第 2 章 小信號選頻放大器

第2章小信號選頻放大器

主要內(nèi)容：2.1諧振回路2.2小信號諧振放大器2.3集中選頻放大器2.4故障排除【目的和要求】掌握并聯(lián)諧振回路的主要性能；掌握常用的阻抗變換電路及其應(yīng)用；了解不同形式的濾波器及其應(yīng)用；熟悉單調(diào)諧回路放大器電路組成及工作原理；掌握其增益、通頻帶、選擇性的計算方法；了解放大電路、諧振回路等故障診斷的方法。

【重點和難點】并聯(lián)諧振回路的主要性能、常用的阻抗變換電路及其應(yīng)用單調(diào)諧回路放大器增益、通頻帶、選擇性的計算單調(diào)諧回路放大器等效電路的變換過程

在無線電技術(shù)中，往往會遇到所接收到的有用信號很弱，而這樣的有用弱信號又往往與干擾信號同時進入到接收機中。所以在接收端，我們希望將有用的弱信號選擇出來并進行放大，而對其他無用的干擾信號進行抑制。小信號選頻放大器就是這樣一種常用的選頻放大器，它可以有選擇地對某一頻率的信號進行放大。小信號選頻放大器所謂的“小”是指放大器的輸入信號小，而用于放大的有源器件（晶體管或場效應(yīng)管）則是在線性范圍內(nèi)工作，即放大不產(chǎn)生失真。

2.1諧振回路諧振回路具有選頻作用，當(dāng)輸入信號含有不同的頻率分量時，經(jīng)過諧振回路只選出特定的頻率分量，而對其他頻率分量則會產(chǎn)生不同程度的抑制作用。在本節(jié)中，我們將對LC諧振回路的基本特性進行分析。

2.1.1并聯(lián)諧振回路的選頻特性諧振回路是由電感和電容元件所組成的振蕩回路，按照電感、電容與外接信號源連接方式的不同，可分為串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路，前者適用于低內(nèi)阻電源，而后者則適用于電源內(nèi)阻較大的情況。在諧振放大器中，LC并聯(lián)諧振回路應(yīng)用廣泛，我們將重點分析并聯(lián)諧振回路的基本特性。

1．并聯(lián)諧振回路的基本原理并聯(lián)諧振又稱為電流諧振。圖2-1a為并聯(lián)諧振回路，它由電感線圈L、電容C與電流源組成，r為電感線圈的等效損耗電阻，為并聯(lián)諧振回路兩端輸出電壓；圖2-1b為圖2-1a的變換電路，圖2-1a中L、r的串聯(lián)支路變換為圖2-1b中的L、RP的并聯(lián)支路，RP為并聯(lián)諧振回路諧振時的諧振電阻，其值比r值大很多。此時暫不考慮信號源內(nèi)阻。

圖2-1并聯(lián)諧振回路及其變換電路

當(dāng)回路產(chǎn)生諧振，阻抗最大且為純阻性諧振阻抗為：諧振頻率為：品質(zhì)因數(shù)為：（r很小時）

圖2-2并聯(lián)諧振回路等效阻抗與角頻率的關(guān)系曲線

并聯(lián)諧振回路的幾個特性：1）并聯(lián)諧振回路的諧振條件為ωC-1/ωL=0，此時諧振頻率為。2）并聯(lián)諧振回路諧振時，即時，回路阻抗為純電阻，且其值最大。3）當(dāng)時，并聯(lián)諧振回路處于失諧狀態(tài)，即非諧振狀態(tài)，此時回路的等效阻抗由電阻R和電抗X兩部分組成，當(dāng)時，電抗X為容性；時，電抗X為感性。

