并聯(lián)諧振回路阻抗變換高頻小信號放大器演示文稿

并聯(lián)諧振回路阻抗變換高頻小信號放大器演示文稿當前第1頁\共有96頁\編于星期五\19點并聯(lián)諧振回路阻抗變換高頻小信號放大器當前第2頁\共有96頁\編于星期五\19點概述

在無線通信中，發(fā)射與接收的信號應當適合于空間傳輸。所以，被通信設備處理和傳輸?shù)男盘柺墙涍^調制處理過的高頻信號，這種信號具有窄帶特性。而且，通過長距離的通信傳輸，信號受到衰減和干擾，到達接收設備的信號是非常弱的高頻窄帶信號，在做進一步處理之前，應當經過放大和限制干擾的處理。這就需要通過高頻小信號放大器來完成。這種小信號放大器是一種諧振放大器。混頻器輸出端也接有這種小信號放大器，作為中頻放大器對已調信號進行放大。當前第3頁\共有96頁\編于星期五\19點

高頻小信號放大器廣泛用于廣播、電視、通信、測量儀器等設備中。高頻小信號放大器可分為兩類：一類是以諧振回路為負載的諧振放大器；另一類是以濾波器為負載的集中選頻放大器。它們的主要功能都是從接收的眾多電信號中，選出有用信號并加以放大，同時對無用信號、干擾信號、噪聲信號進行抑制，以提高接收信號的質量和抗干擾能力。當前第4頁\共有96頁\編于星期五\19點

諧振放大器常由晶體管等放大器件與LC并聯(lián)諧振回路或耦合諧振回路構成。它可分為調諧放大器和頻帶放大器，前者的諧振回路需調諧于需要放大的外來信號的頻率上，后者諧振回路的諧振頻率固定不變。集中選頻放大器把放大和選頻兩種功能分開，放大作用由多級非諧振寬頻帶放大器承擔，選頻作用由ＬC帶通濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器等承擔。目前廣泛采用集中寬頻帶放大器。高頻小信號放大器主要性能指標有：諧振增益、通頻帶、選擇性及噪聲系數(shù)等。

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1.諧振增益放大器的諧振增益是指放大器在諧振頻率上的電壓增益，記為Au0，其值可用分貝(dB)表示。放大器的增益具有與諧振回路相似的諧振特性，如圖２.１所示。圖中f0表示放大器的中心諧振頻率，Au/Au0表示相對電壓增益。當輸入信號的頻率恰好等于f0時，放大器的增益最大。當前第6頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.1諧振放大器的幅頻特性曲線當前第7頁\共有96頁\編于星期五\19點

2.通頻帶通頻帶是指信號頻率偏離放大器的諧振頻率f0時，放大器的電壓增益Au下降到諧振電壓增益Au0的時，所對應的頻率范圍，一般用BW0.7表示，如圖２.１所示。當前第8頁\共有96頁\編于星期五\19點

3.選擇性選擇性是指諧振放大器從輸入信號中選出有用信號成分并加以放大，而將無用的干擾信號加以有效抑制的能力。為了準確地衡量小信號諧振放大器的選擇性，通常選用“抑制比”和“矩形系數(shù)”兩個技術指標。

1)抑制比抑制比可定義為：諧振增益Au0與通頻帶以外某一特定頻率上的電壓增益Au的比，用d(dB)表示，記為當前第9頁\共有96頁\編于星期五\19點2)矩形系數(shù)假設諧振放大器是理想放大器，其特性曲線是如圖2.1所示的理想矩形。該圖表明在通頻帶內放大器的電壓增益保持不變，而在通頻帶外電壓增益為零。若干擾信號頻率在放大器的頻帶之外，那么，它將被全部抑制。實際諧振放大器的特性曲線如圖2.1所示的鐘形曲線所示。為了評價實際放大器的諧振曲線與理想曲線的接近程度，引入矩形系數(shù)，定義為當前第10頁\共有96頁\編于星期五\19點

式中，BW0.7是放大器的通頻帶；BW0.1是相對電壓增益值下降到0.1時的頻帶寬度。K0.1值越小越好，在接近１時，說明放大器的諧振特性曲線就愈接近于理想曲線，放大器的選擇性就愈好。

4.噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù)是指輸入端的信噪比Pi/Pni與輸出端的信噪比Po/Pno兩者的比值，即或

