通信電子線(xiàn)路 課件 第1-3章 緒論、通信電子線(xiàn)路基礎(chǔ)、高頻小信號(hào)諧振放大器

第1章緒論1.1電子線(xiàn)路分類(lèi)1.2非線(xiàn)性電子線(xiàn)路在通信中的應(yīng)用1.3無(wú)線(xiàn)電波的傳播1.4本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)要求

1.1

電子線(xiàn)路分類(lèi)

電子線(xiàn)路是指含有晶體三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等有源電子器件并能實(shí)現(xiàn)某種特定電功能的電路。例如,振蕩器、放大器、濾波器等各種信號(hào)的產(chǎn)生、放大、變換和處理電路。

1.按照工作頻率分類(lèi)

按照工作頻率分類(lèi),電子線(xiàn)路可分為低頻電子線(xiàn)路、高頻電子線(xiàn)路和微波電子線(xiàn)路。

高頻工作頻率的范圍一般為300kHz~300MHz,如廣播、電視、短波通信設(shè)備等無(wú)線(xiàn)電設(shè)備均屬于高頻電子線(xiàn)路。微波工作頻率一般高于300MHz,如移動(dòng)通信設(shè)備、衛(wèi)星通信設(shè)備、微波中繼通信設(shè)備、雷達(dá)、導(dǎo)航設(shè)備等均屬于微波電子線(xiàn)路。

由于工作頻率不同,對(duì)有源器件的性能要求、電子線(xiàn)路的工藝結(jié)構(gòu)都不盡相同。隨著工作頻率升高,對(duì)器件的上限頻率要求也提高,晶體管極間電容、電極的引線(xiàn)電感、載流子擴(kuò)散漂移時(shí)間等因素的影響都會(huì)逐漸明顯起來(lái),以至于變成必須考慮的主要因素。

電路的制造工藝由印刷電路板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成微型集成電路結(jié)構(gòu),電路各級(jí)間的隔離、屏蔽和電源的饋給等都隨之發(fā)生變化。

2.按照流通的信號(hào)形式分類(lèi)

按照流通的信號(hào)形式分類(lèi),電子線(xiàn)路可分成模擬電子線(xiàn)路和數(shù)字電子線(xiàn)路。凡是完成模擬信號(hào)的產(chǎn)生、放大、變換、處理和傳輸?shù)碾娮泳€(xiàn)路統(tǒng)稱(chēng)為模擬電子線(xiàn)路。模擬信號(hào)比較

直觀形象,但是電路的抗干擾能力差且不便于用計(jì)算機(jī)處理。凡是完成數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生、放大、變換、處理和傳輸?shù)碾娮泳€(xiàn)路統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)字電子線(xiàn)路。數(shù)字信號(hào)可以再生,其抗干擾能力強(qiáng),并且便于用計(jì)算機(jī)處理。在電子信息各個(gè)領(lǐng)域中,要根據(jù)不同的用途和要求選取不同的電路。

3.按照線(xiàn)性和非線(xiàn)性分類(lèi)

按照線(xiàn)性和非線(xiàn)性分類(lèi),電子線(xiàn)路可分為線(xiàn)性電子線(xiàn)路和非線(xiàn)性電子線(xiàn)路。線(xiàn)性電子線(xiàn)路由線(xiàn)性元件組成,具有疊加性和均勻性,適用疊加定理。非線(xiàn)性電子線(xiàn)路含有非線(xiàn)性

元件。非線(xiàn)性電子線(xiàn)路具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(3)非線(xiàn)性器件的響應(yīng)取決于工作點(diǎn)位置與輸入信號(hào)大小。圖1-1所示是晶體三極管非線(xiàn)性轉(zhuǎn)移特性。在圖1-1(a)中,靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于放大區(qū),當(dāng)輸入信號(hào)很小時(shí),動(dòng)態(tài)范圍位于線(xiàn)性段,可以近似為線(xiàn)性工作,輸出信號(hào)不失真,即所謂的甲類(lèi)工作狀態(tài);當(dāng)輸入信號(hào)為大信號(hào)時(shí),輸入信號(hào)有部分進(jìn)入截止區(qū),即進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū),為非線(xiàn)性工作,輸出信號(hào)失真,即所謂的甲乙類(lèi)工作狀態(tài)。在圖1-1(b)中,靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于截止區(qū),無(wú)論輸入信號(hào)有多大,都將進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū),輸出信號(hào)失真,即所謂的乙類(lèi)工作狀態(tài)。

圖1-1

晶體三極管非線(xiàn)性轉(zhuǎn)移特性

(4)采用工程近似分析方法。非線(xiàn)性電路的數(shù)學(xué)描述是非線(xiàn)性方程,在求解非線(xiàn)性方程時(shí)頗為復(fù)雜和困難。在工程上一般采用近似分析方法,根據(jù)實(shí)際情況對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型

和電路條件進(jìn)行合理近似,以便使用簡(jiǎn)單的分析方法獲得具有實(shí)用意義的結(jié)果。

1.2非線(xiàn)性電子線(xiàn)路在通信中的應(yīng)用非線(xiàn)性電子線(xiàn)路廣泛地應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域,因此又稱(chēng)之為通信電子線(xiàn)路。

1.2.1

無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展與應(yīng)用無(wú)線(xiàn)通信是在逐漸發(fā)展的電路理論和電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上得以實(shí)現(xiàn)的。1831年,英國(guó)的法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。1837年,英國(guó)的麥克斯韋提出了電磁場(chǎng)理論。1888年,德國(guó)的赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在。以上這一切,都為發(fā)明無(wú)線(xiàn)通信奠定了重要的基礎(chǔ)。

無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展具有以下三個(gè)特征:

(1)無(wú)線(xiàn)通信所應(yīng)用的振蕩頻率不斷升高,從長(zhǎng)波、中波發(fā)展到短波、超短波,直至微波,隨之傳送的信號(hào)頻率范圍不斷加寬,從幾百赫茲、幾千赫茲到幾千兆赫茲。

2)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)所采用的電子元件和器件不斷更新,由電子管到晶體管,又發(fā)展到集成電路。電阻器、電容器、電感線(xiàn)圈以及各種接插件、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線(xiàn)等各種新型元器件不斷

出現(xiàn)。

(3)近代無(wú)線(xiàn)通信承擔(dān)的任務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了通信范圍,它與各學(xué)科的發(fā)展緊密地聯(lián)系在一起,成為各門(mén)學(xué)科發(fā)展的重要工具。

下面列出無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的一些主要應(yīng)用場(chǎng)合:

(1)無(wú)線(xiàn)電報(bào)——利用無(wú)線(xiàn)電波傳遞電報(bào)信號(hào)。

(2)無(wú)線(xiàn)電話(huà)——利用無(wú)線(xiàn)電波傳送語(yǔ)音信號(hào)。

(3)無(wú)線(xiàn)電廣播——利用無(wú)線(xiàn)電波給千家萬(wàn)戶(hù)送去語(yǔ)音、音樂(lè)和各種信息。

(4)無(wú)線(xiàn)電傳真——將照片、文字(文件)等隨著無(wú)線(xiàn)電波的傳播從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方。

(5)無(wú)線(xiàn)電廣播電視——隨著無(wú)線(xiàn)電波的傳播給千家萬(wàn)戶(hù)送去活動(dòng)影像和信息。電視技術(shù)還在工業(yè)、醫(yī)療、教育、國(guó)防、公安等部門(mén)得到廣泛應(yīng)用。

(6)無(wú)線(xiàn)電定位——利用無(wú)線(xiàn)電波的反射來(lái)測(cè)定天空中、水面上或陸地上各種目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)情況,軍事上應(yīng)用極廣,如航空雷達(dá)。

(7)無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航——利用無(wú)線(xiàn)電定位設(shè)備和其他電子設(shè)備,引導(dǎo)飛機(jī)在復(fù)雜氣象條件下飛行和著陸,或幫助艦船在大霧中航行和靠岸。