阻抗（在諧振頻率附近）（r很小時）幅頻特性相頻特性

幅頻特性相頻特性頻偏即諧振時，阻抗最大且為純電阻，回路呈容性，相移最大負值趨于回路呈感性，相移最大正值趨于

r越小則Q越大，Rp就越大，幅頻特性曲線更尖銳，相移曲線在諧振頻率附近變化更陡峭。

2．并聯(lián)諧振回路的諧振曲線、相位特性與通頻帶輸出電壓諧振時輸出電壓歸一化頻率特性

幅頻特性相頻特性頻偏

2．并聯(lián)諧振回路的諧振曲線、相位特性與通頻帶

1）并聯(lián)諧振回路在諧振時，即、Δω=0（Δf=0）時，幅值最大，相移為零。2）當(dāng)時，即Δω>0（Δf>0）時，回路呈容性，相移為負值，且最大負值趨于-90°。3）當(dāng)時，即Δω<0（Δf<0）時，回路呈感性，相移為正值，且最大值趨于+90°。

通頻帶（BW0.7）并聯(lián)諧振回路的通頻帶，就是當(dāng)回路的由諧振點最大值1.0下降為（0.707）時所確定的頻帶寬度，通常用BW0.7表示，其值衡量了諧振回路的選擇性，通頻帶越窄則諧振回路的選擇性就越好，反之則越差。其示意圖如圖2-4所示。

通頻帶

通頻帶并聯(lián)諧振回路的通頻帶BW0.7與諧振頻率fp成正比，與品質(zhì)因數(shù)Qp成反比。并聯(lián)諧振回路品質(zhì)因數(shù)QP越大，則幅頻特性曲線就越尖銳，相頻特性曲線就越陡峭，而通頻帶就越窄，回路的選擇性越好。

矩形系數(shù)實際中，我們通常要求幅頻特性曲線盡可能與矩形形狀相似，為了表明二者的近似程度，我們在這里引出矩形系數(shù)（K0.1）這一參數(shù)，它表征了放大器選擇性的好壞，而選擇性則是表示選取有用信號、抑制無用信號的能力，K0.1的表達式為

（2-16）其中，BW0.1為諧振回路的由諧振點最大值1.0下降為0.1時所確定的頻帶寬度，其示意圖如圖2-4所示。

例2-1

并聯(lián)諧振回路如圖2-1a所示，已知L=210μH，C=120pF，r=15Ω。求該并聯(lián)諧振回路的諧振頻率fp，品質(zhì)因數(shù)Qp，諧振電阻Rp，通頻帶BW0.7。解：諧振頻率

品質(zhì)因數(shù)諧振電阻通頻帶

2.1.2阻抗變換電路在前面我們所討論的并聯(lián)諧振回路中并沒有考慮信號源內(nèi)阻和負載，而在實際應(yīng)用中，諧振回路必須與信號源及負載相連接，這將使整個諧振回路的選擇性變差。為了減小信號源及負載的影響，在諧振回路中往往采用阻抗變換的方法，使信號源或負載不直接并入回路的兩端，而是經(jīng)過一些簡單的變換電路將其折算到回路兩端。

1．信號源內(nèi)阻和負載電阻的影響有載品質(zhì)因數(shù)

等效電阻

通頻帶

因為Re小于RP，所以由式（2-18）可知有載品質(zhì)因數(shù)Qe小于空載品質(zhì)因數(shù)QP，因為品質(zhì)因數(shù)下降，所以諧振回路的選擇性變差，通頻帶變寬。

例2-2

并聯(lián)諧振回路如圖2-5a所示。已知電感L=390μH，電容C=300pF，空載品質(zhì)因數(shù)Q0=100，信號源內(nèi)阻RS=100kΩ，負載電阻RL=200kΩ，求：（1）該諧振回路的諧振頻率fp；（2）諧振電阻Re；（3）有載品質(zhì)因數(shù)Qe；（4）通頻帶BW0.7。

（1）諧振頻率（2）諧振電阻（3）有載品質(zhì)因數(shù)（4）通頻帶

由此例題計算過程及結(jié)果可知，信號源內(nèi)阻及負載的引入使并聯(lián)諧振回路總的諧振電阻減小，從而使有載品質(zhì)因數(shù)隨之減小，品質(zhì)因數(shù)由空載時的100降為有載時的36.8。這樣，整個并聯(lián)諧振回路的通頻帶就隨之變寬，回路的選擇性變差。因為信號源內(nèi)阻及負載的存在直接影響了回路的選擇性，所以在實際應(yīng)用中應(yīng)采用一定的方法減小二者的影響。

