重郵-高頻小信號選頻放大

1、通信電子電路何豐 主編人民郵電出版社1第二章 高頻小信號選頻放大器的結(jié)構(gòu)與電路 2.1 概述 2.2 主要性能指標(biāo)和基本單元電路 2.3 較理想的小信號選頻放大電路模型 2.4 小信號諧振放大器的穩(wěn)定性問題2.5 信號與電路及結(jié)構(gòu) 小信號選頻放大器的信號環(huán)境特點本書中此類電路還有：第八章的限幅放大器，第九章的鎖相環(huán)濾波電路等。 對共存于輸入端的有用信號進(jìn)行選擇性處理，即它能盡可能地減少存在于同一時間、同一電路空間的無用輸入信號對有用輸出信號的影響 。2.1 概 述高頻小信號選頻放大器 由“放大部分+選頻部分”按“級聯(lián)”方式構(gòu)成。具體分為：先放大后選頻，先選頻后放大，以及選頻、放大、再選頻的三種

2、基本模式。放大部分的核心元器件是增益元器件，如三極管、場效應(yīng)管、集成運放或?qū)Ｓ眉煞糯笃鞯?。選頻部分的必要元器件是電感、電容等動態(tài)元件。 學(xué)習(xí)要求： 小信號選頻放大器的主要性能指標(biāo)（增益、通頻帶、選擇性、工作穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)），電路穩(wěn)定性，以及具體電路的應(yīng)用進(jìn)行討論。2.2 主要性能指標(biāo)和基本單元電路常見的基本指標(biāo)如下： 一增益 增益定義為放大器的輸出信號電量與輸入信號電量的比值，用A加下標(biāo)（類似于低頻放大器的增益）來表示。 圖2-2-1（b）為一典型增益的幅頻特性曲線。 二通頻帶 通頻帶定義為放大器的增益比最大增益下降3dB時的上限截止頻率fL與下限截止頻率fH之差，用BW0.7 = fL-

3、 fH表示。三選擇性 選擇性表示放大器對通頻帶以外的各種干擾信號及其噪聲的濾除能力，或者說，從各種干擾中選出有用信號的能力。 衡量選擇性的具體指標(biāo)有：矩形系數(shù)K0.1 、S參數(shù)。以理想矩形幅頻特性為標(biāo)準(zhǔn)，引入矩形系數(shù)K0.1來表示實際幅頻特性曲線的選擇性，定義為： K 0.1BW0.1BW0.7 （2-2-1） 式中，BW0.1是增益下降到最大值的0.1倍時的頻帶寬度。通常，認(rèn)為頻帶BW0.1內(nèi)的頻率分量需能通過放大器，但不一定能被正常放大，BW0.1以外的頻率分量被放大器所抑制。BW0.1和BW0.7之間的頻率范圍稱為過渡帶。 矩形系數(shù)K0.1S參數(shù)以圖2-2-1（b）的典型幅頻特性為背景條

4、件下，S參數(shù)定義為： 1. 過渡帶內(nèi)的某特定頻率條件下的增益A(1)與通頻帶內(nèi)的最大增益A0的比值。 2. SA(1)A0 （2-2-2） 顯然，在同類電路中，S值越小的電路選擇性越好。 主要性能指標(biāo)四工作穩(wěn)定性 這是指選頻放大器中的非線性放大元器件的偏置，交流參數(shù)，以及其它電路元件參數(shù)發(fā)生變化時，電路性能的穩(wěn)定程度。五噪聲系數(shù) 與低頻放大器一樣，選頻放大器的輸出噪聲也來源于輸入端和放大電路本身。噪聲系數(shù)是用來反映電路本身噪聲大小的技術(shù)指標(biāo)。以下圖為例對進(jìn)行選頻放大器進(jìn)行分析思考題：2.2.2 以放大和選頻兩部分的組成結(jié)構(gòu)為線索，分析圖2-2-2（a）電路中各元件的作用？ 2.2.3 在工作點

