《模拟电子技术》课件第7章

7.1小信号选频放大器

小信号选频放大器的功能是从众多的高频微弱信号中，选出有用频率范围的信号并进行放大，它广泛应用于广播、通信、雷达等现代通信系统的接收设备中,如调幅广播接收机的中频放大器要求放大中心频率为465kHz、带宽为8kHz的中频信号；广播电视接收机的中频放大器要求放大中心频率为38MHz、带宽为8MHz的中频信号等等。

小信号选频放大器，通常根据选频网络的不同可分为由LC谐振回路构成的小信号选频放大器和由固态滤波器构成的小信号集中选频放大器两大类。7.1.1

LC谐振回路小信号选频放大器

1.LC并联谐振回路的基本特性

1）谐振频率、谐振电阻、品质因素和通频带

图7－1所示为一个标准的LC并联谐振回路。图中，r为电感L的等效损耗，在实际电路中通常很小，一般满足r远小于jωL，则LC并联谐振回路两端呈现的总阻抗为（7－1）图7－1LC并联谐振回路当式中的虚部为零时，回路发生谐振，可求得谐振角频率为（7－2）此时，回路呈纯阻，称为谐振电阻,用RP表示，即（7－3）引入回路固有（空载）品质因素Q0

：（7－4）将式（7－2）、式（7－3）和式（7－4）代入式（7－1）,整理得（7－5）（7－6）幅频特性和相频特性分别如式（7-7）和（7-8）所示。（7－7）（7－8）根据式（7－7）和式（7－8）可得到LC并联谐振回路的幅频和相频特性曲线，分别如图7－2（a）、（b）所示。图7－2

LC并联谐振回路的特性曲线

（a）幅频特性曲线;（b）相频特性曲线（7－9）结合图7－2和式（7－9）可知，当f0一定时，回路的Q0值越高，通频带越窄，选择性就越好，对于单谐振回路，通频带和选择性是一对矛盾。谐振回路的固有品质因素Q0是一个重要的参数，其值取决于L中的固有损耗。

2）信号源和负载的接入方式

在LC并联谐振回路的实际应用中，需要与激励信号源和负载相连接，这就必须要考虑信号源的内阻抗和负载阻抗对回路的性能影响，为了减小信号源和负载接入对回路性能的影响，通常采用阻抗变换电路。常用的阻抗变换电路有变压器阻抗变换电路、电感分压阻抗变换电路和电容分压阻抗变换电路等。图7－3变压器阻抗变换电路

(1)变压器阻抗变换电路变压器阻抗变换电路如图7－3所示。设变压器为理想的，并且初、次级绕组的匝数比为n=N1/N2，则初、次级电压、电流和阻抗满足下列关系式：（7－10）(7－11)

(2)电感分压阻抗变换电路电感分压（亦称自耦变压器）阻抗变换电路如图7－4所示。图中，M为L1和L2之间的互感量，若设L1和L2为无损耗的，则从功率相等的原理得（7－12）（7－13）图7－4电感分压阻抗变换电路

(3)电容分压阻抗变换电路图7－5所示为电容分压阻抗变换电路。若设C1和C2为无损耗的，则根据功率相等原理可得：即（7－14）图7－5电容分压阻抗变换电路图7－6采用变压器接入的LC谐振回路

解：根据阻抗变换原理将信号源及内阻抗和负载全部折算到并联谐振回路1、3两端，如图7－6（b）所示,则回路本身的谐振电阻为回路考虑信号源内阻和负载效应时的等效谐振电阻用RT表示，则回路的等效总电感不变仍为L13，而回路的等效总电容CT为此时，回路的等效品质因素，即实际品质因素称为有载品质因素,用QT表示，则回路的实际谐振频率为实际回路的通频带为谐振时的输出电压为通过本例分析可知，当LC并联谐振回路接入信号源和负载后，信号源的内阻抗和负载阻抗会对谐振回路的性能产生影响，使回路的实际等效谐振电阻变小、回路的实际品质因素下降和回路的谐振频率发生变化等。但经过阻抗变换电路后再接入，则只要适当选择接入系数（如本例中的n1和n2），就能降低这种影响，同时也能满足设计的要求。