2．阻抗變換電路由信號源內(nèi)阻及負載對諧振回路的影響可知，因信號源內(nèi)阻及負載的存在，諧振回路的品質(zhì)因數(shù)下降，通頻帶變寬，選擇性變差，所以在實際應(yīng)用中，為了保證回路有較高的選擇性，就要減小信號源內(nèi)阻及負載的影響。常用于減小信號源內(nèi)阻及負載影響的方法有：一是增大信號源內(nèi)阻及負載的阻值，從而提高品質(zhì)因數(shù)；二是采用阻抗變換電路。常用的阻抗變換電路有變壓器阻抗變換電路、電感分壓阻抗變換電路及電容分壓阻抗變換電路。

阻抗變換電路

圖2-7a變壓器阻抗變換電路中，若將3-4端的負載電阻RL折算到1-2端，則接入系數(shù)圖2-7b電感分壓阻抗變換電路中，若將2-3端的負載電阻RL折算到1-3端，則接入系數(shù)圖2-7c電容分壓阻抗變換電路中，若將2-3端的負載電阻RL折算到1-3端，則接入系數(shù)等效電阻或電導(dǎo)

例2-3

如圖2-8所示電路。已知fp=30MHz，C=20pF，電感L1-3的空載品質(zhì)因數(shù)Q0=60，N1-2=6，N2-3=4，N4-5=3，R=10kΩ，Ri=2.5kΩ，RL=830Ω，Ci=9pF，CL=12pF，求：（1）L1-3；（2）Qe。

解：（1）電感量L1-3

解：（2）有載品質(zhì)因數(shù)Qe等效總電導(dǎo)

對于阻抗變換電路來說，最重要的是要分析清楚電路的變換過程。要將所有的元件都折算到統(tǒng)一的回路中，清楚變換是從高抽頭到低抽頭、還是由低抽頭到高抽頭。明確接入系數(shù)，然后再進行相應(yīng)的分析與計算。

2.2小信號諧振放大器小信號諧振放大器的種類很多，若按照諧振回路分，則可分為單諧振回路放大器、雙諧振回路放大器以及參差調(diào)諧放大器；若按照晶體管連接的方法分，則可分為共基極、共集電極、共發(fā)射極單諧振回路放大器等。在本小節(jié)中我們首先討論由LC諧振回路和放大器件組成的單諧振回路諧振放大器，然后再介紹多級單諧振回路諧振放大器。

2.2.1單諧振回路諧振放大器

放大器的諧振電壓增益非諧振電壓增益Y為總導(dǎo)納G’p為總電導(dǎo)

放大器增益的頻率特性放大器增益的通頻帶放大器增益的有載品質(zhì)因數(shù)頻偏諧振頻率

例2-4如圖2-11a所示。晶體管的直流工作點是UCE=8V，IE=2mA；工作頻率為fp=10.7MHz；調(diào)諧回路采用中頻變壓器L1-3=4μH，Q0=100，其抽頭N2-3=5，N1-3=20，N4-5=5。已知晶體管在UCE=8V，IE=2mA時的參數(shù)為：goe=200μS，Coe=7pF，gie=2860μS，Cie=18pF，gm=45mS，求：（1）諧振電壓增益Au0；（2）有載品質(zhì)因數(shù)Qe；（3）通頻帶BW0.7。

圖2-11例2-4題圖

解：接入系數(shù)折合電導(dǎo)總電導(dǎo)空載電導(dǎo)

（1）諧振電壓增益（2）有載品質(zhì)因數(shù)（3）通頻帶

2.2.2多級單諧振回路諧振放大器在接收設(shè)備中，經(jīng)常需要把接收到的微弱信號放大到幾百毫伏在送至檢波器進行檢波，所以當(dāng)單級放大器的增益不能滿足要求時，則可采用多級單調(diào)諧回路諧振放大器，即將多級單調(diào)諧放大器級聯(lián)。設(shè)放大器有m級，各級電壓增益分別為Au1、Au2、Au3、…、Aum，則總的增益Am則為各級增益的乘積，即為（2-29）其分貝表示形式為

