第2章 谐振与小信号放大器1gyx.ppt

第第2章章 谐振与小信号选频放大电路谐振与小信号选频放大电路第第2章章 谐振与小信号选频放大电路谐振与小信号选频放大电路2.1 选频电路概述2.2 LC谐振回路选频特性分析2.3 阻抗变换电路2.4 选频电路的计算与设计2.5 高频小信号选频放大电路2.6 集成谐振放大器 高频电路中的无源组件或无源网络主要有高频振高频电路中的无源组件或无源网络主要有高频振荡（谐振）回路、荡（谐振）回路、高频变压器、高频变压器、谐振器与滤波器等谐振器与滤波器等,它们完成信号的传输、它们完成信号的传输、频率选择及阻抗变换等功能。频率选择及阻抗变换等功能。2.1 选频电路概述选频电路概述 谐振选频回路的作用是从众多频率成分中谐振选频回路的作用是从众多频率成分中选出选出有用信号的频率成分，抑制掉不需要的频率成分及有用信号的频率成分，抑制掉不需要的频率成分及噪声与干扰，具有滤波和阻抗变换的功能噪声与干扰，具有滤波和阻抗变换的功能。常用的。常用的选频回路有选频回路有LC谐振回路、晶体谐振器、声表面波谐谐振回路、晶体谐振器、声表面波谐振器等。振器等。O1.0 f0.7070.1BW0.7BW0.1O f1.0BW0.1=BW0.7 通频带通频带BW0.7 选择性选择性 BW0.1 BW0.1 越小，选择性越好越小，选择性越好选频电路特性曲线示例选频电路特性曲线示例选频回路的主要指标有：选频回路的主要指标有：(1)中心频率中心频率 ：在该频率上传输系数最大。：在该频率上传输系数最大。(2)通频带通频带 （）：当传输系数下降到最大值的）：当传输系数下降到最大值的（即（即-3dB）时，所对应的上下限频率的差。）时，所对应的上下限频率的差。(3)矩形系数矩形系数 ：当传输系数下降到最大值的：当传输系数下降到最大值的0.1倍时倍时对应的频带宽度和通频带之比。矩形系数越小说明选择对应的频带宽度和通频带之比。矩形系数越小说明选择性越好，理想情况下性越好，理想情况下 =1说明可以把通频带以外的信说明可以把通频带以外的信号全部滤掉。矩形系数的定义如下：号全部滤掉。矩形系数的定义如下：通常通频带与选择性矛盾，通常通频带与选择性矛盾，用矩形系数用矩形系数K 0.1综合评价综合评价 K 0.1越越接近接近1,选择性越好选择性越好 通带增益通带增益 Auo 2.2 LC谐振回路选频特性分析谐振回路选频特性分析高频谐振回路是高频电路中应用最广泛的无源网络，它高频谐振回路是高频电路中应用最广泛的无源网络，它除了能实现选频滤波外，还能实现阻抗变换，移相和相除了能实现选频滤波外，还能实现阻抗变换，移相和相频转换功能，并可以直接作为负载使用。在微波段，振频转换功能，并可以直接作为负载使用。在微波段，振荡回路还可以用传输线实现，从电路的角度看，它总是荡回路还可以用传输线实现，从电路的角度看，它总是由电感和电容以串联或并联的形式构成回路。由电感和电容以串联或并联的形式构成回路。在某一特定频率上谐振回路阻抗的虚部为零，即呈现为在某一特定频率上谐振回路阻抗的虚部为零，即呈现为纯电阻，此时回路阻抗具有最大或最小值的特性，称为纯电阻，此时回路阻抗具有最大或最小值的特性，称为谐振特性，这个特定频率称为谐振频率。利用其谐振特谐振特性，这个特定频率称为谐振频率。利用其谐振特性可以实现频率选择，因此在高频电路中得到广泛应用。性可以实现频率选择，因此在高频电路中得到广泛应用。以下我们分别讨论并联谐振回路，串联谐振回路，及抽以下我们分别讨论并联谐振回路，串联谐振回路，及抽头并联回路性能。头并联回路性能。2.2.1 并联谐振回路并联谐振回路令上式虚部为零可得 式中Q为回路的品质因数（固有品质因素）简单并联谐振回路如图所示，简单并联谐振回路如图所示，L为电感线圈，为电感线圈，r是其损耗是其损耗电阻，电阻，C为电容。其中为电容。其中r很小，一般可以忽略。当信号角很小，一般可以忽略。当信号角频率为频率为 时，回路的并联阻抗为时，回路的并联阻抗为 Is.LCr定义为谐振时回路储存的能量与谐振时回路损耗的能量之比。高频电路中一般Q值较大（Q1）所以并联回路的谐振频率可写为它也是回路的中心频率。谐振时的感抗或容抗称为回路的特性阻抗谐振时回路的阻抗最大为一纯阻则式（2.1）可写作当信号频率 在回路谐振频率 附近，相差不大时LrCLCRp=L/rC则式可写 阻抗的幅频特性和相频特性表达式分别是 阻抗幅频特性 阻抗相频特性 令频特性中 2.矩形系数矩形系数 理想的滤波器的幅频特性应该是一个矩形，通频带内信号被输出，带外信号被滤除。谐振回路的幅频特性接近矩形的程度，用矩形系数描述。令 可得1.通频带通频带则矩形系数矩形系数远大于1，故回路的选择性差。