2.单谐振回路选频放大器

1）晶体管的y参数等效模型

在晶体管的小信号高频等效模型中，根据不同的应用，通常有混合π类型等效模型和y参数等效模型两种。在高频小信号选频放大器中，常用y参数等效模型。

图7－7所示为晶体管的y参数等效模型，它是把晶体管作为线性双口网络得出的，其中，每个y参数都是静态工作点和频率的函数，并且是复数，一般都由测量获得，其名称分别为

2）单级单谐振回路选频放大器

图7－8所示是典型的单级单谐振回路选频放大器，简称为单级单调谐放大器。图中，RB1、RB2和RE为放大器的分压式直流偏置电路，CB和CE为高频耦合和旁路电容；放大器的输出回路通过电感分压阻抗变换方式接入到LC谐振主回路中，负载阻抗则通过变压器阻抗变换方式接入到LC谐振主回路中，其交流通路和相应的y参数等效电路分别如图7－9（a）和（b）所示。图7－7晶体管的y参数等效模型图7－8单调谐放大电路图7－9单调谐放大器的等效电路

（a）交流通路;（b）y参数等效电路;

（c）折算后的等效LC谐振回路由图7－9（c）得（7－15）（7－16）并由此可求得小信号单调谐放大器的性能：

(1)中心频率（谐振频率）f0

（7－17）

(2)有载品质因素QT

（7－18）(3)通频带BW0.7

（7－19）（7－20）再根据式（7－18）得回路外接电容为由式（7－17）得回路总电容为再根据式（7－16）得回路外接电容为最后根据公式（7－20）求得放大器的谐振增益为

3）集成电路单谐振回路选频放大器

在上述的单管放大器中，因晶体管的基极和集电极之间存在结电容，在高频工作时使输出、输入之间形成内反馈通路，它是造成放大器不稳定的重要因素之一。减小这种不稳定因素的方法之一就是采用共射-共基组合放大器来隔离输出、输入之间的内反馈通路，从而提高电路的稳定性。MC1590就是采用这种原理组成的典型集成放大器件，由它构成的集成电路单谐振回路选频放大器如图7－10所示。图7－10集成电路单调谐放大器

4）多级单谐振回路选频放大器的特点

为了满足增益的要求，往往将调谐在相同频率上的单级单谐振回路选频放大器级联成多级单谐振回路选频放大器。

根据多级放大器的特性可知，多级放大器的增益是各级放大器增益的乘积，而带宽则比单级放大器要窄。若设由n级谐振增益为A，通频带为BW0.7的完全相同的单级单谐振回路选频放大器组成的多级单谐振回路选频放大器，则可以证明多级单谐振回路选频放大器的增益A∑和通频带BW0.7∑分别为：（7－21）（7－22）

5）参差调谐选频放大器

为了解决单谐振回路选频放大器增益与通频带之间，以及通频带与选择性之间的矛盾，常采用参差调谐放大器。所谓参差调谐放大器,实际上是由若干级特性相同，但调谐在不同频率的单谐振放大器组成，常用的有两级构成的双参差调谐放大器和三级构成的三参差调谐放大器等。（7－23）称为临界偏调，此时整个双参差放大器合成的幅频特性曲线如图7－11（b）所示。由图可知，在临界偏调的情况下，双参差调谐放大器较好地解决了增益、通频带和选择性之间的矛盾。图7－11双参差调谐放大器

（a）高频通路；（b）幅频特性曲线7.1.2小信号集中选频放大器

在现代通信系统中，接收机中的中频放大器对增益、通频带和选择性的要求越来越高。上述分析的由单LC谐振回路和晶体管放大器构成的小信号选频放大器已不能满足要求，取而代之的是由宽带集成运算放大器和固态滤波器构成的小信号集中选频放大器。

