高頻電子線路之諧振回路

高頻電子線路之諧振回路第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四2.2小信號(hào)諧振放大器一、概述1.放大器的分類：2.定義：將具有諧振性質(zhì)的負(fù)載接到集成寬帶放大器或晶體管等放大器件輸出端而構(gòu)成的放大器稱為小信號(hào)諧振放大器。特點(diǎn)：具有選頻和放大特性。按信號(hào)大小分按級(jí)數(shù)分按放大與選頻功能的布局分小信號(hào)諧振放大器（線性）大信號(hào)諧振放大器（非線性）單級(jí)單調(diào)諧多級(jí)單調(diào)諧分散選頻集中選頻第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四3.高頻小信號(hào)放大器的特點(diǎn)：

⑴頻率高：幾百kHz～幾百M(fèi)Hz；帶寬為幾kHz～幾十MHz。⑵小信號(hào)：工作在線性段（甲類）如TV的高頻頭、中放。4.性能指標(biāo)：⑴諧振增益：指放大器在諧振頻率上的電壓增益，表示對(duì)有用信號(hào)的放大能力。(20lgAv電壓增益；10lgAp功率增益)⑵通頻帶：放大器的增益比諧振增益下降3分貝時(shí)的上下限頻率之差值。BW0.7稱為0.7通頻帶或3分貝通頻帶。第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四⑶選擇性：指通頻帶以外的某一特定頻率上的增益與諧振增益的比值。表示對(duì)通頻帶以外的干擾信號(hào)的抑制能力。⑷矩形系數(shù)：當(dāng)放大器的幅頻特性為理想矩形時(shí)，可解決通頻帶與選擇性的相互矛盾。所以按理想情況，諧振曲線應(yīng)為一矩形。為了表示實(shí)際曲線接近理想曲線的程度，引入“矩形系數(shù)”，它表示對(duì)鄰道干擾的抑制能力。

第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四（b）(a)集成寬帶放大器集中濾波器集中選頻電路集中選頻放大器把放大和選頻兩種功能分開處理。在集中選頻放大器里,先采用矩形系數(shù)較好的集中濾波器進(jìn)行選頻,然后利用單級(jí)或多級(jí)集成寬帶放大電路進(jìn)行信號(hào)放大。前者以集中預(yù)選頻代替了逐級(jí)選頻,減小了調(diào)試的難度,后者可充分發(fā)揮線性集成電路的優(yōu)勢(shì)。

分散選頻電路器件諧振回路器件諧振回路第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四二、集中選頻小信號(hào)諧振放大器㈠引言組成：非諧振寬帶放大＋高頻選擇性濾波非諧振寬帶放大：大增益，寬頻帶直接耦合、RC耦合、變壓器耦合濾波器：LC帶通、陶瓷、石英、聲表面波濾波器㈡集中濾波器1.石英晶體濾波器

石英是礦物質(zhì)硅石中的一種（也可人工制造），化學(xué)成分是SiO2，其形狀為結(jié)晶的六角錐體。圖(a)表示自然結(jié)晶體，圖(b)表示晶體的橫截面。第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四為了便于研究，人們根據(jù)石英晶體的物理特性，在石英晶體內(nèi)畫出三種幾何對(duì)稱軸，連接兩個(gè)角錐頂點(diǎn)的一根軸ZZ，稱為光軸，在圖(b)中沿對(duì)角線的三條XX軸，稱為電軸，與電軸相垂直的三條YY軸，稱為機(jī)械軸。石英晶體具有正、反兩種壓電效應(yīng)。所謂壓電效應(yīng)，就是當(dāng)石英晶體沿某一電軸受到交變電場(chǎng)作用時(shí)，就能沿機(jī)械軸產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，反過來，當(dāng)機(jī)械軸受力時(shí)，就能在電軸方向產(chǎn)生電場(chǎng)。所以說石英晶體實(shí)際上是一個(gè)能把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能，又能把電場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的可逆換能器，且換能性能具有諧振特性，在諧振頻率，換能效率最高。石英晶體和其他彈性體一樣，具有慣性和彈性，因而存在著固有振動(dòng)頻率，當(dāng)晶體片的固有頻率與外加電源頻率相等時(shí)，晶體片就產(chǎn)生諧振。第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四1.符號(hào)及等效電路當(dāng)晶體振動(dòng)時(shí)，慣性能和彈性能相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)這一物理事實(shí)，由機(jī)電類可以將晶體等效為一個(gè)串聯(lián)諧振電路，可用集中參數(shù)Lq、Cq、rq來模擬，Lq為晶體的質(zhì)量（慣性），Cq