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式中，Pi為放大器輸入端的信號功率；Pni為放大器輸入端的噪聲功率；Po為放大器輸出端的信號功率；Pno為放大器輸出端的噪聲功率。若放大器是一個理想的無噪聲線性網(wǎng)絡，那么，噪聲系數(shù)當前第12頁\共有96頁\編于星期五\19點2.1.諧振回路2.1.1并聯(lián)諧振回路信號源與電感線圈和電容器并聯(lián)組成的電路，叫做LC并聯(lián)回路，如圖2.4所示。圖中與電感線圈Ｌ串聯(lián)的電阻Ｒ代表線圈的損耗，電容Ｃ的損耗不考慮。為信號電流源。為了分析方便，在分析電路時也暫時不考慮信號源內阻的影響。

1)并聯(lián)諧振回路阻抗的頻率特性如圖2.4所示，其阻抗表達式為當前第13頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.4LC并聯(lián)回路當前第14頁\共有96頁\編于星期五\19點(2─1)(2─2)(2─3)(2─4)當前第15頁\共有96頁\編于星期五\19點

下面討論并聯(lián)回路阻抗的頻率特性。當回路諧振時，即ω=ω0時，ω0L-1/ω0C=0。并聯(lián)諧振回路的阻抗為一純電阻，數(shù)值可達到最大值|Z|=RP=L/CR，RP稱為諧振電阻，阻抗相角為φ=0。從圖2.5可以看出，并聯(lián)諧振回路在諧振點頻率ω0時，相當于一個純電阻電路。當回路的角頻率ω＜ω0時，并聯(lián)回路總阻抗呈電感性。當回路的角頻率ω＞ω0時，并聯(lián)回路總阻抗呈電容性。(2─5)當前第16頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.5并聯(lián)諧振回路的特性曲線當前第17頁\共有96頁\編于星期五\19點

式中，GP=CR/L=1/RP，為電導;B=ωC-1/ωL，為電納。圖2.6就是利用式(2─5)得出的。式(2─5)是我們常用的并聯(lián)振蕩回路的表達形式。

2)并聯(lián)諧振回路端電壓頻率特性諧振回路兩端的電壓為當前第18頁\共有96頁\編于星期五\19點(2─6)(2─7)(2─8)

由此可見，在信號源電流Is一定的情況下，并聯(lián)回路端電壓UAB的頻率特性與阻抗頻率特性相似，如圖2.7所示。當前第19頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.6并聯(lián)振蕩回路當前第20頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.7電壓-頻率特性曲線當前第21頁\共有96頁\編于星期五\19點3)并聯(lián)諧振回路諧振頻率在實際應用中，并聯(lián)諧振回路頻率可以由式(2─2)近似求出(2─9)并聯(lián)回路準確的諧振角頻率可以從式(2─1)求出：(2─10)當前第22頁\共有96頁\編于星期五\19點4)品質因數(shù)并聯(lián)回路諧振時的感抗或容抗與線圈中串聯(lián)的損耗電阻Ｒ之比，定義為回路的品質因數(shù)，用Ｑ0表示，

(2─11)并聯(lián)諧振回路的諧振電阻可以用Ｑ0表示：(2─12)當前第23頁\共有96頁\編于星期五\19點5)諧振曲線、通頻帶及選擇性將式(2─6)與式(2─8)相比，得(2─13)(2─14)當前第24頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.8并聯(lián)回路諧振曲線當前第25頁\共有96頁\編于星期五\19點

由式(2─14)可以繪出并聯(lián)回路諧振曲線，如圖2.8所示。這曲線適用于任何ＬＣ并聯(lián)諧振回路。

對ξ進行如下變換：

在諧振頻率附近，可近似地認為，ω≈ω0，ω+ω0=2ω，則當前第26頁\共有96頁\編于星期五\19點(2─15)式中，Δf=f-f0,得當前第27頁\共有96頁\編于星期五\19點

從式(2─16)可以看出，在諧振點,Δf=0，U/U0=1。隨著|Δf|的增大，U/U0將減小。對于同樣的偏離值Δf，Q0越高，U/U0衰減就越多，諧振曲線就越尖銳，如圖2.9所示。