(8)無(wú)線(xiàn)電超聲波技術(shù)——利用超聲波(可以在水中傳播)測(cè)海深、探魚(yú)群和暗礁的位置,測(cè)繪海深地圖。超聲波可作為水中通信工具或操縱水中武器,在這方面已發(fā)展成為一

門(mén)與國(guó)防有關(guān)的科學(xué)——水聲學(xué)。

(9)無(wú)線(xiàn)電天文學(xué)——無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和天文學(xué)結(jié)合而形成的學(xué)科。它通過(guò)分析天體所發(fā)射的電磁波來(lái)研究宇宙,用天文無(wú)線(xiàn)電望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)天體。

(10)無(wú)線(xiàn)電氣象學(xué)——用無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究地球表面大氣中的復(fù)雜氣象過(guò)程,可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)、暖流、寒流、雨、雪等氣象情況。

(11)無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)、遙控技術(shù)——利用無(wú)線(xiàn)電技術(shù)遠(yuǎn)距離測(cè)量各種物理量,控制各種機(jī)件的動(dòng)作,可以使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。

(12)辦公室自動(dòng)化、家用電器自動(dòng)化——利用無(wú)線(xiàn)電技術(shù)控制辦公室設(shè)備和家用電器。

(13)電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是近代無(wú)線(xiàn)電技術(shù)發(fā)展的一大成就。

上述各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的應(yīng)用,都伴隨著各種性質(zhì)的消息的傳送。而無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在工業(yè)上的其他許多應(yīng)用,卻并不傳送什么消息,如高頻加熱、高頻焊接、微波爐等。

1.2.2非線(xiàn)性電子線(xiàn)路應(yīng)用舉例:無(wú)線(xiàn)電廣播系統(tǒng)

1.無(wú)線(xiàn)電廣播發(fā)送設(shè)備的工作原理

一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)電廣播發(fā)送設(shè)備(或無(wú)線(xiàn)電廣播發(fā)射機(jī))的組成框圖及各點(diǎn)波形如圖1-2所示。

圖1-2無(wú)線(xiàn)電廣播發(fā)送設(shè)備的組成框圖

2.無(wú)線(xiàn)電廣播接收設(shè)備的工作原理

1)最簡(jiǎn)單的接收機(jī)——直接檢波式接收機(jī)

最簡(jiǎn)單的直接檢波式接收機(jī)的組成框圖及各點(diǎn)波形如圖1-3所示。圖1-3直接檢波式接收機(jī)的組成框圖及各點(diǎn)波形

2)高放式接收機(jī)

一般把帶有高頻放大器的接收機(jī)稱(chēng)為高放式接收機(jī)。另外,為了能推動(dòng)功率大一點(diǎn)的揚(yáng)聲器放聲,還需在檢波器后面加音頻放大器。高放式接收機(jī)的組成框圖及各點(diǎn)波形如圖1-4所示。圖1-4高放式接收機(jī)的組成框圖及各點(diǎn)波形

3)超外差式接收機(jī)

超外差式接收機(jī)的組成框圖及各點(diǎn)波形如圖1-5所示。圖1-5超外差式接收機(jī)的組成框圖及各點(diǎn)波形

由于中頻頻率固定不變,選臺(tái)時(shí)中頻放大器的調(diào)諧回路就不需要再調(diào)整,中頻放大器的選擇性、通頻帶質(zhì)量可以得到保證;而且中頻頻率相對(duì)較低,中頻放大電路增益可以做得較高,能提高整機(jī)增益和靈敏度。這些都是超外差式接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

1.3無(wú)線(xiàn)電波的傳播

1.3.1-無(wú)線(xiàn)電波波段的劃分電磁波的范圍很廣,它包括無(wú)線(xiàn)電波、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、宇宙射線(xiàn)等等。無(wú)線(xiàn)電波是波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的一種電磁波,它所占有的頻率范圍很廣,約為10kHz~10000Ghz(104~1013Hz),波長(zhǎng)范圍為30000m~0.3mm。無(wú)線(xiàn)電波各波段的名稱(chēng)、波長(zhǎng)與頻率范圍、相應(yīng)的頻段名稱(chēng)以及主要用途如表1-1所示。

1.3.2無(wú)線(xiàn)電波各波段的傳播特點(diǎn)

1.無(wú)線(xiàn)電波的基本傳遞方式

無(wú)線(xiàn)電波和光波一樣,具有直射、繞射、反射和折射等現(xiàn)象。按照由發(fā)射天線(xiàn)到接收天線(xiàn)的傳播途徑不同分類(lèi),無(wú)線(xiàn)電波傳播包括表面波(地面波)、天波和空間波三種方式。

1)表面波

表面波主要依靠繞射方式傳播,即電波沿著彎曲的地球表面行進(jìn)到接收點(diǎn),如圖1-6所示。圖1-6表面波傳播方式

2)天波

天波是依靠電離層的反射和折射到達(dá)接收點(diǎn)的,如圖

1-7所示。圖1-7天波傳播方式

3)空間波

空間波是在空間傳播的,主要包括直射波和反射波,如圖1-8所示?？臻g波一般適用于微波的傳播。圖1-8空間波傳播方式

2.各波段傳播特點(diǎn)

(1)長(zhǎng)波波段用地面波方式傳播有利,因損耗小,可遠(yuǎn)距離傳輸。

(2)中波波段的傳播特點(diǎn)與長(zhǎng)波相似,可用地面波方式和天波方式傳播。

(3)短波波段的特點(diǎn)是地面的吸收比較嚴(yán)重,用地面波傳播很不利,傳播距離不超過(guò)幾十千米。

短波傳播還有兩個(gè)突出的特點(diǎn):

①短波天波傳播受電離層的影響很大,而電離層的物理特性經(jīng)常變化,所以短波傳播很不穩(wěn)定。通常在兩點(diǎn)之間進(jìn)行短波通信時(shí),接收信號(hào)往往會(huì)突然減弱,有時(shí)甚至無(wú)法收到,這種現(xiàn)象稱(chēng)為衰弱,它是短波通信的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題,為了保持良好的通信質(zhì)量,必須根據(jù)電離層的變化規(guī)律,經(jīng)常更換工作頻率。

②在離開(kāi)短波發(fā)射電臺(tái)一定距離的范圍內(nèi),有一段信號(hào)無(wú)法到達(dá)的中間地帶,這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為寂靜區(qū),如圖1-9所示。出現(xiàn)寂靜區(qū)的原因是,地面波傳播的傳輸距離不遠(yuǎn),而天波傳播的傳輸距離又較遠(yuǎn),兩者之間會(huì)出現(xiàn)一段天波和地面波都傳播不到的中間地帶。圖1-9短波通信中的寂靜區(qū)

(4)超短波和微波由于頻率太高,地面損耗大增,繞射能力不強(qiáng),不能用地面波方式傳播。同時(shí)超短波和微波在電離層中反射得很小,大部分電波穿透電離層后一去不復(fù)返,故也不能用天波方式傳播。所以超短波和微波通常是靠直線(xiàn)傳播,即主要用空間波的傳播方式,作用距離大致限制在幾十千米的視距范圍之內(nèi)。

1.4本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)要求

1.本課程的內(nèi)容——三大類(lèi)電路(1)高頻放大電路——在輸入信號(hào)作用下,可將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為按輸入信號(hào)規(guī)律變化的被放大的輸出信號(hào)。例如,小信號(hào)諧振放大器、諧振功率放大器。

(2)高頻振蕩電路——在不加輸入信號(hào)的情況下,穩(wěn)定地產(chǎn)生特定頻率或特定頻率范圍的正弦波振蕩信號(hào),例如,正弦波振蕩電路。

(3)頻率變換電路(或稱(chēng)為頻譜搬移電路)——在輸入信號(hào)作用下產(chǎn)生與之波形和頻譜均不同的輸出信號(hào),例如,調(diào)制電路、解調(diào)電路、混頻電路和倍頻電路。