5、設(shè)置合理的情況下，圖2-2-2（b）中三極管能否用不含結(jié)電容的小信號等效電路來等效。為什么？ 指標(biāo)求解1：化簡為2-2-3（a）。圖中n2為下級放大器對本級諧振回路的接入系數(shù)，即電感4、5端到1、3端的變比（在全耦合下，n2等于線圈匝比N45/N13）；gZ表示電感本身在1、3端的總等效損耗電導(dǎo)； y i 2為下級放大器的輸入導(dǎo)納；yo1為本級放大器的輸出導(dǎo)納。 指標(biāo)求解2：進(jìn)一步化簡為2-2-3（b）?？紤]到PN結(jié)的結(jié)電容和極間電容，設(shè)三極管輸入、輸出參數(shù)為： yi2g i2jCi2 （2-2-3） yo1g o1jC o1 （2-2-4） 圖中：n1為三極管輸出端對諧振回路的接入系數(shù)，即電

6、感1、2端到1、3端的變比（在全耦合下，n1等于線圈匝比N12/N13）。 指標(biāo)求解3：詳細(xì)求解過程諧振頻率品質(zhì)因數(shù)（常稱為回路LC的有載品質(zhì)因數(shù)）輸出電壓電壓增益通頻帶矩形系數(shù)小結(jié)：由以上分析可知，電路各部分的主要作用如下： 1.放大能力主要由三極管正向受控參數(shù)yfe確定； 2.選頻主要由選頻回路LC確定； 3.n1和n2主要用于調(diào)節(jié)三極管與選頻回路、負(fù)載與選頻回路之間的耦合程度。若放大部分采用以多級放大為基礎(chǔ)如圖2-2-4所示，則稱這類電路為LC集中選頻式諧振放大器。2.3 較理想的小信號選頻放大電路模型所謂較理想的小信號選頻放大器是指具有較寬的通頻帶，更小的過渡帶，即電路的選擇性更為理想

7、的小信號放大器。 第一：從結(jié)構(gòu)電路的觀點出發(fā)，用諧振回路和增益元器件的不同組合進(jìn)行電路總體性能的優(yōu)化 第二：從改善選頻濾波部件出發(fā)，對其它材料構(gòu)成的選頻電路的性能進(jìn)行討論。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的選頻放大單元1 參差調(diào)諧所謂參差調(diào)諧，就是將兩級單調(diào)諧放大器的諧振頻率分別調(diào)諧在信號中心頻率f0附近的兩個不同頻率點上，其中一級調(diào)諧在f01f0，另一級調(diào)諧在f 02f 0上。上述兩級放大器統(tǒng)稱為一級參差調(diào)諧放大器，或一個基本參差調(diào)諧放大器單元。 參差調(diào)諧的選頻放大單元幅頻特性的分析觀察“參差調(diào)諧放大單元”觀察幅頻特性圖可以想到：（1）在較大時，Av (j)將在0附近出現(xiàn)下凹現(xiàn)象;（2）在較小時，Av ()將在0

8、頻率出現(xiàn)最大值。 由此，我們可以找到一特定的值，使Av ()在0剛好不下凹，即只要大于特定值，Av ()就會出現(xiàn)下凹現(xiàn)象。常稱這時的Av ()為最平坦特性。 指標(biāo)求解得：電壓增益通頻帶矩形系數(shù)詳細(xì)求解過程最平坦條件下，有：改善選頻濾波部件的選頻放大1 雙調(diào)諧回路放大單元我們稱兩個諧振回路相互耦合的電路為雙耦合回路，相應(yīng)的放大器也稱雙調(diào)諧回路放大。 具體耦合有：電容耦合、互感耦合兩種。 該類電路與參差調(diào)諧放大單元的技術(shù)指標(biāo)類似。具體1時，電路處于最平坦情況，也稱臨界耦合。 并聯(lián)式互感耦合放大電路指標(biāo)求解得：電壓增益通頻帶矩形系數(shù)詳細(xì)求解過程最平坦條件下，有：結(jié)論：可見，臨界耦合雙調(diào)諧回路諧振放大