為等效彈性模數(shù)，rq

為機(jī)械振動(dòng)中的摩擦損耗。電容C0稱為石英諧振器的靜電容。其容量主要決定于石英片尺寸和電極面積。

2.石英諧振器的等效電抗：（阻抗特性）石英晶體有兩個(gè)諧振角頻率。一個(gè)是左邊支路的串聯(lián)諧振角頻率q，即石英片本身的自然角頻率。另一個(gè)為石英諧振器的并聯(lián)諧振角頻率p。串聯(lián)諧振頻率

并聯(lián)諧振頻率

Q值較陶瓷更高，q與p差更小，而且矩形系數(shù)更好。第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四2.陶瓷濾波器利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器，稱為陶瓷濾波器。它常用鋯鈦酸鋁[Pb(zrTi)O3]壓電陶瓷材料（簡(jiǎn)稱PZT）制成。這種陶瓷片的兩面用銀作為電極，經(jīng)過直流高壓極化之后具有和石英晶體相類似的壓電效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：容易燒制，可制成各種形狀；適于小型化；且耐熱耐濕性好。它的等效品質(zhì)因數(shù)QL為幾百，比石英晶體低但比LC濾波高。第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四1.符號(hào)及等效電路圖中C0

等效為壓電陶瓷諧振子的固定電容；Lq

為機(jī)械振動(dòng)的等效質(zhì)量；Cq

為機(jī)械振動(dòng)的等效彈性模數(shù)；Rq為機(jī)械振動(dòng)的等效阻尼；其等效電路與石英晶體相同。

其串聯(lián)諧振頻率

并聯(lián)諧振頻率

式中，C為C0和Cq串聯(lián)后的電容。

2.陶瓷濾波器電路：(1)三端陶瓷濾波器：特點(diǎn)：Q值達(dá)幾萬、幾十萬，選擇性好，但矩形系數(shù)不夠好。123在串聯(lián)諧振頻率時(shí)，等效阻抗最?。?lt;20歐），在并聯(lián)諧振頻率時(shí)，等效阻抗最大。第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四(2)四端陶瓷濾波器：如將陶瓷濾波器連成如圖所示的形式，即為四端陶瓷濾波器。圖(a)為由二個(gè)諧振子組成的濾波器，圖(b)為由五個(gè)諧振子組成四端濾波器。諧振子數(shù)目愈多，濾波器的性能愈好。下圖表示陶瓷濾波器圖(a)的等效電路。適當(dāng)選擇串臂和并臂陶瓷濾波器的串、并聯(lián)諧振頻率，就可得到理想的濾波特性。若2L1的串聯(lián)頻率等于2L2的并聯(lián)頻率，則對(duì)要通過的頻率2L1阻抗最小，2L2阻抗最大。例若要求濾波器通過4655

kHz的頻帶，則要求fq1=465kHz，fp2=465kHz，fp1=(465+5)kHz，fq2=(465–5)kHz。第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四3.聲表面波濾波器聲表面波濾波器SAWF（SurfaceAcousticWaveFilter）是一種以鈮酸鋰、石英或鋯鈦酸鋁等壓電材料為襯底（基體）的一種電聲換能元件。1.結(jié)構(gòu)與原理：聲表面波濾波器是在經(jīng)過研磨拋光的極薄的壓電材料基片上，用蒸發(fā)、光刻、腐蝕等工藝制成兩組叉指狀電極，其中與信號(hào)源連接的一組稱為發(fā)送叉指換能器，與負(fù)載連接的一組稱為接收叉指換能器。當(dāng)把輸入電信號(hào)加到發(fā)送換能器上時(shí)，叉指間便會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，形成波紋，利用原子、分子來傳輸，中心頻率更高。