2.本課程的特點(diǎn)與要求

(1)工程上采用近似分析法。

(2)功能與電路形式多。

(3)提高電路的讀圖和分析能力。

(4)重視實(shí)踐環(huán)節(jié)(實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)),堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際。第2章通信電子線(xiàn)路基礎(chǔ)2.1電路元件的高頻特性2.2LC

諧振回路2.3LC

諧振回路應(yīng)用舉例

2.1電路元件的高頻特性電路元件可分為兩大類(lèi)，即線(xiàn)性元件和非線(xiàn)性元件。線(xiàn)性元件包括電感線(xiàn)圈、電容器及電阻器等元件，非線(xiàn)性元件是指鐵芯線(xiàn)圈以及晶體管、電子管等元件。所謂線(xiàn)性和非線(xiàn)性是這樣區(qū)分的：元件兩端電壓和電流之間的關(guān)系是正比例關(guān)系，或者說(shuō)，元件的伏安特性曲線(xiàn)是通過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，如圖2-1(a)所示，則稱(chēng)這類(lèi)元件是線(xiàn)性元件；若元件兩端電壓和電流的關(guān)系是不成正比例的，即它的伏安特性曲線(xiàn)不是通過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，則稱(chēng)這樣的元件為非線(xiàn)性元件，如圖2-1(b)所示。

圖2-1電路元件伏安特性

2.1.1電感線(xiàn)圈的高頻特性

1.線(xiàn)圈的電阻

先來(lái)討論線(xiàn)圈的電阻。線(xiàn)圈的直流電阻R也就是繞制線(xiàn)圈的導(dǎo)線(xiàn)的直流電阻，它是導(dǎo)線(xiàn)中只通過(guò)直流或頻率很低的交流時(shí)所呈現(xiàn)的電阻值。

線(xiàn)圈的交流電阻r是線(xiàn)圈在交流狀態(tài)下表現(xiàn)的等效電阻。影響線(xiàn)圈交流電阻r的因素較多，如磁場(chǎng)輻射引起的能量損失、磁芯線(xiàn)圈在磁介質(zhì)內(nèi)的磁滯損失、由線(xiàn)圈磁場(chǎng)附近金屬物內(nèi)感應(yīng)所生的渦流損失等。所有這些能量損失，都可用一個(gè)等效電阻r表示。但是，影響線(xiàn)圈交流電阻各因素中，最主要的是導(dǎo)體電阻的“集膚效應(yīng)”。

什么是“集膚效應(yīng)”呢?在直流和很低頻率情況下，導(dǎo)體橫截面上的電流密度是均勻的。但是，隨著工作頻率逐漸增高，導(dǎo)體橫截面上電流分布的不均勻現(xiàn)象會(huì)逐漸顯著起來(lái)。這時(shí)，越接近導(dǎo)體表面，電流密度越大；反之，越接近導(dǎo)體內(nèi)部，電流密度越小。在頻率很高時(shí)，絕大部分電流集中在導(dǎo)體表面的某一薄層內(nèi)，而導(dǎo)體內(nèi)部的電流密度接近于零。這種圖2-2“集膚效應(yīng)”示意圖隨著頻率的增高，交流電流向?qū)w表面(導(dǎo)體“皮膚”)集中的現(xiàn)象稱(chēng)為“集膚效應(yīng)”，其示意圖如圖2-2所示。

圖2-2“集膚效應(yīng)”示意圖

頻率越高，“集膚效應(yīng)”越明顯，電阻值越大。而電阻越大，損耗功率也越大，線(xiàn)圈的感抗作用越不明顯，這是我們所不希望的。為了減小“集膚效應(yīng)”的影響，即減小電阻損耗，可采取兩個(gè)辦法：一是采用多圈相互絕緣的導(dǎo)線(xiàn)，以增加總表面面積；二是在銅導(dǎo)線(xiàn)表面鍍銀。

圖2-3電感線(xiàn)圈的電容效應(yīng)

3.電感線(xiàn)圈在高頻時(shí)的等效電路

通過(guò)以上的討論，可見(jiàn)一個(gè)電感線(xiàn)圈在高頻工作時(shí)同時(shí)呈現(xiàn)電感、電阻和電容特性，因而可以用如圖2-4(a)所示的等效電路表示，其中，L為線(xiàn)圈的電感量，r為其交流損耗電阻，C為其分布電容。圖2-4電感線(xiàn)圈的等效電路

在分析長(zhǎng)、中、短波或者米波波段時(shí)，通?？珊雎苑植茧娙萦绊?，因而，電感線(xiàn)圈的等效電路可以為電感L和電阻r串聯(lián)，如圖2-4(b)所示。有時(shí)，為了分析方便，電感線(xiàn)圈的等效電路用并聯(lián)形式，如圖2-4(c)所示。從兩種形式等效電路的輸入阻抗或?qū)Ъ{相等出發(fā)，可以推導(dǎo)出串、并聯(lián)轉(zhuǎn)換公式為

4.電感線(xiàn)圈的品質(zhì)因數(shù)Q

由于電感線(xiàn)圈的損耗電阻r與工作頻率有關(guān)，通常不易測(cè)量。所以一般不直接用交流損耗電阻大小衡量線(xiàn)圈損耗，而是引入線(xiàn)圈的“品質(zhì)因數(shù)”這一參數(shù)來(lái)表示。品質(zhì)因數(shù)定義為線(xiàn)圈的感抗與其串聯(lián)的損耗電阻之比，以符號(hào)Q表示，即

引出品質(zhì)因數(shù)Q后，式(2-1)和式(2-2)可以表示為

當(dāng)Q?1時(shí)，以上兩式可以簡(jiǎn)化為

2.1.2-電容器的高頻特性

1.電容器的電阻特性

電容器存在電阻特性有很多原因，主要原因有幾點(diǎn)：電容器所使用的介質(zhì)不是理想的絕緣體，當(dāng)電容器兩端有電壓時(shí)，在介質(zhì)中會(huì)有漏電流，盡管漏電流很小，但當(dāng)它通過(guò)很大的絕緣電阻時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)哪芰繐p耗；在高頻工作下，電容器介質(zhì)中帶正、負(fù)電荷的原子在高頻交變電場(chǎng)作用下要不斷發(fā)生位移，這種位移在介質(zhì)內(nèi)也會(huì)造成功率損耗；在高頻、高壓下，電容器介質(zhì)中所含的氣體游離也會(huì)產(chǎn)生損耗。以上這一切都表現(xiàn)為電容器中介質(zhì)發(fā)熱，損耗增大。

2.電容器在高頻時(shí)的等效電路

高頻時(shí)，一個(gè)實(shí)際電容器可以等效為一個(gè)電容和一個(gè)電阻串聯(lián)，也可以等效成并聯(lián)形式，如圖2-5所示。圖2-5電容器的等效電路

2.2-LC諧振回路

圖2-6串聯(lián)諧振回路的基本電路

2.串聯(lián)諧振回路的諧振特性

根據(jù)電路分析基礎(chǔ)知識(shí)，可以得到串聯(lián)諧振回路電流的幅頻特性和相頻特性分別為

根據(jù)式(2-11)和式(2-12)可以畫(huà)出幅頻特性曲線(xiàn)和相頻特性曲線(xiàn)分別如圖2-7和圖2-8所示。圖中，

圖2-7幅頻特性曲線(xiàn)圖2-8相頻特性曲線(xiàn)

3.串聯(lián)諧振回路的諧振條件

在前面討論串聯(lián)諧振回路的頻率特性(包括幅頻特性和相頻特性)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)串聯(lián)諧振回路的總電抗X滿(mǎn)足

4.串聯(lián)諧振回路的諧振頻率

滿(mǎn)足式(2-13)的角頻率稱(chēng)為串聯(lián)諧振回路的諧振角頻率，記作ω0，即

或諧振頻率f0為

當(dāng)回路諧振頻率f0不等于外加信號(hào)頻率f時(shí)，稱(chēng)回路對(duì)該信號(hào)頻率失諧。f0與f兩者相差越遠(yuǎn)，回路失諧越嚴(yán)重，回路電流就越小。