圖2.9幅頻特性曲線當前第28頁\共有96頁\編于星期五\19點

下面利用諧振曲線求出通頻帶。由式(2─16)，令U/U0=0.707，如圖2.10所示，可得回路的通頻帶BW0.7為

例1

已知并聯(lián)諧振回路諧振頻率f0＝1MHz，Ｑ0＝100。求頻率偏離10kHz時，電壓相對于諧振點的衰減比值U/U0

。又若Ｑ0

＝50，求U/U0

。(2─17)當前第29頁\共有96頁\編于星期五\19點

圖2.10通頻帶當前第30頁\共有96頁\編于星期五\19點

解（１）Ｑ0=100時,（２）若Ｑ0=50時，當前第31頁\共有96頁\編于星期五\19點

根據(jù)上面計算結果可畫得圖2.11，它說明在相同的頻率偏離值Δf下，Ｑ越高，諧振曲線越尖銳，選擇性越好，但通頻帶窄了。我們希望諧振回路有一個很好的選擇性，同時要有一個較寬的通頻帶，這是矛盾的。為了保證較寬的通頻帶，只能犧牲選擇性。當前第32頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.11例題圖當前第33頁\共有96頁\編于星期五\19點6)并聯(lián)諧振回路中的電流并聯(lián)回路諧振時，流過RP、Ｃ、Ｌ中的電流如下：(2─18)(2─19)(2─20)當前第34頁\共有96頁\編于星期五\19點

由上面三式可見，并聯(lián)回路諧振時，諧振電阻ＲP上的電流就等于信號源的電流。電感支路上的電流和電容支路上的電流，等于信號源電流的Ｑ0倍。因此，在諧振時，信號源電流Is不大，但電感、電容支路上電流卻很大，是信號源電流的Ｑ0倍，所以說并聯(lián)諧振也叫電流諧振。當前第35頁\共有96頁\編于星期五\19點阻抗變換電路

1、信號源內阻及負載對諧振回路的影響考慮Ｒs和ＲL后的并聯(lián)諧振回路，如圖2.12所示。下面利用電導的形式來分析電路。諧振回路的總電導為諧振回路的空載Ｑ0值，即為當前第36頁\共有96頁\編于星期五\19點諧振回路的有載ＱL值為根據(jù)上兩式，可以得ＱL與Ｑ0的關系由于GΣ＞gP，所以QL＜Q0。當前第37頁\共有96頁\編于星期五\19點2、阻抗變換電路信號源內阻或負載并聯(lián)在回路兩端，將直接影響回路的Ｑ值，影響負載上的功率輸出及回路的諧振頻率。為解決這個問題，可用阻抗變換電路，將它們折算到回路兩端，以改善對回路的影響。

(1)變壓器耦合圖2.13(a)為變壓器的耦合聯(lián)接電路。(2─22)當前第38頁\共有96頁\編于星期五\19點

圖2.13變壓器的耦合聯(lián)接當前第39頁\共有96頁\編于星期五\19點

（２）自耦變壓器耦合如圖2.14(a)所示，N1是總線圈數(shù)，N2是自耦變壓器的抽頭部分線圈數(shù)。負載電阻RL折合到諧振回路后的等效電阻為R′L，如圖2.14(b)所示。(2─23)式中，n=N2/N1為接入系數(shù)。當前第40頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.14自耦變壓器的耦合聯(lián)接當前第41頁\共有96頁\編于星期五\19點

（３）變壓器自耦變壓器耦合如圖2.15(a)所示，該電路可以將信號源內阻和負載電阻折合到諧振回路中(注意接入系數(shù)的正確選擇)。(2─24)RL和Rs折合到諧振回路后的電阻為R′L和R′s，(2─25)當前第42頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.15變壓器自耦變壓器的耦合聯(lián)接當前第43頁\共有96頁\編于星期五\19點2.2小信號諧振放大器

小信號諧振放大器類型很多，按調諧回路區(qū)分，有單調諧回路放大器、雙調諧回路放大器和參差調諧回路放大器。按晶體管聯(lián)接方法區(qū)分，有共基極，共發(fā)射極和共集電極放大器等。本節(jié)討論一種常用的調諧放大器——共發(fā)射極單調諧放大器。當前第44頁\共有96頁\編于星期五\19點

2.2.1單級單調諧放大器單調諧放大器是由單調諧回路作為交流負載的放大器。圖2.2所示為一個共發(fā)射極單調諧放大器。它是接收機中一種典型的高頻放大器電路。圖中Ｒ1、Ｒ2是放大器的偏置電阻，Ｒe是直流負反饋電阻，Ｃ1、Ｃe是直流高頻旁路電容，它們起穩(wěn)定放大器靜態(tài)工作點的作用。LC組成并聯(lián)諧振回路，它與晶體管共同起著選頻放大作用。當前第45頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.2共射單調諧放大器當前第46頁\共有96頁\編于星期五\19點