Rs

~

Us

RL

壓電基片

發(fā)送叉指

換

能

器

接收叉指

換

能

器

吸聲材料

第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四

2.符號(hào)及等效電路：

聲表面波濾波器的符號(hào)如圖(a)所示，圖(b)為它的等效電路。其左邊為發(fā)送換能器，is和Gs表示信號(hào)源。G中消耗的功率相當(dāng)于轉(zhuǎn)換為聲能的功率。右邊為接收換能器，GL為負(fù)載電導(dǎo)，GL中消耗的功率相當(dāng)于再轉(zhuǎn)換為電能的功率。

3.特點(diǎn)：①工作頻率高，中心頻率在10MHz–1GHz之間，且頻帶寬，相對(duì)帶寬為0.5%~25%。②尺寸小，重量輕。動(dòng)態(tài)范圍大，可達(dá)100dB。③由于利用晶體表面的彈性波傳送，不涉及電子的遷移過程，所以抗輻射能力強(qiáng)。④溫度穩(wěn)定性好。⑤選擇性好，矩形系數(shù)可達(dá)1.2。第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四

L的作用是提高晶體管的輸入電阻（在中心頻率附近與晶體管輸入電容組成并聯(lián)諧振電路）以提高前級(jí)（對(duì)接收機(jī)來說是混頻級(jí)）負(fù)載回路的有載QL值，這有利于提高整機(jī)的選擇性和抗干擾能力。為了保證對(duì)信號(hào)的選擇性要求,聲表面波濾波器在接入實(shí)際電路時(shí)必須實(shí)現(xiàn)良好的匹配，然后再接到有寬帶放大特性的主中頻放大器。第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四㈢集成寬放1.低噪聲集成電路（FZD1）前置中頻放大器輸入：對(duì)T1、T3共發(fā)、共基輸出：T4、T5共集，組成一個(gè)電路帶負(fù)載能力強(qiáng)，T4可減少輸入對(duì)輸出的影響T5T4T1T3T21567111089VEE2.中頻集成電路（FZ1）原理同上第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四三、分散選頻小信號(hào)諧振放大器㈠單級(jí)單調(diào)諧1.實(shí)用電路實(shí)際線路2.分析方法—等效電路法：實(shí)用電路—靜態(tài)分析—交流電路—小信號(hào)等效電路—列方程—求性能指標(biāo)VCC降壓耦合第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四第一步靜態(tài)分析：畫出直流通路：將C視為開路，將L視為短路，再求靜態(tài)工作點(diǎn)。第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四交流等效電路第二步：交流電路3.Y參數(shù)等效電路物理參數(shù)等效電路（物理模擬，特點(diǎn)是物理概念清晰，容易接受）

T型等效電路：主要用于分析高頻電路

混合π型等效電路：主要用于分析寬頻帶電路

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等效電路（功能模擬或形式模擬t特點(diǎn)是分析計(jì)算簡(jiǎn)便，比較抽象）

h參數(shù)等效電路：主要用于分析低頻電路

y參數(shù)等效電路：主要用于分析高頻調(diào)諧電路第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四,Yi輸入導(dǎo)納,Yr反向傳輸導(dǎo)納,Yf正向傳輸導(dǎo)納,Yo輸出導(dǎo)納Y參數(shù)等效電路第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四混Π等效電路兩種參數(shù)的關(guān)系：第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四再將T用Y參數(shù)等效第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四所以最終得到如下結(jié)果：第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四最后求性能指標(biāo)：1.諧振增益諧振時(shí)，第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四3.通頻帶：令S＝

