y参数等效电路363738Yie是晶体管输出端短路时的输入导纳（下标“ｉ”表示输入，“ｅ”表示共射组态），反映了晶体管放大器输入电压对输入电流的限制作用，其倒数是电路的输入阻抗。Yie参数是复数，Yie可表示为Yie=gie+jωCie，其中gie、Cie分别称为晶体管的输入电导和输入电容。Yre是晶体管输入端短路时的反向传输导纳（下标“r”表示反向），反映了晶体管输出电压对输入电流的影响，即晶体管内部的反馈作用。Yfe是正向传输导纳，表示输入电压对输出电流的限制作用。Yoe是晶体管输入端短路时的输出导纳（下标“o”表示输出），反映了晶体管输出电压对输出电流的作用，其倒数是电路的输出阻抗。39晶体管Y参数可通过测量得知，依据Y参数方程，分别使输入端或输出端短路，在另一端加上直流偏压和沟通信号，然后测量其输入或输出端的沟通电压、电流。查阅晶体管手册也可得到各型晶体管参数。40四.混合π型等效电路（略）

五.晶体管的高频参数（详见教材）411.4晶体管谐振放大器一.概述1.由晶体管、场效应管或集成电路与LC并联谐振电路组成的高频小信号谐振放大器，广泛用于广播、电视、通信、雷达等无线电接收设备中，作用是将微弱的有用信号进行放大并滤除不必要的噪声和干扰。2.谐振放大器的主要性能指标是：电压增益、通频带和矩形指数。42二.单管单调谐放大器1.电路组成及特点下图为一典型的单管单调谐放大器Cb和Cc分别是信号源（或前级)放大器及负载（或后级放大器）的耦合电容，Ce是旁路电容，C与L组成的并联谐振回路，作为集电极负载，其谐振频率应调谐在输入有用信号的中心频率上，负载与回路的耦合接受自耦变压器耦合与电容耦合方式，既可减弱负载导纳对回路的影响，又可使前、后级之间的阻抗匹配。432．电路性能分析谐振频率回路有载Q值电压增益电压增益振幅

44三.多级单调谐放大器假如多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上，则称为多级单调谐放大器。设放大器有n级，各级电压增益振幅分别为Au1，Au2，…，Aun，则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积，即n级放大器通频带45例.某中频放大器的通频带为6MHz，现接受两级或三级相同的单调谐放大器，两种状况下对每一级放大器的通频带要求各是多少？461.5电噪声一、概述1.噪声种类很多，有的是从外部窜扰进来的，称为外部噪声；有的是器件内部产生的，称为内部噪声。2.内部噪声主要有电阻热噪声、晶体管噪声、场效应管噪声三种。47二、电阻热噪声1.电阻热噪声电阻噪声电压波形48电阻热噪声是由于电阻内部自由电子的热运动产生的。自由电子的热运动在导体内形成特别微弱的电流，这种电流呈杂乱无章的起伏状态，称为起伏噪声电流，它通过电阻就会产生起伏噪声电压。492、起伏噪声电压的平均值为零，起伏噪声的均方值是确定的。3、在整个无线电频段内，具有匀整频谱的起伏噪声，称为白噪声。4、阻值为R的电阻产生的噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频谱密度分别为：SI(f)=4kT/RSU(f)=4kTR式中，k为玻耳兹曼常数，为1.38×10-23J/K；T为热力学温度，单位为K，确定温度T(K)与摄氏温度T(℃)间的关系为T(K)=T(℃)+273505、在频带宽度为BW内产生的热噪声均方值电流和均方值电压分别为：三、晶体管噪声：主要包括以下：1、热噪声：和电阻相同，在晶体管中，电子不规则的热运动同样会产生热噪声。其中基极电阻rbb′所引起的热噪声最大，放射极和集电极电阻的热噪声一般很小，可以忽视。2、散弹噪声：散粒噪声是晶体管的主要噪声源。散粒噪声这个词是