當直流工作點選定以后，圖2.2可以簡化成只包括高頻通路的等效電路，如圖2.3所示。由圖2.3可以看出，電路分為三部分：晶體管本身、輸入電路和輸出電路。晶體管是諧振放大器的重要組件，在分析電路時，可用Y參數(shù)等效電路來說明它的特性。輸入電路由電感Ｌ與天線回路耦合，將天線來的高頻信號通過它加到晶體管的輸入端。輸出電路是由Ｌ與C組成的并聯(lián)諧振回路，通過互感耦合將放大后的信號加到下一級放大器的輸入端。本電路的晶體管輸出端與負載輸入端采用了部分接入的方式。當前第47頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.3交流等效電路當前第48頁\共有96頁\編于星期五\19點

1.晶體管Ｙ參數(shù)等效電路在分析高頻小信放大器時，采用Ｙ參數(shù)等效電路進行分析是比較方便的。所以在電路化簡時，可將晶體管等效成一個Ｙ參數(shù)等效電路。一個晶體管可以看成有源四端網(wǎng)絡，如圖2.16所示。(2─26)令，由晶體管的Ｙ參數(shù)的網(wǎng)絡方程得當前第49頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.16晶體管共發(fā)射極電路當前第50頁\共有96頁\編于星期五\19點

Yie是晶體管輸出端短路時的輸入導納（下標“ｉ”表示輸入，“ｅ”表示共射組態(tài)），反映了晶體管放大器輸入電壓對輸入電流的控制作用，其倒數(shù)是電路的輸入阻抗。Yie參數(shù)是復數(shù)，Yie可表示為Yie=gie+jωCie，其中gie、Cie分別稱為晶體管的輸入電導和輸入電容。當前第51頁\共有96頁\編于星期五\19點Yre是晶體管輸入端短路時的反向傳輸導納（下標“r”表示反向），反映了晶體管輸出電壓對輸入電流的影響，即晶體管內部的反饋作用。

Yoe是晶體管輸入端短路時的輸出導納（下標“o”表示輸出），反映了晶體管輸出電壓對輸出電流的作用，其倒數(shù)是電路的輸出阻抗。當前第52頁\共有96頁\編于星期五\19點

圖2.17Y參數(shù)等效電路(a)晶體管Y參數(shù)等效電路；(b)實際應用Y參數(shù)等效電路當前第53頁\共有96頁\編于星期五\19點

圖2.17Y參數(shù)等效電路(a)晶體管Y參數(shù)等效電路；(b)實際應用Y參數(shù)等效電路當前第54頁\共有96頁\編于星期五\19點2.單調諧放大器單調諧放大器如圖2.18(a)所示。將圖2.18(a)化為交流等效電路，可得圖2.18(b)。根據(jù)晶體管Ｙ參數(shù)等效電路，并考慮到為保證實用的單調諧放大器穩(wěn)定地工作，都采取了一定的措施，使內部反饋很小。(2─27)當前第55頁\共有96頁\編于星期五\19點

上式中n1、n2是接入系數(shù)

將圖2.18(e)中的g′oe、g′L、gP合并，得GΣ；將C′oe、C、C′L合并，得CΣ。這樣可進－步將圖2.18(e)簡化成如圖2.18(f)所示的形式。在圖2.18(f)中，(2─28)當前第56頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.18單調諧放大器的等效電路當前第57頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.18單調諧放大器的等效電路當前第58頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.18單調諧放大器的等效電路當前第59頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.18單調諧放大器的等效電路當前第60頁\共有96頁\編于星期五\19點

下面對電路性能進行計算。

1)單調諧放大器電壓增益放大器的電壓增益：導納輸出電壓當前第61頁\共有96頁\編于星期五\19點

為有載時并聯(lián)回路的諧振頻率。其電壓增益的模為為有載品質因數(shù);(2─29)(2─30)當前第62頁\共有96頁\編于星期五\19點

諧振放大器諧振時的電壓增益最大。式中的負號，表示放大器輸入電壓與輸出電壓反相(有180°的相位差)。諧振放大器的電壓增益與接入系數(shù)n1、n2有關。當回路諧振時，f=f0，Δf=0時，放大器諧振電壓增益為(2─31)(2─32)其模為當前第63頁\共有96頁\編于星期五\19點2)單調諧放大器的通頻帶式(2─30)與式(2─32)相比，可得單調諧放大器的諧振曲線數(shù)學表達式：(2─33)