2.選擇性：帶外某特定頻率點(diǎn)上AV與AV0之比4.矩形系數(shù)結(jié)論：?jiǎn)握{(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)遠(yuǎn)大于1，故其鄰道選擇性差，這是單調(diào)諧回路放大器的缺點(diǎn)。實(shí)際放大器的設(shè)計(jì)是要在滿足通頻帶和選擇性的前提下,盡可能提高電壓增益。注：選擇性與通頻帶是矛盾的一對(duì)第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四例2.3已知工作頻率ｆ0=30MHz,Ｖcc=6Ｖ,Ｉe=2mA。晶體管采用３ＤＧ４７型高頻管。其Ｙ參數(shù)在上述工作條件和工作頻率處的數(shù)值如下：gL=12mS,CL=12pF；go=400μS,Co=95pF；|yf|=583mS，|yr|=310μS，回路電感Ｌ=1.4μH,接入系數(shù)n1=1,n2=0.3,Ｑ0=100。負(fù)載是另一級(jí)相同的放大器。求諧振電壓增益振幅Ａu0和通頻帶ＢＷ07，并求回路電容Ｃ是多少時(shí),才能使回路諧振？第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四㈡多級(jí)單調(diào)諧從對(duì)單管單調(diào)諧放大器的分析可知,其電壓增益取決于晶體管參數(shù)、回路與負(fù)載特性及接入系數(shù)等,所以受到一定的限制。若單級(jí)放大器的增益不能滿足要求，就可以采用多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器。級(jí)聯(lián)后的放大器的增益、通頻帶和選擇性都將發(fā)生復(fù)雜的變化。1.增益設(shè)放大器有ｎ級(jí),各級(jí)電壓增益振幅分別為ＡV1,ＡV2,…,ＡVn,則總電壓增益振幅是各級(jí)電壓增益振幅的乘積,即2.選擇性：等于各級(jí)選擇性的相乘積3.通頻帶：令Sn第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四例2.4某中頻放大器的通頻帶為６MHz,現(xiàn)采用兩級(jí)或三級(jí)相同的單調(diào)諧放大器,兩種情況下對(duì)每一級(jí)放大器的通頻帶要求各是多少？結(jié)論：級(jí)數(shù)增加，通頻帶越窄，但選擇性越好。第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四4.矩形系數(shù)級(jí)數(shù)n12345678910矩形系數(shù)Kn01

9.954.903.743.403.203.103.002.932.892.852.56單調(diào)諧放大器矩形系數(shù)與級(jí)數(shù)的關(guān)系

從表中可以看出,當(dāng)級(jí)數(shù)ｎ增加時(shí),放大器矩形系數(shù)有所改善,但這種改善是有一定限度的,最小不會(huì)低于2.56。第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四

由上述公式可知,ｎ級(jí)相同的單調(diào)諧放大器的總增益比單級(jí)放大器的增益提高了,而通頻帶比單級(jí)放大器的通頻帶縮小了,且級(jí)數(shù)越多,頻帶越窄。換句話說,如多級(jí)放大器的頻帶確定以后,級(jí)數(shù)越多,則要求其中每一級(jí)放大器的頻帶越寬。所以,增益和通頻帶的矛盾是一個(gè)嚴(yán)重的問題,特別是對(duì)于要求高增益寬頻帶的放大器來說,這個(gè)問題更為突出。這一特性與低頻多級(jí)放大器相同。為了使單調(diào)諧放大器的諧振特性更接近理想矩形，可以將多級(jí)放大器中的每一級(jí)回路按一定規(guī)律分別調(diào)諧在不同的頻率上。其中最常用的是雙參差調(diào)諧放大器。第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四㈢雙調(diào)諧回路放大器對(duì)于單調(diào)諧回路放大器來說，存在的缺點(diǎn)是選擇性差，增益、通頻帶和選擇性之間的矛盾突出。但其電路簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。而對(duì)于雙調(diào)諧回路放大器來說，單級(jí)雙調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)為3.16，選擇性變好了。級(jí)數(shù)n12345矩形系數(shù)Kn01

3.22.21.951.851.76特點(diǎn)：級(jí)數(shù)增加時(shí)，矩形系數(shù)下降，所以選擇性變好，

BW下降不多。

缺點(diǎn)：調(diào)整較復(fù)雜。應(yīng)用：電子管電路，高質(zhì)量的晶體管電路。

第32頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四小結(jié)

(1)各種形式的選頻網(wǎng)絡(luò)在通信電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它能選出我們需要的頻率分量和濾除不需要的頻率分量。因此掌握各種選頻網(wǎng)絡(luò)的特性及分析方法是很重要的。(2)選頻網(wǎng)絡(luò)可分為兩大類。第一類是由電感和電容元件組成的諧振回路，它又分為單調(diào)