當(dāng)放大器是由m級完全相同的單級放大器組成時，即Au1=Au2=Au3=…=Aum，則

所以其諧振曲線表達式為

m級放大器通頻帶為（2-32）式中，BW0.7為單級放大器的通頻帶。所以，在m級相同放大器級聯(lián)后，總的通頻帶比單級放大器的通頻帶小，且m越大，總的通頻越小，這和圖2-12所得結(jié)論一致。所以，要保證放大器總的通頻帶滿足要求，就要使每一級放大器的通頻帶都要比總的通頻帶寬，這樣才能保證最后所需要的頻率無失真的通過放大器獲得放大。

2.3集中選頻放大器

高頻電子線路中，除了使用諧振回路與耦合回路作為選頻網(wǎng)路外，還經(jīng)常采用其他形式的濾波器來實現(xiàn)選頻作用，常用的濾波器包括LC型集中選擇性濾波器、石英晶體濾波器、陶瓷濾波器及聲表面波濾波器等。在小信號選頻放大器中越來越多地采用了集成寬帶放大器和集中選頻濾波器所組成的集中選頻放大器，前者用于實現(xiàn)放大作用，后者用來實現(xiàn)選頻作用，這種集中選頻放大器的主要優(yōu)點是電路簡單、性能穩(wěn)定、成本低易于大規(guī)模生產(chǎn)。

2.3.1濾波器1．LC型集中選擇性濾波器常用的LC型濾波器如圖2-13所示，它由五節(jié)單節(jié)濾波器組成，共有六個調(diào)諧回路。RS、RL分別表示信號源內(nèi)阻和負載電阻，US、UO分別表示輸入電壓和輸出電壓。其單節(jié)LC濾波器如圖2-14所示。

LC型濾波器的品質(zhì)因數(shù)一般都在100~200之間，其品質(zhì)因數(shù)不是很高。

2．石英晶體濾波器為了獲得工作頻率高度穩(wěn)定、阻帶衰減特性陡峭的濾波器，需要濾波器元件的品質(zhì)因數(shù)很高，而LC型濾波器則無法滿足這一要求。用石英晶體切割成的石英晶體諧振器，因其品質(zhì)因數(shù)可以高達幾萬甚至幾百萬，因而可構(gòu)成工作頻率穩(wěn)定度極高、阻帶衰減特性很陡峭、通帶衰減很小的濾波器。

由電路圖可知，該電路具有兩個諧振角頻率。第一個諧振回路由Lq、Cq、rq組成，為串聯(lián)諧振回路，其諧振頻率稱為串聯(lián)諧振頻率fs，其表達式為（2-33）第二個諧振回路由Lq、Cq、rq及C0組成，為并聯(lián)諧振回路，其并聯(lián)諧振頻率fp為

當(dāng)f>fp，或f<fs時，電抗呈容性；而當(dāng)fs<f<fp時，電抗呈感性，其電抗曲線如圖2-15c所示。所以，石英晶體濾波器在工作時，石英晶體兩個諧振頻率之間的寬度通常決定了濾波器的通帶寬度。fp、fs一般相差很少，只有幾十至幾百赫茲，所以為了增加濾波器的通帶寬度，可用外加電感與石英晶體串聯(lián)或并聯(lián)來實現(xiàn)。

3．陶瓷濾波器

圖2-16b為壓片陶瓷的電路符號，圖2-16c為其阻抗頻率特性曲線，由圖可知，串聯(lián)諧振時，陶瓷片的等效阻抗最??；并聯(lián)諧振時，其等效阻抗為最大。所以，若將不同頻率的壓電陶瓷片進行適當(dāng)?shù)慕M合連接，即可得到四端陶瓷濾波器，且諧振子數(shù)目越多，濾波器的性能就越好。