5.串聯(lián)諧振回路的諧振電阻R0

串聯(lián)回路的諧振電阻就是諧振回路諧振時(shí)呈現(xiàn)的阻抗值。由圖2-6可知串聯(lián)諧振回路諧振時(shí)的阻抗為

顯然，當(dāng)回路諧振時(shí)，有則諧振電阻為

一般串聯(lián)諧振回路的諧振電阻為幾歐姆。

6.串聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q

正如電感線(xiàn)圈的品質(zhì)因數(shù)是用來(lái)衡量其質(zhì)量好壞一樣，諧振回路也用品質(zhì)因數(shù)衡量回路諧振性能好壞。

串聯(lián)諧振回路品質(zhì)因數(shù)定義為諧振時(shí)回路的感抗(或容抗)值與回路電阻之比。諧振回路的品質(zhì)因數(shù)包括空載品質(zhì)因數(shù)和有載品質(zhì)因數(shù)。

1)空載品質(zhì)因數(shù)Q0

空載品質(zhì)因數(shù)是指諧振回路沒(méi)有接入外接電阻，只有線(xiàn)圈損耗電阻時(shí)的品質(zhì)因數(shù)。由定義可知，圖2-6所示回路的空載品質(zhì)因數(shù)Q0可寫(xiě)為

式中，r是線(xiàn)圈損耗電阻。顯然，諧振回路的空載品質(zhì)因數(shù)就是線(xiàn)圈的品質(zhì)因數(shù)。

2)有載品質(zhì)因數(shù)QL

有載品質(zhì)因數(shù)是指諧振回路接入了外接電阻(如信號(hào)源內(nèi)阻、負(fù)載電阻等)時(shí)的品質(zhì)因數(shù)。例如，接入信號(hào)源內(nèi)阻RS和負(fù)載電阻RL后的串聯(lián)諧振回路如圖2-9所示。圖2-9串聯(lián)諧振回路

圖2-9的有載品質(zhì)因數(shù)為

可見(jiàn)，串聯(lián)諧振回路接入外接電阻后，有載品質(zhì)因數(shù)比空載品質(zhì)因數(shù)減小。

圖2-10并聯(lián)諧振回路的基本電路

2.并聯(lián)諧振回路的諧振特性

根據(jù)電路分析基礎(chǔ)知識(shí)，可以得到并聯(lián)諧振回路端電壓的幅頻特性和相頻特性分別為

圖2-11幅頻特性曲線(xiàn)圖2-12-相頻特性曲線(xiàn)

3.并聯(lián)諧振回路的諧振條件

當(dāng)信號(hào)源角頻率即當(dāng)并聯(lián)諧振回路總電納B滿(mǎn)足

時(shí)諧振回路諧振，將式(2-21)稱(chēng)為并聯(lián)諧振回路的諧振條件。

4.并聯(lián)諧振回路的諧振頻率f0

滿(mǎn)足式(2-21)的角頻率稱(chēng)為并聯(lián)諧振回路的諧振角頻率ω0，即

或諧振頻率f0為

5.并聯(lián)諧振回路的諧振電阻R0

根據(jù)定義，由圖2-10可知，并聯(lián)諧振回路諧振時(shí)的阻抗為

顯然，當(dāng)回路諧振，即諧振電阻為

一般并聯(lián)諧振回路諧振電阻約為幾十千歐。

6.并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q

并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)定義為諧振時(shí)回路的容納(或感納)值與回路電導(dǎo)之比。

1)空載品質(zhì)因數(shù)Q0

由定義可知，并聯(lián)回路的空載品質(zhì)因數(shù)Q0可寫(xiě)為

式中，GP是線(xiàn)圈損耗電導(dǎo)。顯然，并聯(lián)諧振回路的空載品質(zhì)因數(shù)就是線(xiàn)圈的品質(zhì)因數(shù)。

2)有載品質(zhì)因數(shù)QL

接入信號(hào)源內(nèi)阻RS和負(fù)載電阻RL后的并聯(lián)諧振回路如圖2-13所示，則回路的有載圖2-13并聯(lián)諧振回路

2.2.3諧振特性與品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系

串聯(lián)與并聯(lián)諧振回路的幅頻特性與相頻特性均可以用品質(zhì)因數(shù)表示為

式中，I0(或U0)為諧振電流(或電壓)；Q為回路的品質(zhì)因數(shù)；f0為諧振頻率；Δf=f-f0為失諧量。

通過(guò)改變品質(zhì)因數(shù)，可以得到一族幅頻特性曲線(xiàn)和相頻特性曲線(xiàn)，分別如圖2-14(a)、(b)所示。圖2-14Q值對(duì)諧振曲線(xiàn)的影響

2.2.4諧振回路的通頻帶與選擇性

1.通頻帶

諧振回路的通頻帶是指輸出電流I(或電壓U)與最大值I0(U0)之比為0.707時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率fL與fH之差，如圖2-15所示，記作B0.7或2Δf0.7，又稱(chēng)為3dB帶寬。

圖2-15諧振回路通頻帶

2.選擇性

諧振回路選擇性是指選擇有用信號(hào)，抑制或?yàn)V除無(wú)用信號(hào)(干擾)的能力。一般用矩形系數(shù)表示選擇性好壞。矩形系數(shù)定義為

式(2-29)中，B0.1為諧振回路輸出電流(或電壓)與最大值之比為0.1時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率之差。理想與實(shí)際諧振曲線(xiàn)的關(guān)系如圖2-16所示?？梢?jiàn)，理想諧振曲線(xiàn)為矩形曲線(xiàn)。

圖2-16理想與實(shí)際諧振曲線(xiàn)的關(guān)系

2.2.5并聯(lián)諧振回路的耦合方式及接入系數(shù)

1.并聯(lián)諧振回路耦合方式

1)變壓器耦合方式

變壓器耦合電路及其等效電路如圖2-17所示。圖中變壓器初級(jí)線(xiàn)圈電感L與電容C組成并聯(lián)諧振回路，次級(jí)線(xiàn)圈連接負(fù)載RL，N1、N2分別為初、次級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)，R'L為負(fù)載RL等效到諧振回路兩端的等效負(fù)載。

圖2-17變壓器耦合電路及其等效電路

2)自感變壓器耦合方式

變壓器自感耦合電路及其等效電路如圖2-18所示。圖中變壓器電感線(xiàn)圈L與電容C組成并聯(lián)諧振回路，線(xiàn)圈抽頭與負(fù)載RL連接，N1、N2-分別為線(xiàn)圈總匝數(shù)和部分匝數(shù)。

根據(jù)變壓器耦合電路分析方法，可以得到

圖2-18自感變壓器耦合電路及其等效電路

3)雙電容耦合方式

雙電容耦合電路及其等效電路如圖2-19所示。圖中，電感L與電容C1、C2-組成并聯(lián)諧振回路，電容C1、C2-串聯(lián)，則總電容負(fù)載電阻RL接在電容C2-兩端。R'L為等效到諧振回路兩端的等效負(fù)載。圖2-19雙電容耦合電路及其等效電路

2.接入系數(shù)P

接入系數(shù)取值范圍為0<P<1，可以定義為

對(duì)于變壓器耦合和自感變壓器耦合，負(fù)載接入諧振回路的接入系數(shù)很容易得到(請(qǐng)讀者自行分析)

對(duì)于雙電容耦合，圖2-19中的RL接入端點(diǎn)間的電壓為U2，回路兩端電壓為U1，根據(jù)式(2-36)可得到接入系數(shù)為

引入接入系數(shù)后，所有耦合電路的阻抗變換規(guī)律可以統(tǒng)一寫(xiě)成

可見(jiàn)，調(diào)節(jié)接入系數(shù)P，就可以根據(jù)需要改變等效負(fù)載R'L的大小。

當(dāng)外接負(fù)載不是純電阻時(shí)，式(2-37)可推廣至一般場(chǎng)合，即負(fù)載阻抗與等效阻抗的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