1.集中选频滤波器

集中选频滤波器目前常由固态滤波器构成，常用的固态滤波器有晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等，它们的共同特点是具有接近理想矩形的幅频特性。现以声表面波滤波器为例，简要说明固态滤波器的工作原理。图7－12声表面波滤波器的结构示意图声表面波滤波器（SurfaceAcousticWaveFilter，简称SAWF）具有工作频率高（GHz数量级）、通频带宽（BW0.7/f0可达50%）、稳定性好、具有理想滤波特性和体积小等优点而广泛应用于现代通信设备中。图7－12所示为SAWF的结构示意图，它是以石英、铌酸锂、钛酸钡等压电晶体材料为基体，用真空蒸镀法及光刻工艺，在基体表面两端制成两组相互交叉的叉指状的金属电极换能器。其工作原理是：当其中一组换能器的两端加输入信号时，换能器的叉指间产生交变电场，由于压电效应，基体将产生弹性形变，激发出与输入信号同频率的弹性波（即声波），这种声波会沿着基体表面10μm深度内传播，故称为声表面波；在基体另一端上的一组换能器则将声波转换为电信号。

SAWF的性能除了与压电基体材料有关外，主要取决于叉指电极换能器的指条数、疏密度和长度等。因此，只要严格设计与精密制作叉指电极换能器，就能获得预期的频率特性，制成各种用途的滤波器。

2.集中选频放大器

图7－13所示为电视接收机中的中频放大电路，它是由声表面波滤波器构成的典型集中选频放大器。其基本工作原理是：来自高频头的射频信号，通过下变频器后成为中频信号，经过预中放放大后输入到SAWF集中滤波，成为符合要求的中频信号，再送入集成带宽放大器放大。其中的L1、L2和L3为外接调谐电感，用来抵消SAWF的输入、输出端内部分布电容的影响，实现滤波器输入、输出端对外的阻抗匹配。图7－13由SAWF构成的集中选频放大器 7.2高频谐振功率放大器

7.2.1谐振功率放大器的工作原理

1.丙类（C类）放大器的概念

通常放大器按照晶体管在信号周期内的导通情况，可分为甲类（A类）、乙类（B类）和丙类（C类），分别如图7－14（a）、（b）和（c）所示。从图中可知，甲类放大器，在信号的整个周期内晶体管完全导通，乙类只有半周导通，而丙类则小于半周；甲类放大器是一个线性放大器，乙类放大器也可以用推挽方法合成为线性放大器，而丙类放大器则是一个非线性放大器。图7－14甲、乙、丙类放大器的示意图

(a)甲类；(b)乙类；(c)丙类放大器为什么要工作在丙类呢？对于功率放大器而言，主要考虑的性能指标是输出功率、效率和非线性失真，而其中的效率和非线性失真是一对矛盾。晶体管在信号周期内的导通时间越长，损耗越大，效率就越低，所以在放大器中，甲类的效率最低（最大为50%），但非线性失真最小；乙类其次（最高效率为78.5%）；而丙类的效率最高（可达90%左右），但非线性失真也最严重。因此，功率放大器在实际应用中，往往根据对效率和非线性失真的要求加以权衡选择。例如，对于线性要求高的只能牺牲效率而采用线性的甲类或乙类功放；对于某些效率要求高的则采用丙类功放。那么丙类功率放大器严重的非线性失真又如何解决？从图7－14（c）可知，晶体管集电极输出电流已是一个周期的余弦脉冲电流，根据傅立叶级数知识可知，它其中包含着与输入信号完全相同的基波分量。因此，在丙类功率放大器的输出回路只要接上具有选频作用的LC谐振回路，就能取出基波分量，在负载上得到与输入信号几乎相等的功率放大信号，这就是丙类谐振功率放大器。图7－15谐振功放的组成原理图