在使用四端陶瓷濾波器時，要注意輸入、輸出阻抗必須與信號源、負載阻抗相匹配，否則其幅頻特性將變壞，通帶內(nèi)的響應(yīng)起伏增大，阻帶衰減值變小。

4．聲表面波濾波器目前應(yīng)用較為廣泛的集中選頻濾波器是聲表面波濾波器（SAWF），它是一種對頻率具有選擇作用的無源器件，它自20世紀60年代中期問世以來就獲得了非常迅速的發(fā)展。聲表面波是利用局部擾動來產(chǎn)生一種通過固體介質(zhì)內(nèi)和沿表面?zhèn)魉偷牟?，其由換能器將電信號轉(zhuǎn)換而成的，聲表面波擾動產(chǎn)生的波動是很小的。換能器將電信號轉(zhuǎn)換為聲表面波的；同理，它也可以將聲表面波轉(zhuǎn)換為電信號。

聲表面波濾波器具有體積小、重量輕、中心頻率很高、相對帶寬較寬、矩形系數(shù)接近于1、特性一致性好、抗輻射能力強、動態(tài)范圍大等特點。聲表面波濾波器可采用與集成電路工藝相同的平面加工工藝，其制造簡單、成本低、重復(fù)性和設(shè)計靈活性高，可大量生產(chǎn)，因此是一種具有很好發(fā)展前途的濾波器?；谝陨咸攸c，聲表面波濾波器在電視、通信、衛(wèi)星、宇航等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

2.3.2集中選頻放大器應(yīng)用舉例圖2-19為用于電視機中放電路的聲表面波濾波器實用電路。其中晶體管VT為中頻前置放大器，用以補償聲表面波中頻濾波器的插入損耗。輸入的中頻信號在經(jīng)過聲表面波濾波器選頻放大后送至集成中放電路，經(jīng)過具有自動增益控制特性的中頻放大級放大后，再送至同步檢波電路。

圖2-20為采用集成寬帶放大器FZ1和陶瓷濾波器所構(gòu)成的選頻放大器。其中，F(xiàn)Z1為共發(fā)-共基組合電路構(gòu)成的集成寬帶放大器；陶瓷濾波器的輸入端為采用變壓器耦合的并聯(lián)諧振回路，而輸出端則接有由晶體管構(gòu)成的射極輸出電路，并聯(lián)諧振回路調(diào)諧在陶瓷濾波器頻率特性的主諧振頻率上，濾除帶外小諧振峰對鄰近頻道產(chǎn)生的干擾，使輸入信號通過時獲得選頻放大。

2.4故障診斷小信號選頻放大器是無線電通信中接收設(shè)備的主要電路，其作用是對所選擇信號進行放大，即放大高頻小信號。選頻放大則是指放大器將對諧振點的信號進行最強的放大，而對遠離諧振點的信號進行抑制。因此無論是選頻、還是放大，對于無線電通信來說都非常重要，二者一旦發(fā)生故障，則將直接影響信號的接收，所以本節(jié)我們將對放大電路、諧振回路及濾波器的故障進行分析。

2.4.1放大電路的故障診斷在放大電路的故障分析中，我們以收音機中頻放大電路為例來進行分析。單調(diào)諧中頻放大電路在收音機中具有較為廣泛的應(yīng)用，中頻放大級的好壞將直接影響收音機的特性指標(biāo)，實際工作中，往往要求中頻放大器具有如下特點：1）具有較高的增益，以保證收音機一定的靈敏度。2）具有較高的選擇性，以阻止干擾信號。3）具有一定的頻帶寬度，以不失真地進行工作。4）在中頻放大器增益較高的情況下，要求其穩(wěn)定性好，不自激。

中放級可能出現(xiàn)的故障包括：1）直流工作點不正常，集電極電流過大。若電流增大幅度較大，就會伴有嘯叫。故障主要原因是：穩(wěn)壓二極管內(nèi)部斷路，使集電極電流增大；中頻變壓器初、次級短路或漏電；晶體管損壞等，均可造成以上的故障現(xiàn)象。在進行故障檢查時，首先關(guān)掉電源，然后對元件進行在路測量，若數(shù)據(jù)不正常則需拆下元件進行判斷。

2）工作點不正常，集電極電流太小，此時收音機聲音將會很小，且靈敏度降低，有時甚至根本收不到電臺。此故障可能原因主要是：穩(wěn)壓二極管或其中一只被擊穿短路，使集電極電流變?。豢烧{(diào)電阻接