負(fù)載導(dǎo)納與等效導(dǎo)納的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

總之，外接電路(如信號(hào)源、負(fù)載等)采用部分接入諧振回路的方式，都能使等效阻抗增大，以提高回路的有載品質(zhì)因數(shù)，減小外接電路對(duì)回路諧振特性的影響。同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，輸出較大功率。

例2-2

原電路如圖2-20(a)所示，信號(hào)源與負(fù)載均部分接入并聯(lián)諧振回路，接入系數(shù)分別是P1、P2。請(qǐng)分析將信號(hào)源和負(fù)載等效到并聯(lián)諧振回路A、B兩端的等效電路。

解信號(hào)源內(nèi)阻RS折合到A、B兩端，等效內(nèi)阻為

圖2-20例2-2圖

2.2.6耦合回路

1.耦合回路概念及其電路形式

在雙回路中，接有信號(hào)源的回路稱(chēng)為初級(jí)回路，與負(fù)載相連的回路稱(chēng)為次級(jí)回路。初、次級(jí)回路之間的耦合可以有幾種不同的方式，較常用的有互感耦合和電容耦合兩種?；ジ旭詈系湫碗娐啡鐖D2-21所示。圖中是初級(jí)諧振回路L1、C1、G1與次級(jí)諧振回路L2、C2、G2-通過(guò)互感M互相耦合。電容耦合典型電路如圖2-22所示。圖中初級(jí)諧振回路L1、C1、G1與次級(jí)諧振回路L2、C2、G2-通過(guò)電容耦合元件CM互相耦合。

圖2-21互感耦合雙回路電路圖2-22-電容耦合雙回路

耦合電路的性能與兩個(gè)回路之間的耦合程度有關(guān)。為了說(shuō)明耦合程度大小，常引入耦合系數(shù)k來(lái)表示。耦合系數(shù)k一般定義為

式中，X12表示耦合元件的電抗；X11表示初級(jí)回路與X12同性質(zhì)總電抗；X22表示次級(jí)回路與X12同性質(zhì)總電抗。

2.耦合回路的諧振曲線(xiàn)

下面以電容耦合雙回路為例，討論耦合回路的諧振曲線(xiàn)。為了使分析簡(jiǎn)便，假設(shè)如圖2-23所示的初、次級(jí)電路參數(shù)完全相同，即L1=L2=L，C1=C2=C，G1=G2=G，U1為初級(jí)回路端電壓，U2-為次級(jí)回路輸出電壓。可以證明如圖2-23所示的電容耦合雙回路的次級(jí)輸出電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，η為耦合因數(shù)，其與耦合系數(shù)的關(guān)系為

ξ為廣義失諧量，有

當(dāng)ξ=0且η=1時(shí)，次級(jí)輸出電壓最大，為U2max，即

則次級(jí)輸出電壓歸一化值為

由式(2-43)可見(jiàn)，對(duì)于雙回路而言，諧振特性除了與ξ(即工作頻率f和品質(zhì)因數(shù)Q)有關(guān)外，還與初、次級(jí)耦合程度η有關(guān)。

圖2-23初、次級(jí)參數(shù)相同的電容耦合雙回路

下面分別討論η=1、η<1和η>1等三種情況的諧振曲線(xiàn)：

(1)η=1(臨界耦合)時(shí)的諧振曲線(xiàn)。當(dāng)η=1時(shí)，式(2-43)可以簡(jiǎn)化為

根據(jù)式(2-44)可以畫(huà)出η=1時(shí)的諧振曲線(xiàn)如圖2-24曲線(xiàn)①所示。為了比較，圖中也畫(huà)出了單回路諧振曲線(xiàn)②。由此容易看出，雙回路諧振曲線(xiàn)更接近矩形，即在諧振點(diǎn)附近比較平坦，在通頻帶外衰減較快，顯然對(duì)通頻帶和選擇性都有利，較好地克服了兩者矛盾。

圖2-24η=1時(shí)的雙回路諧振曲線(xiàn)

(2)η<1(弱耦合)時(shí)的諧振曲線(xiàn)。η<1時(shí)的諧振曲線(xiàn)如圖2-25中曲線(xiàn)②(對(duì)應(yīng)η=0.5)所示。當(dāng)ξ=0時(shí)，此種情況下通頻帶變窄，失去了雙回路的優(yōu)越性。所以在實(shí)際電路中，η<1的情況很少用。圖2-25不同η的雙回路諧振曲線(xiàn)

(3)η>1(強(qiáng)耦合)時(shí)的諧振曲線(xiàn)。根據(jù)式(2-44)可以畫(huà)出η>1時(shí)的諧振曲線(xiàn)如圖2-25曲線(xiàn)③(對(duì)應(yīng)η=1.5)和曲線(xiàn)④(對(duì)應(yīng)η=2)所示。此時(shí)的諧振曲線(xiàn)出現(xiàn)雙峰，在ξ=0處出現(xiàn)谷點(diǎn)，并且隨著η增大，兩個(gè)峰點(diǎn)間距加大，谷點(diǎn)凹陷得越厲害。當(dāng)η=2.41時(shí)，谷點(diǎn)凹陷至0.707。

3.耦合回路的通頻帶

根據(jù)通頻帶的定義，即可求得通頻帶為

由式(2-45)可見(jiàn)，耦合回路與單回路不一樣，通頻帶除與品質(zhì)因數(shù)Q成反比外，還與耦合因數(shù)η有關(guān)。

2.3LC諧振回路應(yīng)用舉例

收音機(jī)的輸入回路就是LC并聯(lián)諧振回路，是接收電臺(tái)信號(hào)的“大門(mén)”，要求其具有良好的選擇性和正確的頻率覆蓋面。其典型電路如圖2-26所示。圖中，Tr為調(diào)諧耦合高頻變壓器，稱(chēng)為磁性天線(xiàn)，其電感線(xiàn)圈繞在磁棒上。L1是變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈，L2是變壓器的次級(jí)線(xiàn)圈。一般L1采用多股(7~28股)繞制，以減小損耗。

圖2-26收音機(jī)的LC諧振回路

其中，C0是補(bǔ)償電容，用以保證中波高頻段的接收靈敏度。當(dāng)改變C1a容量時(shí)，調(diào)諧回路就諧振在接收電臺(tái)的頻率上，選出所需要的電臺(tái)信號(hào)，經(jīng)磁棒耦合到L2-上輸出。例如，已知C1a的可調(diào)范圍為Cmin=7pF，Cmax=270pF。我國(guó)規(guī)定廣播中波的接收頻段是535~1605kHz。要求調(diào)節(jié)C1a從最小到最大時(shí)，恰好能覆蓋接收頻段，可計(jì)算出L和C0的值。

根據(jù)諧振頻率求解公式，得到

解此方程，得到L≈300μH，C0≈26pF第3章高頻小信號(hào)諧振放大器3.1概述3.2晶體管高頻小信號(hào)等效電路3.3晶體管的頻率參數(shù)3.4小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器3.5小信號(hào)雙調(diào)諧回路諧振放大器3.6高頻小信號(hào)諧振放大器的穩(wěn)定性3.7小信號(hào)諧振放大器設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例

【應(yīng)用背景】

小信號(hào)諧振放大器是無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)的組成部分，圖3-1所示接收機(jī)中陰影框圖“高放”與“中放”均為小信號(hào)諧振放大器，其位于接收機(jī)的前級(jí)，用來(lái)放大來(lái)自接收天線(xiàn)的“小信號(hào)”，以提高接收機(jī)靈敏度。