2.谐振功率放大器的组成

谐振功率放大器，按照不同的性能要求可以工作在甲类、乙类或丙类，它们的分析方法完全类似，现以丙类功放为例加以说明。图7－15所示为谐振功率放大器的组成原理图。其中，UBB和UCC分别为晶体管的基极和集电极直流偏置电压，为了满足丙类工作状态，UBB必须小于晶体管的导通电压（UBE（on））；LC谐振回路作为放大器的输出回路有两个作用：一是选频，将晶体管集电极余弦脉冲电流中的基波分量取出；二是进行阻抗变换，将实际负载阻抗变换为功放的最佳（匹配）负载阻抗，以得到最大的输出功率。

3.谐振功率放大器的性能指标

谐振功率放大器的性能指标主要包括输出功率、电源功率、集电极耗散功率、效率和谐波失真等，这些指标均与集电极余弦脉冲电流中的直流分量、基波分量和n次谐波分量有关。因此，要分析、估算谐振功率放大器的性能指标，首先要分析集电极余弦脉冲电流中的各分量。

1）集电极余弦脉冲电流的分解

为了分析简单，将晶体管的转移特性曲线近似用两段折线表示（如图7－14（c）），若晶体管B－E端输入为余弦信号，则集电极输出电流就近似为余弦脉冲电流，如图7－16所示。

图中，θ为晶体管的导通角，Icm为余弦电流的峰值，ICM为余弦脉冲电流的峰值。则由波形图可知，集电极余弦脉冲电流iC的表达式为其它为零。k=0，1，2，…（7－24）余弦脉冲电流的峰值ICM为代入式（7－24），iC又可表示为k=0,1,2,…（7－25）由此可见，集电极余弦脉冲电流是晶体管导通角θ的函数。将式（7－25）用傅立叶级数展开，可分解成直流分量、基波分量和各次谐波分量，它们的振幅分别为（7－26）式(7－26)中，αn(θ)（n=0，1，2，…）为各分量的分解系数，为了分析方便将它们用曲线图方式给出，如图7－17所示。图7－16集电极余弦脉冲电流波形图7－17余弦脉冲电流的分解系数

2）性能指标估算

当谐振功率放大器的集电极LC谐振回路调谐在输入信号频率（即基波频率）上时，可忽略各高次谐波分量，如设LC谐振回路的等效谐振电阻为Rp。则根据性能指标的定义，可分别求得输出功率Po（即为基波功率）：（7－27）电源提供的功率PDC：（7－28）集电极效率ηc：（7－29）（7－30）式中,g1（θ）称为波形系数，如图7－17中的虚线所示。集电极的耗散功率Pc：（7－31）根据上述分析结果并结合图7－17，发现晶体管导通角θ越小，效率ηc就越高，但同时输出功率也变小，否则对输入激励信号要求就会过高。因此，为了兼顾大的输出功率和高的效率，丙类谐振功放一般可取导通角θ为70°左右。

【例7－4】在图7－5的谐振功放电路中，已知UCC=3.3V，Po=1.5W，θ=70°，ξ=0.95，试求ηc、ICM

、Rp、PDC

和Pc

。

解：由图7-17查得α0（70°）=0.25，α1（70°）=0.44，由7-30得：由式（7－27），因为所以由式(7－27)可知：由式(7－29)或式(7－28)得由式(7－31)得7.2.2谐振功率放大器的调制特性

1.谐振功放的工作状态

谐振功率放大器，通常可根据晶体管是否工作在饱和区、临界饱和区、放大区而分别称为过压、临界和欠压工作状态。三种工作状态的示意图和相应的集电极电流如图7－18所示。图7－18谐振功放的三种工作状态示意图谐振功率放大器一般根据不同的工作状态有不同的应用。作为功率放大应工作在临界状态，因为此时放大器的输出功率最大，效率也比较高，放大器的性能接近最佳。我们把谐振功放工作在临界状态所对应的等效谐振电阻称为最佳负载或匹配负载，用RP（opt）表示，根据式（7－27），并由图7－18可得（7－32）式中，UCES为晶体管的饱和压降。而欠压和过压状态则可实现振幅调制功能。图7－19集电极调幅特性