單調諧放大器的諧振曲線如圖２.19所示。令，可求得單調諧放大器的通頻帶BW0.7。(2─34)當前第64頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.19諧振放大器的幅頻特性曲線當前第65頁\共有96頁\編于星期五\19點

顯然，單調諧諧振放大器的通頻帶取決于回路的諧振頻率f0以及有載品質因數(shù)QL。當f0確定時，ＱL越低，通頻帶愈寬,如圖２.20所示。圖2.20不同Q諧振曲線當前第66頁\共有96頁\編于星期五\19點

當Yfe、n1、n2、CΣ均為定值時，諧振放大器的增益與通頻帶的乘積為一常數(shù)，也就是說，通頻帶越寬，增益越??；反之，增益越大。

3)單調諧放大器的選擇性由式(2─31)可得(2─35)當前第67頁\共有96頁\編于星期五\19點

上式與式(2─34)相比，得矩形系數(shù)上式說明，單調諧放大器的矩形系數(shù)遠大于１，諧振曲線與矩形相差太遠，故單調諧諧振放大器的選擇性較差。

4)功率增益單調諧放大器的功率增益可由下式表示：(2─36)當前第68頁\共有96頁\編于星期五\19點

式中，Pi為放大器的輸入功率；Po為輸出端負載gL上所獲得的功率。在滿足匹配n21goe=n22gL的條件下，并考慮到回路的固有損耗，可由下式計算實際的功率增益：(2─37)是回路無損耗又匹配時，晶體管能給出的最大功率；當前第69頁\共有96頁\編于星期五\19點2.2.2多級單調諧回路諧振放大器將圖2.21中晶體管V2集電極上加一個諧振回路，就可得雙級單調諧放大電路，如圖2.22所示。下面分析多級單調諧回路諧振放大器的性能指標。當前第70頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.21單調諧放大電路當前第71頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.22雙級單調諧放大器當前第72頁\共有96頁\編于星期五\19點1.電壓增益設有n級單調諧放大器相互級聯(lián)，且各級的電壓增益相同，即

Ａu1=Ａu2=Ａu3=…=Ａun

則級聯(lián)后放大器的總電壓增益為

|An|=|Au1|·|Au2|·|Au3|……|Aun|=|Aun|n諧振時，電壓增益為(2─38)(2─39)當前第73頁\共有96頁\編于星期五\19點

從式(2─39)可以看出，級聯(lián)后總電壓增益是單級電壓增益的n次方。在圖2.23中，n=1是單級單調諧放大器電壓增益諧振曲線；n=2是雙級單調諧放大器電壓增益諧振曲線；n=3是三級單調諧放大器電壓增益諧振曲線。電壓增益諧振曲線數(shù)學表達式為(2─40)當前第74頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.23級聯(lián)放大器諧振曲線當前第75頁\共有96頁\編于星期五\19點2.通頻帶令式(2─40)等于0.707，可得n級級聯(lián)放大器的總通頻帶(2─41)

式中,f0/ＱL是單級單調諧放大器通頻帶；是頻帶縮小因子，下表列出不同n值時縮小因子的大?。簄12345…10.640.510.430.39…當前第76頁\共有96頁\編于星期五\19點3.選擇性令式(2─40)等于0.1，可得n級級聯(lián)放大器總通頻帶BW0.1為將上式與式(2─41)相比，得矩形系數(shù)為(2─42)當前第77頁\共有96頁\編于星期五\19點

下表列出了不同n值時矩形系數(shù)的大小。由表可以看出，級數(shù)越大，矩形系數(shù)越接近１。

n123456K0.19.954.663.753.43.23.1當前第78頁\共有96頁\編于星期五\19點2.2.3諧振放大器的穩(wěn)定性

1.放大器的輸入導納如圖2.27所示，求放大器輸入導納Yi。圖中，Ys是信號源導納；YL是集電極總負載導納。圖2.27計算Yi的調諧放大器等效電路當前第79頁\共有96頁\編于星期五\19點

放大器輸入導納：(2─49)

式中，Yi′是輸出電路通過Ye的反饋而引起的輸入導納，稱反饋等效導納；Yie是晶體管的輸入導納。當前第80頁\共有96頁\編于星期五\19點圖2.28內部反饋對諧振曲線的影響當前第81頁\共有96頁\編于星期五\19點2.穩(wěn)定性從