回路的矩形系数与品质因数回路的矩形系数与品质因数Q大小无关。大小无关。3.回路的相频特性回路的相频特性回路谐振时，回路呈纯阻，不对信号附 加相移。回路失谐时，小于零，回路呈容性。大于零，回路呈感性。(a)阻抗幅频特性(b)阻抗相频特性Q值对回路性能影响 2.2.2 串联谐振回路串联谐振回路 串联谐振回路与并联回路是对偶的电路，其电路组成如图，串联回路与并联回路的电抗特性互为对称。L为电感线圈，r是其损耗电阻，C为电容。其中r很小，一般可以忽略。当信号角频率为时，回路的串联阻抗为 令虚部为零，回路谐振，此时阻抗最小为r，谐振频率为此时，在电压激励下产生电流在任意频率下形成的电流为通频带和矩形系数 串联谐振回路阻抗的幅频与相频曲线如图(a)幅频特性曲线(b)相频特性曲线2.3 阻抗变换电路阻抗变换电路2.3.1 信源与负载阻抗对选频电路的影响信源与负载阻抗对选频电路的影响 在实际的谐振回路应用中，信源和负载必须接入振荡在实际的谐振回路应用中，信源和负载必须接入振荡回路，信源内阻和负载阻抗将会对谐振回路产生如下影回路，信源内阻和负载阻抗将会对谐振回路产生如下影响：响：(1)降低了回路品质因素降低了回路品质因素(2)使得回路的选择性变差，通频带变宽使得回路的选择性变差，通频带变宽(3)使得回路的谐振频率发生偏移使得回路的谐振频率发生偏移 所以必须采用阻抗变换电路来消除这些不利的影响，所以必须采用阻抗变换电路来消除这些不利的影响，同时通过阻抗变换实现阻抗匹配，还可以高效传输功率同时通过阻抗变换实现阻抗匹配，还可以高效传输功率到负载，发挥电路最佳性能；也可以改善天线、混频器到负载，发挥电路最佳性能；也可以改善天线、混频器等电路的噪声系数。等电路的噪声系数。阻抗变换网络首先应是无损耗的，阻抗变换有多种方法，可以采用集中参数电抗元件构成，也可采用分布参数的微带构成，采用集总参数的电感和电容或变压器构成的匹配网络可以是窄带网络，也可以是宽带网络。对于窄带网络不仅要完成阻抗变换，还要完成滤波功能。2.3.2 基本阻抗变换电路基本阻抗变换电路 1.变压器阻抗变换变压器阻抗变换变压器是靠磁通交链,或者说是靠互感进行耦合的。高频变压器有如下特点：(1)为了减少损耗,高频变压器常用导磁率高、高频损耗小的软磁材料作磁芯。理想变压器理想变压器初级匝数 次级匝数 则变比为 。次级所接负载为时 ，从初级看等效阻抗可以根据功率相等得到 除此以外，还可以用传输线变压器实现阻抗变换。(2)高频变压器一般用于小信号场合,尺寸小,线圈的匝数较少。2.部分接入进行阻抗变换部分接入进行阻抗变换 采用抽头回路的阻抗变换电路，包括电感分压与电容分压两种，如图所示，通过改变抽头系数，从而使信源与负载的阻抗实现匹配。定义接入系数 式中 是信源端（或负载端）电压，是回路端电压。考虑窄带高Q值的情况,对图中的各电路，设回路谐振或失谐量不大时,由功率相等，即:得:对于电感分压,设总匝数N,抽头点匝数N1则接入系数为对于电容分压，其系数为2.4 选频电路的计算与设计选频电路的计算与设计我们通过例子说明电路的工作原理例2.1如图，已知一个LC并联回路的参数,求(1)回路谐振频率 ，品质因数Q和谐振时回路等效 阻抗 (2)当信号频率偏离谐振频率 时，对应的 阻抗和相移 解：(1)谐振频率为品质因素为 谐振电阻为:(2)当频率偏移 时，偏移较小，对应的阻抗和相移通过下式计算 例 2.2 试计算上题中回路的通频带 ，如果要求通频带 ，求在回路两端并联多大电阻以降低回路Q值。解：回路通频带为了使通频带展宽，需要并联负载电阻使回路品质因数（称为有载品质因数）此时对应回路阻抗为而 ，故即需要在回路两端并联电阻 ,可使通频带变宽为例2.3 如图,要求把负载 变成信源端阻抗 ,已知中心频率 以及要求带宽为 ,请选择L,C的值。解：据带宽和谐振频率算得由并联回路Q值得感抗可得到电感L值大小.同理可算出回路总电容由 和 求得接入系数而 由此可求出 和 的值。例例 下图中，下图中，线圈匝数线圈匝数 N12=10 匝，匝，N13=50 匝，匝，N45=5 匝，匝，L13=8.4 H,C=51 PF,Q=100,Is=1 mA,RS=10 k,RL=2.5 k,求有载求有载品质因数品质因数QT、通频带通频带BW0.7、谐振输出电压谐振输出电压Uo。IsCUo123+RLRs54=250 k=250 k 解：解：将将Is、RS、RL均折算到并联谐振回路均折算到并联谐振回路1-3两端两端13IsCUo+RLRsRpL13=40.6 k IsCUo+RLRsRpL1313IsCUo123+RLRs54IsCUo+RTL13RT=Rs/Rp/RL=30.6 k BW0.7=f 0/QT=103 kHz