9、器的矩形系數(shù)與參差調(diào)諧放大器相同，其選擇性比單調(diào)諧回路諧振放大器好。 思考題：2.3.2 雙調(diào)諧回路諧振放大器為何要采用n1 、n2為代表的抽頭方式將放大器與諧振回路相連接？2.3.3參差調(diào)諧放大器相對于雙調(diào)諧回路放大器來說，其選頻頻率更容易在電路實現(xiàn)時得到控制，為什么？ 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的選頻放大單元2 2.3.3 多級單元放大電路假定多級單元放大器由幾個相同參數(shù)的單元放大器組成，則n級單元放大器的總增益函數(shù)可以用一個單元的增益函數(shù)來表示，即：由此計算的數(shù)據(jù)如下表2-3-1和表2-3-2。其中，放大器的3dB帶寬BW0.7BW0.7單；在最平坦條件下，雙諧振回路的情況與參差調(diào)諧相似。例題2.3.1已

10、知單回路諧振放大單元電路的諧振頻率f010.7MHz，回路品質(zhì)因數(shù)Q40，接入系數(shù)n10.5，n20.1，諧振回路總電容Ce100 pF，晶體三極管的y f e38.5mS。問：由上述放大器組成的四級單元放大器，即同步調(diào)諧放大器的總諧振電壓增益和帶寬。解答隨著技術(shù)的進(jìn)步，由其它材料構(gòu)成的選頻性能優(yōu)異的選頻元件被用于選頻電路中。 具體有：晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器。 正因為如此，我們常采用集中選頻放大的單元電路組成方案，即用多級放大來構(gòu)成選頻單元電路中的放大電路部分。 改善選頻濾波部件的選頻放大2 2.3.4 其它選頻的放大單元改善選頻濾波部件的選頻放大2 陶瓷濾波選頻放大在研究中我

11、們發(fā)現(xiàn)石英晶體材料和陶瓷材料都具有壓電效應(yīng)，即在材料發(fā)生機(jī)械變形時，它們的表面就會出現(xiàn)電荷；反之，當(dāng)加有外電壓作用時，它們也會產(chǎn)生機(jī)械變形。我們將石英晶體材料制作的元件稱作石英晶體，陶瓷材料制作的元件稱作陶瓷濾波器。改善選頻濾波部件的選頻放大2 聲表面波濾波電路由于這種濾波元件在內(nèi)部的信號傳遞過程中，利用了聲表面波，因此稱為聲表面波濾波器。圖2-3-5是聲表面波濾波器的結(jié)構(gòu)圖。如果在叉指電極A組上加入交流信號，則會在材料表面上產(chǎn)生與外加信號同頻率的周期振動，即為表面波。 2.4 小信號選頻放大器的穩(wěn)定性問題在實際工作中，為了減小增益元器件內(nèi)部反饋帶來的影響，我們可以考慮采用如下的措施：（1）選用內(nèi)部反饋小的放大電路，如集成寬帶放大器，電流模放大電路等。（2）采用外加反饋去綜合增益元件內(nèi)部反饋，使總反饋接近為零通常我們將使總反饋為零或減小的方法稱為中和法，圖中的電容CN被稱為中和電容。利用圖2-4-2（b），在考慮r b b 的條件下，可以證明，在Zn滿足Znn r b b（1C be /C bC）n（1r b b / r be）/（jC bC） (2-4-1)時，電壓o對i的作用為零，三極管能實現(xiàn)信號的單向傳輸。 在考慮rbb 的條件下，可以證明，在Zn滿足 Znn rbb（1C be /C bC）n（1rbb / rb