圖3-1小信號(hào)諧振放大器應(yīng)用示例

3.1概述3.1.1高頻小信號(hào)諧振放大器的特點(diǎn)將諧振系統(tǒng)插入放大管和輸出負(fù)載之間所組成的放大器稱(chēng)為諧振放大器(調(diào)諧放大器)，如圖3-2所示。諧振放大器從不同的角度有不同的分類(lèi)。按照諧振系統(tǒng)分類(lèi)，可以分為單調(diào)諧回路諧振放大器、雙調(diào)諧回路諧振放大器；按照輸入信號(hào)大小分類(lèi)，可以分為小信號(hào)諧振放大器和大信號(hào)諧振放大器；按放大器的通頻帶來(lái)分類(lèi)，可分為窄頻帶諧振放大器和寬頻帶諧振放大器；按電路的級(jí)數(shù)分類(lèi)，可分為單級(jí)諧振放大器和多級(jí)諧振放大器。

圖3-2諧振放大器的組成框圖

3.1.2小信號(hào)諧振放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.電壓增益

衡量小信號(hào)諧振放大器的放大能力，用Au表示。由于放大器輸入信號(hào)只有幾十微伏到幾毫伏，而放大輸出要求達(dá)到500mV以上，所以小信號(hào)諧振放大器需要有大約60~

100dB的電壓增益。

2.通頻帶

小信號(hào)諧振放大器通頻帶的定義與諧振回路通頻帶定義類(lèi)似，即電壓增益下降到最大值的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍，稱(chēng)為放大器通頻帶，用2Δf0.7或B0.7來(lái)表示，如圖3-3所示(實(shí)際諧振曲線(xiàn))。例如，調(diào)幅收音機(jī)通頻帶約為9kHz，電視接收機(jī)通頻帶約為8MHz。

圖3-3

小信號(hào)諧振放大器的幅頻響應(yīng)

3.選擇性

小信號(hào)諧振放大器在不失真放大輸入的有用信號(hào)時(shí)，還需要具有抑制通頻帶以外的干擾信號(hào)，因此對(duì)放大器提出選擇性的要求。

干擾的情況常常較復(fù)雜:有位于有用信號(hào)頻率附近的鄰近電臺(tái)的干擾，稱(chēng)為鄰近波道干擾或鄰臺(tái)干擾；有某一特定頻率的干擾；還有通信設(shè)備本身電子器件非線(xiàn)性產(chǎn)生的交調(diào)干擾，等等。

在2.2節(jié)LC諧振回路曾經(jīng)提到，理想的諧振回路的選頻特性應(yīng)該是矩形。同樣，理想的諧振放大器諧振曲線(xiàn)也應(yīng)該是矩形，即對(duì)信號(hào)頻帶內(nèi)所有的頻率成分都有一樣的放大倍數(shù)，而對(duì)于信號(hào)頻帶外的無(wú)用信號(hào)均不予放大，如圖3-3中(理想矩形虛線(xiàn))所示。而實(shí)際的諧振曲線(xiàn)與理想矩形諧振曲線(xiàn)有較大的差異。為了評(píng)定實(shí)際諧振曲線(xiàn)接近理想矩形的程度，引入放大器矩形系數(shù)，用Kr表示。

一般定義放大器的電壓器增益下降到最大值0.1時(shí)的頻帶寬度(記作2Δf0.1，如圖3-3所示)與放大器通頻帶2Δf0.7之比，記作Kr0.1，即

顯然式(3-1)總是大于1的數(shù)。Kr0.1愈接近1，實(shí)際的諧振曲線(xiàn)愈接近理想矩形，選擇性就愈好。

4.工作穩(wěn)定性

高頻放大器如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)工作不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至自激。小信號(hào)諧振放大器工作穩(wěn)定性是指當(dāng)放大器的工作狀態(tài)、元器件參數(shù)由于環(huán)境的變化(如溫度的變化)時(shí)，放大器主要性能的穩(wěn)定程度，包括增益穩(wěn)定度、諧振頻率穩(wěn)定度、通頻帶穩(wěn)定度、輸出穩(wěn)定度等。

5.噪聲系數(shù)

放大器的噪聲系數(shù)是衡量諧振放大器本身產(chǎn)生噪聲大小程度的一個(gè)指標(biāo)。它定義為放大器輸出端信噪功率比大于輸入端信噪功率比的倍數(shù)。若用PSI表示輸入信號(hào)功率，PNI表

示輸入噪聲功率，PSO表示輸出信號(hào)功率，PNO表示輸出噪聲功率，則放大器的輸入端信噪功率比為PSI/PNI，輸出端信噪功率比為PSO/PNO。放大器的噪聲系數(shù)若用NF表示，則

由式(3-2)可以得到NF的以下表示形式，即

式中，AP=PSO/PSI是放大器的功率增益；P'N是放大器本身產(chǎn)生的輸出端測(cè)量的噪聲功率，APPNI是將輸入噪聲放大后的輸出端噪聲功率。

放大器本身產(chǎn)生的噪聲的大小是關(guān)系到提高接收機(jī)靈敏度的關(guān)鍵問(wèn)題，特別是接收機(jī)中第一級(jí)高頻放大器的噪聲系數(shù)，將基本上決定一臺(tái)接收機(jī)的靈敏度。因此，對(duì)第一級(jí)高頻放大級(jí)采用的電路和器件都要慎重對(duì)待。

可見(jiàn)，將小信號(hào)諧振放大器與過(guò)去學(xué)習(xí)的低頻放大器比較，它們之間的根本差別是小信號(hào)諧振放大器具有諧振的性質(zhì)，其頻率特性主要集中在諧振頻率附近，上、下限頻率的比值接近于1；而低頻放大器不存在諧振特性，其上、下限頻率的比值遠(yuǎn)大于1。由于存在這個(gè)根本差別，它們?cè)陔娐方Y(jié)構(gòu)、性能要求、分析方法等方面會(huì)有一系列的差異。

3.2晶體管高頻小信號(hào)等效電路

3.2.1Y參數(shù)等效電路(形式等效電路)晶體管總有一對(duì)輸入端和一對(duì)輸出端，共四個(gè)端子，故可將晶體管等效地看成是一個(gè)有源四端網(wǎng)絡(luò)。這樣就可以用一些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來(lái)組成等效電路。圖3-4所示的是一個(gè)晶體管共發(fā)射極電路。

圖3-4晶體管共發(fā)射極電路

圖3-5晶體管共發(fā)射極Y參數(shù)等效電路

3.2.2混合π型等效電路(物理模擬等效電路)

晶體管共射混合π型等效電路是分析晶體管高頻電路時(shí)較常用的一種等效電路，它是根據(jù)晶體管內(nèi)部物理過(guò)程直接模擬出的一種物理參數(shù)等效電路。即把晶體管內(nèi)部的復(fù)雜關(guān)

系，用集中元件R、L、C表示，每一個(gè)元件都對(duì)應(yīng)于晶體管內(nèi)發(fā)生的某種物理過(guò)程，這是一種物理模擬的方法。

如圖3-6所示。

圖3-6晶體管共射混合π型等效電路

混合π型等效電路中的各參數(shù)物理意義與大概的數(shù)量級(jí)為:

(1)基區(qū)體電阻rbb':不同類(lèi)型的晶體管rbb'的數(shù)值是不一樣的，低頻小功率管可達(dá)幾百歐姆，高頻小功率管一般在十幾歐姆到幾十歐姆之間。

(2)發(fā)射結(jié)參數(shù)rb'e和Cb'e:由于發(fā)射結(jié)處于正向偏置，rb'e數(shù)值一般為幾十歐姆，發(fā)射結(jié)結(jié)電容Cb'e以擴(kuò)散電容為主，一般為幾十至幾百皮法。

(3)集電結(jié)參數(shù)rb'c和Cb'c:由于集電結(jié)處于反向偏置，rb'c的數(shù)值很大，約為一百千歐至十兆歐。Cb'c以勢(shì)壘電容為主，一般為2~10pF。

(4)晶體管輸出電阻rce:rce通常較大，一般在一百千歐左右。

(5)受控電流源gmUb'e:gm是晶體管跨導(dǎo)(也稱(chēng)為互導(dǎo))，是衡量發(fā)射結(jié)電壓Ube對(duì)集電極電流控制能力的參數(shù)，它反映了晶體管的放大能力。gm可以表示為