2）基极调幅

与集电极调幅特性类似，基极调幅特性是指放大器的输出电压振幅随基极偏置电压UBB的变化特性。当电路参数UCC、Uim、和

Rp不变，而基极偏置电压UBB从小变到大，则放大器将从欠压状态渐渐地进入到过压状态，同理可以画出集电极电流ic随UBB变化，以及相应Ic1m、Ic0和Ucem随UBB变化的曲线，分别如图7－20（a）和（b）所示。由图同样可以得出这样的结论，当谐振功放工作在欠压状态时，基极偏置电压的变化能近视线性地控制输出电压的振幅变化，这就是基极调幅原理。图7－20基极调幅特性7.2.3谐振功率放大电路

1.直流馈电电路

1）基极馈电电路

谐振功率放大器因工作在丙类，所以基极馈电电路常采用自给偏置方式，如图7－21（a）、（b）所示。其中，图（a）为发射极自给偏置电路，图（b）为基极自给偏置电路，两者的偏置原理类似。如对于图（a）的发射极自给偏置电路，当无信号时，晶体管零偏置；当有信号时，发射极脉冲电流中的直流平均分量Ic0在RE上产生直流压降，使晶体管得到负偏压，从而满足丙类要求，这个负偏压将随输入信号变化而变化，这种现象称之为自给偏置效应。电路中的LB为高频扼电圈，它通直流，却在信号频率上的感抗很大，接近开路；CE为旁路电容，对高频信号接近短路，它们使电路满足交、直流通路要求。图7－21基极直流馈电电路

（a）发射极自给偏置;（b）基极自给偏置

2）集电极馈电电路

集电极馈电有并馈和串馈两种方式，分别如图7－22（a）、（b）所示。图7－22集电极直流馈电电路（a）并馈电路;（b）串馈电路

2.LC滤波匹配网络

由前面分析可知，为了得到最大的输出功率和较高效率，谐振功放有自己的最佳匹配负载，此最佳匹配负载往往与实际负载是不相等的，因此，等效的LC谐振回路除了滤波选频功能外，还必须具有阻抗变换功能，使实际负载变换成功放的最佳匹配负载。

1）串、并联电路的阻抗变换原理

电阻与电抗的串联电路和并联电路分别如图7－23（a）、（b）所示，则它们的导纳分别为（7－33a）图7－23串、并联抗转换示意图（7-33b）若将它们等效转换，两者的导纳应相等，品质因素也应相等。令上式中的虚部和实部相等，则有（7－34a）（7－34b）或者（7－35a）（7－35b）式中,品质因素满足（7－36）由上述分析可知，当QT一定，则根据式（7-34）、（7-35），串、并联电路之间的电阻RS和RP、电抗XS和XP就可以相互转换，转换后的电抗性质不变。其中，串联转换成并联的阻抗变大，而并联转换成串联阻抗变小。

2）LC滤波匹配网络设计举例

各种实用的LC滤波匹配网络都可以用串、并联阻抗转换原理来进行分析或设计。常用的LC滤波匹配网络结构有L型、T型、π型以及它们的组合。

【例7－5】已知谐振功放的工作频率f0=100MHz，实际负载电阻RL=10Ω，功放要求的最佳负载RP=300Ω，试设计滤波匹配网络。

解：（1）确定滤波匹配网络的结构

滤波匹配网络的设计通常要权衡滤波和匹配两个方面，而滤波的性能通常取决于

QT值。由（7-34a）或（7-35a）可知，QT值的大小又取决于相互转换之间电阻数值的差别。当相互转换之间的电阻数值的差别比较大（