由于混合π型等效電路參數(shù)中既有電阻量綱(如rce等)，又有電導(dǎo)量綱(如gm)，因此稱(chēng)之混合參數(shù)等效電路。

在實(shí)際應(yīng)用混合π型等效電路時(shí)，為了使分析盡量簡(jiǎn)單化，往往根據(jù)不同的工作頻段將完整的等效電路加以簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化中所依據(jù)的是當(dāng)電容C和電阻R并聯(lián)時(shí)，并聯(lián)阻抗的數(shù)值與頻率ω有關(guān)系。例如，頻率較高時(shí)，容抗1/(ωC)的數(shù)值較小，當(dāng)其遠(yuǎn)小于R時(shí)，并聯(lián)阻抗以電容C作用為主，R可忽略不計(jì)；頻率較低時(shí)，容抗1/(ωC)的數(shù)值較大，當(dāng)其遠(yuǎn)大于R時(shí)，并聯(lián)阻抗以R作用為主，C可忽略不計(jì)。根據(jù)這種情況，再結(jié)合各個(gè)電阻、電容值的大小，混合π型等效電路在不同的工作頻段，可以做出相應(yīng)的簡(jiǎn)化。例如，幾十千赫頻率以下的低頻混合π型等效電路如圖3-7所示。十幾兆赫頻率以下的視頻混合π型等效電路如圖3-8所示。

圖3-7低頻混合π型等效電路圖3-8視頻混合π型等效電路

幾十兆赫頻率以上的高頻混合π型等效電路如圖3-9所示。圖3-9高頻混合π型等效電路

經(jīng)過(guò)證明，Y參數(shù)可以通過(guò)混合π參數(shù)得到，如果rbb'可以忽略不計(jì)，兩者的關(guān)系近似為

這樣Y參數(shù)的物理概念也就清楚多了。

最后，需要說(shuō)明的是，雖然等效電路是分析電子電路的有力工具，但它是一定假設(shè)條件下將晶體管用等效電路來(lái)替代的，即它是近似的，利用它進(jìn)行計(jì)算時(shí)誤差是相當(dāng)大的。而且等效電路應(yīng)用是有局限性的，雖然已經(jīng)說(shuō)明等效電路在小信號(hào)條件下可用，但小信號(hào)究竟小到什么程度，要看具體電路和要求的精確度，有時(shí)候還要考慮非線(xiàn)性問(wèn)題。

3.3晶體管的頻率參數(shù)

1.β的截止頻率fβ在“低頻電路”課程中介紹了共發(fā)射極電路的電流放大系數(shù)β的含義。需要指出的是，β值隨著頻率的上升而下降，β是一個(gè)頻率函數(shù)。原因是由于基極電流Ib被發(fā)射結(jié)結(jié)電容Cb'e的分流而引起的，如圖3-10所示。圖3-10Cb'e分流作用示意圖

圖3-11β的頻率特性

2.特征頻率fT

當(dāng)頻率增高，|β|值下降為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，稱(chēng)為晶體管的特征頻率，用fT表示，如圖3-11所示。根據(jù)式(3-7)，當(dāng)f=fT時(shí)，|β|=1，即

從而求得

在式(3-8)中，當(dāng)β0?1時(shí)，近似有

特征頻率fT是晶體管高頻運(yùn)用時(shí)的重要參數(shù)，有關(guān)fT的情況，需要注意以下幾點(diǎn):

(1)特征頻率fT是晶體管在運(yùn)用時(shí)能夠得到電流放大作用的最高極限頻率。當(dāng)f>fT時(shí)，電流放大系數(shù)|β|<1。但必須注意的是，不等于說(shuō)這時(shí)候的晶體管就沒(méi)有放大作用了，這是因?yàn)榇藭r(shí)功率增益和電壓增益還有可能大于1(因?yàn)榉糯笃鞯妮敵鲐?fù)載阻抗往往大于輸入阻抗)。這一點(diǎn)不能混淆。

(2)特征頻率fT高于β截止頻率fβ，即fT>fβ。由式(3-9)可見(jiàn)，fT約比f(wàn)β高出β0倍。例如，設(shè)晶體管3DG32A的fT=500MHz，β0=50，則其這表明，當(dāng)晶體管選定后，fT也基本確定，那么要獲得足夠大的電流放大系數(shù)β，其工作頻率就不能太高。如果要兩者兼得，就必須選擇fT更高的晶體管。

(3)特征頻率fT與高頻時(shí)的電流放大系數(shù)β還有一種簡(jiǎn)單關(guān)系。當(dāng)工作頻率f?fβ的時(shí)候，可以得到

由式(3-10)可知，當(dāng)fT確定后，就能很快知道在某一工作頻率f時(shí)的電流放大系數(shù)|β|。

(4)特征頻率fT與晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)ICQ和UCEQ是有關(guān)的。電路手冊(cè)上給出的fT值都是在一定的靜態(tài)工作點(diǎn)上測(cè)出的?？梢宰C明

由式(3-11)可見(jiàn)，fT與gm、Cb'e、Cb'c有關(guān)系，而gm、Cb'e、Cb'c都與靜態(tài)工作點(diǎn)ICQ和UCEQ有關(guān)，因此，fT與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)。一般情況下，當(dāng)ICQ和UCEQ大時(shí)，fT值也升高一些。

4.最高振蕩頻率fmax

把晶體管的功率增益等于1時(shí)的工作頻率稱(chēng)為最高振蕩頻率，用fmax表示?？梢宰C明

fmax表示一個(gè)晶體管所能運(yùn)用的最高極限頻率，此時(shí)，晶體管已得不到功率放大，當(dāng)f>fmax時(shí)，無(wú)論用什么辦法都不能使晶體管產(chǎn)生振蕩，故稱(chēng)fmax為最高振蕩頻率。

3.4小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器

3.4.1單級(jí)單調(diào)諧回路放大器圖3-12為兩級(jí)小信號(hào)共射單調(diào)諧回路放大器。

圖3-12兩級(jí)小信號(hào)共射單調(diào)諧回路放大器

1.電路的工作原理

小信號(hào)諧振放大器的晶體管工作在“小信號(hào)”甲類(lèi)工作狀態(tài)(即晶體管對(duì)輸入交流信號(hào)在整個(gè)周期均導(dǎo)通)，因此電路中同時(shí)存在著直流和交流信號(hào)。

1)靜態(tài)分析

直流工作情況是指放大器沒(méi)有外加信號(hào)時(shí)的工作情況，即所謂“靜態(tài)”工作情況。要分析靜態(tài)情況，可先畫(huà)出電路的直流通路，如圖3-13所示。

圖3-13-放大器直流通路

電路中各支路的直流電流方向如圖3-13中箭頭所示。工作點(diǎn)計(jì)算過(guò)程為

2)動(dòng)態(tài)分析

當(dāng)直流工作正常后，分析“動(dòng)態(tài)”情況，即在輸入信號(hào)作用下，小信號(hào)諧振放大器交流工作情況。要分析動(dòng)態(tài)情況，可畫(huà)出電路的交流通路，如圖3-14所示。其中，RB=RB1∥RB2，

yie2為后一級(jí)放大器的輸入導(dǎo)納，作為本級(jí)負(fù)載導(dǎo)納。圖3-14放大器的交流通路

3)工作過(guò)程

高頻小信號(hào)被放大的基本過(guò)程是:高頻小信號(hào)源作用在本級(jí)晶體管b、e之間，產(chǎn)生基極電流ib，通過(guò)晶體管放大作用產(chǎn)生集電極電流ic，當(dāng)LC諧振回路調(diào)諧在輸入信號(hào)頻率上時(shí)(在忽略晶體管和負(fù)載電容影響的情況下)，在回路兩端出現(xiàn)較高的諧振電壓，再經(jīng)自耦變壓器耦合就在負(fù)載中產(chǎn)生電流iL，從而負(fù)載上將得到較大的、不失真的功率或電壓。如果LC諧振回路諧振頻率不等于輸入信號(hào)頻率，就不能實(shí)現(xiàn)放大作用。

當(dāng)要分析放大器放大倍數(shù)、通頻帶等性能參數(shù)時(shí)，首先要畫(huà)出其Y參數(shù)等效電路。

2.小信號(hào)單調(diào)諧放大器的Y參數(shù)等效電路及其簡(jiǎn)化電路

圖3-14所示的小信號(hào)單調(diào)諧放大器的Y參數(shù)等效電路如圖3-15所示。圖中虛線(xiàn)框里是晶體管的Y參數(shù)等效電路，RP是負(fù)載諧振回路等效并聯(lián)損耗電阻。圖3-15小信號(hào)單調(diào)諧放大器的Y參數(shù)等效電路

由于晶體管的Y參數(shù)等效電路與負(fù)載yie2是部分接入LC諧振回路的，因此下面對(duì)圖3-15進(jìn)一步等效，即將虛線(xiàn)框里的晶體管Y參數(shù)等效電路以及負(fù)載導(dǎo)納yie2折合到諧振回路兩端，如圖3-16所示。圖3-16晶體管Y參數(shù)等效電路以及負(fù)載折合到諧振回路兩端的等效電路

由于yie=gie+jωCie，yoe=goe+jωCoe，則圖3-16中導(dǎo)納P21yoe和P22yie2可以分別等效為電導(dǎo)和電容的并聯(lián)電路，如圖3-17所示。圖3-17導(dǎo)納P21yoe和導(dǎo)納P22yie2的等效電路

為此，將圖3-16中所有電導(dǎo)合并為總電導(dǎo)gΣ，所有電容合并為總電容CΣ，則可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為如圖3-18所示電路。圖3-18小信號(hào)單調(diào)諧放大器Y參數(shù)等效電路的簡(jiǎn)化電路

圖3-18中總電導(dǎo)gΣ為

式中，GP為線(xiàn)圈并聯(lián)損耗等效電導(dǎo)；goe為晶體管輸出電導(dǎo)；gie2為負(fù)載電導(dǎo)。總電容CΣ為

式中，C為回路電容；Coe為晶體管輸出電容；Cie2為負(fù)載電容。

圖3-19yre≈0時(shí)的放大器Y參數(shù)等效電路

1)電壓增益一般表示式

其中，Δf=f-f0，將Δf稱(chēng)為失諧量。代入式(3-17)后，可得單調(diào)諧回路放大器電壓增益的一般表示為

4.通頻帶

由式(3-18)和式(3-19)可知，把諧振放大器工作在任一頻率時(shí)電壓增益模值A(chǔ)u與諧振電壓增益模值A(chǔ)u0之比可表示為

式中，Δf=f-f0。當(dāng)QL一定時(shí)，根據(jù)式(3-21)可以畫(huà)出諧振放大器的通用諧振曲線(xiàn)，如圖3-20所示。

圖3-20諧振放大器的通用諧振曲線(xiàn)

根據(jù)通頻帶的定義，將式(3-21)中的2Δf改寫(xiě)為2Δf0.7，即有

得到單調(diào)諧放大器通頻帶的計(jì)算公式為

式(3-21)與諧振回路的通頻帶公式類(lèi)似，不同的是，其中有載品質(zhì)因數(shù)QL要考慮總損耗電導(dǎo)gΣ，即QL可以表示為

其中，諧振頻率f0要考慮總電容CΣ，即f0可以表示為

在分析了放大器的通頻帶計(jì)算方法后，下面討論諧振電壓增益與通頻帶的關(guān)系。由式(3-19)和式(3-22)可得

5.選擇性

根據(jù)矩形系數(shù)定義式，首先求2Δf0.1，把式(3-21)中的2Δf改為2Δf0.1，則有

解上式，可得到失諧通頻帶為

因此單調(diào)諧回路諧振放大器的矩形系數(shù)為

可見(jiàn)，單調(diào)諧回路諧振放大器的矩形系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，與理想值相差比較遠(yuǎn)，顯然這樣的選擇性是不好的，其鄰近電臺(tái)的抑制能力差，這是單級(jí)單調(diào)諧回路放大器的缺點(diǎn)。

例3-1諧振放大器交流等效電路如圖3-21所示，已知諧振頻率f0=10.7MHz，B0.7=500kHz，Au0=100，Q0=60。晶體管的Y參數(shù)為:yie=(2+j0.5)mS，yoe=(20+j40)μS，yre≈0，yfe=(20-j5)mS。

(1)試畫(huà)出電路的Y參數(shù)等效電路；

(2)試計(jì)算諧振回路的L、C、R。圖3-21例3-1電路圖

解(1)放大器的Y參數(shù)等效電路如圖3-22所示。圖3-22例3-1電路的Y參數(shù)等效電路

例3-2小信號(hào)諧振放大器如圖3-23所示。設(shè)工作頻率f0=10.7MHz，回路電容C=56pF，回路電感L=4μH，空載品質(zhì)因數(shù)Q0=60，接入系數(shù)P1=P2=0.25，電阻R4=10kΩ。晶體管的Y參數(shù)為:yie=(0.96+j1.5)mS，yoe=(0.058+j0.72)mS，yre≈0，yfe=(37-j4.1)mS。

求:(1)畫(huà)出電路的Y參數(shù)等效電路；

(2)諧振放大倍數(shù)Au0；

(3)通頻帶B0.7。

圖3-23-例3-2電路圖

解(1)放大器的Y參數(shù)等效電路如圖3-24所示。圖3-24例3-2電路的Y參數(shù)等效電路

3.4.2多級(jí)單調(diào)諧回路放大器

1.總電壓增益

假設(shè)放大器共有m級(jí)，各級(jí)的電壓增益分別為Au1、Au2……Aum，則電壓總增益(Au)m為

即多級(jí)放大器電壓總增益為各級(jí)電壓增益的乘積。

如果多級(jí)調(diào)諧放大器是由m個(gè)相同參數(shù)(包括晶體管參數(shù)和回路參數(shù))的單級(jí)放大器所組成的，并且它們的中心頻率都調(diào)諧在同一頻率f0上，則有

式中，Au為每級(jí)放大器增益。

2.總通頻帶

當(dāng)m級(jí)相同的放大器級(jí)聯(lián)時(shí)，總的諧振曲線(xiàn)為單級(jí)諧振曲線(xiàn)的乘積，即

根據(jù)式(3-30)可以畫(huà)出m級(jí)相同參數(shù)的多級(jí)放大器的諧振曲線(xiàn)。圖3-25所示為級(jí)數(shù)分別是m=1、m=2、m=3的諧振曲線(xiàn)。顯然，級(jí)數(shù)m愈多，諧振曲線(xiàn)愈尖銳，選擇性愈好，但是通頻帶變窄。

那么通頻帶變窄多少呢?為求出多級(jí)放大器的通頻帶，令式(3-30)中2Δf=2Δf0.7，則有

解上式，可得多級(jí)放大器的通頻帶為圖3-25m級(jí)放大器的諧振曲線(xiàn)

3.總選擇性

m級(jí)相同參數(shù)的多級(jí)放大器矩形系數(shù)的表達(dá)式為

故有

根據(jù)式(3-34)可以得到矩形系數(shù)Kr0.1與級(jí)數(shù)m的關(guān)系，如表3-1所示。

3.5小信號(hào)雙調(diào)諧回路諧振放大器

雙調(diào)諧回路諧振放大器是指負(fù)載采用雙耦合回路的晶體管放大器，其典型電路如圖3-26所示。雙調(diào)諧回路諧振放大器電路與單回路放大器相似，本級(jí)晶體管的集電極和下一級(jí)晶體管都是部分接入雙回路，接入系數(shù)分別為P1和P2。

圖3-26雙調(diào)諧回路諧振放大器的典型電路

3.5.1雙調(diào)諧回路放大器的Y參數(shù)等效電路

假設(shè)初、次級(jí)回路本身的損耗很小，可忽略不計(jì)，則可以畫(huà)出雙